Уникальная способность микроба Deinococcus radiodurans переносить огромные дозы радиации основана на высокоэффективной системе репарации (починки) ДНК. Микроб может "починить" свои четыре хромосомы даже после того, как ионизирующее излучение разорвет их на сотни обрывков. Как ему это удается, долгое время оставалось загадкой. И вот наконец принцип работы репарационной системы дейнококка расшифрован.



Радиоустойчивость дейнококка поистине поразительна. Дейнококк прекрасно себя чувствует после дозы радиации в 5000 Грей (1 Грей = 1 Джоуль на 1 кг живого веса), и даже втрое большая доза убивает лишь 2/3 клеток в колонии, в то время как смертельная доза для человека - 10 Грей, для кишечной палочки - 60 Грей. Дейнококк легко переносит высыхание и не погибает даже в вакууме.

По всей видимости, устойчивость микроба к радиации - это своеобразный побочный продукт приспособления к жизни в засушливых условиях (например, в пустыне). Самая большая неприятность, которая происходит с живой клеткой под воздействием радиации или высыхания, - это разрывы, возникающие в двойной спирали ДНК. Геном клетки попросту рвется на куски, что и приводит к летальному исходу.

Дейнококк способен "залечивать" до 1000 таких разрывов единовременно. Как ему это удается, оставалось загадкой в течение 50 лет - с момента открытия микроба и до 27 сентября 2006 году, когда на сайте журнала Nature была опубликована статья французских и хорватских микробиологов, разгадавших эту загадку (правда, пока лишь в общих чертах).

Геном дейнококка состоит из четырех кольцевых молекул ДНК (размером 2,65, 0,41, 0,18 и 0,05 млн пар оснований), причем в каждой клетке геном присутствует не в одной (как у большинства бактерий), а в нескольких копиях.

Исследователи облучали колонии дейнококка гамма-лучами (доза 7000 Грей), в результате чего геном бактерии разрывался на сотни фрагментов длиной по 20-30 тысяч пар оснований (в среднем). Процессы, происходящие после этого в клетках дейнококка, изучались при помощи целого комплекса разнообразных методов. Например, скорость синтеза ДНК измерялась путем добавления в среду меченых нуклеотидов (3H-тимидин). Чтобы отличить "старые" фрагменты ДНК от новых, синтезированных уже после облучения, использовался аналог тимидина - 5-бромодеоксиуридин, включение которого в ДНК создает в молекуле "хрупкие" участки, которые рвутся под действием ультрафиолета. Последний метод, например, позволил установить, что объединение обрывков генома осуществляется благодаря тому, что между соединяемыми фрагментами синтезируются de novo участки двойной спирали ДНК.

Чтобы выяснить, является ли синтез длинных одноцепочечных фрагментов ДНК необходимым этапом репарации, использовали меченые антитела к 5-бромодеоксиуридину, которые связываются с этим веществом, если оно находится в составе одноцепочечной ДНК, но не связываются с ним, если оно включено в двойную спираль. Применялись также и многие другие хитроумные методы, о которых невозможно рассказать в краткой заметке из-за их сложности и многочисленности.

Как выяснилось, первые полтора часа после облучения дейнококки пребывают как будто "в шоке". Синтез ДНК почти не идет. Ученые метафорически назвали это состояние "клинической смертью". Затем начинается очень интенсивный синтез ДНК, сопровождающийся быстрым "склеиванием" разрозненных фрагментов генома. Все или почти все синтезируемые de novo участки ДНК сначала являются одноцепочечными. Через 3 часа после облучения в клетках наблюдается максимальное количество одноцепочечных фрагментов ДНК. В течение последующих трех часов одноцепочечные участки постепенно исчезают, замещаясь двухцепочечными. Через 6 часов после облучения геном оказывается практически полностью восстановленным в своем изначальном виде.

Хотя многие детали процесса остаются еще неясными, исследователям удалось реконструировать его основные этапы. Сначала у обрывков двухцепочечной ДНК образуются короткие одноцепочечные хвосты. Для этого удаляется несколько концевых нуклеотидов на одной из двух цепей. Затем эти короткие одноцепочечные хвосты достраиваются и удлиняются. Матрицей для синтеза длинных "продолжений" одноцепочечных хвостов служат другие двухцепочечные обрывки ДНК.

Необходимым условием является наличие в каждой клетке дейнококка нескольких копий генома, которые под воздействием радиации рвутся в разных местах. Например, если есть три обрывка: ABCD, DEFG и GHIJ, то второй из этих обрывков может служить матрицей для достраивания к первому обрывку одноцепочечного хвоста -E, -EF или -EFG, а к третьему обрывку на той же матрице можно достроить одноцепочечный хвост F-, EF- или DEF-.

Этот этап репарации уникален для дейнококка. У других бактерий подобные механизмы неизвестны. По-видимому, именно синтез длинных одноцепочечных "хвостов" и позволяет собрать хромосомы заново из очень коротких обрывков, в то время как другие бактерии способны "залечивать" лишь единичные разрывы в своих хромосомах.

На следующем этапе фрагменты с гомологичными одноцепочечными хвостами слипаются друг с другом по принципу комплементарности. Так, в нашем примере могут "склеиться" друг с другом фрагменты с одноцепочечными хвостами -Е и EF-. После этого на той части "соединительного" участка EF, которая осталась одноцепочечной (в нашем случае F), специальные ферменты достраивают вторую комплементарную цепь. Если после склеивания остаются "лишние" торчащие одноцепочечные хвостики, они обрезаются ферментами - нуклеазами. В итоге получается длинный восстановленный фрагмент двухцепочечной ДНК (ABCDEFGHIJ).

