Vědci zkoumají, jak se opravuje DNA

Vědci z Masarykovy univerzity zkoumají protein RAD51, jehož mutace jsou asociovány s nádory prsu nebo vaječníků, ale třeba i se vzácnými formami leukemie. Své poznatky publikovali v prestižním časopise Molecular Cell.

Organismy jsou složené z milionů buněk, které si dělením zajišťují svou regeneraci. Při každém dělení je klíčovým krokem kopírování genetické informace, která je nositelem základních vlastností organismu. „Při dělení buněk však dochází k obrovskému množství chyb. Bylo zjištěno, že během dělení jedné buňky může dojít k 100 až 500 tisícům poškození. To je pro organismus ohromné nebezpečí. Je proto logické, že se během evoluce vyvinula celá řada opravných mechanismů, které se snaží poškození odstranit. Je nutné zdůraznit, že popisuji čistě vnitřní poškození buněk v jinak zdravém organismu. Kdybychom buňky ozařovali nebo na ně působili toxickými látkami, byla by ta čísla i exponenciálně vyšší,“ říká docent Lumír Krejčí z Národního centra pro výzkum molekul Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity v Brně a FNUSA-ICRC.

Mutace s následky

Typů poškození je v buňkách celá řada a badatelé z brněnské univerzity se v současnosti zabývají studiem opravy tzv. dvouřetězcových zlomů. „Při vzniku těchto zlomů dojde v podstatě k roztržení DNA. Tento typ poškození patří k nejtoxičtějším – stačí jeden neopravený dvouřetězcový zlom a může dojít k úmrtí buňky,“ vysvětluje nebezpečí docent Krejčí. Buňky mají dva základní mechanismy oprav. Prvním je nehomologní způsob, což si můžeme představit jako opravný systém lepicí páskou. Dva konce zlomu se opět spojí dohromady a slepí. „A stejně, jako když doma slepíte rozbitou vázu lepidlem, je oprava na DNA vidět. Je to sice velmi rychlý a elegantní způsob, jak ji udržet pohromadě, ale téměř vždy to vede k mutacím, které mohou mít dalekosáhlé následky. Změna se totiž může týkat jen jednoho nukleotidu, ale stejně tak může jít i o část celého chromozomu,“ přibližuje problematiku opravy Lumír Krejčí.

Duplikát jako z kopírky

Druhou variantou opravy buňky je homologní rekombinace. Na první pohled vypadá daleko přesněji. Vzhledem k tomu, že při replikaci dochází k vytvoření dvou sesterských identických chromatid, lze jednu použít jako templát (matrici) k opravě druhé, poškozené DNA. Princip opravy je tedy podobný, jako když si děláme duplikát na kopírce. „Ač se toto řešení může zdát velmi elegantní, z evolučního hlediska je homologní rekombinace spíše potlačována. Jako hlavní typ opravy ji využívají kvasinky, ale čím jdeme evolučně výš, tak se poměr mění ve prospěch nehomologní varianty. U lidí řeší nehomologní typ devět z deseti oprav všech dvouřetězcových zlomů,“ pokračuje docent Krejčí.

Když je oprava dlouhá a neefektivní

Důvodů je hned několik. Homologní rekombinace je sice přesná, ale trvá velmi dlouho. Buňka má přitom jasně definovaný čas, během něhož se musí rozdělit. Dalším problémem je, že naše chromozomy obsahují celou řadu repetitivních sekvencí. Dvě stejné sekvence se mohou vyskytovat na úplně jiných chromozomech. „Buňka tak může najít při homologní rekombinaci požadovanou sekvenci jinde a začne kopírovat ze špatného chromozomu. Stejně jako kdybyste hledali konkrétní větu, která se vyskytuje ve dvou různých kapitolách, a vybrali si ke kopírování tu špatnou. To pak vede k daleko větším problémům než nečistě opravený řetězcový zlom pomocí nehomologního spojování konců,“ upozorňuje Lumír Krejčí. Z tohoto důvodu buňka využívá precizní homologní rekombinaci pouze na dobu buněčné S fáze. Během ní se právě replikuje jaderná DNA a využívá se sesterská chromatida, která se v této části dělení vyskytuje v bezprostřední blízkosti. V ostatních etapách buněčného cyklu je tato oprava spíše potlačena. Ve zmíněné S fázi může ale také nastat moment, že oprava je pro buňku dlouhá a neefektivní. To může vést ke vzniku mutací, které se mohou odrazit na zdravotním stavu jedince nebo se šířit v populaci, což je hlavním důvodem, proč se tomu problému věnujeme,“ říká docent Krejčí. Mutace proteinů, které se podílejí na zmíněných opravných mechanismech, mají v drtivé většině vliv na vývoj onkologických onemocnění.

