Ученые раскрыли, как в человеческих клетках работает один из главных механизмов починки ДНК. Результаты исследования, опубликованные в eLife как рецензированная препринт-версия, редакторы журнала назвали прорывом. Работа детально объясняет, как белок RAD51 — ключевой участник репарации — помогает обмениваться цепями между молекулами ДНК с похожими последовательностями. Эти данные критически важны для тех, кто изучает восстановление ДНК и стабильность генома.

Гомологичная рекомбинация (HR) — один из основных способов ремонта поврежденной ДНК. Она чинит двуцепочечные разрывы и обеспечивает перекрест хромосом при половом размножении. Если HR ломается, клетки чаще превращаются в раковые. А если искусственно нарушить эту систему в опухолях (метод синтетической летальности), можно их убить.

Главное преимущество HR — точность. В клетках с ядром за нее отвечает фермент RAD51. Он садится на одноцепочечную ДНК в месте поломки, формируя нитевидную структуру — филамент. Этот филамент ищет совпадающую последовательность в сестринской хроматиде или гомологичной хромосоме, «внедряется» в нее и создает трехцепочечную петлю (D-петлю). Затем происходит обмен цепями, но как именно — до сих пор было неясно.

Мы получили криоэлектронно-микроскопическую структуру, которая показывает, как человеческий Rad51 крепко держит сломанную ДНК, — говорит Луай Джудэ, соавтор работы из Кембриджа. — Впервые видно, как идет обмен цепями при рекомбинации.

Ученые создали в лаборатории образец D-петли с RAD51 и рассмотрели его под криоэлектронным микроскопом. Они сделали тысячи снимков, собрали из них 3D-модель и увидели, как именно компоненты HR взаимодействуют во время обмена.

Оказалось, RAD51 расплетает двойную спираль донорской ДНК, вставляя между цепями «разделители» — L2-петли. Каждая такая петля обнажает три нуклеотида, чтобы вторгающаяся цепь могла проверить, подходят ли они.

Интересно, что на одном конце D-петли L2-петли RAD51 сильно раскрывают ДНК, а на другом почти не влияют на нее, — объясняет Лука Пеллегрини, руководитель исследования. — Видимо, у процесса есть предпочтительное направление, а сами петли гибкие и работают по-разному.

Еще один неожиданный момент: вторгающаяся цепь связывается со всей комплементарной последовательностью, кроме одного нуклеотида. Ученые предполагают, что раскручивание ДНК мешает ему встать на место. А в другом конце D-петли обнаружили несовпадение пар — значит, система иногда допускает ошибки.

Наконец, структура показала, что заменяемая цепь попадает в канал внутри комплекса RAD51, который помогает ее вытеснить. Удалось даже определить, какие части белка формируют этот канал.

Теперь мы можем объяснить, как RAD51 направляет сломанную ДНК, разделяет цепи, захватывает заменяемую цепь и проводит обмен, — говорит Роберт Эпплби, соавтор исследования.Наша модель D-петли RAD51 дает фундаментальное понимание гомологичной рекомбинации, — подводит итог Пеллегрини. — Это поможет изучать репарацию ДНК в норме и при болезнях, а также разрабатывать терапию рака.

Этот прорыв важен не только для фундаментальной науки. Понимание механизма HR:

• Поможет создать более точные методы редактирования генома (вроде CRISPR, но с меньшим числом ошибок).
• Откроет новые мишени для борьбы с раком: если научиться избирательно ломать HR в опухолях, их можно будет убивать, не трогая здоровые клетки.
• Объяснит, почему некоторые мутации ведут к наследственным болезням — например, в генах BRCA1/2, связанных с раком груди.

Единственный минус — структура получена in vitro, а в живой клетке на RAD51 влияют десятки других белков. Возможно, в реальности процесс выглядит сложнее.

Ранее ученые определили ключевые факторы механизма восстановления ДНК.