Починка ДНК
В клетке в случае нужды есть кому не только кроить к пороть молекулы ДНК, но и сметывать их.
Ю. Г. Чирков
— Ультрафиолет поврёждает ДНК
— Изменения в генах приводят к раку
Вредоносный свет
О вредоносном действии радиационного излучения наслышаны все. Однако если не принимать во внимание фоновую радиацию, то облучение все же является достаточно экзотическим ударом для любого живого организма. Настоящая же проблема состоит в том, что обычный солнечный свет представляет для ДНК достаточно серьезную угрозу! Дело в том, что водный раствор ДНК в пробирке прозрачен как стекло. И точно так же, как стекло, он пропускает видимый солнечный свет и поглощает ультрафиолетовые лучи. Эти лучи едва достигают поверхности Земли, поскольку основной их поток задерживается в верхних слоях атмосферы озоновым экраном. Однако даже этого скромного падающего на поверхность планеты облучения ультрафиолетом оказывается достаточно, чтобы повредить ДНК.
Чаще всего, это происходит следующим образом. Единичная порция света — фотон — может беспрепятственно пролететь сквозь мембраны и клеточные структуры, и «врезаться» в ДНК, передав ей квант своей энергии. Если эта энергия поглощается нуклеотидом, то он переходит в возбужденное состояние. Дальше все зависит от того, какой именно нуклеотид возбудился. В случае аденина или гуанина энергия возбуждения быстро переходит в тепловую, и структура ДНК не меняется. Если же порцию дополнительной энергии получили тимин или цитозин, последствия могут быть весьма существенными. К примеру, в этой ситуации между двумя расположенными рядом на одной цепи тиминами может появиться сшивка — химическая связь.
При этом возникает фотодимер тимина (тиминовый димер) — молекула, в которой четыре расположенные по углам квадрата атома углерода соединены вместе ковалентными связями. Если образно сравнить ДНК с застежкой-молнией, то тиминовый димер похож на два соседних зубца одной ее половинки, которые сошлись вместе и не позволяют теперь молнии застегиваться. ДНК с таким нарушением также не может нормально работать. С нее теперь невозможно ни снимать копии (и, следовательно, процесс деления клетки должен быть застопорен), ни считывать информацию, необходимую для производства белков. Ферменты, ответственные за копирование ДНК и считывание с нее информации, дойдя до тиминового димера, либо «перепрыгнут» через него, что приведет к разрыву синтезируемого белка на две половинки, либо вовсе остановятся. Вот к каким неприятным последствиям может привести действие одного единственного фотона!
Помимо образования димеров, в ДНК возможны и другие изменения оснований. Удвоение молекул ДНК живых организмов идет в бешеном темпе. Бактерия кишечная палочка делится каждые 15–20 минув при этом она копирует свою ДНК со скоростью 500 азотистых оснований в секунду. У человека клетки делятся не так стремительно, поэтому скорость копирования ДНК падает до 50 оснований в секунду. Но все равно это дикий по человеческим меркам темп! Сколько знаков за одну секунду можно напечатать на пишущей машинке? От силы несколько, не более. А тут пятьдесят знаков! Немудрено, что в клетках при копировании ДНК возникают «опечатки»: потери оснований, замены одного основания на другое, неправильное их спаривание, разрывы одной цепи ДНК… Такие единичные повреждения биологи называют точечными или точковыми мутациями. Известно, что от деления до деления при 37 градусах в среднем ДНК человека может попросту потерять до 20 азотистых оснований, а счет всех различных повреждений идет при этом уже на тысячи! Что и говорить, картина получается мрачная, если учесть, что всего несколько таких повреждений в ключевых генах клетки может привести к превращению ее в раковую.
Ремонтный набор
Ясно, что если бы у клеток не было защиты против таких нарушений ДНК, то вскоре многие гены были бы необратимо повреждены, что неизбежно приведет организм к полной катастрофе. Неудивительно поэтому, что любые клетки регулярно и постоянно занимаются репарацией — своеобразной «санацией» своей ДНК. Знающим историю людям слово «репарация» (восстановление) скорее всего напомнит о выплатах гигантских денежных сумм Германией странам, победившим в двух мировых войнах. Биологи же называют этим термином «починку» ДНК. Первые указания на подобные процессы были получены еще в начале шестидесятых годов XX века в опытах на бактериях. В ответ на облучение ультрафиолетом кишечные палочки начинали интенсивно «чинить» свою ДНК — то есть, удалять поврежденные облучением участки и восстанавливать исходные последовательности нуклеотидов. Со временем удалось разобраться во всех тонкостях этого уникального процесса. Оказалось, что в распоряжении клетки находится целый набор уникальных белков, работающих словно миниатюрные насадки бормашины, необходимые для постановки зубных пломб. Только работают они не с эмалью и дентином зуба, а с молекулой ДНК.
