Dostęp Otwarty

Historia medycyny

Jak komórki naprawiają uszkodzone DNA

Mgr Kinga Bonenberg

Oto odkrycie, które zmieniło nasze rozumienie podstaw życia i dało nadzieję na zwalczenie m.in. chorób nowotworowych

Nagrodę Nobla z zakresu chemii zdobyli w tym roku trzej naukowcy, pochodzący ze Szwecji, Turcji i Stanów Zjednoczonych: Tomas Lindahl, profesor chemii medycznej i fizycznej, emerytowany dyrektor Cancer Research UK w Clare Hall Laboratory w Hertfordshire (Wielka Brytania), Paul Modrich, aktualnie w Howard Hughes Medical Institute, profesor w Duke University School of Medicine (Durham, USA), oraz Aziz Sancar, profesor biochemii i biofizyki na University of North Carolina School of Medicine (Chapel Hill, USA). Nobel przyznano za badania nad mechanizmami naprawy DNA, a dokładnie nad „wyjaśnieniem na poziomie molekularnym, w jaki sposób komórki naprawiają uszkodzone DNA i chronią informację genetyczną”.

Tomas Lindahl, czyli naprawa

Small 1 lindahl postcard opt

Ryc. 1. Prof. Tomas Lindahl – poszukiwacz „biochemicznego ratownika”.

Gdy Tomas Lindahl (ryc. 1) rozpoczynał badania pod koniec lat 60. XX wieku, świat naukowy nie wyobrażał sobie, by cząsteczki DNA były podatne na uszkodzenie. Zgodnie z ówczesną wiedzą ewolucja, owszem, wymagała mutacji, ale tylko minimalnej ilości w każdym pokoleniu. Jeśli informacja genetyczna byłaby zbyt niestabilna, żaden wielokomórkowy organizm nie mógłby istnieć, jak logicznie dowodzono. Lindahl, wówczas młody, zaczynający swoją przygodę z nauką człowiek, zainteresowany był krewnym DNA, czyli cząsteczkami kwasu rybonukleinowego. W trakcie swoich badań zaobserwował to, o czym już wcześniej donoszono w szeregu publikacji, że RNA jest podatne na uszkodzenia w wyniku stosunkowo niewielkiego nawet oddziaływania niekorzystnych czynników zewnętrznych. Idąc tym tropem, postanowił przyjrzeć się uważniej cząsteczkom DNA. Wiele eksperymentów później Lindahl był w stanie udowodnić, że istotnie jego podejrzenia są zasadne, a nasz genom narażony jest na tysiące potencjalnych uszkodzeń każdego dnia. Ilość ta w ewidentny sposób zaprzeczała dotychczasowym przekonaniom o nienaruszalności DNA. Wniosek mógł być tylko jeden – muszą istnieć na poziomie molekularnym jakieś systemy naprawcze, które w takich przypadkach rozpoczynają swoje działanie. Jeśliby ich nie było, to życie biologiczne w ogóle nie byłoby możliwe. Jak słusznie przypuszczał, kluczem do rozszyfrowania tej zagadki były wyselekcjonowane enzymy, które zaczynają działać natychmiast po wystąpieniu uszkodzenia. Niczym „biochemiczny ratownik” przystępują one do usuwania szkód i odtworzenia prawidłowej budowy. Lindahl, drążąc problem, zdołał ustalić molekularny mechanizm naprawy DNA przez wycinanie pojedynczej zasady w trakcie procesu jego replikacji. Przyjęło się to określać mianem BER (base excision repair). Wyniki swoich doświadczeń opublikował w 1974 roku.

Aziz Sancar, czyli usunięcie uszkodzeń

Small 2 sancar postcard opt

Ryc. 2. Prof. Aziz Sancar – zainteresowany promieniowaniem ultrafioletowym.

Wyniki Lindahla uświadomiły światu naukowemu, że DNA wymaga aktywnego zaangażowania szeregu procesów, aby utrzymać się w stanie względnie stabilnym. Skoro na organizm dorosłego człowieka składa się ok. 37 bln komórek i każda z nich może ulec uszkodzeniu, to natura musiała wytworzyć skuteczny system ochrony aktywnej. Zaczęto zatem badać warunki, w jakich może dojść do uszkodzenia DNA przez środowiskowe czynniki zewnętrzne, chemiczne i fizyczne, w tym również promieniowanie UV. Jak się miało okazać, mechanizm wykorzystywany przez większość komórek do naprawy szkód spowodowanych przez promieniowanie UV, takich jak poważne uszkodzenie struktury podwójnej helisy, to proces prowadzący do wycięcia nukleotydu, czyli NER (nucleotide-excision repair). Jego istotę przebadał urodzony w tureckim Samur prof. Aziz Sancar (ryc. 2). Lekarz z wykształcenia, zainteresowany wpływem promieniowania ultrafioletowego na proces powstawania i rozwoju nowotworów skóry, chcąc zgłębić ten problem, wkroczył na grunt badań biochemicznych. W laboratorium Uniwersytetu Teksasu prowadził doświadczenia na koloniach bakteryjnych poddawanych silnym dawkom promieniowania UV. Podczas swoich intensywnie przeprowadzanych eksperymentów Sancar zaobserwował niezwykle interesujące zjawisko, którego istota początkowo była trudna do zrozumienia. Otóż bakterie, które napromieniowano śmiertelną dawką UV, odzyskiwały pełnię sił witalnych, jeśli ich kolonie zostały poddane wpływowi niebieskiego światła widzialnego. W 1976 roku, będąc członkiem grupy badawczej na University of Texas w Stanach Zjednoczonych, Sancar sklonował gen enzymu naprawiającego uszkodzone DNA w wyniku promieniowania UV. Co więcej, wymusił w warunkach eksperymentalnych nadprodukcję enzymu przez bakterię. I jak to często w nauce bywa, jego sukces został nie tylko niedoceniony, ale wręcz zlekceważony. Napisany w oparciu o uzyskane wyniki doktorat przeszedł bez echa, a jego usilne starania na trzech amerykańskich uczelniach, by zyskać etat naukowy, spełzły na niczym. Zdesperowany, ale i zdeterminowany wystarał się o posadę laboranta! Tym właśnie sposobem wszedł w skład zespołu naukowego na Uniwersytecie Yale. To właśnie wtedy w słynnym eksperymencie in vitro pokazał, że wyodrębnione przezeń wcześniej enzymy identyfikują uszkodzenia powstałe w wyniku promieniowania UV, a następnie dzięki wykonaniu dwóch nacięć w nici DNA po jednym z każdej ze stron uszkodzonej części, nukleotyd wraz z uszkodzeniem jest usuwany. W latach 80. XX wieku, pracując wówczas na University of North Carolina, Sancar rozpoczął badania nad naprawą przez wycięcie nukleotydu (NER) u człowieka. Ludzkie molekularne mechanizmy naprawcze okazały się jednak bardziej skomplikowane niż w przypadku bakterii, chociaż z punktu widzenia reakcji chemicznych NER funkcjonuje podobnie we wszystkich organizmach. Po latach udało mu się powrócić do badań nad fotolizą i zidentyfikować mechanizmy odpowiedzialne za przywracanie bakterii do życia. Udowodnił ponadto, że ludzki odpowiednik fotolizy pomaga nam ustawić nasz zegar okołodobowy.

