Ремонт ДНК

ДНК

Ми вже досить добре знаємо, як живі організми відтворюють собі подібних, хоч це досі викликає у нас подив і часом, незважаючи на всі наші знання, здається дивом. Згадаймо — нам це знадобиться для розуміння подальшого: в основі всіх подій з живими істотами, чи вони ростуть, розмножуються або еволюціонують, лежить фундаментальний феномен природи — подвоєння клітини, а центральна подія в цьому феномені — подвоєння, реплікація хромосом.

Вражаючий факт – точність, з якою відбувається цей процес. Саме завдяки їй природа така, яка вона є, нескінченне розмаїття істот стабільно зберігається мільйони років. (Втім, вражає, що навіть рідкісні помилки свої природа прилаштувала до справи: широко відомо, що саме мутації — один з найголовніших чинників еволюції живого.) При передачі навіть короткого тексту по телеграфу виникають помилки, що іноді ускладнюють розуміння змісту інформації. Але ж в клітині відбувається передача інформації, рівної за обсягом декільком томам енциклопедії. І всі ці «тома» «передруковуються» кожен раз, коли розмножується будь-яка з незліченних клітин багатоклітинного організму або будь-яких одноклітинних істот, а такий акт відбувається щодня, щогодини або щохвилини, і у всіх цих численних перепечатках збої іноді настільки незначні, що, наприклад, якого-небудь рачка, який жив у теплих морях палеозою, нелегко відрізнити від його нинішнього нащадка.

Надзвичайно велика і надійність зберігання генетичної інформації в клітинах, що не діляться: відомо, наприклад, що зерна пшениці не втрачають схожості після зберігання більше тисячі років і їх основні властивості за цей час залишаються, мабуть, незмінними.

Як же досягається така точність зберігання і передачі генетичної інформації? Це питання ще два десятиліття тому було чи не основною проблемою теоретичної біології. І справді, рухливість, дивовижна гнучкість, здатність до постійного оновлення живої матерії, в якому б вигляді її не розглядали, чи то у вигляді окремої клітини, організму або біосфери цілком,— здавалося, ніяк не поєднувалася з постійністю, з якою зберігаються і передаються у спадок окремі її властивості. Як не були переконливі експерименти генетиків, що показують, як працює спадковий апарат, його надійність ніяк не узгоджувалася з навколишньою в клітині вічно мінливою стихією, схильною до безлічі впливів, до того ж надзвичайно вразливою і, здавалося б, беззахисною.

Це протиріччя, давало основну поживу для дискусій навколо проблеми хромосомної спадковості протягом кількох десятиліть становлення генетики і навіть після того, як виникла наука про молекулярні основи генетичного механізму. Справа в тому, що хоч, як ми побачимо, окремі далекосяжні висновки про те, яка ж сила зберігає мільйони років спадкову інформацію, робилися вже на зорі становлення молекулярної біології, в цілому наука аж до шістдесятих років минулого століття не підозрювала про існування спеціальної ремонтної служби у спадкових молекул. Генетики думали, що сталість — особлива властивість генів, які не схильні до ніякого впливу внутрішньоклітинного середовища. Лише коли така служба була виявлена, стало зрозуміло, як уживаються в клітині дивовижна мінливість з дивовижною постійністю.

А передісторія такого відкриття була досить давньою. Після того, як був встановлений той факт, що можна експериментально з допомогою випромінювань подіяти на генний матеріал, почалося інтенсивне вивчення радіаційного і хімічного мутагенезу.

Тоді-то серед генетиків отримала широке поширення точка зору, яка потім виявилася невірною, що зміни генів — абсолютно автономні, «квантові» події і внутрішньоклітинне їх оточення ніякої ролі у цих процесах не грає. Її підтримали відомий фізик Е. Шредінгер і пізніше Д. Уотсон, Я. Крик. Взагалі кажучи, та ідея, що мутації не схильні до ніякої клітинної регуляції, – крайнє вираження старої концепції А. Вейсмана про автономність зародкової плазми, перенесена на клітинний рівень. Хоча, безумовно, в клітині потік структурної інформації йде виключно від ДНК до білка (і це центральна догма молекулярної біології), з цього ще не випливає, що мінливість самих генів не регулюється білковими, цитоплазматичними факторами. Подальший розвиток генетики показав, що в мутагенезі грають роль не тільки і не стільки первинні хімічні ушкодження генів, скільки точність роботи білкових копіювальних і ремонтних систем.

