Суперкомпьютер учится восстанавливать поврежденную ДНК: как машинное обучение приближает нас к идеальной репарации генома?

Солнечный свет, табачный дым, даже обычный метаболизм — все это ежедневно подвергает нашу ДНК колоссальному натиску повреждающих факторов. Подобно древним рукописям, геном, хранящий в себе код жизни, нуждается в постоянной реставрации. И удивительно, но в каждой клетке нашего тела круглосуточно работает сложнейший механизм, который выявляет и устраняет «опечатки» и «разрывы» в этой бесценной информации. Называется этот процесс — эксцизионная репарация нуклеотидов (NER).

Но как именно это происходит? Представьте себе высококвалифицированную команду реставраторов, работающих над хрупким документом. У них есть свои инструменты, свои протоколы, своя строгая последовательность действий. В мире молекул эту роль играют белковые комплексы, каждый из которых выполняет свою уникальную задачу в сложном танце репарации.

Последние достижения в области суперкомпьютерного моделирования позволяют ученым заглянуть внутрь этого процесса, увидеть, как взаимодействуют белки, как они находят повреждения и как они их устраняют. Недавнее исследование, проведенное в Университете штата Джорджия при поддержке суперкомпьютера Summit (а теперь и Frontier), позволило создать подробную трехмерную модель одного из ключевых компонентов NER — прединцизионного комплекса (PInC). Эта работа открывает новые горизонты в понимании механизмов восстановления ДНК и, что еще более важно, в разработке новых методов лечения генетических заболеваний и рака.

NER: Три этапа реставрации генома

Процесс NER можно разделить на три основных этапа:

1. Обнаружение повреждения: Белок XPC выступает в роли «первого реагирующего», выявляя поврежденный участок ДНК. Он словно осторожный археолог, который расчищает место раскопок, обеспечивая доступ к поврежденной области.
2. Верификация: Комплекс TFIIH, словно опытный эксперт, тщательно сканирует поврежденный участок, подтверждая наличие дефекта и подготавливая его к «операции».
3. Репарация: Здесь вступает в игру PInC, тот самый «хирург», чья трехмерная модель была создана с помощью суперкомпьютера. PInC контролирует точное позиционирование ферментов XPF и XPG, которые действуют как молекулярные «ножницы», вырезая поврежденный участок ДНК.

После «операции» в образовавшуюся «дыру» вставляется новый, здоровый фрагмент ДНК, а затем цепь восстанавливается, словно заплатка на старинной ткани.

Загадки PInC: ключ к новым методам?

Исследование PInC особенно важно, поскольку его функция тесно связана с различными генетическими заболеваниями. Мутации в генах, кодирующих белки, входящие в состав PInC, могут приводить к пигментной ксеродерме (повышенная чувствительность к солнечному свету и предрасположенность к раку кожи) и синдрому Кокейна (нарушения роста, зрения, слуха и преждевременное старение).

Именно поэтому ученые стремились разгадать следующие вопросы:

• Как формируется PInC после этапа сканирования повреждения?
• Как он контролирует позиционирование «молекулярных ножниц» XPF и XPG?
• Существует ли взаимодействие между этими ферментами?

Ответы на эти вопросы могут открыть новые возможности для воздействия на процесс NER, например, путем разработки лекарств, которые будут «настраивать» работу PInC, повышая эффективность репарации ДНК.

Суперкомпьютер в роли молекулярного конструктора

Создание трехмерной модели PInC стало возможным благодаря сочетанию различных методов, включая криоэлектронную микроскопию и суперкомпьютерное моделирование.

Одной из ключевых задач была реконструкция структуры тех частей PInC, которые не были известны ранее. В этом ученым помогла нейронная сеть AlphaFold2, которая предсказала структуру этих участков, основываясь на известных данных о других белках.

После этого была создана полная модель PInC, и суперкомпьютер Summit был использован для проведения молекулярной динамики. Это позволило ученым наблюдать за тем, как белки, входящие в состав PInC, взаимодействуют друг с другом, как они двигаются и как они выполняют свою работу.

Будущее репарации ДНК: от Summit к Frontier

Исследование PInC стало важным шагом в понимании сложной системы восстановления ДНК. Теперь, с помощью более мощного суперкомпьютера Frontier, ученые планируют исследовать NER, связанный с транскрипцией. Этот процесс обеспечивает восстановление ДНК в генах, которые активно используются для производства белков.

Результаты этих исследований могут привести к созданию новых методов эффективной защиты нашего генома от повреждений. Ведь, в конечном счете, восстановление ДНК — это не просто молекулярный процесс, это борьба за сохранение самого кода жизни.