Следующий, заключительный этап починки генома - это сборка кольцевых хромосом из получившихся длинных линейных двухцепочечных фрагментов. При этом используется имеющаяся у большинства бактерий молекулярная машина гомологичной рекомбинации. Гомологичные участки двухцепочечной ]ДНК (в данном случае - просто одинаковые, идентичные участки), присутствующие на разных линейных фрагментах, сближаются и образуют крестообразные соединения. Лишние концы обрезаются, и в конце концов восстанавливаются исходные кольцевые хромосомы.

Авторы отмечают, что расшифровка уникального механизма восстановления разорванных хромосом дейнококка, возможно, поможет разработать методы повышения устойчивости и продления жизни других клеток, в особенности неделящихся - например, нейронов головного мозга.

Источник: Ksenija Zahradka, Dea Slade, Adriana Bailone, Suzanne Sommer, Dietrich Averbeck, Mirjana Petranovic, Ariel B. Lindner, Miroslav Radman. Reassembly of shattered chromosomes in Deinococcus radiodurans // Nature. 2006. 27 September 2006. Advanced online publication.

См. также:

Гонококки обманывают иммунную систему, внося контролируемые изменения в свой геном, "Элементы", 31.05.2006.

Александр Марков

Ещё в разделе

Обнаружено свидетельство сосуществования неандертальцев и людей современного вида

Исследователи под руководством доктора Клайва Финлэйсона (Clive Finlayson) из Гибралтарского музея (Gibraltar Museum), обнаружили в пещерах Гибралтара более 240 каменных орудий и других артефактов, оставленных неандертальцами (Homo neanderthalensis) - вид

Почему американцы не любят Дарвина

В мире одновременно возрастает и интерес, и недоверие к научным результатам

Новые шаги генной терапии

У пожилых людей, а также у больных мышечной дистрофией (общее название группы заболеваний) часто наблюдается уменьшение объема и силы мышц. При физических нагрузках в клетках мышц постоянно возникают мелкие повреждения, которые в норме ликвидируются репар

Американцы вышли на клеточный уровень

Нобелевская премия в области химии вчера присуждена американскому биологу Роджеру Корнбергу "за исследование механизма копирования клетками генетической информации". Как выяснил , это очередное открытие, с помощью которого в будущем можно будет изготовить

Под Землей обнаружено огромное количество новых живых существ

Под Землей обнаружено огромное количество новых живых существ

К открытию ежегодной конференции Американского геофизического союза ученые объявили о своем открытии. «Земли населяет огромное количество живых существ».

3,5 млрд лет оксигенного фотосинтеза

3,5 млрд лет оксигенного фотосинтеза

История фотосинтеза древнее, чем предполагалось ранее, считают авторы статьи Early Archean origin of Photosystem II (Раннее архейское происхождение фотосистемы II), опубликованной в журнале Geobiology.

Клетки крови человека превратили в стволовые клетки нервной системы

Клетки крови человека превратили в стволовые клетки нервной системы

Ученые из Немецкого центра исследования рака в Хайдельберге перепрограммировали клетки крови человека и фибробласты в стволовые клетки нервной системы гомогенного типа.

Дельфины устанавливают между собой график охоты

Дельфины устанавливают между собой график охоты

9-летнее исследование выявило необычное поведение дельфинов (рода Афалины), обитающих у побережья Словении. В пределах одной популяции этого вида животные разделились на две группы, которые избегают контакта, охотясь в разное время дня - социальная стратегия, не известная у морских млекопитающих.

Оказывается, поведение пауков изучено еще не полностью

Оказывается, поведение пауков изучено еще не полностью

Как известно, представители рода Черных вдов отличаются своим уникальным поведением, которое предвещает так называемый половой каннибализм: после копуляции самка поедает самца.

У венериной мухоловки могут быть «друзья»

У венериной мухоловки могут быть «друзья»

Американские ученые из штата Северная Каролина выяснили, какие насекомые опыляют венерину мухоловку. В ходе этого эксперимента биологи заметили одну интересную особенность – растение не поедает своих опылителей.

Жуки-бомбардиры могут спасаться даже после съедения

Жуки-бомбардиры могут спасаться даже после съедения

Японские ученые обнаружили уникальную способность жуков-бомбардиров спасаться из желудка проглотившей их жабы. Как известно, жуки-бомбардиры принадлежат к подсемейству Brachyninae семейства жужелиц. Свою известность насекомые заработали благодаря методу активной обороны.

Раскрыты новые способности хамелеонов

Раскрыты новые способности хамелеонов

Ученые из Германии смогли доказать, что у некоторых видов хамелеонов гребни и бугорки на теле способны светится синим цветом в ответ на ультрафиолетовое излучение. Данное явление называется флуоресценцией. Иногда такое свечение можно встретить у водных организмов, значительно реже оно замечается среди наземных животных.

Акулы тоже могут «сидеть» на диете

Акулы тоже могут «сидеть» на диете

Ученым из Калифорнийского университета в Ирвайне при помощи экспериментов удалось подтвердить, что малоголовая молот-рыба может прекрасно себя чувствовать употребляя до 90% исключительно растительной пищи.

Станет ли человек бессмертным?

Станет ли человек бессмертным?

Группа ученых из Великобритании и Голландии провела исследование, целью которого является детальное изучение среды кишечника. В результате проведенного эксперимента биологам удалось увеличить продолжительность жизни червей и мух. Осуществить вышесказанное ученые смогли путем уменьшения активности фермента, который вырабатывается у всех живых существ и, люди, в данном случае, не стали исключением.

Оценка:

Пока комментариев нет