Ученые Сектора молекулярной генетики клетки Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ смогли увеличить устойчивость к радиации и окислительному стрессу плодовых мушек и культуре клеток человека, используя уникальный белок тихоходок Dsup (Damage suppressor). Эксперименты, проведенные в ОИЯИ, доказывают гипотезу о механизме действия белка тихоходок и могут открыть новые возможности в области биотехнологий, фармацевтики и онкологии. Однако, есть и обратная сторона: мутация повлияла на клеточные процессы, связанные с ДНК и РНК, из-за чего подопытные мушки стали медленнее преодолевать дальние расстояния. Результаты исследования ученых ЛЯП ОИЯИ опубликованы в престижном журнале iScience.

Исследование молекулярных механизмов экстремальной устойчивости живых организмов к различным видам стресса – одно из перспективных направлений современной молекулярной биологии, биофизики, астробиологии и синтетической биологии. Полученные знания могут служить основой для новых решений в медицине, биотехнологии, фармацевтике и космонавтике. Тихоходки, в частности, представители вида Ramazzotius varieornatus – одни из самых стрессоустойчивых животных на Земле. Эксперименты с этими беспозвоночными организмами показали их способность выживать при длительном высыхании, в токсических средах, при облучении огромными дозами радиации (>5000 Gy), нахождении в открытом космосе и т. д.

Одну из ключевых ролей в устойчивости тихоходок к различным видам стресса играют уникальные неупорядоченные белки (TDPs), к которым относится и белок Dsup, открытый в 2016 году японскими учеными. С 2020 года ученые ЛЯП ОИЯИ исследуют этот белок тихоходок Dsup in vivo на модельных организмах – плодовой мушке Drosophila melanogaster и культуре клеток человека. Одновременно для расшифровки молекулярных механизмов его действия проводится исследование структуры молекулы белка Dsup и его комплекса с ДНК.

Эксперименты биологов ОИЯИ показали, что генетическая вставка белка Dsup обеспечивает значительное увеличение выживаемости сложного модельного организма D.melanogaster после воздействия гамма-излучения в дозах 500-1000 Gy и оксидативного стресса. Ранее другая группа исследователей предположила, что белок Dsup создает защитную оболочку вокруг ДНК, принимая на себя часть радиационного удара, что приводит к большей сохранности ДНК и увеличивает выживаемость. Проводимые в ЛЯП ОИЯИ работы подтверждают эту гипотезу. Анализ активности всех генов (транскриптомный анализ) и физиологические тесты выявили влияние белка Dsup на ряд процессов в D.melanogaster, в частности, мушки стали хуже преодолевать длинные дистанции, что ученые связывают с некоторым замедлением клеточных процессов, связанных с ДНК и РНК, в присутствии белка Dsup.

«Помимо такого безусловно положительного эффекта, как повышение радиорезистентности, белок Dsup имеет побочные эффекты, связанные с постепенным замедлением ряда быстрых процессов. Например, на короткие дистанции супермушки с Dsup бегали одинаково с контрольными, а на длинные – начинали отставать. Для бактерий, растений и сельскохозяйственных животных это не очень критично. Но если рассматривать приложение этих работ в подготовке к полетам в дальний космос, где одним из главных лимитирующих факторов выступает космическая радиация, то необходимо разработать схему, в которой белок Dsup будет работать только когда необходимо, а не постоянно, как в созданных моделях. Это позволит практически полностью избавиться от побочных эффектов. Разработкой такой системы уже занимается наша группа», – рассказала руководитель исследования, начальник Сектора молекулярной генетики клетки ЛЯП ОИЯИ к.б.н. Елена Кравченко.

«Наши исследования белка тихоходок Dsup расширяют понимание роли таких естественно неупорядоченных белков как ДНК-протекторных молекул в экстремофильных организмах и даже клетках человека. Однако модель протекторного механизма остается неполной без проводимого нами исследования структурных свойств белка Dsup и его комплекса с ДНК», – отмечает младший научный сотрудник СМГК ЛЯП Михаил Зарубин.

Среди возможных приложений авторы работы видят создание радиорезистентных штаммов организмов для биотехнологии и биоремедиации почв и вод, разработку агента для криоконсервации и длительного хранения фармацевтических препаратов и вакцин, использование для защиты здоровых тканей при облучении в ходе терапии онкологических заболеваний и т. д.

Источник: Объединенный институт ядерных исследований.