Coraz lepiej rozumiemy, jak komórki troszczą się o swoje DNA

Mariusz Gogól: Nie ma chyba ważniejszej cząsteczki w biologii niż DNA. Mówimy: DNA, myślimy: życie. Ta cząsteczka wciąż znajduje się w sercu największych tajemnic biologii?

Prof. Marcin Nowotny: Z pewnością jednym z największych pytań, przed którymi stoi nauka, jest to, w jaki sposób powstało życie – w całej swojej złożoności i różnorodności. To trudne pytanie, bo pierwotne formy życia nie przetrwały. Gdzieniegdzie odnajdujemy jakieś okruchy pradawnych form we współczesnych organizmach i próbujemy na ich podstawie wnioskować o historii życia. To dość trudne zadanie. Aktualnie życie oparte jest o cząsteczkę DNA, ale jedna z najpopularniejszych hipotez mówi, że u pierwszych form życia nośnikiem informacji genetycznej było RNA.

Czym właściwie te dwie cząsteczki się różnią?

Chemicznie RNA i DNA są bardzo podobne. Wyobraźmy sobie DNA jako dwa łańcuchy światełek choinkowych, które biegną w przeciwnych kierunkach. Każda żarówka odpowiada cegiełce budującej pojedynczy łańcuch DNA. Światełka obu łańcuchów, a są ich cztery rodzaje, „kleją się do siebie” – zielone światełko zawsze łączy się z niebieskim, a czerwone zawsze z pomarańczowym. 

Światełkami są oczywiście odpowiednie grupy chemiczne – adenina, tymina, guanina i cytozyna, które można też traktować jako litery kodu genetycznego. RNA różni się od DNA jednym rodzajem światełka i obecnością dodatkowego atomu tlenu, który towarzyszy każdej obecnej w łańcuchu „małej żarówce”. 

Ta obecność tlenu zmienia właściwości cząsteczki RNA. Co więcej, DNA zwykle występuje jako forma dwuniciowa, owa słynna podwójna helisa. RNA to z kolei najczęściej pojedynczy łańcuch, choć w przyrodzie zdarza się i jednoniciowe DNA, i dwuniciowe RNA.

Cząsteczki RNA potrafią katalizować reakcje chemiczne, tak jak robią to białka, czyli podstawowy trybik żywej komórki. Wydaje się, że pierwsze cząsteczki RNA nie tylko kodowały informację genetyczną, ale również prowadziły reakcje chemiczne w pierwszych organizmach. Później ta informacja została przepisana na DNA i tak jest kodowana w większości obecnych form życia.

Dlaczego zatem życie „wybrało” DNA, a nie RNA? Czy chodzi właśnie o te wspomniane, drobne różnice chemiczne?

Przez swoją budowę RNA jest cząsteczką bardziej sztywną niż DNA. Łatwiej też ulega degradacji. To za sprawą tego jednego dodatkowego atomu tlenu w łańcuchu. Może on brać udział w reakcji, na skutek której cząsteczka pęka. Kluczową cechą DNA jest więc jej większa stabilność, co jest absolutnie priorytetem w kontekście przechowywania informacji. 

Nie oznacza to oczywiście, że DNA nie ulega uszkodzeniom. Te też się zdarzają, a nawet mogą być częste. Możemy popatrzyć na DNA jak na program komputerowy, który potrafi zakodować każdy organizm – wówczas zrozumiemy, że zmiany w budowie chemicznej DNA są dla komórki dużym zagrożeniem. 

To trochę jak z odczytywaniem taśmy magnetycznej przez magnetofon. Jest on w stanie odczytywać zapisaną informację, dopóki taśma jest cała. Gdy ona pęknie czy jest zagięta, przestaje to być możliwe. Podobnie jeśli pojawią się w nim zmiany kolorów światełek, „literówki”, czyli mutacje. Może powstać wtedy wadliwe białko, co może prowadzić do poważnych konsekwencji, w tym śmierci komórki lub powstania nowotworu.

Pojawiło się nam to złowieszcze słowo: mutacje.

Mutacje to zmiany w sekwencji DNA, czyli literówki w kodzie genetycznym. Tylko ok. 1-2 proc. naszego DNA to regiony będące konkretnymi przepisami mówiącymi, jak ma wyglądać białko. Mowa tutaj o genach. Mamy ich w materiale genetycznym około 20 tys. Reszta to fragmenty regulacyjne lub tzw. szum genetyczny.

