***** 1 - Школа по радиобиологии

XV международной молодежной научной школы имени А.С. Саенко
«Современные проблемы радиобиологии»
Динамика
хроматина и
репарация
радиационных
повреждений
ДНК
А.И. Газиев
Пионер в области радиотерапии и
основатель Института Кюри Клавдий
Регард (Claudius Regaud), в Париже в
1908 году заявлял: “C’est la chromatine
nucléaire qui est la partie la plus sensible
des cellules” «Ядерный хроматин есть
самая чувствительная часть клеток»
(Vogin G, Foray N. Int J Radiat Biol 2013;89:2–8)
Повреждения, возникающие эндогенно (за 24 часа) и под
воздействием γ лучей в дозе 1 Гр, в ДНК одной клетке человека
основания АП-сайты сшивки
Типы
повреждения
ОНР
ДНР
ОНР/ДНР
Эндогенные
~7000
~35000
~10
~10000
~10
3500
γ лучи - 1 Гр
~1500
~1000
~200
~1500
40
25
АФК/АФА вовлечены в системы сигнальных
путей многих клеточных процессов, включая
адгезию, апоптоз, аутофагию и иммунный ответ,
а также дифференцировку клеток. АФК могут
выступать в качестве вторичных мессенджеров
по экспрессии митохондриальных и ядерных
генов и модуляции метаболитов. АФК
участвуют в сигнальных механизмах регуляции
транскрипции и клеточной пролиферации. Они
могут изменять клеточные функции, оказывая
влияние на активность множества белков, в том
числе - протеинкиназ, фосфотаз и ряда
транскрипционных факторов.
Перечень некоторых доз и источников облучения населения
Дозы
40-70 Гр
100 мЗв
50 мЗв
10 мЗв
2-5 мЗв
2,5 мЗв
0,4 мЗв
0,1 мЗв
0,1 мЗв
20 мЗв
1 мЗв
Источники
Типичный курс радиотерапии, проводимый фракционным
облучением.
Дозы на Международной космической станции и дозы для
сканирования всего тела спиральной компьютерной томографией
Сканирование черепа компьютерной томографией.
Годовая доза от природных источников на побережье штата Керала,
Индия
Маммография
Средняя годовая доза от природного радиационного фона.
Средняя годовая доза при медицинской диагностике
(на современном оборудовании)
Разовая рентгенография грудной клетки .
Авиа рейс между Нью-Йорком и Европой или Москва-Магадан
Референтная годовая доза для персонала (МКРЗ, 2007 г.)
Референтная годовая доза для населения (МКРЗ, 2007)
Грей, Гр – единица поглощенной дозы ионизирующего излучения в системы СИ, равная
1 Дж энергии излучения, поглощенной на кг вещества, подвергающегося облучению. 1
Гр = 1 Дж/кг = 100 рад. Зиверт, Зв – единица эквивалентной дозы любого вида
излучения, поглощенной биологической тканью. 1 Зв = 1 Дж/кг = 100 бэр.
Лучевая терапия ориентирована на
повреждение ДНК в опухолевых клетках и на
индукцию их гибели. Однако системы
репарации ДНК препятствуют деструкции
генома в опухолевых клетках и их гибели.
В репарации ДНК человека участвуют
белки-ферменты, кодируемые более 150
генами, множество факторов-регуляторов и
микроРНК.
Поэтому узловые ферменты и факторы
систем репарации ДНК рассматриваются как
мишени для их подавления и повышения
эффективности лучевой терапии.
Динамика структурных изменений хроматина и ядерных
превращений в процессе развития клеточного цикла.
(Illustration by Nicole Ethen)
Ступенчатая укладка
ДНК в хромосому.
1
2
1. Участок двунитевой ДНК
2. Нуклеосомы (бусинки)
на нити ДНК
3. Хроматиновые фибры
упакованных нуклеосом
4. Хромосомная секция в
протянутой форме
5. Конденсированная
секция хромосомы
6. Целая (совершенная)
митотическая хромосома
3
4
5
6
Нуклеосомы
Н1
ДНК
Линкерная
ДНК
Хроматин также
содержит множество
минорных гистонов
Нуклеосомная «бусинка»
(8 молекул гистонов + 147
пар оснований ДНК
Микрофотография
клеточного ядра
Эухроматин – неплотно
конденсированная часть
хромосом, слабо
окрашивается, рано
реплицируется, генетически
активна, ее ДНК менее
защищена, чем ДНК
гетерохроматина, от
воздействий.
