Что делать, если не стыкуется

Сначала поговорим о мисматч-репарации (DNA mismatch repair). Ей не повезло даже с названием: терминология в этой области складывалась в конце 1980-х, когда в России с наукой было не всё в порядке, поэтому общепринятого термина не существует — кто-то просто копирует английское mismatch repair(слово mismatch в английском языке обозначает неправильную, неподходящую пару, мезальянс), кто-то использует названия «репарация гетеродуплексов», «репарация неканонических пар оснований»... В любом случае, это система, которая исправляет ошибки ДНК-полимераз, если те включают в ДНК при синтезе не те нуклеотиды, что нужно, — образуют не пары A:T и G:C, а что-то другое, например G:T. Такое случается редко, но всё же случается, потому что ни один фермент не работает со стопроцентной точностью.

Главная проблема при исправлении таких ошибок ДНК-полимераз — не то, как удалить неправильно включенный нуклеотид, а как узнать, что он неправильно включен. В самом деле, до этого мы говорили о поврежденных звеньях ДНК — их структура отличается от нормальной, и их каким-то образом можно распознать. А как быть в случае, когда оба нуклеотида нормальные, но друг другу не соответствуют? Какой из них был в исходной ДНК, в материнской цепи, а какой был неверно включен в дочернюю цепь?

Многие бактерии решают эту проблему, маркируя материнскую цепь при помощи метильных групп, которые специальный фермент, ДНК-метилаза Dam, вводит в основания аденина, находящиеся в последовательностях -GATC-. Таким образом, сразу после синтеза ДНК эта последовательность на протяжении нескольких минут остается полуметилированной — то есть несет метильные группы в материнской цепи и не содержит их во вновь синтезированной дочерней цепи. Этого времени системе мисматч-репарации достаточно для того, чтобы сработать. У человека механизм, различающий материнскую и дочернюю цепь, другой и более сложный, основанный на асимметричном связывании некоторых белков при репликации, — но он всё равно существует, мисматч-репарация без такого механизма работать не может.

Как именно развиваются события после маркировки цепей метильными группами — вот главный вклад Пола Модрича в исследования репарации ДНК. К тому времени, когда Модрич начал работать в этой области, ситуация напоминала ту, в которой оказался Санджар: были известны гены, которые необходимы для репарации (mutH, mutL и mutS), было понятно, что различение материнской и дочерней цепей основано на метилировании, но никто понятия не имел, что и как делает каждый белок в этом пути. Модрич придумал элегантную систему, основанную на образовании дуплексов между цепочками ДНК бактериофагов, отличающихся на один нуклеотид, что позволило ему проследить судьбу неправильных пар нуклеотидов в деталях — и с изолированными белками системы репарации, и в клетках бактерий. Как оказалось, процесс начинается с того, что сразу после репликации с полуметилированными последовательностями -GATC- связывается белок MutH. Одновременно с неправильной парой нуклеотидов связываются две молекулы белка MutS. Забавно, что, когда ученые в 2000 году определили структуру MutS, две молекулы белка оказались очень похожими на сложенные в молитве ладони, между которыми зажата ДНК. Когда расстояние между MutH и димером MutS позволяет им взаимодействовать (в чем им помогает третий член системы, MutL), белок MutH превращается в эндонуклеазу, которая расщепляет неметилированную цепь в последовательности -GATC-. Начиная с этого разрыва дочерняя цепь ДНК затем удаляется в направлении связанного белка MutS. Достигнув неправильной пары оснований, разрушение ДНК останавливается, после чего недостающий участок ДНК вновь синтезируется.

Рис. 3. Мисматч-репарация. Димер белка MutS узнает неправильную пару нуклеотидов, а белок MutH – полуметилированный участок -GATC-. Затем MutH вносит разрыв в неметилированную цепь, которая считается дочерней, и участок ДНК вплоть до неправильной пары удаляется и синтезируется вновь

В лаборатории Пола Модрича были открыты основные принципы мисматч-репарации и у бактерий, и у человека. Система мисматч-репарации у нас очень похожа на бактериальную, за исключением принципа определения материнской и дочерней цепи. Мутации в генах, ответственных за мисматч-репарацию, приводят к развитию наследственного рака кишечника и служат самой распространенной причиной этого заболевания.