Можна виділити, наприклад, клітини, в яких частота спонтанних мутацій підвищена в 100 000 разів порівняно з нормальними, або, навпаки, такі, які взагалі неможливо змусити мутувати. Потрібно віддати належне прозорливості деяких генетиків, зокрема М. Є. Лобащева, який ще в 1947 році сформулював гіпотезу про те, що «мутації є наслідком нетотожної реверсії (репарації)…”, в якій клітинним впливам в мутагенезі відводилася провідна роль.

Зараз з цього приводу науці відомо вже багато. Досягненням сучасної біології є саме усвідомлення того, що сталість генних молекул — «заслуга» не їх самих. Це – не стільки результат їх інертності, скільки підсумок діяльності спеціальної клітинної служби, мікробригади по ремонту ДНК, яка відновлює вихідну структуру ДНК.

Як це зазвичай буває, відкриття репараційної системи в клітині, вирішивши одне протиріччя, тут же поставило безліч нових проблем. Зрозуміти, як відбувається репарація — лагодження ДНК, і навчитися нею керувати — значить для біології пройти цілу щабель в розумінні того, який же безпосередній механізм мутацій — змін в спадковому коді. У світлі нових даних адже він виявився зовсім не таким, яким представлявся раннім генетикам, і тепер заново знадобилося пояснити, що ж впливає на цей процес і як впливає. Зараз це особливо важливо, оскільки в сучасному індустріальному суспільстві багато захворювань людини, такі як рак, атеросклероз, спадкові дефекти, так чи інакше обумовлені мутаціями. Але до можливості управління мутаційним процесом поки ще далеко. Науки, що вивчають життя клітини, рухаються вперед надзвичайно повільно — занадто важкий це об’єкт для пізнання, знання тут добуваються буквально по крихтах.

Найскладніші роботи приводять нас до результатів, яким ми радіємо, а неспеціалісти знизують плечима: ну що, справді, з того, що вдалося дізнатися, скажімо, як працює якийсь фермент. Підсумок, який зачепить за живе біологів-суміжників, буде результатом декількох десятків таких робіт. І все-таки, може бути, після всього сказаного стане зрозумілою та ступінь серйозності, з якою ми розмірковуємо над відкритими нами фактами.

У своїй лабораторії (однієї з лабораторій Інституту цитології) ми займаємося тими речовинами, які відповідають за ремонт ДНК, і молекулярними механізмами такого ремонту.

Як природно було очікувати, речовини ці — ферменти. Природно – тому, що жоден процес, що відбувається в живій тканині, без органічних каталізаторів — ферментів, як з’ясувалося, не обходиться. Не обходиться без них і репараційний механізм. У лабораторії вивчено цілий ряд ферментів, що беруть участь в процедурі репарації, але щоб зрозуміти сенс такої роботи, треба знати передісторію.

Передісторія нашої проблеми, як вже говорилося, не дуже довга, але вже зараз накопичено велику кількість фактів, часто суперечливих, багато гіпотез не встояли проти експериментальної перевірки, деякі ж поки витримують натиск фактів. Є і цілий ряд усталених положень, які навряд чи будуть переглянуті надалі. Загалом, це область (ще раз) видатна, що знаходиться в нормальному стані кризи. Зараз репараціями займаються багато лабораторій світу. Що ж ми знаємо на сьогодні?

Помилку можна випалити і вирубати

У 1948 році Альберт Кельнер отримав перші переконливі докази «самолікування» спадкового апарату клітин. Це явище назвали фотореактивацією. Клітини пошкоджувалися ультрафіолетом, а виліковувалися під дією потужного променя звичайного світла. Цікаво, що це відкриття передбачало інше, фундаментальне: Кельнер передбачив, що об’єкт пошкодження та лікування — саме нуклеїнові кислоти, до того, як їх генетична роль стала загальновизнаною.

