Исследователи из Новосибирска разработали инновационный метод изучения процессов восстановления поврежденной ДНК. Новая технология помогает отслеживать изменения внутри ферментов, отвечающих за защиту генетического материала. В перспективе разработка может найти применение при создании новых подходов к терапии онкологических заболеваний.
Авторами исследования стали специалисты Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН имени академика Дмитрия Кнорре и Новосибирского института органической химии имени Н. Н. Ворожцова СО РАН.
Как работает молекулярный «микрофон»
В основе метода лежит особая спиновая метка, чувствительная к изменениям кислотности окружающей среды. Ученые встроили ее непосредственно в участок поврежденной ДНК рядом с зоной взаимодействия с ферментом.
По сути, такая метка выполняет функцию высокоточного молекулярного датчика, который фиксирует изменения электрических зарядов в активном центре белка и передает информацию исследователям. Благодаря этому ученые получили возможность наблюдать процессы, которые ранее оставались скрытыми для прямого анализа.
По словам руководителя лаборатории геномной и белковой инженерии ИХБФМ СО РАН академика Дмитрия Жаркова, созданная система позволяет буквально получать сигнал из места, где происходят ключевые биохимические события.
Фермент Fpg и его роль в защите генома
Объектом исследования стал фермент формамидопиримидин-ДНК-гликозилаза (Fpg), играющий важную роль в системе репарации ДНК. Его задача заключается в удалении окисленного гуанина — одного из наиболее распространенных повреждений генетического материала.
Если такие дефекты не устранять своевременно, они могут привести к накоплению мутаций и развитию серьезных заболеваний. Аналогичные защитные функции в организме человека выполняют белки семейства NEIL, которые считаются важным элементом клеточных механизмов поддержания генетической стабильности.
Ученые впервые напрямую измерили электростатические процессы внутри фермента
Главной целью работы было выяснить механизм взаимодействия двух аминокислот — пролина и глутамата — в активном центре фермента.
Эксперименты показали, что в кислой среде как обычный фермент, так и его мутантная версия с заменой каталитического глутамата на нейтральный глутамин демонстрируют практически одинаковое поведение. Однако при переходе к физиологическому уровню pH различия становятся очевидными.
Исследователи установили, что в активном ферменте происходит обмен протоном между пролином и глутаматом. Этот процесс запускает своеобразную «перезарядку» молекулы и переводит белок в рабочее состояние. У мутантного варианта такой механизм отсутствует, что лишает его способности полноценно выполнять свою функцию.
Благодаря новому методу ученым удалось определить разницу электрических потенциалов между активными центрами двух вариантов фермента. Она составила около 30 милливольт.
Это первый в мировой практике случай прямого измерения электростатических взаимодействий внутри фермента, участвующего в репарации ДНК.
Перспективы для онкологии и биомедицины
Авторы подчеркивают, что разработанная технология не ограничивается изучением одного фермента. Метод может быть адаптирован для исследования широкого спектра белков, взаимодействующих с ДНК и участвующих в механизмах развития различных заболеваний.
Особый интерес представляет возможность применения технологии в онкологических исследованиях. Многие формы рака связаны с нарушением процессов восстановления ДНК, поэтому детальное понимание работы таких ферментов способно ускорить создание новых лекарственных препаратов и персонализированных методов лечения.
Поддержка исследования
Работа была выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда и Министерства науки и высшего образования Российской Федерации. Полученные результаты открывают новые возможности для фундаментальных исследований молекулярных механизмов репарации ДНК и разработки перспективных биомедицинских технологий.
