В 1970-х годах эпидемиологи обнаружили, что рабочие заводов, использующих винилхлорид, ключевой ингредиент для ПВХ-пластика, имеют необычно высокие показатели редкой формы рака печени, называемой ангиосаркомой.
Позже биологи определили мутацию, которая, по-видимому, связана с этим раком, который возникает в клетках кровеносных сосудов, питающих печень. Теперь, используя новую технологию секвенирования, которая позволяет проводить крупномасштабный анализ мутаций, связанных с повреждением ДНК, исследователи из Массачусетского технологического института определили конкретный тип повреждения ДНК, который может быть ответственным за эту мутацию.
Обладая этими знаниями, ученые могут разработать тесты для мониторинга рабочих, которые могут подвергнуться воздействию винилхлорида, поскольку ранее было показано, что этот тип повреждения ДНК может быть обнаружен как биомаркер в образцах мочи. Это может предупредить предприятия о том, что им необходимо улучшить свои методы безопасности, если их рабочие подвергаются слишком большому воздействию винилхлорида.
Исследование также закладывает основу для применения этой технологии для выявления других типов повреждений ДНК, также называемых повреждениями ДНК или аддуктами, которые могут быть ответственны за определенные типы рака. Инициирование многих видов рака может быть вызвано мутациями, вызванными повреждениями ДНК, вызванными естественными процессами, такими как воспаление, или воздействием факторов окружающей среды, таких как винилхлорид. Эти процессы генерируют множество повреждений ДНК, что делает идентификацию наиболее значительного повреждения сложной задачей.
"Я могу представить себе дюжину различных поражений, с которыми можно было бы применить эту технологию," говорит Джон Эссигманн, William R. и Бетси П. Лейтч профессор химии и профессор токсикологии и биологической инженерии. "К сожалению, в окружающей среде есть много вещей, потенциально связанных с болезнями, и многие из них делают это за счет повреждения нуклеиновых кислот."
Эссигманн, директор Центра наук об окружающей среде Массачусетского технологического института, является старшим автором этого исследования, которое было опубликовано в выпуске журнала Nucleic Acids Research от 1 апреля. Ведущий автор статьи – Шио-чи (Стивен) Чанг, аспирант кафедры биологической инженерии.
Быстрый анализ
Считается, что винилхлорид вызывает множество различных типов повреждений ДНК, но до сих пор ученые не были уверены, какое из этих повреждений с наибольшей вероятностью вызывает рак, например, ангиосаркома печени. Эти поражения образуются, когда побочные продукты метаболизма винилхлорида химически реагируют с основаниями, которые кодируют генетическую информацию в ДНК.
Ученые, изучающие этот тип рака, сузили круг подозреваемых до группы поражений, называемых этеноаддуктами, которые содержат постороннюю двойную связь углерод-углерод, добавленную к обычным основаниям ДНК. Существует четыре различных версии этеноаддуктов: одна, которая образует на основе ДНК аденин, вторая включает цитозин, и две разные версии, содержащие гуанин.
Около 10 лет назад лаборатория Эссигмана опубликовала статью, в которой анализируется мутагенный потенциал этеноаденина и этеноцитозина. Для этого исследования им пришлось вводить очаги поражения в клетки по одному и анализировать каждый образец индивидуально, что является очень трудоемким процессом.
За последние несколько лет команда Массачусетского технологического института во главе с Чангом приняла и усовершенствовала ранее описанный подход к секвенированию следующего поколения, который позволяет одновременно анализировать множество цепей ДНК. С новой системой, "просто выполнив одну реакцию секвенирования, вы можете получить все данные, которые могли занять недели или месяцы в прошлом," Чанг говорит.
Используя эту систему, исследователи завершили исследование всех четырех этеноаддуктов, используя E. coli, которые различаются по способностям к восстановлению и репликации ДНК.
"С помощью этого метода вы можете изучать несколько повреждений ДНК одновременно. Вы можете провести параллельное сравнение, что всегда лучше, чем измерить одно, через несколько месяцев измерить другое, а потом еще одно," Эссигманн говорит. "Мы можем делать их все сразу, но получать точно такую же качественную информацию."
Исследователи обнаружили, что одно из поражений этеногуанином, известное как N2,3-этеногуанин, не может быть восстановлено ферментом, известным как AlkB, в отличие от трех других этеноаддуктов. Это может объяснить, почему именно это повреждение ДНК является наиболее распространенным поражением этано и остается в клетках в течение длительного времени. Когда поврежденная ДНК копируется, ферменты, ответственные за копирование ДНК, могут вставлять неправильный нуклеотид напротив поражения, что вызывает мутацию гуанина в аденин.
Предыдущая работа показала, что этот тип мутации, когда он возникает на определенном участке гена, способствующего развитию рака, известного как K-ras, связан с печеночной ангиосаркомой.
"Это захватывающие новые данные, которые переопределили роль аддуктов этено-ДНК в мутагенезе и канцерогенезе," говорит Ян Блэр, директор Центра фармакологии рака Медицинской школы Университета Пенсильвании, не входивший в исследовательскую группу. Результаты должны стимулировать новый интерес к анализу концентрации аддуктов этено-ДНК в моче у людей, добавляет он.
От бактерий к человеку
Хотя эти исследования проводились в E. coli, все изученные ферменты, такие как AlkB и ферменты, которые вносят ошибки при копировании поврежденной ДНК, имеют человеческие гомологи. "Понимание того, как это работает в E. coli, хотя это и не клетки человека, может быть хорошей моделью для понимания того, что может произойти с людьми," Чанг говорит.
В настоящее время исследователи анализируют другие типы повреждений ДНК, в том числе вызванные бутадиеном, канцерогенным химическим веществом, обнаруженным в табаке и бензине. Они также работают над способами адаптации системы для изучения клеток млекопитающих. Используя систему редактирования генов CRISPR / Cas9, команда надеется проверить, что происходит с конкретными повреждениями ДНК в клетках млекопитающих, которые отличаются ферментами репарации ДНК и ферментами, копирующими ДНК.