Jeśli mutacja powstanie w rejonie nieistotnym, to będzie neutralna, nie ma większego znaczenia dla życia komórki czy organizmu. Takich jest większość. Z kolei jeśli zmiana dotyczy genów, może prowadzić do poważnych konsekwencji. Zmiana w budowie białek może pociągać za sobą zmianę w funkcjonowaniu komórki. 

Można powiedzieć, że efekt mutacji zależy od tego, jak istotny jest zmieniony fragment materiału genetycznego. Jeśli kodowana przez niego cząsteczka białka bierze udział w podstawowych reakcjach biochemicznych, to jej mutacja może prowadzić nawet do śmierci komórki. 

W przypadku zmiany w białku regulującym podziały komórek, może skończyć się na ich niekontrolowanym mnożeniu się – a to cecha nowotworów. Mówi się, że aby komórka stała się komórką nowotworową, konieczne jest pojawienie się od 4-7 mutacji, które rozregulowują fizjologię komórki.

Ma Pan na myśli jakieś konkretne białka związane z nowotworami?

Jednym z przykładów jest mutacja cząsteczki zwanej „strażnikiem genomu”. Chodzi o białko o mało kreatywnej nazwie – p53. Wyczuwa ono uszkodzenia DNA i jeśli takie nastąpią, to zatrzymuje cykl komórkowy. Komórka ma czas naprawić zaistniałe szkody. Kiedy uszkodzenia są poważne i nie można nic z nimi zrobić – uruchamiana jest śmierć komórki. 

Mutacje w genie p53 uniemożliwiają tego typu regulację, co prowadzi do rozwoju nowotworów. Mutacje tego białka występują w ok. 50 proc. nowotworów. 

Inne ważne białko to K-RAS, które odgrywa kluczową rolę w regulacji wzrostu, podziału i przeżyciu komórek. Jeśli jest ono uszkodzone, daje sygnał komórkom, żeby nieustannie się dzieliły. Ich mutacje występują w ok. 90 proc. nowotworów trzustki oraz w 30-50 proc. przypadków nowotworów jelita grubego.

Kolejne to BRCA1 i BRCA2, o których stało się głośno za sprawą aktorki Angeliny Jolie. Ich mutacje zwiększają ryzyko zachorowania na nowotwory piersi i jajnika.

Skąd biorą się mutacje? Czy to tylko efekt działania czynników zewnętrznych?

Mutacje powstają nie tylko w wyniku działania czynników takich jak dym papierosowy czy promieniowanie jonizujące. W każdej naszej komórce zachodzą naturalne procesy, które prowadzą  do pojawiania się błędów w cząsteczkach materiału genetycznego. 

Dobrym przykładem jest powielanie DNA, podczas którego tworzone są nowe cząsteczki na bazie starej. Ma to miejsce przed podziałem komórki. Dwa łańcuchy helisy DNA zostają rozdzielone i stają się wzorcem do dobudowania nowych nici materiału genetycznego. Powstają dwie kopie, które znajdą się w komórkach potomnych. 

Czasem się zdarzy, że podczas tego kopiowania cząsteczek DNA przez pomyłkę zostanie wstawione „światełko” niewłaściwego koloru. Np. naprzeciw światełka zielonego zostanie wstawione czerwone zamiast niebieskiego. W ten sposób w każdym podziale komórki powstają 1-3 nowe mutacje, czasem neutralne, a czasem szkodliwe dla komórki.

Mutacje mogą powstawać też na skutek działania bardzo reaktywnych cząsteczek zwanych wolnymi rodnikami, które tworzone są m.in. w mitochondriach przy produkcji energii w komórce. Ich problematyczna natura dotyczy tego, że „atakują” inne cząsteczki budujące komórki, wchodzą z nimi w reakcje chemiczne. Ofiarą padają białka i DNA.

Dodatkowo należy pamiętać, że każda substancja chemiczna spontanicznie się rozkłada. DNA także ulega takim reakcjom. W sumie duża część mutacji w naszych komórkach to efekt naturalnych procesów, które związane są z prawidłową fizjologią. 

Skoro DNA jest tak ważne, to muszą chyba istnieć jakieś mechanizmy chroniące je przed powstawaniem mutacji?

To prawda, ewolucja wykształciła różnorakie mechanizmy chroniące cząsteczkę DNA. Ważnymi mechanizmami chroniącym przed nieprawidłowościami w materiale genetycznym są te, dzięki którym możliwa jest naprawa uszkodzeń. Utrzymanie materiału genetycznego we właściwej formie to niesamowity wysiłek dla komórki. 

