Ферменты репарации ДНК помогают клеткам пережить повреждение их генома, которое возникает как нормальный побочный продукт клеточной активности и также может быть вызвано токсинами окружающей среды. Однако в определенных ситуациях восстановление ДНК может стать вредным для клеток, провоцируя воспалительную реакцию, вызывающую серьезное повреждение тканей.
Профессор Массачусетского технологического института Леона Самсон теперь определила, что воспаление является ключевым компонентом того, как это повреждение происходит в фоторецепторных клетках сетчатки глаза мышей. Около 10 лет назад она и ее коллеги обнаружили, что сверхактивное включение систем репарации ДНК может привести к повреждению сетчатки и слепоте у мышей. Ключевой фермент в этом процессе, известный как гликозилаза Aag, также может причинять вред другим тканям, когда становится гиперактивным.
"Это еще один случай, когда, несмотря на то, что воспаление призвано защитить вас, в некоторых случаях оно действительно может быть вредным, если оно сверхактивно," говорит Самсон, почетный профессор биологии и биологической инженерии и старший автор исследования.
Гликозилаза Aag помогает восстанавливать повреждения ДНК, вызванные классом лекарств, известных как алкилирующие агенты, которые обычно используются в качестве химиотерапевтических препаратов, а также содержатся в таких загрязнителях, как табачный дым и выхлопные газы. По словам Самсона, повреждение сетчатки от этих препаратов не наблюдалось у пациентов-людей, но алкилирующие агенты могут вызывать аналогичные повреждения в других тканях человека. Новое исследование, которое показывает, как чрезмерная активность Aag приводит к гибели клеток, предлагает возможные цели для лекарств, которые могут предотвратить такое повреждение.
Мариякармела Аллокка, бывший постдок Массачусетского технологического института, является ведущим автором исследования, которое публикуется в феврале. 12 выпуск журнала Science Signaling. Технический ассистент Массачусетского технологического института Джошуа Корриган, бывший постдок Апротим Мазумдер и бывший технический ассистент Кимберли Фейк также являются авторами статьи.
Порочный круг
В исследовании 2009 года Самсон и ее коллеги обнаружили, что относительно низкий уровень воздействия алкилирующего агента приводит к очень высоким показателям повреждения сетчатки у мышей. Алкилирующие агенты вызывают определенные типы повреждений ДНК, и гликозилаза Aag обычно инициирует восстановление таких повреждений. Однако в некоторых типах клеток с более высоким уровнем Aag, таких как фоторецепторы мышей, повышенная активность фермента запускает цепочку событий, которые в конечном итоге приводят к гибели клеток.
В новом исследовании исследователи хотели выяснить, как именно это происходит. Они знали, что Aag проявляет сверхактивность в пораженных клетках, но не знали точно, как это приводит к гибели клеток или какой тип гибели клеток происходит. Первоначально исследователи подозревали, что это апоптоз, тип запрограммированной гибели клеток, при котором умирающая клетка постепенно разрушается и поглощается другими клетками.
Однако вскоре они обнаружили доказательства того, что большая часть повреждений приходится на другой тип гибели клеток, называемый некрозом. Когда Aag начинает пытаться восстановить повреждение ДНК, вызванное алкилирующим агентом, он вырезает столько поврежденных оснований ДНК, что гиперактивирует фермент PARP, который вызывает некроз. Во время этого типа гибели клетки клетки распадаются и выплескивают свое содержимое, что предупреждает иммунную систему о том, что что-то не так.
Один из белков, секретируемых умирающими клетками, известный как HMGB1, стимулирует выработку химических веществ, которые привлекают иммунные клетки, называемые макрофагами, которые специфически проникают в слой фоторецепторов сетчатки. Эти макрофаги производят высокореактивные формы кислорода – молекулы, которые наносят больший ущерб и делают окружающую среду еще более воспалительной. Это, в свою очередь, вызывает большее повреждение ДНК, что распознается Aag.
"Это усугубляет ситуацию, потому что гликозилаза Aag будет действовать на повреждения, вызванные воспалением, поэтому вы получаете порочный круг, а восстановление ДНК вызывает все большую и большую дегенерацию и некроз в слое фоторецепторов," Самсон говорит.
Ничего из этого не происходит у мышей, у которых отсутствует Aag или PARP, и этого не происходит в других клетках глаза или в большинстве других тканей тела.
"Меня поражает, насколько это сегментировано. Другие клетки сетчатки совсем не затронуты, и они должны испытывать такое же количество повреждений ДНК. Таким образом, одна из возможностей заключается в том, что они не экспрессируют Aag, в то время как фоторецепторные клетки делают," Самсон говорит.
"Эти молекулярные исследования интересны, поскольку они помогли определить лежащую в основе патофизиологию, связанную с повреждением сетчатки," говорит Бен Ван Хаутен, профессор фармакологии и химической биологии Университета Питтсбурга, который не принимал участия в исследовании. "Ремонт ДНК необходим для точного наследования генетического материала клетки. Однако само действие некоторых ферментов репарации ДНК может приводить к образованию токсичных промежуточных продуктов, которые усугубляют воздействие генотоксичных агентов."
Различные эффекты
Исследователи также обнаружили, что воспаление и некроз сетчатки у самцов мышей были более серьезными, чем у самок. Они подозревают, что эстроген, который может мешать активности PARP, может помочь подавить путь, ведущий к воспалению и гибели клеток.
Лаборатория Самсона ранее обнаружила, что активность Aag также может усугубить повреждение мозга во время инсульта у мышей. То же исследование показало, что активность Aag также ухудшает воспаление и повреждение тканей в печени и почках после кислородного голодания. Гибель клеток, вызванная Aag, также наблюдалась в мозжечке мыши и некоторых клетках поджелудочной железы и костного мозга.
Эффекты гиперактивности Aag мало изучены на людях, но есть доказательства того, что у здоровых людей уровни фермента сильно различаются, что позволяет предположить, что он может иметь разные эффекты у разных людей.
"Предположительно, в организме человека есть некоторые типы клеток, которые будут реагировать так же, как фоторецепторы мыши," Самсон говорит. "Они могут просто не быть одним и тем же набором ячеек."