Тихоходка переживает облучение благодаря усиленной репарации ДНК

Тихоходки известны своей способностью выживать в экстремальных условиях. Так, они могут переносить огромные дозы ионизирующего излучения, примерно в 1000 раз превышающие смертельную дозу для человека. Авторы статьи в Current Biology разобрались, как им это удается — и показали, что у тихоходки запускаются системы репарации в ответ на ионизирующее излучение. Гамма-облучение повреждает ДНК этого животного, но повреждения быстро восстанавливаются.

Исследования проводили на тихоходках вида Hypsibius exemplaris. Чтобы визуализировать в их организме уровень и локализацию повреждений ДНК, авторы работы адаптировали метод TUNEL (мечение разрывов с помощью терминальной дезоксинуклеотидилтрансферазы) для использования на целых животных, а не их отдельных клетках. Тихоходок подвергали хорошо переносимой дозе гамма-облучения (2 180 Гр), а также дозе, близкой к полулетальной (4 360 Гр). Для сравнения, полулетальная поглощенная доза для человека составляет 3–5 Гр. У контрольных тихоходок, не подвергавшихся облучению, сигнал TUNEL в ядрах был низким, однако он значительно возрастал после воздействия излучения. Таким образом, ДНК этих животных действительно повреждалась гамма-лучами.

Исследователи предположили, что для компенсации повреждения ДНК у H. exemplaris могут существовать различные механизмы, в том числе на транскриптомном уровне. Они провели секвенирование мРНК тихоходок после облучения дозами 100, 500 или 2 180 Гр. Анализ дифференциальной экспрессии выявил устойчивый транскрипционный ответ на ионизирующее излучение: уровень 4590 транскриптов значительно возрос, еще 4687 — снизился. При этом 7 из 15 транскриптов, экспрессия которых повысилась, кодировали белки, относящиеся к путям репарации ДНК (эксцизионной репарации оснований, BER, и негомологичного соединения концов, NHEJ). Уровни этих транскриптов были увеличены более чем в 32 раза, отдельные гены экспрессировались активнее почти в 300 раз. Авторы подмечают, что это необычное явление — хотя у других животных и наблюдались транскрипционные ответы на повреждение ДНК, эти ответы были умеренными, и уровень экспрессии менялся только в 1,5–4 раза. При этом гены, относящиеся к путям эксцизионной репарации нуклеотидов (NER) и репарации ошибочно спаренных нуклеотидов (MMR), экспрессию не повышали. Таким образом, в ответ на ионизирующее излучение в организме тихоходок активируется транскрипция генов репарации ДНК, залечивающих те типы повреждений, которые обычно возникают под действием ионизирующего излучения.

Полученные результаты заставили исследователей задуматься, происходит транскриптомный ответ на уровне всего организма или же его обуславливают определенные ткани. Проанализировав методом in situ гибридизации те транскрипты, уровень которых повысился под действием облучения, авторы статьи обнаружили обогащение почти во всех исследованных тканях. Так, все транскрипты, связанные с репарацией, увеличили свою экспрессию в большинстве тканей, однако также продемонстрировали некоторую тканеспецифичность. Несколько генов репарации ДНК особенно активно экспрессировались в секреторных тканях и задней кишке. Ученые объясняют это тем, что в данных тканях транскрипция и трансляция происходит особенно интенсивно.

Авторы работы предположили, что увеличения экспрессии выявленных транскриптов может быть достаточно для защиты от ионизирующего излучения. Чтобы проверить эту гипотезу, они экспрессировали гены репарации тихоходок в клетках E. coli. Затем бактерий облучали дозой 2 180 Гр и оценивали их выживаемость. Оказалось, что экспрессия некоторых генов тихоходки повышает устойчивость E. coli к облучению — эти гены кодировали белки-участники BER, за исключением одного компонента гомологичной репарации.

Наконец, авторы работы снизили уровень одного из генов (XRCC5 — компонента NHEJ) с помощью РНК-интерференции. В этом случае выживаемость облученных тихоходок существенно снижалась по сравнению с контролем, получавшим РНК, нацеленные на GFP.

С помощью анализа повреждения ДНК, транскриптомики и функциональных исследований исследователи установили, что ДНК тихоходки H. exemplaris действительно повреждается при воздействии ионизирующего излучения. Однако, несмотря на это, тихоходки выживают при высоких дозах облучения, поскольку в ответ на него в неожиданной степени повышают экспрессию компонентов репарации ДНК — они обеспечивают устойчивость тихоходок к радиации.

Обнаружены гены, определяющие судьбу клеток дрозофилы после облучения