Клетки человека могут синтезировать ДНК в своей цитоплазме

За последнее десятилетие разными учеными было обнаружено наличие ДНК клетки не только в ядре, но и в цитоплазме, причем это нестандартное положение главной молекулы наблюдалось в большинстве случаев у старых и больных клеток. Хотя исследователи привыкли видеть чужеродные ДНК вирусов и бактерий в наших клетках, наличие собственного генетического кода в форме комплементарной ДНК (кДНК), синтезированной из матрицы РНК озадачило ученых.

В каждом случае кДНК возникает от эндогенных ретротранспозонов, известных своим механизмом копирования и вставки, который приводит к встраиванию новых копий самих себя в геном. Этот процесс обычно происходит в ядре, поэтому цитоплазматическая кДНК ранее не имела объяснения.
После обнаружения Alu - самого распространенного ретротранспозона генома человека в цитоплазме клеток, моделирующего дегенеративное заболевание глаз, офтальмолог из Университета Вирджинии Джаякришна Амбати и его коллеги решили исследовать загадочное происхождение этого блуждающего элемента. Опубликованные результаты в журнале PNAS, показывают, что клетки человека действительно могут синтезировать Alu комплементарной ДНК в цитоплазме.

По словам Хейга Казазиана, генетика из Университета Джона Хопкинса, который не участвовал в этом исследовании, это «потенциально новаторское исследование». Казазян десятилетиями изучал ретротранспозоны, уделяя особое внимание LINE-1 (L1).
L1 кодирует белок, обладающий способностью осуществлять обратную транскрипцию РНК в ДНК, а также разрезать нуклеиновые кислоты для вставки этой ДНК. В конце 1990-х он и его коллеги показали, что механизм копирования и вставки этого мобильного элемента взаимосвязан: обратная транскрипция происходит в том месте, где расщепляется геномная ДНК. Причем, L1 выполняет этот трюк, чтобы усилить свое воздействие в геноме, и Alu использует L1 для того же процесса. Исследование Амбати показывает, что LINE-1 осуществляет обратную транскрипцию Alu в цитоплазме, независимо от геномной вставки. Казазиан говорит, что открытие является провокационным, и что доказательства, подтверждающие его, выглядят основательно.

Инициирование (начало) синтеза ДНК без геномной ДНК поднимает интригующий вопрос: как это происходит без использования обычного оборудования? Обратные транскриптазы нуждаются в короткой последовательности нуклеиновой кислоты - праймере, чтобы начать работу. Обычно для этой цели в случае обратной транскрипции Alu служит короткая цепь ядерной ДНК в сайте вставки, но в цитоплазме такая последовательность отсутствует.

Изучая последовательность Alu и его структуру РНК, команда выдвинула гипотезу, что ретротранспозон может подвергаться самопраймированию, то есть молекула 3'-концом перегибается назад, образуя внутримолекулярные петли. Данные последнего исследования подтверждают это предположение, что Alu способен к самопраймированию, снабжая последовательность, из которой обратная транскриптаза может инициировать синтез.

Связь цитоплазматической кДНК с болезнью сетчатки

Амбати и его коллеги обнаружили цитоплазматический синтез Alu, изучая атрофическую возрастную дегенерацию желтого пятна (AMD). Десять лет назад они обнаружили, что накопление ретротранспозона Alu вызывает гибель клеток в пигментном эпителии сетчатки (RPE), и это явление связано с медленной потерей зрения. С тех пор ряд открытий позволил получить более подробную молекулярную картину болезни - например, что Alu в конечном итоге вызывает воспаление, что является признаком многих возрастных осложнений. В этом исследовании ученые показали, что Alu кДНК, синтезируемая именно в цитоплазме, приводит к токсичности при атрофической AMD.

Поскольку Alu представляет собой ретротранспозон, который полагается на обратную транскриптазу для увеличения числа ее копий, Амбати и его коллеги предположили, что нуклеозидные ингибиторы обратной транскриптазы (NRTI) (лекарства, которые в настоящее время используются для лечения ретровирусных инфекций) могут блокировать накопление Alu.
В 2014 году команда проверила эту идею на клетках человека и мыши, обнаружив, что эти препараты действительно предотвращают дегенерацию RPE, но делают это благодаря своим ранее неизвестным противовоспалительным свойствам. В своей последней работе исследователи показали, что NRTI также подавляют синтез комплементарной ДНК в цитоплазме клеток эпителия сетчатки, указывая на способность нуклеозидных ингибиторов блокировать атрофию желтого пятна на двух фронтах: как путем противодействия воспалению, так и путем перехвата транскрипции.

Из-за убедительных доказательств эффективности NRTI в предотвращении дегенерации эпителия сетчатки глаза в лабораторных условиях, а также из-за использования этих препаратов в клинической практике на протяжении десятилетий, исследователи решили погрузиться в архивы четырех независимых баз данных медицинского страхования в США. Они хотели оценить, могло ли использование NRTI для других целей иметь непреднамеренное преимущество в снижении частоты AMD. Этот анализ, в котором приняли участие почти 35 миллионов взрослых, показал снижение риска развития атрофической дегенерации у пациентов, принимающих NRTI, почти на 40 процентов.

"В перспективе необходимо рандомное исследование, чтобы увидеть, уменьшают ли препараты прогрессирование атрофической AMD", говорит Амбати. Поскольку NRTI токсичны, его команда разработала модифицированные версии, известные как камувудины, которые так же эффективны, но более безопасны в клеточных культурах и в организме животных. По словам Амбати, клинические испытания камувудина в начнутся в конце этого года.

Офтальмолог из Университета науки и технологий Макао Кан Чжан, который ранее сотрудничал с Амбати и рецензировал свою последнюю статью, говорит, что обнаружение кДНК, синтезируемой в цитоплазме, также может иметь отношение к другим состояниям, таким как рак, нейродегенерация и сердечно-сосудистые заболевания.
"В цитоплазме происходит так много всего. Когда обнаружен совершенно новый процесс, такие ученые, как я, возвращаются к рассмотрению некоторых феноменов, которые мы не могли понять и не могли объяснить". "Это смена парадигмы, которая даст толчок новым исследованиям".