«Идея уже прошла проверку»: биолог НГУ — о поиске белков репарации для лечения рака и усиления антибиотиков

Белки репарации — специальные ферменты, которые ищут повреждения и сбои в ДНК и чинят их, не допуская мутации. Это очень важная миссия, поскольку молекула ДНК химически нестабильна. Учёные из Новосибирского государственного университета занимаются поиском пока не открытых белков репарации — в перспективе это позволит, например, создать лекарства, которые будут мешать патогенным бактериям восстанавливать свою ДНК и выживать под действием антибиотиков. Об этом в интервью RT рассказал заведующий кафедрой молекулярной биологии факультета естественных наук НГУ, член-корреспондент РАН Дмитрий Жарков в рамках мероприятия, проходившего в Десятилетие науки и технологий при поддержке нацпроекта «Наука и университеты». Кроме того, исследования помогут в поиске новых противораковых препаратов и в расшифровке ДНК древних людей и вымерших видов животных.

• Gettyimages.ru
• © KTSDESIGN/SCIENCE PHOTO LIBRARY

— Дмитрий Олегович, ваша научная группа работает над технологией, которая позволит предсказывать с помощью нейросети структуру белков репарации ДНК. Расскажите, пожалуйста, подробней, что такое белки репарации и почему важно научиться предсказывать их структуру?

— Ферменты репарации — это белки, которые во всех живых организмах отвечают за сохранность ДНК. В организме человека синтезируется около ста различных белков-ферментов, которые исправляют такие генетические повреждения, работая и по отдельности, и в сочетании друг с другом.  Это важная задача, потому что молекула ДНК химически очень нестабильна.

Я люблю приводить такую аналогию: ежедневно в каждой клетке человеческого организма в ДНК возникает столько повреждений, что если представить ДНК в виде Транссибирской магистрали, то она имела бы аварии и поломки через каждые сто метров. Конечно, есть разные участки ДНК: где-то повреждений больше, где-то меньше, но в целом картина именно такая.

А каждое такое повреждение — это потенциальная мутация, которая может привести к превращению нормальной клетки в раковую. К счастью, все эти многочисленные повреждения ДНК в норме успешно исправляются ферментами репарации. В результате до стадии мутации доходит только несколько десятков тысяч повреждений за всю жизнь организма.

• Gettyimages.ru
• © iLexx

Проблема в том, что если клетка всё же мутировала и стала раковой, то у неё перестраивается и система репарации ДНК. Понять, как именно она начинает работать, очень важно — это помогло бы сделать онкологические клетки более уязвимыми перед терапией.

Такая же система репарации ДНК есть и у бактерий, в том числе тех, которые вызывают заболевания. Поэтому, если мы сможем подавить эту систему, эффективность антибактериальной терапии возрастёт.

Отмечу, что мы не создаём программное обеспечение для предсказания структуры ферментов, мы используем уже готовые модели, разработанные крупными IT-компаниями. При помощи этих программных продуктов мы предсказываем структуру ферментов репарации ДНК. В будущем эти прогнозы позволят уже с высокой точностью определить молекулярную структуру белков репарации — это будет возможно после запуска синхротрона нового поколения СКИФ, который позволит на атомном уровне исследовать структуру любых молекул. Молекулярные биологи определяют структуру открытых белков методом рентгеновской кристаллографии, для которого компьютерное моделирование служит бесценным подспорьем, помогая создавать «черновик» структуры, который потом дополняется экспериментальными данными.

— Какие ферменты репарации изучаются вашей научной группой?

— У нас в работе сейчас находится около 50 ферментов. В частности, мы исследуем белки, которые относятся к классу ДНК-гликозилаз — это основные ферменты репарации, которые находят повреждения на основании ДНК — последовательности гуанина, аденина, тимина и цитозина. Если какой-то из этих «кирпичиков» повреждён, гликозилаза находит его и вырезает из цепочки ДНК, а затем другие ферменты восстанавливают повреждённое место.