Явище фотореактивації залишалося незрозумілим до 1962 року, коли К. Рупертом і його співробітниками був розшифрований його молекулярний механізм. З’ясувалося, що при фотореактивації діє фермент, який використовує для своєї роботи енергію світла. Він розщеплює здвоєні під впливом ультрафіолету дві з чотирьох букв генетичного коду піримідинові основи, оскільки в здвоєному, «склеєному» стані ці основи вже не являють собою коду, перестають бути «буквами».

Вивчаючи фотореактивацію далі, дослідники переконалися, що здвоєні основи — димери — єдині пошкодження ДНК, що виправляються нею. Інші вона не лікує. Спосіб відродження під дією світла природа створила, мабуть, на зорі еволюції. Справді, адже сонячний промінь містить як короткохвильовий ультрафіолетовий компонент, так і видиме світло: очевидно, в клітинах виникла здатність нейтралізувати генетичні ефекти ультрафіолету наявним під рукою засобом. Отже, в цьому відкритті швидше важливий був сам факт — поломки в спадковій речовині можна виправити. Природно було припустити далі, що світло – не єдиний спосіб такого виправлення. Тому багато дослідників зробили спроби виявити більш універсальні механізми ремонту ДНК.

І такий механізм був відкритий. Виявилося, що ушкоджена ділянка однієї з ниток подвійної спіралі ДНК особливими ферментами «хірургічно» видаляється з молекули, і утворений пролом знову заповнюється неушкодженими нуклеотидами.

Мікробригади «хірургів» не надто спеціалізовані, вони усувають пошкодження, викликані не тільки ультрафіолетом, але і іонізуючими випромінюваннями і хімічними канцерогенами.

Роль репарацій чітко усвідомлюється, коли вивчаються такі клітини, які не вміють радикально лікувати свій генетичний матеріал. Виявилося, що вони володіють цілим рядом біологічних недосконалостей, зокрема, дуже високою чутливістю до дії випромінювань і хімічних мутагенів: вони гинуть при таких дозах випромінювання, які ніяк не впливають на нормальні клітини. Більше того, серед тих клітин, які все-таки виживають, виявляється значно більше мутантних.

Переконливий приклад – хворі важкими спадковими захворюваннями, пігментною ксеродермою наприклад. Їх клітини не здатні до «хірургічного» відновлення спадкових структур. У цих хворих опромінення малими дозами ультрафіолету або іонізуючого випромінювання викликає важкі виразки, які мають тенденцію перероджуватися в ракові розростання. Іноді у них порушені внутрішні органи через знижену життєздатність нервових клітин.

Для дослідника дуже важливі дані про те, що клітини, що не володіють здатністю вирізати з ДНК пошкоджені ділянки, відрізняються підвищеною піддатливістю до поломок і ракового переродження. Це доводить, що в нормальних клітинах ремонтний апарат відіграє дуже важливу роль як антимутагений і антиканцерогенний сторож і що працює він дуже надійно.

В клітині є механізми і паліативного лікування ДНК, коли хімічне пошкодження не видаляється, а заліковуються лише вторинні порушення. Серед паліативних механізмів є такі, які самі привносять велику кількість помилок, мутацій. Але про них мова пізніше.

З відкриттям «хірургічної» репарації знайшлася хоча б часткова відповідь на одну з початкових загадок молекулярної біології — навіщо природі знадобилася саме подвійна спіраль ДНК. Надмірність інформації, закладена в структурі подвійної спіралі, виявилася вкрай потрібною для її лагодження. Пошкодження практично ніколи не зачіпають відразу пару протилежних комплементарних нуклеотидів, а лише один з них. Другий, неушкоджений, і зберігає вихідну інформацію. Правда, іноді, при особливих обставинах, пошкодження в обох нитках ДНК перекривають один одного. Але про це розмова знову-таки піде дещо пізніше.