Można sobie to prosto uzmysłowić, kiedy zobaczymy, jak wiele DNA mieści się w jednym jądrze komórkowym. Szacuje się, że w jednej naszej komórce mamy ok. dwóch metrów DNA, a w całym organizmie – długość ta odpowiada nawet kilkusetkrotnej odległości między Ziemią a Słońcem.

Wróćmy do konsekwencji mutacji – co się dzieje, jeśli komórka nie naprawi uszkodzeń DNA?

Mówiłem już o śmierci komórki i nowotworach. Posłużę się jeszcze przykładem szkodliwego działania promieni ultrafioletowych będących składową światła słonecznego. Ekspozycja na światło ultrafioletowe powoduje uszkodzenia DNA, wskutek czego każda komórka skóry wystawiona na promieniowanie słoneczne w ciągu dnia może zakumulować kilkadziesiąt mutacji. To główny powód, dla którego lekarze zalecają unikanie nadmiernej ekspozycji na słońce.

Istnieją choroby genetyczne, których źródłem są defekty naprawy uszkodzeń w DNA powodowanych przez światło ultrafioletowe. Jedna z nich to tzw. skóra pergaminowa. Uszkodzenia nie są naprawiane, co prowadzi do licznych mutacji i szybkiego rozwoju nowotworów. Dlatego osoby chore żyją raczej w ciemności, noszą też specjalne ubrania chroniące przed promieniowaniem słonecznym. 

To pokazuje, jak kluczowa jest sprawna naprawa DNA dla naszego zdrowia i długości życia. Inne choroby genetyczne pokazują, że istnieje też ścisły związek między defektami w naprawie DNA a przyspieszonym starzeniem.

A jak komórka rozpoznaje, że coś jest nie tak z DNA?

Znanych jest kilkanaście mechanizmów wykrywania i naprawy uszkodzonego DNA. W jądrze komórkowym cały czas zachodzi „kocioł” reakcji – białka nieustannie patrolują materiał genetyczny. Niektóre z nich skanują DNA, sprawdzając jego elastyczność. Jeśli jest on uszkodzony, cząsteczka staje się bardziej giętka, łatwiej ją ugiąć. 

Inne wykrywają wolne końce DNA, które powstają w wyniku pęknięć materiału genetycznego. Jeszcze inne szukają nieprawidłowych par „światełek” budujących oba łańcuchy DNA. Te systemy są niezwykle wysublimowane i ewoluowały przez miliardy lat. Za ich poznanie przyznano w 2015 r. Nagrodę Nobla.

Jak zatem wygląda naprawa DNA w praktyce?

Istnieją różne ścieżki naprawy, w zależności od rodzaju uszkodzeń. Jeśli doszło do modyfikacji chemicznej, to znaczy do cegiełki budującej łańcuch DNA została dodana jakaś grupa chemiczna, to wycinany jest fragment tego łańcucha i zastępowany nowym DNA. Wiadomo, w jaki sposób uzupełnić ubytek, ponieważ „światełka” z sąsiedniej nici DNA parują się tylko z konkretnymi kolorami. W chorobie skóra pergaminowa, o której mówiłem, właśnie ta droga naprawy jest uszkodzona.

Innym mechanizmem jest odnalezienie i wykorzystanie identycznej albo prawie identycznej sekwencji DNA. To jest fascynujący proces, bo jak odnaleźć pasującą sekwencję „światełek” w tych 2 metrach DNA? Odnaleziony fragment staje się matrycą do naprawy. Tak działa np. naprawa pęknięć obu nici materiału genetycznego, obu łańcuchów choinkowych naraz. Wspomniane wcześniej geny BRCA1 i BRCA2 biorą udział w tej ścieżce naprawy. U człowieka pomaga w tym fakt, że większość chromosomów występuje w dwóch kopiach.

Jednak nawet te mechanizmy nie są nieomylne i czasem same stają się źródłem mutacji. Niektóre z tych ścieżek zostawiają ślady po naprawie, które można wykryć podczas analizy genomów – pozwala to stwierdzić, że dana mutacja powstała w wyniku błędu naprawy DNA.

Mamy pod kątem mechanizmów naprawiania DNA czego zazdrościć innym istotom – innym zwierzętom, bakteriom i wirusom?

Kluczowe sposoby naprawy DNA są bardzo podobne u ludzi, zwierząt, a nawet roślin czy grzybów. Niektóre organizmy naprawiają DNA bardzo skutecznie, na przykład niesporczaki, ale jak to osiągają, nie jest do końca jasne.

Bakterie też mają bardzo sprawne mechanizmy naprawy DNA, niektóre – jak Deinococcus radiodurans – są dzięki temu w stanie przetrwać wysychanie swoich komórek, co bardzo uszkadza DNA. Okazało się, że dzięki tym samym mechanizmom znoszą także ekstremalne dawki promieniowania. 

