Генетическая репарация

Генетическая репарация - процесс устранения генетических повреждений и восстановления наследственного аппарата, протекающий в клетках живых организмов под действием специальных ферментов. Способность клеток к репарации генетических повреждений впервые была обнаружена в 1949 г. американским генетиком А. Кельнером. В дальнейшем были исследованы многообразные механизмы удаления поврежденных участков наследственного материала, обнаружено, что генетическая репарация присуща всем живым организмам. По-видимому, способность к генетической репарации повреждений появилась на ранних этапах развития жизни на Земле и совершенствовалась по мере эволюции живых существ: ферменты репарации имеются у древнейших представителей растительного и животного мира. К настоящему времени обнаружено большое количество специализированных репарирующих ферментов, а также гены, контролирующие их синтез в клетках. Доказано, что изменения в этих генах повышают чувствительность организма к неблагоприятным и повреждающим факторам, способствуют возрастанию наследственных изменений — мутаций, возникновению болезней и преждевременному старению. Установлено, что некоторые наследственные болезни человека развиваются в связи с нарушениями синтеза репарирующих ферментов. Детально изучены две формы генетической репарации - фотореактивация и темновая репарация.

Фотореактивация

Фотореактивация, или световое восстановление, была обнаружена в 1949 г. А. Кельнер, изучая биологическое действие радиации в экспериментах на микроскопических грибах и бактериях, обнаружил, что клетки, подвергшиеся одинаковой дозе ультрафиолетового облучения, выживают значительно лучше, если после облучения в темноте их поместить в условия обычного естественного освещения. Исходя из этого, было высказано предположение, что на свету происходит устранение части повреждений генетических структур клеток, возникающих под действием ультрафиолетового облучения.

Понадобилось почти два десятилетия, чтобы расшифровать открытый А. Кельнером эффект фотореактивации. Оказалось, что ультрафиолетовое облучение обладает способностью нарушать структуру молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты, несущих генетическую информацию. Молекула ДНК содержит четыре типа так называемых азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин и тимин - и состоит из двух нитей, закрученных в спираль. Нередко в одной нити одинаковые основания располагаются рядом. Под действием ультрафиолетового облучения в части азотистых оснований разрываются химические связи и, если это происходит, например, в расположенных рядом тиминовых основаниях, то они соединяются друг с другом, образуя так называемый димер тимина (рис. 15.2.1).

Рис. 15.2.1. Образование тиминового димера

Первоначально способность к фотореактивации была обнаружена у микроорганизмов, в дальнейшем фотореактивирующие ферменты были найдены в клетках некоторых рыб, птиц, амфибий, насекомых, высших растений и водорослей. Длительное время этот вид репарации не удавалось обнаружить у млекопитающих и человека. Только в 1969 г. было доказано, что способностью к фотореактивации обладают клетки сумчатых животных. Объясняли этот факт особенностями биологии этих древнейших обитателей Земли: полагали, что наличие фотореактивирующего фермента у сумчатых животных имеет исключительную важность, т. к. только у них (среди других млекопитающих) зародыш подвергается действию солнечного света (в т. ч. и ультрафиолетового облучения) в процессе переноса его в сумку матери. Исследования последних лет указывают на возможность наличия фотореактивирующего фермента в клетках кожи человека; может быть, поэтому массивное ультрафиолетовое облучение, например, при загаре, не вызывает повреждений генетического аппарата человека.

Репарация начинается с того, что специальный белок, УФ-эндонуклеаза, находит тиминовый димер и рядом с ним делает разрыв цепи ДНК (рис. 15.2.2). Вторая цепь остается при этом целой. Затем за работу берется другой белок – экзонуклеаза. Она, отщепляя по одному, удаляет по обе стороны от разрыва несколько сотен нуклеотидов. В результате на цепи ДНК (там, где был обнаружен тиминовый димер) возникает брешь длиной в несколько тысяч нуклеотидов. Эту брешь теперь быстро заделывает третий белок – ДНК-полимераза (рис. 15.2.3). Она "проходит" по второй, нетронутой цепочке ДНК и встраивает в первую цепочку комплементарные нуклеотиды. Завершает этот процесс последний белок – лигаза (рис. 15.2.4). Она "зашивает" разрывы на починенной цепочке ДНК. В результате существовавшая до повреждения структура ДНК полностью восстанавливается.

Рис. 15.2.2. Этапы репарации ДНК

Рис. 15.2.3. Реакция, катализируемая ДНК-полимеразой

Рис. 15.2.4. ДНК-лигаза восстанавливает разорванную