Зубчики на «блискавці»

Пора, проте, згадати про основні види пошкоджень, що зустрічаються в ДНК, і про те (спочатку), до чого вони ведуть.

Головна дійова особа в процесах, які ми розглядаємо, – ДНК-полімераза, фермент, що відповідає за синтез нових ниток ДНК. Цей білок може подвоювати, копіювати, ДНКову нитку тільки за умови, що матрична її нитка, яка дає інструкцію про те, який нуклеотид вставляти наступним, не пошкоджена, має нормальну структуру. Цей фермент “привчений” підганяти один до одного тільки відповідні пари нуклеодитів (А:Т і Г:Ц).

Будь-яка значна хімічна зміна основ сильно ускладнює роботу ДНК-полімераз або взагалі повністю блокує їх дію. В останньому випадку пошкодження називають некодуючим, його ДНК-полімераза взагалі не «впізнає». Рідше виникають такі зміни основ, які ДНК-полімераза визнає за кодуючі, але не може точно розібратися, як відповідну основу прилаштувати навпаки — вона схожа на інші. Все одно, як якщо б літера «А», скажімо, перестала відрізнятися з буквою «І» або «О». Такі кодуючі ушкодження з високою ймовірністю призводять до помилок, мутацій, але виникають вони порівняно рідко. Найчастіше до мутацій призводять некодуючі пошкодження, але складним шляхом, про який ще піде мова. І нарешті, зовсім рідко, азотиста основа змінюється так, що її сенс стає повністю іншим,— такі пошкодження називають кодуючими навпаки.

Хороший приклад некодуючого пошкодження – вже згадана незвичайна “зшивка” двох стоячих поруч в одній нитці молекул піримідинових основ (тіміну та цитозину). Утворені пари – основні винуватці загибелі клітин і вірусів, мутагенезу і канцерогенезу. Порівнюючи ДНК із застібкою-«блискавкою», можна сказати, що такі пари аналогічні двом зубчикам, пов’язаним ниткою: кожен може переконатися, що таку «блискавку» застебнути досить важко.

Інший приклад — випадання з ДНК двох основ (аденіну і гуаніну). Такі пошкодження виникають самі собою, і вони рівнозначні випаданню одного зубчика з «блискавки».

Різноманітні не впізнавані ДНК-полімеразою пошкодження виникають при дії на ДНК рентгенових або гамма-променів. Хімічні ж мутагени і канцерогени часто підвішують до ниток ДНК цілі угруповання, що іноді перевершують за розмірами самі основи. Результат такий же, як якщо б до зубчика “блискавки” припаяти шматочок олова. Не варто множити такі приклади, доведеться поки обійтися без ілюстрації навпаки кодуючих пошкоджень.

Профілактичний ремонт

У досліді найпростіше впливати на клітину яким-небудь з променів або хімічних сполук. Тому переважна частина експериментальних даних про ремонт ДНК зібрана на такі пошкодження, що виникли під впливом різних випромінювань і хімічних речовин.

І тому спочатку вважалося, що ремонтуються лише дефекти, завдані зберігачу спадкової інформації надзвичайними втручаннями чужого середовища начебто ультрафіолету, рентгена, хімії. І з часом дозріла думка про те, що репараційні механізми були створені природою не тільки для особливих випадків, це було б марнотратністю з її боку, але і для постійної підтримки стабільної спадковості, в типових умовах. Таке припущення було висловлено біологом В. П. Парібоком. Легко зрозуміти, що воно якісно змінювало роль ремонтної бригади в житті клітини, сильно розширюючи сферу її діяльності. Нині накопичений великий матеріал, що підтверджує це передбачення.

Поки знайдені три основних джерела тих чи інших змін в ДНК неушкоджених клітин. По-перше, помилки виникають в процесі зчитування інформації з ДНК на РНК: в одній з ниток ДНК виникають іноді розриви, які і чиняться самим звичайним шляхом. Крім того, прогалини в “блискавці” з’являються в дочірніх нитках ДНК при її подвоєнні (навіть без всяких непорядків в матриці) і так само швидко репаруються.