Гетерохроматин – высоко
конденсированная часть
хромосом, красится более
темно, генетически не
активна, реплицируется
позже.
Индуцированная конденсация хроматина может стимулировать
передачи сетевых сигналов. Стойкие временные уплотнения
повышает течение сигналов, но сдерживает репарацию ДНК.
Burgess et al., 2014, Cell Reports 9, 1–15
Конденсация хроматина после индукции ДНР ДНК
Факторы регуляции изменения хроматина, при ответе на повреждение ДНК
Факторы
функции или мишены
Ферменты АТФ-зависимого ремоделирования хроматина
RAD54
Смещение нуклеосомы (?)
INO80 комплекс
Смещение, вытеснение димера H2A.Z
p400
Встраивание димера H2A.Z
RSC комплекс
Смещение нуклеосом
SWI/SNF комплекс
Смещение, выброс нуклеосом
ISWI комплекс
Смещение и удаление гистонов
SMARCAD1 (содержит DEAD/H box 1)
Обмен гистоновых димеров
NuRD комплекс
Ремоделирование нуклеосом их вытеснение,
деацетилирование
SMARCAL1 SMARCA-like 1
Отжиг ДНК на нуклеосомах
Ферменты модификации гистонов: киназы
ATM, ATR
H2A.XS139
WSTF
H2A.XY142
AURKB – аврора киназа B
H3S10/S28
Ферменты модификации гистонов: K-ацетилтрансферазы
Haspin, ацетилтрансфераза
H3T3
TIP60, также известен как KAT5, Hat1
H4K5/K8/K12/K16, H3K14, 2A.ZK3/K8/K10/K14
GCN5, также известен как KAT2A белок
H3K9/K14/K18
CBP, CREB-связывающий белок, p300
H3K18, H4K5/K8/K12/K16
Ферменты модификации гистонов: K-деацетилазы
HDAC3 гистонацетилаза
Удаление ацетильных групп с N-хвостов H3, H4
SIRT1, SIRT6 (сиртоины)
H4K16
HDAC1, 1, HDAC2, HDAC4 -гистонацетилазы
Деацетилирование H2A, H2B, H3, H4
Ферменты модификации гистонов: K-метилтрансферазы
SETD8
H3K20me
MMSET
H4K20me1, H3K20me2
EZH2
H3K27
Ферменты модификации гистонов: убиквитинилазы
RNF8 (RING finger protein 8)
H2A
RNF168
H2A
RNF20–RNF40
H2BK120ub
PIAS1, PIAS4, Ubc9 Сумоилирование
Комплексы АТФ-зависимого ремоделирования хроматина
SWI/SNF (switching defective/sucrose nonfermenting), INO80 (inositol
requiring 80), CHD (chromodomain, helicase, DNA binding),
ISWI (imitation switch) Clapiers & Cairns Ann. Rev. Biochem. 2010
Основные модификации гистонов
с развитию ответа на повреждение ДНК
Тип модификации
аминокислота
Ацетилирование
Метилирование
Фосфорилирование
Убиквитилирование
Сумоилирование
АДФ-рибозилирование
лизин
Лизин/аргинин
Серин/треонин
лизин
лизин
лизин
Модификация гистонов: Ac-ацетилирование, Ме-метилирование,
Р-фосфорилирование, Ub-убиквитилирование (сумоилирование)
ПАРП
ПАРП
-Рецептурный белок
Чрезмерная активация ПАРП-аз в клетках –
свидание со смертью.
Партанатоз - гибель клеток в результате сверх
активации ПАРП. Эта форма гибели клеток
отличается от апоптоза, некроза, аутофагии.
Активация ПАРП ставит под угрозу клеточную
энергетику за счет использования НАД в качестве
субстрата. Приводит к нарушению
окислительного фосфорилирования и гликолиза,
к истощению АТФ и клеточного метаболизма.
Двунитевые разрывы ДНК, релаксация хроматина с
модификацией гистонов
Распаковка гетерохроматина для репарации ДНР ДНК
9-1-1
γH2AX
MDC1
γH2AX
Активация системы сверочных точек клеточного цикла
Спасибо за внимание
Химические структуры ингибиторов ПАРП-аз: 1– никотинамид, 2– 3- аминобензамид.
Находятся в процессе клинических испытаний: 3– AZD-2281(olaparib), 4–MK4827(niraparib), 5– AG-014699(rucaparib), 6– BS-I201(iniparib), 7– ABT-veliparib, 8– E-7016,
9– BMN-673 (Curtin, Br. J. Pharmacol. 2013)