Paul Modrich, czyli zmniejszyć częstość błędów

Small 3 modrich postcard opt

Ryc. 3. Prof. Paul Modrich i teorie drogowskazów.

Trzeci z tegorocznych noblistów prof. Paul Modrich (ryc. 3) zajmował się problematyką DNA niemal od początku swej kariery naukowej od Stanford po Duke University. W kierunku biologii molekularnej pchnął go jego ojciec, nauczyciel przyrody, którego fascynowało nagrodzone Noblem odkrycie podwójnej helisy DNA. Szczególnie interesowały go enzymy mające bezpośredni wpływ na zachowanie się DNA. Pod koniec lat 70. XX wieku zwrócił baczniejszą uwagę na enzym oznaczony jako metylotransferaza Dam, która odpowiadając za przyłączenie grup metylowych do DNA, stała się odtąd jednym z kluczowych zagadnień w jego badaniach. Wykazały one, że te grupy metylowe mogą funkcjonować jako swoiste drogowskazy naprowadzające konkretny enzym restrykcyjny w przecięciu nici DNA we właściwym miejscu.

Tymczasem już parę lat wcześniej biolog molekularny pracujący na Harvard University Matthew Meselson zasugerował inną funkcję sygnalizującą dla grup metylowych DNA. Udało mu się skonstruować wirusa bakteryjnego, dzięki czemu mógł uzyskać kilka niedopasowanych zasad w pojedynczej cząsteczce DNA. Po zarażeniu bakterii tymi wirusami bakteria niemal natychmiast korygowała niedopasowania. Pod koniec lat 70. XX wieku nikt nie potrafił odpowiedzieć na pytanie, dlaczego tak się działo. Jedna z hipotez Meselsona brzmiała, że może być to spowodowane mechanizmami naprawczymi, korygującymi błędne pary, które występują podczas replikacji DNA. Zgodnie z tą hipotezą, gdyby faktycznie istniały takie mechanizmy, wówczas najprawdopodobniej grupy metylowe na DNA pomagałyby bakterii w zidentyfikowaniu, które z nici wykorzystać jako matrycę podczas korekty, ponieważ w nowej nici DNA, czyli błędnej replice, nie zaszedł jeszcze proces metylacji.

Badania nad procesami metylacji połączyły Paula Modricha i Matthew Meselsona. Razem stworzyli wirus z kilkoma niedopasowaniami w DNA oraz z wykorzystaniem metylotransferazy Dam w celu dodania grup metylowych do jednej z nici DNA. Gdy doszło do zarażenia bakterii tymi wirusami, bakteria konsekwentnie korygowała nić DNA, w której brakowało grup metylowych. Konkluzja obu naukowców brzmiała: naprawa błędnych połączeń DNA jest naturalnym procesem, zachodzącym podczas kopiowania DNA, który koryguje niezgodności, rozpoznając wadliwą nić dzięki temu, że nie zaszedł jeszcze proces metylacji. Dla Paula Modricha zapoczątkowało to mozolny okres systematycznego klonowania i oznaczania jednego enzymu za drugim w procesie niesparowanych napraw. Pod koniec lat 80. XX wieku był w stanie odtworzyć skomplikowany mechanizm molekularnej naprawy in vitro i dokładnie go przebadać. Wyniki swoich wieloletnich badań opublikował w 1989 roku, demonstrując, w jaki sposób komórki korygują błędy, do których dochodzi podczas ich podziału, czyli przy replikacji DNA. Ten mechanizm – naprawa niesparowanych zasad (mismatch repair – MJR) – pozwala zmniejszyć częstotliwość błędów podczas replikacji DNA mniej więcej tysiąckrotnie.

∗∗∗

Nie ulega obecnie wątpliwości, że badania nad mechanizmami naprawczymi DNA zmieniły całkowicie nasze rozumienie podstaw życia organizmów żywych, zarówno w ich fizjologicznym, jak i patologicznym wymiarze, dając nadzieję na odkrycie skutecznych metod zwalczania najgroźniejszych schorzeń, w tym chorób nowotworowych.