Белок с цинковым пальцем защищает клетку от конфликтов транскрипции и репликации

Поддержание целостности генома необходимо для нормальной работы клетки и предотвращения ее преждевременной гибели или злокачественной трансформации. Для этого повреждения генома, которые постоянно возникают в клетке и представляют собой угрозу, исправляются системой репарации ДНК. Еще один важный фактор риска — репликативный стресс. Он может быть вызван различными причинами — уже упомянутыми повреждениями ДНК, дисбалансом нуклеотидов, комплексностью отдельных участков генома или вторичных структур, а также и конфликтами между транскрипцией и репликацией.

К конфликтам транскрипции и репликации, следовательно, к репликативному стрессу, часто приводит синтез некодирующих РНК. В клетке существует несколько систем, которые контролируют транскрипцию и останавливают синтез «лишних» РНК. Авторы статьи в Science Advances с помощью биоинформатического анализа выявили одну из таких систем и показали, что ключевую роль в ней играет белок с доменом цинкового пальца ZC3H4.

Ученые задались целью найти новые гены, участвующие в ответе на повреждение ДНК, — для этого они провели метаанализ, в который включили данные из 34 исследований. Для дальнейшего изучения отобрали те гены, мутации в которых часто встречаются при раке, поскольку это указывает на возможную роль в поддержании стабильности генома.

Также исследователи проанализировали данные 22 работ по экспрессии генов в сенесцентных (стареющих) клетках. Они обнаружили, что экспрессия многих генов, участвующих в ответе на повреждение ДНК и выявленные в предыдущем метаанализе, также уменьшается при сенесценции. По этим данным ученые составили списки для дальнейшего исследования — топ-3% генов, снижающих свою активность при сенесценции, и топ-1% потенциальных участников репарации, выявленных в первом метаанализе.

Сопоставление этих данных выявило семь генов, среди которых ученые обратили внимание на ZC3H4, кодирующий белок с доменом «цинковый палец». Дальнейший анализ показал, что ZC3H4 участвует в регуляции клеточного цикла и восстановлении ДНК, — это подтверждается данными о нестабильности генома (зачастую летальной) у мышей с нокаутом этого гена и частыми мутациями в нем при раке.

Затем исследователи экспериментально показали, что дефицит белка ZC3H4 серьезно нарушает пролиферацию клеток. Нокаут ZC3H4 с помощью CRISPR-Cas9 индуцировал сенесценцию клеток, связанную с накоплением повреждений ДНК и ослабленной репарацией.

Более детальные исследования показали, что дефицит белка ZC3H4 вызывает репликативный стресс из-за усиления транскрипции РНК. Это приводит к конфликтам транскрипции и репликации, нарушает митоз (в частности, нормальное расхождение хромосом — об этом свидетельствовало накопление хроматиновых мостиков) и образованию многоядерных клеток, а в итоге вызывает остановку клеточного цикла и сенесценцию.

Оверэкспрессия ZC3H4, напротив, снижала скорость синтеза РНК, что указывает на роль этого белка в подавлении избыточной транскрипции, которая в отсутствие ZC3H4 может стать причиной репликативного стресса. Обработка ингибитором элонгации DRB восстанавливала нормальную репликацию и симметрию репликативных вилок в клетках с нокаутом ZC3H4, снижая в них число конфликтов транскрипции и репликации.

Анализ пространственного распределения ZC3H4 по геному методом иммунопреципитации хроматина (ChIP-seq) показал, что он локализуется возле участков начала репликации и подавляет в них транскрипцию. Это предотвращает столкновения репликационной вилки с РНК-полимеразой. Потеря ZC3H4 приводит к избыточной транскрипции, причем в первую очередь некодирующих РНК, и накоплению R-петель, с которыми связано последующее повреждение генома. Изучение опубликованных транскриптомных данных говорит о консервативности ZC3H4 в контроле транскрипции и поддержании нормальной репликации ДНК.

Уже показано, что ZC3H4 входит в комплекс Restrictor, который ограничивает экспрессию некодирующих РНК. Все компоненты этого комплекса локализуются в точках начала репликации ДНК и предотвращают образование R-петель.

Вопрос, каким образом ZC3H4/Restrictor специфично подавляет некодирующую РНК, пока обсуждается. Одна из гипотез связана с отсутствием CpG-островков вне генов, что снижает защиту РНК от преждевременного завершения транскрипции. Другая состоит в том, что малые ядерные РНК U1 защищают белоккодирующие гены от действия комплекса.

Некодирующие РНК, в отличие от мРНК, не имеют сайтов сплайсинга, что повышает их склонность к образованию R-петель. Комплекс ZC3H4/Restrictor подавляет раннюю элонгацию таких РНК и тем самым предотвращая конфликты транскрипции и репликации.

Таким образом, роль ZC3H4 в поддержании стабильности генома заключается в ограничении синтеза некодирующих РНК — благодаря этому в клетке снижается частота столкновений реплисомы с РНК-полимеразой и уменьшается риск повреждений генома. Возможно, ZC3H4 также связывается с участками начала репликации, помогая запускать этот процесс и предотвращая его блокировку транскрипцией. Однако эти участки часто совпадают с промоторами активных генов, поэтому требуется дополнительное исследование, чтобы установить, является такое взаимодействие прямой функцией ZC3H4 или следствием его присутствия на активно транскрибируемых участках.

Внехромосомная кольцевая ДНК способствует онкогенезу