Editor a text

Například mutace v proteinu RAD51, jehož studiu se docent Krejčí věnuje, jsou spojovány s nádory prsu, vaječníků, ale třeba i vzácnou Fanconiho anemií. Pokud zmíněný opravný mechanismus nefunguje, vzrůstá počet mutací, a to vede ke zvýšenému výskytu nádorových onemocnění. „Protein RAD51 jsme začali studovat před mnoha lety. I když je docela dobře biochemicky charakterizován, nevěděli jsme, jak je regulován. Protein můžeme přirovnat k editorovi, který dostane zkopírovaný text. Papír se ale na kopírce pokrčil, což se přeneslo i na editorovu kopii. Je na ní tedy bílé místo – chyba. A my můžeme vnímat protein RAD51 právě jako editora, který když najde chybu, může ji doplnit stejnou sekvencí v DNA. Je nutné říct, že sám to udělat neumí. Pozná chybu, ale nepřečte, co přesně chybí. Klíčovou roli přitom hrají protein BRCA2, jenž je spojovaný s rakovinou prsu a vaječníků, a skupina proteinů nazývaná RAD51 paralogy, jejichž mutace rovněž přispívají ke vzniku nádorových onemocnění. Nevědělo se, proč mutace v úplně odlišných genech vedou ke vzniku podobných typů nádorů. Už dříve se zjistilo, že BRCA2 pomáhá proteinu RAD51, aby si na DNA „nasedl“. V naší nejnovější práci jsme objasnili úlohu RAD51 paralogů, které se podílejí na aktivaci proteinu RAD51. Tak může protein začít plnit svou úlohu – vyhledat homologní informaci DNA, a tím zprostředkovat opravu zlomu. Zjistili jsme, že nefunkční RAD51 paralogy tak mohou dávat podnět ke vzniku nádorů podobně jako mutace v BRCA2 genu,“ vysvětluje docent Krejčí.

Jak dochází k nemoci

„Náš výzkum přispěje k objasnění, jak dochází ke vzniku zmíněných nádorových onemocnění. My tedy víme, že mutace v BRCA2 i v RAD51 paralozích mají různý vliv na opravný proces v DNA. Pokud budeme studovat vlastní mechanismus dál, může se objevit způsob, jak jej v případně poškození vrátit do původního stavu. Znamená to, že přidáním nějaké sloučeniny bychom mohli chybějící nebo nefunkční protein nahradit. Musíme tento proces poznat do detailů. Na závěr je rovněž potřeba zmínit, že nádorové buňky jsou schopny tyto opravné procesy zneužít, aby zajistily svou ochranu před působením léčiv, což má za následek vznik rezistence. Takže i inaktivace DNA opravných procesů může mít svůj terapeutický potenciál,“ uzavírá Lumír Krejčí.

**

Fáze buněčného cyklu

G1 fáze (1. přípravná)

• začíná v okamžiku, kdy se po rozdělení mateřské buňky stává dceřiná buňka soustavou schopnou samostatné existence • končí zahájením replikace jaderné DNA

S fáze (syntetická)

• replikace jaderné DNA (zdvojení množství DNA), současná rychlá spřažená syntéza histonů (H2A, H2B, H3, H4 a H1), aby se mohly tvořit nové nukleosomy a chromatinové vlákno • replikace vlákna 3´› 5´: DNA polymeráza, kontinuální replikace • replikace vlákna 5´› 3´: DNA polymeráza, diskontinuální replikace • Telomeráza: dosyntetizuje DNA na koncích chromozomu • na konci chromatidy spojeny v místě centromery; dvojnásobná genová dóza buněk

G2 fáze (2. přípravná)

• závislá na dokončení replikace DNA v S fázi

M fáze (mitotická)

• jaderné dělení, poslední etapa buněčného cyklu

Lumír Krejčí

Ohodnoťte tento článek!