По-друге, іноді помиляється сама ДНК-полімераза, вставляючи неправильний нуклеотид. Цей фермент, до речі, володіє абсолютно дивовижними властивостями, якоюсь розумністю, яку важко очікувати від таких примітивних пристроїв: він сам виправляє власні помилки вирізанням неправильно вставленого нуклеотиду. Ця функція ДНК-полімерази отримала назву «видавничої», або «коректорської», і загалом вона схожа на процес звичайної репарації шляхом вирізання. У тих же випадках, коли фермент не може виправити власну помилку, знову-таки зростає кількість спонтанних мутацій.

Цікаво, що точність роботи ДНК-полімераз залежить від умов, в яких їм доводиться працювати. Наприклад, у присутності іонів деяких металів — марганцю або берилію, кількість помилок ферменту збільшується. Але тоді, може бути, в клітині є спеціальні механізми, які регулюють точність роботи ДНК-полімераз, впливаючи на їх “коректорські” здібності? Дійсно, показано, що «коректорська» здатність ДНК-полімераз може регулюватися клітинним середовищем. Механізм такого регулювання, якщо його існування виявиться реальністю, можна було б вважати пусковою «пружиною» еволюції. Справді, за допомогою чогось подібного середовище повинно було б прискорювати або сповільнювати мутаційний процес “по потребі”, адже відомо, що в окремі періоди життя виду мінливість в ньому наростає, іноді ж вона падає.

Нарешті, третє джерело порушень ДНК — це пошкодження нуклеотидів, що виникають за рахунок теплового руху молекул. Реакції теплового пошкодження ДНК при температурі 37° протікають з досить великими швидкостями. Наприклад, ДНК кожного нейрона в клітинах людини отримує в добу близько 10 000 некодуючих спонтанних пошкоджень і близько 100-кодуючих навпаки. Якби не було репарації, то клітини б дуже швидко втрачали закладену в них генетичну інформацію і здатність до поділу. Деякі генетики, наприклад Джон Дрейк, пропонують, що такі спонтанні (теплові) хімічні реакції — основна причина випадкових мутацій у клітинах ссавців. Очевидно, що регуляція швидкості, з якою чиняться спонтанні пошкодження ДНК, знову-таки може впливати на темп еволюції. Тобто це один з еволюційних регулювальних механізмів.

Головні механіки ремонтної бригади

«Продуктивність праці» у служби репарації в нормальних клітинах дуже велика: кожна бактеріальна клітина за годину може вирізати з ДНК кілька тисяч некодуючих ушкоджень, клітина людини — кілька сот тисяч, причому робиться це практично безпомилково — лише один з мільйона актів репарації призводить до мутації. А кожне з пошкоджень, про які йде мова, могло б, при повній відсутності репарації, привести до загибелі. Цікаво таке порівняння: в сучасних обчислювальних машинах одночасне псування, скажімо, сотні випадково розташованих елементів створює величезні труднощі для ремонтників, і виправлення всіх дефектів займає багато часу, який витрачається в основному на пошуки несправних елементів.

Ефективність хірургічних репарацій в клітині настільки висока тому, що в процесі еволюції з’явилися дуже хороші пошукові і виконавчі пристрої — ферменти, що легко знаходять пошкоджені області в молекулах ДНК. Ось ми і прийшли до вихідного пункту. Тепер, ймовірно, зрозуміло, чому вивчення ферментів зараз одне з важливих завдань науки. Розібравшись в тому, як вони працюють, ми зможемо краще зрозуміти весь процес ремонту. А це допоможе навчитися управляти стійкістю клітин до агентів, які мають дію на спадкову інформацію.

Процес хірургічної репарації, коли пошкоджений нуклеотид вирізається з ДНК, можна розбити на ряд етапів, на кожному з яких діє особливий фермент. На першому етапі ферменти впізнають пошкоджений район і надрізають одну з ниток ДНК поруч з пошкодженням — це роблять ендонуклеази. На другому етапі білки-ремонтники вирізують пошкоджену ділянку. Виконавців цього етапу називають «екзонуклеази». Третій етап – заповнення пролому неушкодженими нуклеотидами – робить вже відомий нам фермент – ДНК-полімераза. І, нарешті, останній етап — пришивання знову синтезованого фрагмента до ДНК — здійснює лігаза.