Co ciekawe, mechanizmy naprawy DNA u zwierząt i bakterii opierają się na podobnych zasadach. Także u tych prostych organizmów istnieje mechanizm poszukiwania identycznej sekwencji, żeby użyć jej jako matrycy do naprawy, czy testowana jest elastyczność DNA, żeby wyciąć uszkodzony fragment. Mimo podobieństw są też ogromne różnice w maszyneriach białkowych wykonujących tę pracę u zwierząt i bakterii. Nie wiemy, jak te różne maszynerie wyewoluowały.

Wirusy natomiast w większości nie naprawiają swojego materiału genetycznego, co sprawia, że szybko mutują. To dla nich korzystne, bo zwiększa szanse na „ucieczkę” przed układem odpornościowym gospodarza. Po mutacji mogą być trudniej rozpoznawalne.

Zajmuje się Pan badaniem tych wszystkich procesów. Jak to w praktyce wygląda?

Możemy badać naprawę DNA na poziomie całych organizmów, poszczególnych komórek, a nawet pojedynczych cząsteczek. Na poziomie organizmów możemy np. w bakterii, u drożdży czy myszy usunąć konkretne białko i obserwować konsekwencje naszego działania. U ludzi głównym źródłem informacji są badania pacjentów z defektami naprawy DNA. 

Na poziomie pojedynczych cząsteczek istnieją zaawansowane techniki pozwalające wizualizować białka z precyzją pojedynczych atomów. Jesteśmy w stanie zbadać ich budowę przestrzenną. To jest bardzo istotne, ponieważ właśnie trójwymiarowy kształt białka odpowiada za jego funkcje.

Dlatego próbujemy dowiedzieć się, jak białko wygląda w momencie oddziaływania z uszkodzonym DNA. Dzięki temu możemy poznać, jak białka rozpoznają uszkodzenia w DNA i jak zmieniają swój kształt podczas tego procesu.

Czy znajomość tych wszystkich mechanizmów można wykorzystać w medycynie?

Już to robimy – wiele leków przeciwnowotworowych, jak cisplatyna, działa przez uszkadzanie DNA w komórkach nowotworowych. Stosuje się ją już ok. 60 lat i w przypadku niektórych nowotworów z powodzeniem. 

To paradoks, że cząsteczka, która sama uszkadza DNA i powoduje mutacje, zabija komórki nowotworowe, jednak można to wyjaśnić. Proces nowotworzenia może zacząć się od defektów w procesach wykrywania i naprawy uszkodzeń DNA. Jeśli taką komórkę, która jest szczególnie wrażliwa na uszkodzenia DNA, przeładuje się ich liczbą, to ona umrze.

A nad czym Pan aktualnie pracuje?

Nasz zespół bada od lat wybrane elementy naprawy DNA na poziomie pojedynczych cząsteczek białka działającego na DNA. Interesują nas na przykład specjalne białka, które jak mikroskopijne nożyczki przecinają DNA. To jest potrzebne na pewnych etapach jego naprawy.

Ostatnio nasze projekty skupiają się na naprawie DNA w bakteriach. Jest tu jeszcze wiele do odkrycia. W ostatnich latach pojawiły się jeszcze bardziej zaawansowane metody, które można w badaniach takich jak nasze wykorzystywać. To przede wszystkim rewolucyjna mikroskopia elektronowa w reżimie kriogenicznym, czyli mówiąc prościej: z wykorzystaniem zamrożonych próbek białek, które badamy.

Za opracowanie tej metody w roku 2017 przyznano Nagrodę Nobla. Pozwala przy ogromnych powiększeniach i z ogromną precyzją wizualizować cząsteczki, których do tej pory nie mogliśmy zobaczyć. To w tej chwili nasze główne podejście badawcze. Mamy nadzieję, że z naszym udziałem niebawem będziemy mieć dokładną wiedzę o tym, jak maszynerie komórkowe naprawiają DNA.

Prof. MARCIN NOWOTNY jest biochemikiem, badaczem mechanizmów naprawy DNA. Od 2008 r. kieruje Laboratorium Struktury Białka w Międzynarodowym Instytucie Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie. W latach 2003-2008 pracował w Narodowych Instytutach Zdrowia w Bethesdzie (USA). W 2022 r. za swoje osiągnięcia naukowe w badaniach nad mechanizmami naprawczymi DNA otrzymał najbardziej prestiżowe krajowe wyróżnienie naukowe – Nagrodę Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.