Все начинается с того, что специальный белок Уф-эндонуклеаза находит тиминовый димер и рвет рядом с ним одну цепь ДНК. Вторая цепь остается при этом неразорванной. Затем за работу берется другой белок — так называемая экзонуклеаза. Она удаляет слева и справа от разрыва несколько сотен нуклеотидов — так, на всякий случай. Точно также и стоматолог высверливает в поврежденном зубе лунку пошире, чтобы уже с гарантией удалить все поврежденные кариесом участки. В результате действия экзонуклеазы на одной из цепей ДНК (там где был обнаружен тиминовый димер) возникает брешь длиной в несколько тысяч нуклеотидов. Ее затем быстро заделывает третий белок — ДНК-полимераза. Она проезжается по второй, нетронутой цепочке ДНК и напротив каждого нуклеотида выстраивает ему комплементарный. Завершает эту блестящую работу последний белок — лигаза. Она «зашивает» разрывы на подверженной починке цепочке ДНК, да так искусно, что не остается никаких «швов». В результате существовавшая до повреждения структура ДНК полностью восстанавливается. Так что по образному выражению Юрия Георгиевича Чиркова «…в клетке в случае нужды есть кому не только кроить и пороть молекулы ДНК, но и сметывать их».
Из сказанного становится ясным смысл двухцепочечности ДНК. Биологи, занимающиеся проблемой возникновения жизни, утверждают, что первыми соединениями, возникшими на заре молекулярной эволюции и способными строить свои копии, были одноцепочечные рибонуклеиновые кислоты — РНК. А связанные с ними уже закодированные в РНК белки способствовали процессу их воспроизводства. Понятно, что в случае любых нарушений структуры таких первичных РНК они уже не могли быть восстановлены, поэтому цепочки нуклеотидов с возникающими существенными нарушениями постепенно элиминировались из кругооборота воспроизводства. Появление двухцепочечных молекул ДНК позволило эффективно восстанавливать поврежденные участки, достраивая их по неповрежденным половинкам. Это была настоящая революция в борьбе с неизбежными «типографскими опечатками» нуклеотидных текстов. Революция, которая наверняка ускорила на много порядков эволюцию клеток два с половиной миллиарда лет назад!
Ложка дегтя и SOS-репарация
Теперь в нарисованную картинку бочки меда пора добавлять деготь. Все было бы прекрасно, если бы любые точечные мутации могли вырезаться и ликвидироваться столь же точно, как это происходит с тиминовыми димерами. К сожалению порой клетка не в состоянии правильно определить, какую нить ДНК брать в качестве эталона, а какую следует чинить. Именно так дело обстоит в случае неправильного спаривания нуклеотидов. Действительно, какой нуклеотид в данном случае является «неправильным»? На какой цепи произошел сбой? Репарационная система клетки ответить на такой вопрос не в состоянии. В результате, лишь в половине случаев (когда в качестве оригинала случайно выбирается правильная половинка ДНК) исходная структура ДНК полностью восстанавливается. Во всех остальных случаях в качестве образца будет взята половинка с «неправильным» нуклеотидом и по нему на противоположной цепи будет достроен комплементарный ему нуклеотид. Так вместо пары А-Т может возникнуть пара Г-Ц со всеми неприятными последствиями, которые могут отсюда проистекать. Такое изменение будет точковой мутацией, которая «проскочит» через «систему ОТК» репарационных механизмов клетки. С этой точки зрения, частота точечных мутаций в ДНК является результатом равновесия между ее повреждениями и исправлениями.
Продемонстрированный пример работы репарационной системы — лишь один в целом ряду защитных механизмов клетки, оберегающей свою ДНК от возможных повреждений. В частности, существуют механизмы репарации, основанные на обменах поврежденных участков ДНК на неповрежденные. Такую репарацию называют рекомбинационной. Не будем, впрочем, сейчас углубляться во все эти тонкости, тем более, что даже у относительно просто устроенной бактерии — кишечной палочки — уже открыты не менее пятнадцати генов, оказывающих влияние на репарацию ДНК. Важно другое: повреждение многих из этих генов приводит к повышению частоты мутирования, поскольку в клетке начинает хуже работать система репарации ДНК. Следовательно, образно говоря, клетка может менять «толщину фильтра», через которую проходят изменения в ДНК. Не исключен и противоположный эффект, основанный на повышении эффективности работы репарационных систем в результате отбора.