В лабораторії радіаційної цитології вдалося показати, перш за все, що є кілька типів ферментів, і ті, що впізнають пошкоджені області в молекулах ДНК і ті, що запускають процес вирізання заповнення. Є, наприклад, такі, що налаштовані на боротьбу тільки з ультрафіолетом і деякими хімічними мутагенами. Хоча до цього часу прямими дослідами не доведено, що в клітині ведеться лагодження ділянок з тепловими пошкодженнями; це лише передбачається (інакше бути не може!), але ферменти, які могли б це робити, виявлені давно. Цікаво, що деякі з ферментів, необхідні для репарації теплових пошкоджень, можуть вирізати і пошкодження ультрафіолетом. Причини такої універсальності поки не ясні, проте не виключено, що це відображає ранні етапи еволюції репараційних процесів, адже сонячна ультрафіолетова радіація і тепло були найважливішими факторами навколишнього середовища на зорі еволюції.

Особливі ферменти впізнають пошкодження нуклеодитів рентгеновими і гамма-променями. Для репарації пошкоджень, що кодують навпаки, потрібен теж окремий клас каталізаторів-ферментів.

Багато ферментів нам вдалося виділити в досить чистому вигляді, і з їх допомогою процес ремонту, наприклад, ультрафіолетових пошкоджень, був реконструйований поза клітиною. Виявилося також, що виділені репараційні білки можна пристосувати до справи: як у наукових цілях — для дуже чутливого зондування пошкоджених молекул ДНК, так і в практичних — для лікування клітин, позбавлених відповідних ремонтних якостей.

Вивчаючи ферменти, вдалося частково пояснити, чому така висока ефективність і точність репарації вирізуванням. Зокрема, це пов’язано з тим, що ендонуклеази володіють дуже високою спорідненістю до пошкоджених районів ДНК, більшою, ніж це характерно для звичайних ферментів, і надрізається саме пошкоджена нитка ДНК, при тому, що не зачіпається ділянка навпроти пошкодження.

Крім того, в прямих дослідах було показано, що очищена ендонуклеаза-фермент надрізання – зменшує число мутацій в клітинах, пригнічує мутагенез. З цього випливав висновок, що саме невирізані “помилки” (в даному досліді — димери) причетні до породження мутацій.

Тобто досліди з ферментами допомогли отримати інформацію про те, як поломки ДНК призводять до мутацій.

Все це наводить на думку і про один з можливих шляхів управління мутагенезом: пригнічуючи хід ремонту вирізанням в клітині, можна збільшувати кількість мутацій, а заохочуючи хірургічні репарації, пригнічувати мутагенез.

Але до управління ним на практиці ще далеко, а сакраментальне питання, як виникають мутації, вже близьке до вирішення.

Складнощі і помилки

Як вже говорилося, ідея про те, що помилки, тобто мутації, що виникають саме при неправильному ремонті, з’явилася давно, проте розібратися в тому, як це відбувається, виявилося набагато складніше. А очевидно, що без таких знань ніяке раціональне управління мутагенезом неможливо.

Отже, є три можливості. Або мутації утворюються при роботі звичайного ремонтного механізму, коли він діє на незвичайних, ускладнених пошкодженнях і тому помиляється. Або вони з’являються при репарації самих звичайних пошкоджень, але коли в процес втягується особлива, незвичайна репараційна система, що відрізняється високою помилковістю. Або справедливо і те й інше. Сучасний стан цієї проблеми — компроміс першої та другої точок зору: існують і особлива високопомилкова репарація та унікальні пошкодження.