• Молекулярная цепочка белка
• Gettyimages.ru
• © Christoph Burgstedt

Среди ферментов гликозилаз есть группа белков, которая носит название урацил-ДНК-гликозилазы. Эти ферменты занимаются удалением из цепочки ДНК урацила — соединения, которое иногда попадает в ДНК, хотя в норме входит в состав РНК.

Эта группа ферментов — урацил-ДНК-гликозилазы — делится на несколько разных типов, каждый конкретный белок выполняет свою функцию. Одни предназначены только для того, чтобы удалять урацил на всей протяжённости ДНК, другие делают это только в определённых ситуациях. Например, если урацил стоит в цепочке рядом с гуанином, поскольку такое сочетание может быстро вызывать мутации и особенно опасно.

Про три семейства этих урацил-ДНК-гликозилаз вообще пока ничего не известно, их никогда не выделяли и не характеризовали ранее, хотя кодирующие их последовательности находят в геномах разных бактерий. Мы смогли выделить один такой белок из растительного патогена, бактерии сиреневого псевдомонаса. По своим свойствам и структуре он оказался не очень интересным, однако нам важно проверить на практике те прогнозы, которые выдаёт нейросеть относительно возможной структуры пока не открытых и не выделенных в лабораторных условиях ферментов. Это непростая задача, но если мы её решим, то мы сможем на основании предсказанной структуры белков предсказывать и их функции.

Пока что науке до конца не понятен механизм, который позволяет ферменту находить повреждения, хотя сами гликозилазы были открыты ещё в 1970-х годах. В 2015 году за это открытие была присуждена Нобелевская премия.

— Какую роль в поиске ответов на эти вопросы играет нейросеть?

— На сегодняшний день генетиками секвенированы, то есть прочитаны, миллионы участков ДНК — все они собраны в единую базу данных. Зная последовательность нуклеотидов в геноме, можно из неё однозначно вывести последовательность белка, синтез которого этот участок ДНК кодирует.

Но есть очень серьёзная проблема, которую биологи пока не смогли решить: мы пока не можем восстановить по ДНК третичную структуру белков — пространственную организацию этих сложных молекул. Очень долго учёные пытались изобретать алгоритмы, которые позволили бы это делать. Для этого они сопоставляли структуру уже известных белков с их аминокислотной последовательностью.

• Gettyimages.ru
• © MF3d

Учитывая, что нейросети созданы именно для поиска таких закономерностей путём быстрого перебора больших объёмов данных, применение машинных алгоритмов стало логичным решением для этой сферы. При этом полностью полагаться на ИИ нельзя, потому что нейросети далеко не все участки белков предсказывают правильно. Как и любой инструмент, нейросети нужно правильно применять.

— Одна из целей исследования — поиск ферментов бактерий, которые станут мишенями для новых лекарственных препаратов. Эти лекарства будут применяться совместно с антибиотиками и подавлять способность бактерий восстанавливаться после повреждений, нанесённых антибиотиками. Есть ли в мире на сегодняшний день препараты такого типа или это совершенно новое направление исследований?

— Таких препаратов в мире пока нет, но идея их создания гуляет среди учёных уже лет десять. Под воздействием антибиотиков бактерия уже не может полноценно поддерживать внутриклеточный гомеостаз, и в её ДНК начинают накапливаться повреждения. Они могут чиниться ферментами репарации — в этом случае бактерия имеет шансы спастись. Поэтому в научной среде появилась идея научиться блокировать репарацию ДНК бактерий, чтобы окончательно подавить их способность выживать в присутствии антибиотиков.

Эта идея уже прошла проверку на нескольких видах бактерий, включая возбудители туберкулёза. Однако эксперименты хотя и были успешными, проводились всё же не с фармакологическими препаратами, которые ещё только предстоит создать, а на уровне генетического выключения систем репарации. Поэтому у биологов и химиков впереди ещё много работы.

