Ученые выяснили механизмы мутаций, возникающих в результате повреждений ДНК. Статья c результатами исследований, проведенных международной группой исследователей, куда вошли ученые из научно-исследовательских организаций России, США, Франции, Австрии и Швеции, вышла в журнале Nature Genetics.

К сожалению, мы очень мало знаем о причинах накопления мутаций в нормальных клетках, которые не подвержены воздействию внешних мутагенов, таких как табачный дым или солнечный ультрафиолет. Было принято считать, что подавляющее большинство мутаций является результатом неточного копирования ДНК, которое предшествует каждому клеточному делению. Эти предположения подкреплялись тем, что риск возникновения рака во многом связан с количеством клеточных делений и тем, что количество удвоений (митозов), которое проходит мужская половая клетка (сперматозоид) до момента своего окончательного формирования, пропорционально возрасту отца. Например, сперматозоид 18-летнего мужчины в процессе своего «созревания» претерпевает около 100 удвоений, а 50-летнего — около 800. С каждым удвоением количество ошибок в ДНК растет и, как следствие, растет количество мутаций в сперматозоиде.

`«Мы решили зайти с другой стороны и оценить вклад второго механизма накопления мутаций, а именно повреждений ДНК, — комментирует работу один из ее авторов Владимир Сеплярский из Института проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН и Harvard Medical School, США. — Для этого мы использовали следующий эффект: в клетке существует система репарации, то есть такая, которая чинит повреждения. Причем она работает только на той цепи ДНК, с которой считываются гены. Мы посмотрели, какие типы мутаций происходят на этих участках неожиданно редко, и таким образом получили возможность оценить количество мутаций, которые вызваны повреждениями ДНК».

Далее ученые посмотрели, что происходит с поврежденной ДНК в процессе деления клетки. Для этого сравнили мутации на обеих цепях удваивающейся ДНК — лидирующей и отстающей. Оказалось, что те типы мутаций, которые связаны с повреждением ДНК, чаще происходят на отстающей цепи. Это верно как для мутаций, вызываемых известными мутагенами в ходе развития раковой опухоли (например, в результате воздействия табачного дыма при раке легких, ультрафиолета при меланоме и аристолохиевой кислоты при раке печени), так и для мутаций, передающихся по наследству. Таким образом, оказалось, что многие из мутаций, передающихся по наследству, вызываются не ошибками при удвоении ДНК, а повреждениями этой хрупкой молекулы.

Результат, полученный путем компьютерного анализа, было решено проверить экспериментально. Кроме того, оставался вопрос: если многие мутации вызываются повреждением ДНК, почему же число накопленных мутаций связано с числом удвоений клетки? Чтобы понять это, в сотрудничестве с учеными из Каролинского института (Karolinska Institutet, Швеция) был проведен следующий эксперимент. Клеточную линию облучили ультрафиолетом, а затем в одном случае искусственно увеличили паузу до следующего деления на двое суток, а во втором дали клеткам делиться нормально. Оказалось, что небольшая задержка уменьшила мутагенный эффект ультрафиолета в 30 раз. То есть повреждения ДНК превращаются в мутации только в том случае, если они произошли совсем незадолго до удвоения клетки. Эти результаты позволяют предположить, что мутации в раках, вызванные мутагенами, накапливаются только в активно делящихся клетках. Такая гипотеза дает совершенно иное трактование взаимосвязи между количеством клеточных делений и числом накопленных мутаций.

«Меня давно интересовал вопрос, какова причина мутаций в зародышевой линии. Существовало предположение, что мутации, наследуемые от отца — это следствие неточностей репликации. В этой работе мы статистически показали, что существенную роль также играют повреждения ДНК. К сожалению, оценка вклада таких повреждений в мутагенез, которую мы получили сейчас, явно занижена, и мы ищем новые подходы для ее уточнения,» — резюмирует Владимир Сеплярский.

Исследование того, как возникают наследственные мутации, имеет не только теоретическое значение. Понимание механизмов мутагенеза позволяет оценивать вероятность, и даже отчасти предсказывать, мутации, которые приводят к появлению раковой опухоли и наследственным заболеваниям, и в перспективе, возможно — предотвращать их возникновение.