ДНК обычно находится в виде стабильной двухцепочечной структуры. Однако ДНК также иногда взаимодействует с РНК с образованием гибридных структур РНК-ДНК, которые регулируют экспрессию генов и репарацию ДНК. R-петли – это особый тип гибрида РНК-ДНК, в котором цепь РНК связывается с одной цепью молекулы ДНК и выталкивает другую цепь ДНК, так что она открывается как одноцепочечная петля. R-петли могут регулировать активность генов, но также быстро становятся опасными, поскольку неправильное удаление может повредить ДНК, потенциально вызывая мутации.
Следовательно, избыточное образование R-петли может быть токсичным для клеток – действительно, известно, что мутации в белках удаления R-петли способствуют нейровоспалительным заболеваниям и раку.
Удаление R-петли катализируется ферментами РНКаза H1 и РНКаза H2, которые разрушают цепь РНК. Кроме того, РНКаза H2 также обладает вторичной способностью вырезать отдельные рибонуклеотиды, которые иногда могут быть ошибочно включены в ДНК полимеразами в процессе, известном как эксцизионная репарация рибонуклеотидов (RER). Предыдущие исследования показали, что мутация РНКазы H2 нарушает стабильность генома больше, чем мутация РНКазы H1, предполагая, что РНКаза H2 играет более важную роль в поддержании стабильности генома.
Однако никогда не было полностью понятно, как эти важные ферменты координируются.
Чтобы проанализировать различные роли РНКазы H1 и H2 в удалении R-петли, лаборатория Люка сконструировала дрожжи для экспрессии РНКазы H1 и H2 только во время определенных фаз клеточного цикла, а затем подвергала их воздействию метилметансульфоната (MMS), агента, который увеличивает Образование R-петли. Выживут только дрожжи, которые могут эффективно удалять R-петли, в то время как дрожжи с нарушенным удалением R-петель не выживут.
При поддержке лаборатории Ульриха они обнаружили, что дрожжи, экспрессирующие РНКазу H2 исключительно во время G2 («фаза роста» клеточного цикла после репликации ДНК), были устойчивы к MMS, тогда как дрожжи, экспрессирующие РНКазу H2 только во время S-фазы (фаза репликации ДНК). ) были более чувствительными.
Это предполагает, что РНКаза H2 в первую очередь действует для обработки R-петель во время G2. Напротив, дрожжи, экспрессирующие РНКазу H1 в фазе G2 или S, оба способны выжить в MMS. Удивительно, но экспрессия РНКазы Н2 в S-фазе на самом деле вызывала большее повреждение ДНК, что требовало особого типа репарации ДНК, называемого гомологичной рекомбинацией, чтобы исправить.
Ранее не было известно, что этот путь действует во время фазы S. Следовательно, это исследование могло выявить неизученный путь репарации, который противодействует повреждению, вызванному активностью РНКазы Н2 во время репликации ДНК.
Эти результаты могут объяснить, почему в клетках развились два разных фермента РНКазы Н. Брайан Люк поясняет: «Мы думаем, что РНКаза H2 – это« домашний »фермент, который восстанавливает большинство гибридов РНК-ДНК, но он строго регулируется клеточным циклом и действует только в фазе G2 или после репликации ДНК."Брайан и Хелле предполагают, что это может быть связано с тем, что дополнительная активность RER РНКазы H2 создает разрывы в ДНК, которые представляют собой риск двухцепочечных разрывов во время репликации ДНК в S-фазе. Следовательно, в клетках также мог развиться вторичный фермент, РНКаза H1, который не обладает активностью RER и может действовать во всех фазах клеточного цикла, включая S-фазу.
Эти результаты помогают нам лучше понять, как клетки восстанавливают повреждения ДНК, связанные с гибридами РНК-ДНК, и как нарушение этого процесса способствует развитию болезни.