CC BY
83
■ НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.NEFTEGAZOHIMIYA.RU НОБЕЛЕВСКИЕ ЛАУРЕАТЫ -ф
НОБЕЛЕВСКАЯ ПРЕМИЯ
ПО ХИМИИ - 2015
О ПОЛОМКАХ В ДНК, СИСТЕМАХ ВОССТАНОВЛЕНИЯ И НОВЫХ ВОЗМОЖНОСТЯХ В БОРЬБЕ С ОНКОЛОГИЕЙ И ПОНИМАНИИ ПРОЦЕССОВ СТАРЕНИЯ
AÍ
щщ
яВ\
Что происходит? При репликации двухце-
почечной молекулы ДНК всегда возникают
ошибки. Это происходит за счет того, что
фермент, ответственный за копирование
каждой цепи, ошибается. Кроме того, различные химические воздействия, а также радиация и даже солнечный свет, приводят
к накоплению таких ошибок и без репликации, то есть это постоянный процесс. И чтобы жизнь существовала и изменения,
приводящие в конечном счете к мутациям, большинство из которых понижают приспособленность организма, не накапливались в слишком большом количестве, необходима система репарации, то есть система
исправления ошибок в ДНК.
7 октября были объявлены лауреаты Нобелевской премии по химии 2015 года. Ими стали британец шведского происхождения Томас Линдаль (Tomas Lindahl), американец Пол Модрич (Paul Modrich) и американец турецкого происхождения Азис Санджар (Aziz Sancar).
Нобелевский комитет отметил вклад этих ученых в исследование механизмов восстановления (репарации) ДНК - важной внутриклеточной системы, нацеленной на поиск и исправление многочисленных повреждений, возникающих при нормальной репликации ДНК в клетке или в результате воздействия физических или химических агентов. Нарушение работы этой системы связано с целым рядом тяжелых наследственных болезней, да и вообще, без нее сложные формы жизни вряд ли бы могли существовать.
Формулировка премии в этом году звучит так: «За раскрытие механизмов репарации ДНК».
Томас Линдаль и эксцизионная репарация оснований
Томас Линдаль родился в 1938 году в Стокгольме, Швеция.
В 1967 году получил степень доктора философских наук (PhD), в 1970 году - доктора медицинских наук (MD) в Каролинском институте в Стокгольме, Швеция. После получения степени доктора философских наук занимался научными исследованиями в Прин-стонском университете в Нью-Джерси (США) и Университете Рокфеллера в Нью-Йорке (США).
В 1978-1982 годах - профессор медицинской и физиологической химии в университете Гетеборга (Швеция).
В 1981 году переехал в Великобританию, начал работать в фонде исследования рака (в настоящее время Cancer Research UK) в качестве главного ученого.
В 1984-2007 годах был директором Clare Hall Laboratories (лаборатория Научно-исследовательского института рака Великобритании (The Cancer Research UK London Research Institute)). Под его руководством лаборатория стала ведущим центром исследований репарации (восстановления) ДНК.
В настоящее время Томас Линдаль -почетный глава исследовательской группы при Институте имени Фрэнсиса Крика (Francis Crick Institute, Великобритания).
Томас Линдаль является членом шведской и норвежской академий
3 • 2016
НефтеГазоХимия 39
#- НОБЕЛЕВСКИЕ ЛАУРЕАТЫ
Томас Линдаль показывает свою Нобелевскую медаль во время посещения Нобелевского фонда 12 декабря 2015 г.
наук, членом Лондонского королевского общества.
В 2007 году он был награжден Королевской медалью Лондонского королевского общества, в 2010 году награжден медалью Копли - высшей наградой Королевского общества. В 2009 году был удостоен премии Французского института здоровья и медицинского исследования.
7 октября 2015 года Томас Линдаль стал обладателем Нобелевской премии по химии за открытие клеточного инструментария для репараций ДНК.