Перш за все, дослідники прийшли до висновку, що ««хірургічна» репарація, про яку йшлося вище, якщо і призводить до появи мутацій, то надзвичайно рідко — тільки один раз на мільйон індивідуальних актів вирізання. На думку доктора біологічних наук С. Е. Бреслера, рідкісні мутації можуть виникати в процесі хірургічної репарації, коли два пошкоджених нуклеотида випадково виявляються зближеними. Але якщо репарація шляхом вирізання настільки надійна, тоді помилки повинні виникати в тих рідкісних випадках, коли репаруються проломи, що виникли вже після подвоєння ДНК.

Справа в тому, що іноді ремонт спадкової інформації проходить не так просто, як описано вище. Бувають і ускладнені його варіанти. ДНК-полімераза не завжди кидає роботу, діставшись до пошкодженого місця, а іноді проскакує його. Тоді навпроти хворого нуклеотиду в дочірній нитці утворюється пробіл, або пролом. Він обов’язково повинен бути полагоджений, перш ніж почнеться нове подвоєння, інакше хромосома розірветься і клітина загине. Дійсно, виявилося, що в клітинах бактерій такі прогалини відновлюються протягом найближчої години після їх утворення. Пізніше подібний хід подій був простежений і в клітинах ссавців, в тому числі і людини.

Подібний ремонт названий постреплікативним, оскільки він відбувається після подвоєння ДНК. Яким же чином клітина примудряється закрити такий пролом? Виявляється, і тут використовується запас інформації, закладений у подвійній нитці ДНК: одночасно з пошкодженим адже подвоюється і сестринська здорова нитка, вона-то і містить той шматочок, який міг би закрити утворений пробіл. Зазвичай ремонт так і відбувається — з нитки-сестри вирізаний фрагмент вставляється в пробіл, що утворився навпроти пошкодження. Але тепер з’явився, в свою чергу, пробіл в непошкодженій нитці, і він також повинен бути полагоджений. Але зробити це вже значно простіше, адже її-то матриця ціла.

Однак іноді цей процес йде ще більш складно. Хоча у читача і так, певно, вже крутиться голова з-за необхідності стежити за всім цим хороводом спадкових спіралей, але виходу немає — розповісти про ці складнощі необхідно: всі вони наполегливо вивчаються в багатьох лабораторіях, так як мають пряме відношення до таємниці виникнення мутацій і канцерогенезу. Довгий час думали, що це і є основне джерело мутацій. В останні роки, однак, питання було радикально переглянуте. Ремонт дірок, що утворюються після подвоєння ДНК, за допомогою сестринської нитки був реабілітований, і з нього було знято звинувачення у помилковості. Винуватцем мутацій виявилася так звана БОБ-репарація, існування якої було постульовано американцем М. Редманом.

Послідовність подій при цьому приблизно така: якщо у ДНК виникають пошкодження, які не можуть бути загоєні звичайними способами, активуються певні гени, що відповідають за ферменти, здатні усувати такі критичні пошкодження. Бажаючи підкреслити, що ця репарація працює лише у виняткових ситуаціях, Редман і запропонував термін БОБ-репарація, який вже вкорінився в науковій літературі.

Винятковість ситуацій і виправдовує приватні помилки в роботі БОБ-репарації: тут вже не до ретельності, аби як-небудь вижити, дозволити ДНК подвоюватися далі. Як на кораблі, що терпить серйозну аварію, наприклад має пробоїну, всі сили спрямовані на боротьбу за життя, і про якість ніхто не думає. При авралі адже контроль за якістю послаблюється, і буває, що йде брак. Мутації є як би платою за виживання.

Рэдману вдалося показати на досліді, що опромінення клітин ультрафіолетом і деякі інші впливи призводять до синтезу в них особливих білків, які здатні в поєднанні з іншими ферментами долати фатальні, не скоєні іншими способами поломки нитки ДНК. У клітинах служба БОБ-репарації діє недовго: від півгодини до декількох годин. Сенс зрозумілий: підтримувати високий рівень помилок занадто довгий час для клітини дуже шкідливо.

