ДНК, как дома и автомобили, требует постоянного обслуживания. Лучи ультрафиолетового солнечного света, химические загрязнители и нормальные биохимические процессы в клетке могут повредить ее. Клетки обычно восстанавливают это повреждение перед тем, как создавать белки или копировать ДНК для деления клеток. В нормальных клетках ремонт происходит очень точно, но раковые клетки делают гораздо больше ошибок при исправлении своей ДНК. Алан Томкинсон, доктор философии, профессор внутренней медицины Университета Нью-Мексико и заместитель директора по фундаментальным исследованиям онкологического центра UNM, хочет понять, почему и как эти механизмы восстановления не работают в раковых клетках. Это понимание может привести к новым мишеням для противораковых препаратов. Доктор. Томкинсон недавно выиграл продление гранта на 4 года на 1 миллион долларов, чтобы продолжить свои 18-летние исследования ДНК-лигаз, ферментов, которые восстанавливают цепи ДНК.
ДНК-лигазы сливают основу цепи ДНК. Нить представляет собой длинную цепочку нуклеотидов, которая по структуре напоминает половину лестницы, продольно разрезанной через ступеньки. Каждый нуклеотид состоит из молекулы дезоксирибозы с молекулой фосфата с одной стороны и базовой молекулой с другой. Фосфат одного нуклеотида присоединяется к дезоксирибозе соседнего нуклеотида, образуя чередующийся остов цепи ДНК фосфат-дезоксирибозы – сторону лестницы. В молекуле ДНК – полной лестнице – каждое основание присоединяется к комплементарному основанию на зеркальной нити, образуя структуры, похожие на ступеньки, которые кодируют гены.
Продукты нормальных клеточных химических реакций и белки репарации ДНК, которые заменяют поврежденные основания, могут разрушить основу фосфат-дезоксирибозы. Если разорвана только одна цепь, общая структура ДНК остается нетронутой, потому что основания разорванной цепи все еще прикрепляются к основаниям второй, неразрывной цепи. ДНК-лигазы относительно просто объединяют такие однонитевые разрывы. Однако молекула ДНК распадается, если обе нити разорваны одновременно и в одном и том же месте. В этой ситуации у клетки есть несколько различных вариантов восстановления этих разрывов, все из которых заканчиваются ДНК-лигазой, присоединяющейся к основной цепи ДНК. Доктор. Томкинсон изучает, как ДНК-лигазы работают с другими белками репарации ДНК для восстановления повреждений ДНК.
Однако эти механизмы ремонта не идеальны. "Вы можете измерить частоту, с которой ячейка будет делать ошибку," говорит доктор. Томкинсон. Этот коэффициент ошибок очень низок в нормальных клетках, но ДНК раковых клеток претерпевает множество изменений. "Уровень ошибок в нормальных клетках настолько низок, что вы не ожидаете увидеть рак в нормальных условиях," говорит доктор. Томкинсон. "В процессе превращения нормальной клетки в раковую," он объясняет, "определенное количество изменений должно накопиться. Итак, на каком-то этапе выясняется, что механизмы, которые обычно восстанавливают ДНК, становятся ненормальными."
Фактически, эти процессы становятся настолько ненормальными, что ДНК в раковых клетках сильно отличается от ДНК в нормальных клетках. Нормальные клетки имеют 46 хромосом; раковые клетки часто этого не делают, состояние, называемое анеуплоидией. Нормальные клетки имеют 23 пары хромосом, и хромосомы 22 из этих пар похожи друг на друга. Раковые клетки, напротив, имеют много хромосом, которые выглядят совершенно по-разному, и исследователи могут увидеть эти различия с помощью современных методов окрашивания, которые позволяют им окрашивать каждую хромосому в другой цвет. В нормальных клетках пары хромосом сохраняют свой цвет и остаются монохроматическими; раковые клетки становятся разноцветными, потому что клетка связывает часть одной хромосомы с частью другой. Это перестановка фрагментов ДНК, называемая транслокацией, часто встречается при некоторых видах рака. "Многие лейкозы имеют одиночные транслокации, и это стабильные явления, которые вы можете легко увидеть с помощью цитогенетики," говорит доктор. Томкинсон. "В некоторых случаях рака груди вы видите почти полное перетасовку генетической информации. Хромосомы больше похожи на радугу, чем на один цвет, и размеры не совпадают."
Итак, доктор. Томкинсон изучает ферменты, завершающие восстановление ДНК, ДНК-лигазы, чтобы узнать, как этот процесс становится ненормальным. У людей есть три типа ДНК-лигаз: лигаза I, лигаза III и лигаза IV. Доктор. Томкинсон может измерить активность каждой лигазы в клетке. Он обнаружил, что тип наиболее активной лигазы различается между нормальной и раковой клеткой. Нормальные клетки обладают большей активностью лигазы IV, тогда как раковые клетки обладают большей активностью лигазы III. Доктор. Продление гранта Томкинсона будет способствовать дальнейшему исследованию того, что делает каждая из этих лигаз и как их активность различается между нормальными и раковыми клетками. "Если вы знаете, что у раковых клеток есть отклонения в том, как они справляются с повреждениями ДНК," он говорит, "вы можете выборочно нацелить эту аномалию, чтобы убить раковые клетки, не нанося вреда нормальным клеткам."