Как голый землекоп улучшил репарацию своей ДНК

Двухцепочечные разрывы — наиболее вредный для организма тип повреждений ДНК, и их накопление связано с процессами старения. Гомологичная рекомбинация (HR) — основной метод репарации двухцепочечных разрывов. Исследователи из Китая показали, что у голых землекопов циклоГМФ-АМФ-синтаза (cGAS) активизирует процессы HR, а не подавляет их, как у людей и мышей. Такое изменение функции обеспечивается всего четырьмя заменами в аминокислотной последовательности фермента и значительно замедляет процессы старения.

Основная функция cGAS — идентификация ДНК в цитозоле и запуск иммунного ответа. У людей и мышей показано также присутствие cGAS в ядре, где этот фермент подавляет процессы HR, что может способствовать образованию рака. Авторы нового исследования показали на клеточных линиях, что повышенная экспрессия cGAS голых землекопов активирует HR в ответ на повреждения ДНК радиацией, в то время как человеческая cGAS, напротив, замедляет репарацию. Данное свойство не было связано с ферментной функцией cGAS — мутантные формы, не обладающие ферментной активностью, также оказывали влияние на HR.

Чтобы определить, какой участок ответственен за такое кардинальное изменение функции, авторы сгенерировали множество рекомбинантных форм cGAS голого землекопа, в которых различные участки были заменены на последовательности человеческого гена. Это позволило идентифицировать участок фермента в 110 аминокислотных остатков, подробный анализ которого в итоге выявил четыре ключевых замены аминокислот (у голого землекопа S463, E511, Y527 и T530, у человека D463, K511, L527 и K530). Изменение этих аминокислот в cGAS приводило к переключению их влияния на HR: «человеческий» вариант вызывал подавление, вариант голого землекопа — активацию.

Авторы установили, что четыре аминокислотные замены поддерживают низкий уровень убиквитинирования cGAS после повреждения ДНК. В результате cGAS голых землекопов значительно дольше остается связанным с хроматином после повреждения ДНК, чем cGAS человека. Это долгое взаимодействие позволяет cGAS голого землекопа привлекать к месту повреждения факторы RAD50 и FANCI, участвующие в репарации. Примечательно, что ранее не было описано активное участие FANCI в починке именно двухцепочечных разрывов.

В то же время человеческая cGAS, предполагают авторы, из-за своего недолгого взаимодействия с хроматином работает как конкурентный связывающий фактор, унося RAD50 и FANCI от места повреждения ДНК. Данное предположение подтверждается тем, что подавляющий эффект человеческой cGAS на ДНК репарацию снижался при искусственном ингибировании P97 — фактора, участвующего в отсоединении cGAS от ДНК.

Наконец, авторы проверили влияние различных форм cGAS на старение. В клеточных линиях cGAS с четырьмя ключевыми аминокислотами голого землекопа значительно снижала эффект связанного со стрессом преждевременного старения, повышала устойчивость клеток к радиации и подавляла онкогенные процессы.

Схожие эффекты наблюдались и в опытах in vivo. Дрозофилы, экспрессирующие вариант cGAS голого землекопа, старели значительно медленнее, что было показано по экспрессии связанных со старением генов, физиологическим изменениям в работе кишечника и иммунной системы, и по моторной функции. Продолжительность их жизни увеличилась на несколько дней — это существенно, поскольку дрозофилы живут около двух месяцев. В опытах на мышах инъекция аденоассоциированного вируса, кодирующего cGAS голого землекопа, также значимо замедляла процессы старения, например, у таких мышей медленней появлялась седина, были снижены уровни иммуноглобулинов G и интерлейкина-6 в плазме крови (повышенные концентрации этих биомаркеров ассоциируются со старением).

Таким образом, авторы установили молекулярные механизмы, оптимизирующие процессы репарации ДНК у голого землекопа, и подтвердили, что это один из факторов, обеспечивающих его уникальную продолжительность жизни. Это исследование подчеркивает роль репарации ДНК в замедлении старения и открывает новые пути для разработки вмешательств, продлевающих жизнь человека.

Чтобы вызвать рак легких у голых землекопов, пришлось внести три изменения в их геном