Коли ж спрацьовує мутагенна БОБ-репарація? У дослідах в США показано, що БОБ-репарація іноді бере участь у ліквідації проломів, що виникають навпроти пошкодженого нуклеотиду при подвоєнні, тобто в ускладненому постреплікативному ремонті. Яка в таких випадках структура проломів, чому вони не можуть бути усунені звичайним механізмом за допомогою сестринської нитки, в чому їх винятковість, залишається нез’ясованим.

Одна гіпотеза полягає в тому, що збої звичайної репарації відбуваються тоді, коли проломи в дочірніх нитках після реплікації збігаються,— очевидно, в цьому випадку той шматочок сестринської нитки, який би міг закрити пролом, відсутній. У всякому разі, БОБ-репарація – це механізм, принципово відмінний від звичайної репарації постреплікативних проломів за допомогою сестринської нитки.

Механізм БОБ-репарації — в даний час предмет інтенсивних досліджень і обговорень, і багато питань ще залишаються невирішеними. Головний стимул для дослідників — приваблива перспектива зрозуміти механізм хімічного та променевого канцерогенезу, довести, що рак, злоякісний ріст, є прямий наслідок певних мутацій, наприклад, у клітинах шкіри або печінки: відома робота Рональда Харта і Річарда Сетлоу показала, що причина раку у риб — горезвісні тімінові димери. Мутаційна теорія раку в останні роки дуже переконливо обґрунтована непрямими даними, і, мабуть, тільки вона може пояснити з єдиної точки зору весь величезний матеріал по хімічному і променевому канцерогенезу. Залишається, однак, необхідною її пряма перевірка в експерименті на клітинах ссавців.

На науковій конференції, присвяченій походженню раку у людини, в лабораторії кількісної біології в Колд Спрінг Харбор, США, були наведені дані, які доводять, що переважна більшість випадків раку у людини — результат впливу середовища, в основному хімічних речовин, що проникають в організм різними шляхами. Мабуть, найкращий спосіб зменшення захворюваності на рак полягає в тому, щоб прибрати канцерогени з середовища проживання, а для цього потрібно швидко і надійно їх виявляти. Тому не випадковий величезний інтерес викликає розробка швидких методів оцінки можливої канцерогенності чого-небудь за кількістю породжуваних мутацій.

Цікаво, що при конструюванні надчутливих до канцерогенів тест-штамів бактерій, що дозволяють швидко виявляти мікрограмні його кількості, використовуються знання про антимутагенну та мутагенну репарації: антимутагенна репарація пригнічується, а мутагенна — стимулюється. Словом, метушня зі “складнощами” в механізмах репарації знаходить вихід в практику, правда, ще не реалізовану повністю.

Важливо, що БОБ-репарація може стимулювати і спонтанний мутаційний процес, що протікає при відсутності особливого пошкодження клітини мутагенами. Іноді її можна порушити просто нагріванням клітин. А цей факт, здається, підтверджує важливу для розуміння еволюції живих організмів концепцію про те, що чим далі знаходиться живий організм від фізіологічного оптимуму, тим більше частота мутацій, що призводить до появи нових, іноді більш пристосованих форм. Інакше кажучи, чим менша пристосованість організму в даних умовах навколишнього середовища, тим більше активно працює мутагенна репарація і більше з’являється мутацій — клітина прагне зробити якомога більше мутацій, щоб краще пристосуватися (на генетичному рівні) до нового оточення.

Колись наші уявлення про те, що відбувається в клітині були прості: джерело і сталості, і змін організмів — гени. Мутації — один з основних факторів еволюції. Але з часом теза про мутації стала обростати застереженнями — спершу такими: мутації виникають завдяки помилкам ремонтної мікробригади клітини, а потім і такими: мутації виникають, коли ремонтна бригада або вимкнена, або зайнята авральною роботою, або дозволяє собі робити помилки. Ланцюг цих застережень, як бачите, не дуже довгий, але далеко не весь їх зміст зрозумілий дослідникам, розшифровка ж їх до кінця рівнозначна відкриттю фундаментальних законів природи.

Тут розказано про маленьку ділянку складного заводу-клітини; уявіть собі, що таких ділянок десятки, і кожен з них — головоломка, складна і важлива.

Автор: Н. Томілін.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *