Найдено более 100 ключевых генов, влияющих на повреждение ДНК млекопитающих

Нестабильность генома и повреждение ДНК могут приводить к образованию микроядер (MN) — патологических структур, похожих на ядра, но состоящих из поврежденных хромосом и их фрагментов, окруженных атипичной ядерной оболочкой. Эти структуры являются признаком старения и болезней, они формируются из-за ошибок митотической сегрегации или неисправленных разрывов ДНК. MN способны существовать в течение нескольких клеточных поколений, приобретать аномальные эпигенетические метки хроматина, реплицировать свою ДНК, хотя асинхронно и медленнее, чем ядерную ДНК. Ядерная оболочка MN может разрываться, что приводит к рекомбинации хромосом (хромотрипсису), а также к мощному провоспалительному ответу через cGAS.

Молекулярные механизмы, приводящие к образованию MN, хорошо изучены, но мало известно о генетических факторах, контролирующих образование MN in vivo. В новой работе международная группа ученых идентифицировала такие гены. Для этого они провели систематический скрининг более 6000 мышей из 997 мутантных линий с потерей функции, используя высокочувствительный метод подсчета MN в эритроцитах с помощью проточной цитометрии. Они определяли гены, нарушение работы которых либо увеличивало (+MN), либо уменьшало (−MN) образование и накопление MN по сравнению с мышами дикого типа. Гены Mcph1, CenpJ, Slx4 и Trex1, участвующие в сегрегации хромосом, ответе на повреждение ДНК и хромотрипсисе, брали в качестве положительных контролей.

Категория генов −MN ранее не была описана. Эти гены потенциально связаны с аберрантным эритропоэзом. Их активность подтвердили на клетках человека. Гены +MN были связаны с раком, эмбриональным развитием и аномалиями глаз и (или) кожи.

Один класс генов +MN был связан с сцеплением сестринских хроматид: Dscc1, Esco1, Smc3, Sgo1/Sgol1 и Pds5b. Дефекты в гомологах этих генов у человека связаны с когезинопатиями, такими как синдром Корнелии де Ланге. Исследователи обратили особое внимание на ген DSCC1. Его ранее не связывали с когезинопатиями, но анализ данных UK Biobank показал, что варианты, изменяющие его экспрессию, связаны с индексом массы тела и минеральной плотностью костей.

Наиболее резкое увеличение числа MN было показано у мышей с мутациями в Dscc1. Эти мутации приводили к укорачиванию белка (Dscc1−/−). Мутантные мыши часто погибали из-за нарушений работы сердца и печени на E14,5. У выживших мышей наблюдались аномалии скелета, повышение массы тела, атрофия яичек, нарушения сперматогенеза, повышение минеральной плотности костей и изменение подвижности — схожие признаки характерны для пациентов с когезинопатиями.

Исследователи изолировали мышиные эмбриональные фибробласты (MEF) на E13,5. Dscc1−/− MEF росли медленнее, чем клетки дикого типа. У них был выше уровень геномной нестабильности, их хромосомы чаще ломались и перестраивались, у старых мышей чаще развивался рак (лимфома). Мутации в гене DSCC1 у клеток человека также приводили к повышению числа MN и снижению их жизнедеятельности.

Используя CRISPR-скрининг, исследователи показали, что эффект, вызванный потерей DSCC1, можно частично компенсировать за счет нарушения работы генов TGFBR2, SIRT1, KIF25 и CARS и усугубить за счет нарушения работы POLR2J2, POLR2J, RPS3A, RPL13 и RPL9. TGFBR2 — предполагаемый опухолевый супрессор, регулирует транскрипцию генов, связанных с пролиферацией клеток. SIRT1 кодирует NAD-зависимую деацетилазу, таргетирующую в том числе гистоны и p53. KIF25 — член кинезин-подобного семейства белков, необходимого, чтобы предотвратить досрочное разделение центросом в интерфазе. CARS лигирует аминокислоты и тРНК.

SIRT1 — привлекательная мишень для терапии, так как его ингибиторы уже известны и готовы для клинического применения. Эти ингибиторы частично компенсируют снижение клеточной пролиферации и образование MN в клетках Dscc1−/−. Потенциально ингибиторы SIRT1 можно переориентировать на лечение когезинопатий.

Габриэль Балмус, профессор Института Сэнгера и последний автор работы, добавил: «Наше исследование подчеркивает потенциал ингибиторов SIRT как терапии когезинопатий и других геномных нарушениях. Предположительно, раннее вмешательство, таргетирующее SIRT1, может помочь смягчить биологические изменения, связанные с нестабильностью генома, до того, как они прогрессируют».

Почему разорванные фрагменты хромосомы остаются вместе