Nobelova nagrada 2015 za kemijo za raziskave popravljanja DNK

Najvišje znanstveno odlikovanje za dosežke na področju kemije so si letos prislužili švedski biokemik in zdravnik Tomas Lindahl, ameriški kemik Paul L. Modrich in turški kemik Aziz Sancar. Nagrado bodo prejeli za svoje delo pri raziskavah mehanizmov za popravljanje DNK v celicah.

DNK je molekula, ki v vseh živih bitjih (z izjemo nekaterih retrovirusov) hrani vse dedne informacije, ki so potrebne za razvoj živega bitja. Vsaka celica ima v celičnem jedru (in malo še v mitohondrijih in kloroplastih) enako kopijo DNK, ki je pri ljudeh shranjena v 23 parih kromosomov. DNK sestavljajo organske baze (adenozin, citozin, gvanin, timin), ki so nanizane na dveh verigah iz deoksiriboze in fosfatnih skupin. Verigi tečeta antiparalelno sta povezani tako, da sta na istoležnih mestih na obeh verigah vedno para gvanin-citozin ali adenin-timin. Organski bazi z različnih verig sta povezani z vodikovimi vezmi, kar daje molekuli DNK veliko stabilnost.

A ko gre za DNK stabilnosti ni nikoli preveč, vsaj če se pogovarjamo na nivoju posameznega organizma. DNK molekula se mora ob vsaki delitvi celice podvojiti in kopiranje z napakami bi v najslabšem primeru pomenilo kakšen defekten gen, kmalu pa tudi smrt organizma. Kopiranje DNK pa ni edini mogoč vir napak, saj je DNK ves čas izpostavljena škodljivim vplivom iz okolja: UV-žarki, prosti radikali, sevanje, kancerogene kemikalije in podobno dnevno povzročajo poškodbe na molekuli DNK. Zaradi tega so celice razvile zapletene in natančne mehanizme za detekcijo in odpravo poškodb DNK. Če teh mehanizmov ne bi bilo, bi že kmalu po oploditvi jajčece odmrlo zaradi nakopičenih genskih napak. Tako pa tudi danes, ko vsako sekundo v telesu nastane milijon novih celic, te še vedno vsebujejo enako DNK molekulo kot ob oploditvi. Prejemniki letošnje Nobelove nagrade so pomagali osvetliti mehanizme, ki to osupljivo natančnost zagotavljajo.

Lindahl je na Princetonu in na Švedskem razmišljal, kako stabilna je molekula DNK. To je bilo v letih po odkritju njene strukture in znanstvena srenja je tedaj verjela, da mora biti DNK sama po sebi neverjetno stabilna, sicer večceličnega življenja ne bi bilo. Lindahl je delal na RNK in ugotovil, da ta zelo hitro razpade. DNK je sicer stabilnejša, ker tvori dvojno vijačnico, ki je RNK ne, a je vseeno podvržena počasni degradaciji. V telesu zato morajo obstajati mehanizmi za njeno nenehno popravljanje, sicer nas ne bi bilo, je pravilno predvideval Lindahl. Ugotovil je, da je zelo pomembna stopnja v popravljanju DNK izrezovanje organskih baz, kar opravljajo encimi glikozilaze. Po izrezu napačne (poškodovane) baze se odreže še nekoliko večji kos vijačnice, nato pa DNK-polimeraze zapolnijo luknjo s pravilnimi nukleotidi, ligaze pa nov del povežejo s preostankom stare verige.

Aziz Sancar je raziskoval zanimiv fenomen. Bakterije, ki jih je osvetljeval z UV-svetlobo in so zaradi mutacij kmalu umrle, so si opomogle, če je sredi eksperimenta osvetljevanje prekinil in jih osvetlil z vidno modro svetlobo. Odkril je encim fotoliazo, ki v prisotnosti modre svetlobe popravlja škodo na DNK, ki jo je povzročila UV-svetloba. To ni edini mehanizem, saj obstajajo tudi encimi, ki delujejo v temi. Sancar je univerzi Yale, kjer je kasneje delal kot tehnik, ker ni dobil podoktorske pozicije, odkril gene, ki prepoznavajo poškodbe DNK, izrežejo 12 nukleotidov in vrzel zapolnijo s pravimi nukleotidi.

Paul Modrich pa je pri proučevanju encimov, povezanih z DNK, odkril deoksiadenozin metilazo. Encim na adenine, kadar se ti pojavijo v zaporedju GATC, pripenja metilno skupino. Metilacija je najpogostejša modifikacija DNK-molekule in služi več namenom. Eden izmed pomembnejših je označevanje stare verige DNK. Če se pri podvojevanju DNK zgodi napaka in imamo sparjeni napačni bazi, morajo encimi za popravilo nekako ugotoviti, katera veriga je pravilna (starejša) in katera je novonastala in vsebuje napako. Izkazalo se je, da je starejša veriga metilirana, novonastala pa ne. DNK-polimeraza dosledno popravlja napake na nemetilirani verigi. To deluje v bakterijah, v ljudeh pa ima metilacija še nekatere druge namene in ni čisto jasno, kaj je tisti pravi znak, katera veriga je pravilna.

Poznavanje mehanizmov, ki uravnavajo podvojevanje in popravljanje DNK, je pomembno, ker obeta mnogo. Rak je ena izmed bolezni, ki jih povzročajo napake pri podvajanju DNK. Tudi staranje prinaša spremembe DNK, ki so povezane s celično uro.

Za konec še tole. Noben mehanizem popravljanja DNK ni stoodstoten. Brez tega ne bi bilo evolucije. So pa vsi dovolj dobri, da večina populacije živi dovolj dolgo, da doseže reproduktivno starost.