В репарации повреждения ДНК в ядре участвует митохондриальная машинерия

Ученые из Австрии, Испании и США показали, что повреждение ДНК под действием цитотоксического агента сопровождается накоплением активных форм кислорода в ядре. Вследствие этого само ядро, считавшееся метаболически инертным, рекрутирует митохондриальный фермент пероксиредоксин 1. Этот фермент, который в том числе участвует в ответе клетки на редокс-стресс, связывает активные формы кислорода и в ядре.

Международный коллектив авторов впервые показал тесную метаболическую связь между клеточным ядром и митохондриями. Ученые установили, что в условиях генотоксического стресса в ядре появляются активные формы кислорода (АФК). Хотя ядро было принято считать метаболически инертным, оказалось, что оно рекрутирует митохондриальный фермент пероксиредоксин 1 (PRDX1) для связывания АФК. Результаты исследования опубликованы в журнале Molecular Systems Biology.

Исследователи составили генетическую карту участников клеточного ответа на повреждение ДНК. Для этого они провели CRISPR-скрининг — клетки линии U2OS трансдуцировали библиотекой sgRNA, нацеленных на связанные с метаболизмом гены. Отключая их таким способом, ученые затем воздействовали на клетки этопозидом — химиотерапевтическим препаратом, ингибирующим топоизомеразу II и вызывающим генотоксический стресс. Далее были идентифицированы участки генома, в которые были внесены и не восстановлены разрывы, в отсутствие тех или иных белков. Полученная генетическая карта включала сеть метаболических факторов, которые влияют на ответ клетки на повреждение ДНК. Кроме того, исследователи показали, что в ядре появляются АФК в существенных количествах уже через 24 часа после обработки клеток этопозидом.

Чтобы выявить гены, которые вовлечены в ранние процессы клеточного ответа на повреждения ДНК, авторы исследования отобрали клетки с большим количеством ??2?? (маркер двуцепочечных разрывов) через 24 часа после обработки этопозидом и выделили из них ДНК. Оказалось, что в выявленной популяции существенно были подавлены (с помощью sgРНК) два гена — ENO1 (кодирует енолазу 1) и PNPLA2. Кроме того, с высоким количеством ??2?? был ассоциирован нокаут ряда генов, вовлеченных в метаболизм нуклеотидов.

Оказалось также, что метаболические ферменты могут быть напрямую локализованы на хроматине. В ядрах клеток, обработанных этопозидом, наблюдалось значимое повышение уровня АФК. Авторы предположили наличие механизма, который привлекал бы в ядро метаболические ферменты, утилизирующие АФК. Анализ хроматома (совокупности связанных с хроматином белков) выявил, что обработка этопозидом влияет на его состав, в том числе повышая количество некоторых метаболических ферментов. Среди них оказался митохондриальный белок-антиоксидант пероксиредоксин 1 (PRDX1), который является тиолспецифичной пероксидазой. Таким образом, клеточное ядро вовсе не инертно метаболически, как было принято считать, и в нем находятся и функционируют метаболические ферменты.

Важность PRDX1 для репарации ДНК показывает тот факт, что в отсутствие PRDX1 в клетках повышается количество ??2??, COX4 (одна из субъединиц оксидазы цитохрома c) и АФК. Более того, именно повышение уровня АФК в ядре привлекает PRDX1 в ядро. Кроме того, на PRDX1 оказался завязан другой аспект метаболизма. Авторы работы показали, что отсутствие PRDX1 ведет к снижению уровня аспартата — аминокислоты, которая используется для синтеза нуклеотидов de novo. Интересно, что добавление к клеткам аскорбиновой кислоты, аспартата и нуклеотидов может частично функционально возместить утрату PRDX1.

Стоит отметить, что во многих случаях клетки раковых опухолей используют анаэробное дыхание, и генерация АФК в них снижена. Ученые отмечают, что терапия, увеличивающая генерацию АФК и подавляющая синтез нуклеотидов, сможет повысить эффективность цитотоксической противораковой химиотерапии.

Подробнее о современном взгляде на симбиотическое происхождение ядра и митохондрий эукариот — в нашей недавней новости