Об удвоении хромосом и механизмах регуляции этого процесса
30 октября 2014 в журнале Cell Reports была опубликована статья с описанием механизма регуляции репликации ДНК белком SUUR. Мы попросили прокомментировать эти результаты одного из авторов исследования, кандидата биологических наук Алексея Пиндюрина.
Делению каждой клетки предшествует удвоение числа хромосом. Основу хромосом составляют молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), которые и должны быть удвоены (реплицированы). Своевременность, точность и завершенность репликации ДНК находятся в клетке под особым контролем.
Удвоением ДНК занимается специализированный многокомпонентный белковый комплекс реплисома (replisome). Процесс репликации ДНК начинается в особых районах хромосом — ориджинах репликации (origins of replication). Затем на так называемой стадии элонгации от каждого ориджина в противоположные стороны двигаются две реплисомы. Реплисомы, двигающиеся от двух соседних ориджинов навстречу друг другу, полностью удваивают соответствующий фрагмент ДНК. При этом не все репликоны (участки между двумя точками начала репликации) удваиваются одновременно. Разница во времени репликации обусловлена, по крайней мере, двумя причинами. Во-первых, ориджины репликации располагаются в геноме неравномерно. Как следствие, для удвоения более длинных репликонов требуется больше времени. Во-вторых, не все ориджины репликации начинают работать в одно и то же время. Как правило, сначала реплицируются последовательности ДНК активных генов, а затем остальные последовательности. Процесс начала репликации на ориджинах изучен достаточно хорошо, и было принято считать, что удвоение ДНК регулируется преимущественно на этой стадии.
Обычно клеточный цикл представляет собой репликацию ДНК, расхождение хромосом и собственно деление клетки. В некоторых тканях, например в печени, хромосомы удваиваются, но из-за отсутствия деления образуются клетки с увеличенным числом хромосом (полиплоидные клетки). В некоторых специализированных тканях двукрылых насекомых нарушается также и расхождение дуплицированных хромосом друг от друга. Таким образом, после нескольких циклов удвоения ДНК образуются гигантские политенные хромосомы, которые в силу своего большого размера являются очень удобным объектом для разных исследований, включая и репликацию ДНК.
Уже давно было известно, что определенные фрагменты ДНК в политенных хромосомах дрозофилы представлены значительно меньшим числом копий из-за того, что процесс их репликации нарушен. Эти так называемые «недореплицированные» районы хромосом обладают повышенной ломкостью. В конце прошлого века сотрудники нашего института выявили фактор, который отвечает за этот феномен. Им оказался белок SUUR (Suppressor of UnderReplication). Чуть позднее было показано, что недореплицированные районы часто лишены ориджинов репликации, поэтому их удвоение полностью зависит от реплисом, приходящих извне. Каким именно образом белок SUUR нарушает процесс репликации ДНК, было неясно. Предполагалось, что этот белок может выполнять барьерную функцию на границе районов недорепликации, сильно замедляя или даже полностью останавливая продвижение реплисом.
В настоящей работе мы вместе с коллегами из Медицинского центра Эразма (Нидерланды) и Массачусетского технологического института (США) показали, что белок SUUR воздействует на репликацию ДНК совершенно неожиданным способом. Вместо того чтобы локализоваться в определенных местах хромосом и блокировать продвижение реплисом через них, этот белок перемещается вместе с реплисомами и при этом притормаживает их. Мы обнаружили, что SUUR взаимодействует с одним из белков, участвующих в расплетении двойной спирали ДНК — процессе, который осуществляется компонентами реплисомы и непосредственно предшествует синтезу дочерних цепей. Имеющиеся данные указывают на то, что тормозящая активность белка SUUR модулируется характерными сочетаниями белков упаковки ДНК и регуляторов активности генов.
Для чего требуется такой дополнительный механизм регуляции процесса репликации ДНК, по-прежнему остается неясным. Однако теперь становится понятно, каким образом возникают ломкие сайты политенных хромосом у дрозофилы. Необходимо отметить, что в хромосомах человека также имеются сайты, в которых при умеренном репликативном стрессе цепи ДНК могут удваиваться не полностью. В результате это приводит к хромосомным перестройкам и может вызывать нарушения развития, умственную отсталость и различные раковые заболевания. Можно предполагать, что причина возникновения таких ломких сайтов хромосом кроется в нарушении процесса репликации ДНК именно на стадии элонгации.
