Кислород натравили на теломерную ДНК

Одной из главных причин клеточного старения считается потеря концевых участков хромосом — теломер. Это может происходить по множеству причин, в том числе и под действием активных форм кислорода при окислительном стрессе. Поскольку этот процесс развивается по всей клетке одновременно, сложно понять, в какой степени он влияет именно на теломеры. Исследователи из Питтсбурга разработали способ прицельно атаковать концы ДНК свободными радикалами. По итогам длительной атаки теломеры в клетках начали «портиться», хромосомы — слипаться друг с другом, а попытки клеток размножиться закончились гибелью.

Теломеры — это участки на концах хромосом, состоящие из множества «бессмысленных» повторов. Основная их роль — оберегать «значимые» части ДНК, несущие генетическую информацию. В частности, при делении клетки хромосомы неизбежно укорачиваются, в силу того что их концы невозможно полностью скопировать. Теломеры берут удар на себя и теряют каждый раз несколько повторов из своего набора. Благодаря этому основная ДНК остается нетронутой.

Когда теломеры становятся предельно короткими, клетка перестает делиться. Этот феномен называют репликативным старением. В нем задействован комплекс белков шелтеринов. В норме они связаны с теломерной ДНК, но по мере того, как она становится короче, им не хватает места, теломеры выходят в цитоплазму клетки и блокируют ее размножение.

В то же время теломеры могут исчезать не только в процессе деления клетки. Считается, что к этому могут быть причастны и другие факторы, например окислительный стресс — накопление в клетке активных форм кислорода, которые разрушают клеточные макромолекулы. Однако выяснить, влияют ли они на теломеры напрямую или действуют через какие-то побочные механизмы, довольно сложно, ведь стресс развивается во всех частях клетки. Американские исследователи придумали способ «натравить» свободные радикалы непосредственно на теломеры.

Таймлапс, показывающий, как окислительный стресс воздействует на теломеры и вместе с ними — на клетки
© Fouquerel et al / Mol Cell / Youtube

Для этого они присоединили к одному из шелтеринов фоточувствительный краситель. Под действием света с определенной длиной волны краситель отделяет от себя молекулу синглетного кислорода. Но поскольку краситель был сконцентрирован рядом с теломерами, то при его активации окислительный стресс возникает не по всей клетке, а лишь в небольшом участке ядра.

Эту систему ученые протестировали на культуре опухолевых клеток HeLa. Оказалось, что под действием синглетного кислорода в теломерной ДНК возникло множество повреждений — в гуаниновых нуклеотидах появились лишние атомы кислорода. Разовая атака не сильно сказалась на жизни клеток: в них начали работать специальные ферменты, которые заменили поврежденные нуклеотиды.

Но если синглетный кислород действовал на клетки в течение долгого времени, то повреждений становилось настолько много, что клетка не справлялась с починкой теломер и удаляла проблемные участки. Теломеры становились короче и со временем исчезали. В результате концы хромосом «оголились» и слиплись друг с другом, образовав межхромосомные мостики.

При этом клетки не могли размножаться, а попытки поделиться на две части привели их к гибели. Таким образом окислительный стресс может напрямую ускорить старение ДНК и, следовательно, и всей клетки в целом.

Статья опубликована в журнале Molecular Cell