Молекула дезоксирибонуклеино-вой кислоты очень длинная, она состоит из двух цепочек по несколько сотен тысяч нуклеотидов в каждой. Одна из составляющих каждого ну-клеотида - азотистое основание, то есть их в ДНК тоже сотни тысяч. Всего в ДНК четыре разных вида таких оснований - аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). В РНК роль тимина исполняет урацил (У). По молекулярному строению они все очень похожи и в некоторых условиях могут трансформироваться друг в друга. Проще всего проходит трансформация цитозина в урацил: первому достаточно потерять свою аминогруппу.
В то же время, от того, в каком порядке будет расположено множество нуклеотидов ДНК, зависит строение синтезируемых клеткой белков, а значит, и большинство признаков организма. Соответственно, если
на место какого-нибудь «Ц» встанет «У», последствия для организма могут быть значительными - особенно если учесть тот факт, что азотистые основания во время синтеза ДНК оказываются не на своем месте примерно в одном случае из тысячи. Ричард Докинз в книге «Слепой часовщик» приводит красочный пример того, что происходило бы, не будь возможности исправить такие ошибки в ДНК. Представьте себе ряд наборщиц текста, которым нужно перепечатать объемную книгу. Одна девушка набирает страницу текста и передает ее другой. Та не знает, как выглядел изначальный текст, и может использовать только листок от предыдущей в ряду. Даже очень хорошая наборщица делает в среднем одну опечатку на страницу. Без возможности ее исправить текст уже к тысячной наборщице превращается в бессмысленную кашу. То же самое происходило бы с генами эмбриона животного задолго до образования у него органов, если бы не существовало механизмов исправления ошибок в расположении азотистых оснований.
Все это знал Томас Линдаль. В начале 1970-х годов он обнаружил у бактерий фермент, отыскивающий ошибки в расположении азотистых оснований. Фермент назвали ДНК-гликозилазой. В 1986 году Линдалю удалось выделить и клонировать ген этого фермента и расшифровать механизм работы ДНК-гликозилазы. Выяснилось, что гликозилаза находит и вырезает один-единственный нуклеотид с «чужим» азотистым основанием. Затем он заменяется на «правильный», после чего фермент лигаза сшивает разрезанные куски цепи ДНК. Вырезание -это эксцизия, а поскольку вырезается только одно азотистое основание, процесс назвали base excision repair -эксцизионная репарация оснований. В 1996 году эксцизионную репарацию оснований удалось воспроизвести в клетках человека.
Азиз Санджар и бактерии против ультрафиолета
Азиз Санджар родился в 1946 году в городе Савуре (Турция).
В 1963 году поступил на медицинский факультет Стамбульского университета, намереваясь стать врачом. Во время обучения заинтересовался биохимией. После окончания учебы два года работал сельским врачом.
В 1973 году Азиз Санджар поступил на отделении молекулярной биологии Техасского университета в Далласе (США). Основной темой исследований
ученого в университете стала природа хромофора фотолиазы. ДНК-фотолиаза - один из ферментов репарации (восстановления) ДНК, активация которого происходит под действием видимого света.
После получения докторской степени в 1977 году, Санджар продолжил изучение репарации ДНК в лаборатории Йельского университета.
В 1982 году Санджар стал ассоциированным профессором биохимии Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл (США) и продолжил изучение фотолиазы и других путей репарации ДНК.
В настоящее время Азиз Санджар является профессором биохимии и биофизики Медицинской школы Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл.
Член Национальной академии наук США (2005), Академии наук Турции (2006).
Почетный приглашенный профессор Китайской академии наук (2014).
Ученый удостоен множества наград и премий в знак признания его вклада в науку, в том числе Президентской премии для молодых исследователей от Национального научного фонда США (1984), премии Национального института здравоохранения (NIH) MERIT (1995), премии «Выдающийся выпускник» от Техасского университета (2009) и др.
