3.2.Повреждения днк и способы их устранения

Стабильность того или иного вида обеспечивается стабильностью генетического аппарата клеток, образующих организмы этого вида. Представления о консервативной стабильности генома, базировавшиеся на тезисе о сверхустойчивости молекул ДНК, доминировавшие в среде молекулярных биологов до конца 70х годов, постепенно

были заменены на представления о динамической стабильности генетического аппарата клеток. Динамическая стабильность хромосом обеспечивается посредством обновления их компонентов, которое предполагает частичную деградацию отдельных поврежденных участков и параллельно идущий матричный биосинтез, сопровождающийся восста новление этих участков с полным сохранением генетической информации.

Известно, что в клетках постоянно идут процессы, нарушающие структуру молекул ДНК. Они достаточно разнообразны, но в целом могут быть сведены к следующим основным типам:

а). Образование одноцепочечных или двухцепочечных разрывов.

б). Потеря азотистого основания, в результате чего в антипараллельной цепи ДНК остается неспаренной азотистой основание.

в). Превращение одного азотистого основания в другое, в ре зультате чего нарушается комплементарное спаривание азотистых ос нований в структуре молекулы ДНК.

г). Образование ковалентных связей между азотистыми основа ниями одной цепи ДНК или между азотистыми основаниями, принадле жащим соседним дезоксирибонуклеотидным цепям молекулы.

д). Образование ковалентных связей между молекулой ДНК и молекулой того или иного белка.

е). Делеция или вставка отдельных дезоксирибонуклеотидов или последовательностей дезоксирибонуклеотидов в структуру ДНК.

Причины нарушения структуры молекул ДНК достаточно многочисленны. Так, потеря азотистых оснований в цепи ДНК может быть результатом тепловых флуктуаций её структуры. Превращения одних азотистых оснований в другие могут происходить в результате воздействия на молекулу ДНК различных химически активных промежуточных продуктов метаболизма. Нарушения структуры ДНК типа одноцепочечных или двухцепочечных разрывов могут возникать под действием различных видов ионизирующей радиации, в особенности радиации

корпускулярной. Ковалентные связи между соседними азотистыми основаниями, наиболее известными из которых являются ковалентные связи между соседними остатками тимина с образованием так называемых тиминовых димеров, часто возникают под действием УФрадиации. Различные типы повреждений ДНК возникают при действии на ДНК различных химически агрессивных ксенобиотиков или же под действием химически активных продуктов перекисного окисления липидов типа альдегидов, гидроперекисей или свободных радикалов. Всегда нужно помнить, что загрязнение окружающей среды промышленными отходами, радиоактивными материалами или уменьшение толщины озонового слоя атмосферы, увеличивающее поток достигающей земли УФрадиации, в конечном итоге приводит к увеличению частоты повреждений генетического аппарата клеток как человека, так и других окружающих нас форм жизни, причем последствия этих повреждений зачастую непредсказуемы.

Обшая частота повреждений ДНК в расчете на единицу времени неизвестна, к тому же она сильно зависит от воздействия на организм внешних факторов. Тем не менее, некоторые ориентировочные данные по частоте отдельных типов повреждений ДНК все же имеются. Так, полагают, что частота депуринизации, т.е. потерь пуриновых азотистых оснований, составляет величину порядка 5000 оснований в сутки на 1 клеточный геном, а частота дезаминирования цитозина с превращением его в урацил равняется примерно 100 на 1 геном в сутки.

Устранение многочисленных и постоянно происходящих поврежде ний ДНК достигается за счет эффективной работы систем репарации. Принципиальной базой для работы любой системы репарации является то, что в каждой клетке имеется две копии генетической информации по одной в каждой из двух цепей молекулы ДНК. Если нуклеотидная

последовательность одной из цепей ДНК оказывается измененной, информация не утрачивается, поскольку вторая ее копия сохраняется в другой неповрежденной цепи молекулы.

В клетках функционирует несколько вариантов систем репарации. Так, одноцепочечные разрывы ДНК без потерь отдельных дезоксирибонуклеотидов ликвидируются за счет действия ферментов ДНКлигаз, а тиминовые димеры, образующиеся в клетках под действием УФизлучения, разрушаются с помощью специального фермента

ДНКфотолиазы .

Но все же наиболее общим механизмом устранения повреждений ДНК является механизм эксцизионной репарации. Общий принцип рабо ты этой репарирующей системы состоит из четырех этапов:

а). Измененный участок ДНК узнается эндонуклеазой, которая разрезает цепь ДНК с 5'стороны от повреждения:

б). С помощью фермента 5'3'экзонуклеазы удаляется повреж денный нуклеотид обычно с несколькими прилежащими к нему с той и с другой стороны нуклеотидами:

в). Возникшая брешь застраивается с учетом принципа комплементарности при участии фермента bДНКполимеразы:

г). