Polscy naukowcy odkrywają, jak naprawić DNA. „Szansa na wyleczenie raka i chorób genetycznych”

Prof. Marcin Nowotny jest chemikiem i biologiem, pracował w Narodowych Instytutach Zdrowia (NIH, National Institutes of Health) w Bethesda w USA. W roku 2008, po wygraniu międzynarodowego konkursu, został szefem Laboratorium Struktury Białka w Międzynarodowym Instytucie Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie. W 2022 r. otrzymał Nagrodę Fundacji na rzecz Nauki Polskiej 2022, nazywaną „polskim Noblem”, za wyjaśnienie powstawiania zmian w DNA, RNA, a także za badania cząsteczek, które biorą udział w naprawie tych uszkodzeń.

DNA i RNA, czyli przepis na życie

W rozmowie z Krzysztofem Michalskim prof. Nowotny przypomniał, że DNA jest nośnikiem informacji – to długa cząsteczka, w której jest zapisany „przepis”, plan na życie każdego organizmu: jak jest on zbudowany, z jakich cząsteczek się składa. – DNA to swego rodzaju „program komputerowy”; możemy sobie wyobrazić, że jest on przekładany do „ramienia robotycznego”, które składa te cząsteczki i trybiki i białka. Jednak żeby robot zrozumiał, jakie ruchy może wykonać, musi otrzymać informację genetyczna zapisaną w DNA w zrozumiałej dla siebie formie, czyli przetłumaczoną – w postaci RNA. Chemicznie DNA i RNA są bardzo podobne, ale przede wszystkim RNA jest informacją zrozumiałą dla maszynerii komórkowej. DNA i RNA pełnią podstawową rolę w funkcjonowaniu każdej żywej komórki, każdego żywego organizmu, mają także wpływ na powstawanie chorób – mówi prof. Nowotny.

Choroby genetyczne wynikają z tego, że w przepisie zapisanym w DNA pojawiła się mutacja, „literówka”.

– Przyczyną powstawania nowotworów są „literówki” w kodzie genetycznym, które powodują, że pewne mechanizmy kontrolujące namnażanie się komórek zostają wyłączone. Nagrodę Fundacji Nauki Polskiej otrzymałem za badania na temat tego, jak komórki naprawiają takie uszkodzone DNA, jakie enzymy, białka tym się zajmują, jak one działają – zaznacza.

Tłumaczył, że w organizmie zachodzą mutacje – albo spontanicznie, albo na skutek czynników zewnętrznych (promieniowanie, stres, toksyny) – jednak komórki w toku miliardów lat ewolucji wytworzyły mechanizmy pozwalające nie tylko wykryć te nieprawidłowości, ale także je naprawiać. Dzięki temu większość np. zmian idących w kierunku nowotworu, zostaje samoistnie naprawionych.

Nie zawsze jednak komórkom udaje się naprawić powstającą mutację. Tak dzieje się m.in. wtedy, gdy są one długo narażone na szkodliwe substancje, albo np. promieniowanie UV. – Powinniśmy chronić się przed nadmiarem promieniowania UV. Promienie UV powodują stan zapalny w postaci zaczerwienienia, ale w długim okresie, jeśli ta ekspozycja na słońce powtarza się, prowadzi to do nowotworów skóry – podkreśla prof. Nowotny.

Organizm leczy sam siebie

Dzięki zaawansowanym metodom diagnostycznym naukowcy mogą podejrzeć, jakie zmiany zachodzą w komórkach.

– W laboratorium używamy bardzo zaawansowanych metod, by zrozumieć, jak cząsteczki wchodzące w skład żywych organizmów działają na poziomie poszczególnych atomów. Używamy powiększeń rzędu milionów razy. Gdybyśmy taką badaną cząsteczkę powiększyli do 5 cm, to proporcjonalnie nasze ciało miałoby długość 20 tys. km, czyli połowę obwodu równika.

Dlatego potrzebne są bardzo zaawansowane metody, które pozwalają oglądać cząsteczki w ogromnych powiększeniach. – Jedna metoda polega na pozyskiwaniu mikrokryształów tych substancji (metoda krystolograficzna); następnie oświetlamy je promieniowaniem RTG, więc dochodzi do załamania promieniowania w krysztale. Dzięki temu jesteśmy w stanie określić położenie atomu. Drugą metodą, którą wprowadzaliśmy w Polsce, jest mikroskopia elektronowa, która używa zaawansowanych mikroskopów do uzyskiwania ogromnych powiększeń. Zamiast światła używa się promienia elektronów: dzięki temu te powiększenia mogą być tak duże, że można oglądać pojedyncze cząsteczki – opowiada prof. Nowotny.

Jedno z jego odkryć dotyczy białka UvrA, które jest swoistym czujnikiem uszkodzeń DNA. – Występuje w bakteriach, potrafi wykrywać uszkodzenia DNA, które są zupełnie niespokrewnione, jeśli chodzi o ich chemiczną strukturę. Potrafi wykryć wiele uszkodzeń. Odkryliśmy, że robi to tak, że „łapie” DNA po obu stronach potencjalnego uszkodzenia i sprawdza, na ile ta podwójna helisa jest elastyczna. Okazuje się, że gdy pojawiają się modyfikacje chemiczne, cząsteczka DNA staje się bardziej elastyczna, często zdeformowana, ugięta. Tak więc to białko może wykrywać wiele uszkodzeń, niezależnie od tego, jaką maja strukturę chemiczną – tłumaczy.

Białka z grupy resolwazy

Jedną z grup enzymów uczestniczących w naprawie DNA, którą opisał prof. Marcin Nowotny, są tzw. resolwazy, czyli białka zaangażowane w jedną ze ścieżek naprawy DNA, tak zwaną rekombinację homologiczną DNA.

– Są takie uszkodzenia DNA, kiedy podwójna helisa pęka. To bardzo groźne uszkodzenie, gdyż przerwana jest spójność informacji genetycznej. Sposobem, żeby to naprawić jest znalezienie takiego fragmentu DNA, który koduje bardzo podobną albo identyczną informację genetyczną: zostanie on wzięty jako wzór, by fragment, który uległ pęknięciu, został naprawiony. Podczas tego procesu kilka helis jest ze sobą połączonych, szczepionych, bo ta informacja genetyczna musi się fizycznie wymienić. Takie rozgałęzione struktury DNA muszą być usuwane, do tego służą właśnie resolwazy: enzymy, które wykrywają te rozgałęzione struktury i je rozcinają – mówił prof. Nowotny

Od badań naukowych do leków

Odkrycia biologii molekularnej już przynoszą przełom w leczeniu: są już terapie genowe stosowane u pacjentów, wiele kolejnych jest w tracie badań klinicznych i przedklinicznych. Zespół prof. Nowotnego z Międzynarodowego Instytutu Biologii Molekularnej i Komórkowej w Warszawie współpracuje z firmami polskimi i międzynarodowymi tworzeniu nowych, potencjalnych terapii.

Co to jest terapia antysensowna i dlaczego jej stosowanie ma sens? Który z leków genowych okrzyknięto „cudem”; co to są skaczące geny i dlaczego naukowcy tak bardzo lubią podglądać przyrodę, a zwłaszcza dziś przyglądać się, jak bakterie radzą sobie z wirusami – posłuchaj całej rozmowy red. Krzysztofa Michalskiego z prof. Marcinem Nowotnym.