Тифозный токсин вызвал эпидемию старости в человеческих клетках

Тифозный токсин вызывает в клетках неизвестный ранее тип повреждений ДНК — скопления одноцепочечных разрывов по всей периферии ядра. В ответ на это зараженные клетки стареют и выделяют сигнальные вещества, которые провоцируют старение в их соседях. А оно, в свою очередь, облегчает бактерии-патогену дорогу внутрь новых клеток. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

Несмотря на вакцинацию, тиф остается серьезной угрозой для населения в бедных странах: каждый год им заболевает 21 миллион человек, из которых почти 200 тысяч погибают. Виной всему бактерия из рода Salmonella: она селится внутри человеческих клеток и выделяет тифозный токсин. До сих пор считалось, что он вносит разрывы в ДНК, тем самым убивая клетки, но новое исследование продемонстрировало, что механизм его действия гораздо сложнее.

Анджела Иблер (Angela Ibler) и ее коллеги из Шеффилдского университета исследовали ответ клеток на действие токсина. Обычно, когда в ДНК возникает разрыв, его опознают белки системы репарации и оставляют сигнальную метку — навешивают фосфатную группу на гистон Н2АХ (это белок, на который накручена нить ДНК в ядре). Потом эту метку узнает белок RPA, который закрывает собой место разрыва, чтобы остановить повреждение цепи ДНК. В свою очередь, RPA привлекает к себе следующие белки — АТМ и ATR — которые могут запустить программу клеточной смерти, если таких поломок очень много, или остановить деление клетки, если оно в этот момент происходит.

Исследователи подействовали тифозным токсином на культуру клеток человека и покрасили гистоны с фосфатными метками. Оказалось, что меченые гистоны, а следовательно и разрывы на ДНК, распределены по ядру неравномерно и сконцентрированы на периферии, образуя характерные кольца. Этот новый тип повреждения ДНК авторы статьи назвали RING — но не от слова «кольцо», это аббревиатура от response induced by a genotoxin, дословно «ответ, вызванный генотоксином».

На периферии клеточного ядра обычно расположен гетерохроматин — тщательно скрученные нити ДНК, информацию с которых клетка не использует. Поэтому повредить их довольно сложно. Проникнуть внутрь гетерохроматина токсин может только во время удвоения ДНК перед делением клетки. Чтобы проверить, правда ли токсин особенно опасен именно для делящихся клеток, ученые запретили им размножаться, лишив их еды. В голодных неделящихся клетках никаких кольцевых повреждений не возникало. Но как только им добавили еду обратно в среду культивирования, около 40% клеток продемонстрировали RING-ответ.

Ученые предположили, что тифозный токсин может влиять на белки ATM и ATR, которые участвуют в починке ДНК. Но оказалось, что они активны даже в зараженных клетках. Тогда исследователи обратили внимание на белок RPA. Он взаимодействует с разрывами ДНК физически, налипая на концы, поэтому можно предположить, что при большом количестве повреждений его просто не хватит на все поломки. Исследователи выключили в клетках работу гена RPA, и оказалось, что в его отсутствие RING возникает сам собой, даже если не действовать на клетки токсином. И наоборот: если заставить клетки производить дополнительный белок RPA, то кольца повреждений возникают в два раза реже. Судя по всему, тифозный токсин просто истощает запасы RPA, лишая клетку возможности справиться с поломками ДНК.

Повреждения ДНК чаще всего заканчиваются для клетки смертью или старением. В последнем случае клетка переходит в сенесцентное состояние: она не может размножаться, но не умирает, перестает выполнять привычные функции в организме и выделяет набор провоспалительных белков. Ученые покрасили клетки на характерные для сенесцентности маркеры и показали, что под действием токсина клетки человека действительно стареют. Но на клеточном уровне старость может быть заразна: известно, что белки, которые выделяют сенесцентные клетки, могут провоцировать старение в окружающих. Исследователи обработали клетки токсином, потом собрали среду, в которой эти клетки росли, и подействовали ей на другие клетки, которые не встречались ни с токсином, ни с бактерией. Этого оказалось достаточно, чтобы «наивные» клетки тоже стали сенесцентными.

Таким образом, ученые обнаружили эпидемию, которую тиф вызывает на микроскопическом уровне. Поселяясь внутри клеток, сальмонелла выделяет токсин, который повреждает ДНК в начале клеточного деления. Поломок оказывается настолько много, что клетка не успевает с ними справляться и стареет. При этом она выделяет белки, которые старят окружающие клетки, и те становятся не в состоянии сопротивляться инфекции.

По мнению ученых, характерные кольца RING могут также помочь диагностировать тиф на ранних стадиях, потому что его часто путают с другими лихорадками, вроде малярии или Денге. Это стало бы важным дополнением к вакцинации от тифа — которая, кстати, помогает организму бороться и с другими патогенами.