— Новые препараты должны помочь справиться с проблемой резистентности бактерий, которая сейчас становится глобальным вызовом для здравоохранения. Но нет ли риска, что подавление белков репарации бактерий приведёт к появлению новых, ещё более мутировавших вариантов возбудителей с изменённой ДНК?

— Если мы эффективно подавим все бактерии в рамках терапии, добьёмся того, что они все погибнут при лечении, то таким образом как раз избежим появления новых устойчивых вариантов инфекционных возбудителей.

Кроме того, мы будем воздействовать на бактерии сразу двумя типами препаратов — классическим антибиотиком и соединением, которое подавит репарацию. Значит, чтобы бактерии приобрели резистентность к такой терапии, у них должно произойти сразу две мутации, что очень маловероятно.

• Раковые клетки
• Gettyimages.ru
• © koto_feja

— Тема репарации ДНК тесно связана с темой онкологии — в норме именно репарация не позволяет клеткам мутировать. Может ли ваше исследование в перспективе помочь в изучении онкологической биохимии и борьбы с раком или генетическим заболеваниями?

— Да, как я уже упоминал, в переродившихся клетках механизмы репарации действуют иначе, чем в здоровых — собственно, при раке одними из первых ломаются системы контроля генетический стабильности в клетке. Препараты, принцип действия которых основан на подавлении репарации в раковых клетках, уже есть — это так называемые ингибиторы PARP. Разработкой новых препаратов этого класса наша научная группа не занимается, но в ИХБФМ СО РАН есть лаборатория академика О.И. Лаврик, где такие исследования активно ведутся.

Поскольку общий принцип действия таких лекарств уже известен, основная задача сводится к поиску соединений, наименее токсичных для организма пациента, но способных блокировать «починку» ДНК в раковых клетках.

— Ранее сообщалось, что разработка позволит восстановить геном людей, живших миллионы лет назад. Расскажите, пожалуйста, об этом подробнее — каким образом открытие белков репарации поможет восстановить ДНК древних людей и других организмов?

— Это ответвление наших исследований, но саму идею придумали не мы — за секвенирование ископаемых ДНК и создание научной области палеогеномики в прошлом году Нобелевскую премию получил шведский генетик Сванте Пэабо.

Когда мы увидели его работы, мы решили создать инструмент в помощь этому направлению. Пролежав в земле долгое время, ДНК неизменно повреждается, её трудно выделять и анализировать. Но, если подвергнуть её репарации, можно улучшить выход ДНК и снизить число ошибок. Мы составили специальный «коктейль» из ферментов репарации, который наши коллеги из Института молекулярной и клеточной биологии СО РАН успешно испытали на останках древних лошадей.

Сейчас мы также сотрудничаем с коллегами из МГУ — работаем над тем, чтобы снизить количество ошибок при генетическом анализе ДНК, если она повреждена. Это имеет важное значение для, например, анализа малых количеств ДНК или архивных медицинских образцов,поэтому мы надеемся, что сможем снизить процент таких ошибок, если научимся «реставрировать» цепочку ДНК перед её исследованием.

• Gettyimages.ru
• © Ashley Cooper

— Можно ли будет в результате, зная структуру древней ДНК, синтезировать её для клонирования, например?

— Клонирование — это уже совсем иное научное направление. Если мы говорим об истинном клонировании, когда клеточное ядро с генетической информацией переносится в яйцеклетку другого животного, из которой удалено ядро, то в этом случае наши технологии не нужны. Но если мы говорим о клонировании, например, мамонтов или других вымерших животных, то здесь репарация древней ДНК может потребоваться. Возродить целые клетки млекопитающих спустя тысячи лет после смерти, скорее всего, невозможно. Сейчас в основном надеются, что в будущем станет возможным химически синтезировать большие геномы, как у млекопитающих. Если наука действительно займётся возрождением вымерших видов животных, то потребуется очень точно «читать» их ДНК, используя в том числе и наши технологии.

Источник