7 октября 2015 года Азизу Санджару присуждена Нобелевская премия по
Азиз Санджар на церемонии вручения Нобелевской премии в концертном зале Стокгольма, 10 декабря 2015 г.
НАШ САЙТ В ИНТЕРНЕТЕ: WWW.NEFTEGAZOHIMIYA.RU
НОБЕЛЕВСКИЕ ЛАУРЕАТЫ
'О-
химии за 2015 год за открытие клеточного инструментария для репараций ДНК.
Начав изучать биохимию, он обратил внимание на один факт, похожий на магию, который его привлек больше всего: если бактерии облучить большой дозой ультрафиолета (достаточной, чтобы нарушить последовательность нукле-отидов в ДНК), а потом посветить на них синим светом, повреждения ДНК у таких бактерий восстанавливаются. Работая в Техасском университете в Далласе под руководством Клода Руперта, в 1976 году Санджар обнаружил фермент, ответственный за «чудесное исцеление» бактерий - фотолиазу. Фотолиаза стала темой диссетрации Санджара на соискание степени доктора философии.
К сожалению, репарация ДНК бактерий под действием синего света мало интересовала большинство лабораторий. Из-за этого Азиза никуда не хотели брать постдоком (postdoc, postdoctoral research, postdoctoral fellowship) -временная позиция (ставка) в зарубежных вузах и научно-исследовательских учреждениях, которую занимают молодые ученые со степенью кандидата наук (англ. Philosophy Doctor, Ph.D.). Чтобы продолжить научную карьеру и при этом работать над интересной для себя темой, Азиз Сан-джар устроился лаборантом в Йель. Работая там, Санджар обнаружил второй механизм фоторепарации (восстановления структуры ДНК после повреждений ультрафиолетом) - эксцизионную репарацию нуклеотидов. У бактерий она обеспечивается совместным действием ферментов, которые синтезируются на основе информации генов uvrA, uvrB и uvrC. Под действием ультрафиолета соседние тими-ны в одной цепочке ДНК образуют ковалентную связь друг с другом. При этом водородная связь между двумя цепочками ДНК в месте комплементарного взаимодействия тимина и аденина второй цепочки рвется. Это приводит к дальнейшим ошибкам при удвоении ДНК. Отсоединить один тимин от другого сложно, поэтому логичнее вырезать небольшой кусок ДНК, на котором они находятся, и вставить на его место правильную последова-
тельность неповрежденных ну-клеотидов. Этим последовательно
занимается фермент эксцинуклеаза (вырезает 12 нуклеотидов, в том числе злосчастные тимины), а также уже знакомые нам ДНК-полимераза (вставляет нужную последовательность нулеотидов) и ДНК-лигаза (сшивает отрезки одной цепи ДНК). У людей подобный механизм тоже имеет место. Более того, те, у кого гены-аналоги ыугА, ыугВ и ыугС содержат мутации, подвержены большему риску рака кожи: ультрафиолет оказывает более пагубное влияние на ДНК их клеток кожи.
Пол Модрич показывает свою Нобелевскую медаль во время посещения Нобелевского фонда
Пол Модрич и несовпадение нуклеотидов
Пол Модрич родился в 1946 году.
В 1968 году окончил Масса-чусетский технологический институт, получив степень бакалавра, в 1973 году получил докторскую степень в Стэнфордском университете (Калифорния, США).
С 1976 года работает в Институте Дьюка по изучению рака (Duke Cancer Institute), являющемся частью Медицинской школы университета Дьюка (Дарем, Северная Каролина, США).
С 1984 года -профессор биохимии, с 1988 года - заслуженный профессор медицины.
С 1994 года - исследователь в медицинском Институте Говарда Хьюза.
Пол Модрич - член Национальной академии наук США (1993), член Института медицины Национальной академии наук США (2003), Американской академии искусств и наук (2004).
Модрич большую часть своей жизни посвятил изучению того, как организмы предотвращают возникновение мутаций в их генетическом материале. Впервые он заинтересовался молекулярной генетикой будучи студентом. Во время написания диссертации в Стэнфорде, он изучал, как работает фермент лигаза (фермент, склеивающий между собой два фрагмента в двухцепочечной ДНК) и показал, что влияет на жизнеспособность микроба кишечной палочки.
В результате исследований Модрич выяснил, что все живые клетки содержат в себе особые белковые системы, главной задачей которой является починка ошибок в ДНК, которые появляются в ней в результате действия агрессивных соединений, радиации или «ошибок» во время деления клетки. Такие белки умеют находить «пробелы» в цепочке ^ ДНК, «неправильные» буквы-нуклеотиды, исправлять их или инициировать систему самоуничтожения клетки, если ошибку нельзя исправить.
W
3 • 2016
НефтеГазоХимия 41
-о1
НОБЕЛЕВСКИЕ ЛАУРЕАТЫ
7 октября 2015 года Пол Модрич был удостоен Нобелевской премии по химии за открытие клеточного инструментария для репараций ДНК.
В свое время отец Модрича, учитель биологии, через год после вручения Нобелевской премии Уотсону и Крику настоял на том, чтобы его сын обратил внимание не только на ботанику и зоологию, но и на «эту историю с ДНК». Пол последовал совету отца, и вскорости изучение ДНК стало всем делом его жизни. Модрич стал аспирантом в Стэнфорде, а позднее - постдоком в Гарварде.
Пол изучал то, как проходят процессы метилирования ДНК и зачем они нужны. Метилирование - это присоединение метильных группы (-СН3) к нуклеотидам ДНК. Метильные группы могут служить ориентирами для других ферментов, взаимодействующих с ДНК. Например, они могут подавать сигнал «резать здесь» для рестрикта-зы. Помимо этого, как показали Пол Модрич и его коллега Мэттью Мезель-сон, у метилирования ДНК есть еще одна функция. Участки для метилирования выбираются не случайно. Как правило, это те фрагменты ДНК, на которых нуклеотиды обеих цепочек соединены комплементарно, то есть А стоит напротив Т, Г стоит напротив Ц, и наоборот. Там, где нуклеотиды соседних цепей не образуют комплементарные пары (т.е. имеет место
несостыковка - mismatch), метилирование происходит редко. Это сигнал для ферментов MutL и MutS о том, что перед ними неверная последовательность ДНК, часть нуклеотидов которой нужно заменить. Таким образом, MutL и MutS запускают процесс репарации ошибочно спаренных оснований, а завершают его все те же рестриктаза и лигаза.
Как и в случае репарации, описанной Азизом Санджаром, нарушение репарации ошибочно спаренных оснований приводит к заболеваниям у человека, - например, к пигментной ксеродерме, состоянию, когда выход на солнце может многократно повысить риск рака кожи у человека. Кроме того, некоторые наследуемые виды рака прямой кишки также вызываются неполадками в репарации ошибочно спаренных оснований.
Нобелевская премия по химии в этом году получилась в духе классических тем «биомолекулы» - одновременно молеку-лярно-биологическая и с направленностью в биомедицину. Открытия, которые номинировали на премию, уже нашли реальное практическое применение в онкологии и медицине наследственных заболеваний. Впрочем, стоит учесть, что изначально работы Санджара, Линдаля и Модрича носили характер фундаментальных. Часть из них была проведена исключительно из любопытства. Об этом в своем интервью говорит Пол Модрич: «Вот поэтому стоит изучать не только то, что выгодно в данный момент, но и то, что тебе просто интересно. Никогда не знаешь, куда такие исследования заведут... Впрочем, немного удачи никогда не помешает».
Обзор подготовила Т.И. Шкерина, ООО «ОБРАКАДЕМНАУКА» по материалам пресс-релиза Нобелевского комитета и http://www.biomolecula. ru/content/1757. Использованы фото с сайта www.nobelprize.org.
