Несмотря на то что иногда мутации помогают организму выжить, подавляющее большинство мутационных изменений генома нежелательно и сопровождается развитием различных патологических состояний мутантной особи или отдельной соматической клетки. Жестко действующий естественный отбор, в частности, через систему иммунного надзора элиминирует мутантные соматические клетки, опасные для существования многоклеточного организма, например предотвращая иногда развитие онкологических или аутоиммунных заболеваний. Однако к гораздо более плачевным последствиям приводит элиминация естественным отбором целой мутантной особи, так как это сопровождается непродуктивной гибелью большого числа соматических клеток и является расточительным с точки зрения энергетических затрат на их биосинтез. Генетическая информация любого организма тщательно защищена от мутационных повреждений, что делает мутации в жизненно важных локусах генома очень редкими. Защита осуществляется на нескольких уровнях. Прежде всего, организм старается не допустить попадания химических мутагенов в жизненно важные локусы своего генома. Это достигается двумя путями. Во-первых, избыточные последовательности нуклеотидов ДНК, экранируя кодирующие последовательности нуклеотидов в геноме эукариот, принимают удар большей части химических мутагенов на себя, не допуская их попадания в такие локусы. Те же цели могут быть достигнуты за счет особой пространственной организации ДНК в конкретных участках генома (подробнее см. раздел 5.3). Во-вторых, в клетках имеются многочисленные высоко- и низкомолекулярные ловушки мутагенов, важнейшими из которых являются: маннит, энкефалины, индолы, желчные кислоты и их производные, a-токоферол, аскорбиновая кислота, тирозин, серотонин, а также ряд других соединений экзогенного и эндогенного происхождения.
|
|
К сожалению, обе системы защиты не обладают 100%-й эффективностью. То же можно сказать и о точности функционирования ферментных систем, осуществляющих воспроизведение генетической информации. Поэтому многочисленные нарушения первичной структуры ДНК неизбежны. Тем не менее, большинство первичных повреждений не превращается в мутации благодаря функционированию высокоэффективных систем репарации ДНК, состоящих из многих ферментных компонентов. Из-за исключительной важности функционирования систем защиты генетической информации в поддержании эффективной экспрессии генов ниже будут рассмотрены основные компоненты систем репарации ДНК и принципы их работы.
Репарация ДНК
Большая группа молекулярно-генетических явлений, известная в настоящее время под общим названием "репарация повреждений ДНК", была осознана как отдельный и очень важный биологический феномен лишь в конце 1950-х годов. По мнению Ф. Сталя такая задержка в развитии этого направления исследований была связана с широко распространенным мнением о том, что гены, как чрезвычайно тонко и точно организованные биологические структуры, должны быть хорошо защищены от самой возможности биохимических повреждений, например путем упаковки в высокоэффективную защитную оболочку. В то время невозможно было представить себе ген в виде нестабильной макромолекулы, структура которой динамически изменяется на протяжении жизненного цикла организма, непрерывно отклоняясь от своего начального состояния и возвращаясь к исходной структуре в результате координированного функционирования большого числа ферментных систем.
|
|
Основные механизмы репарации поврежденной ДНК
Рис. I.56. Участок ДНК с основными повреждениями, вызываемыми УФ-светом
а – тиминовый димер циклобутанового типа; б – пиримидиновый димер, соединенный 6–4 связью.
С – цитозин; Т – тимин
Как уже упоминалось выше, имеются два типа нарушений структуры ДНК, которые в конечном итоге приводят к мутациям. Это, во-первых, включение нормальных нуклеотидов в аномальное окружение из последовательностей нуклеотидов, приводящих к образованию неправильно спаренных оснований и петель разных размеров. Во-вторых, появление повреждений ДНК в виде аномальных нуклеотидов в правильных последовательностях ДНК. В этом случае речь идет о различных химических модификациях нуклеотидов, включая их разрушение и образование поперечных сшивок. Помимо того, что повреждения ДНК часто являются причиной мутаций, они еще могут приводить к задержке и полному блокированию репликации и транскрипции.
При исследовании механизмов репарации ДНК первые важные результаты были получены на клетках, облученных УФ-светом с длинами волн 240–280 нм. УФ-облучение клеток часто сопровождается их гибелью, образованием мутаций и злокачественной трансформацией, что вызвано в первую очередь повреждениями их ДНК. Среди первичных повреждений такого рода наиболее часто встречаются биспиримидиновые фотопродукты: пиримидиновые димеры циклобутанового типа, соединенные связью 6–4 (рис. I.56). Как про-, так и эукариоты имеют несколько ферментных систем, которые разделяют пиримидиновые димеры или восстанавливают исходную структуру азотистых оснований. К таким репаративным системам относится, прежде всего, система эксцизионной репарации ДНК, осуществляющая вырезание поврежденных нуклеотидов (nucleotide excision repair – NER) или азотистых оснований (base excision repair – BER). Система ферментативной фотореактивации ДНК (photoreactivation – PHR), основным компонентом которой является ДНК-фотолиаза, разделяет пиримидиновые димеры, превращая их в нормальные пиримидиновые основания. Кроме того, поврежденные УФ-светом молекулы ДНК могут репарироваться с участием систем рекомбинации и в процессе пострепликативного синтеза ДНК. Действие многих вышеперечисленных систем репарации поврежденной ДНК распространяется не только на фотопродукты, но и на другие модифицированные основания, образующиеся под действием химических мутагенов. Отдельно следует упомянуть систему, распознающую неправильно спаренные основания в двойной спирали ДНК, возникающие в результате ошибок репликации.
|
|
Большинство исследованных организмов обладают системами репарации ДНК в различных комбинациях. Так, клетки E. coli для удаления фотопродуктов используют системы NER и PHR, тогда как у человека пиримидиновые димеры циклобутанового типа удаляются исключительно системой NER. Системы эксцизионной репарации NER и BER благодаря своей универсальной полифункциональности занимают центральное место среди систем репарации ДНК.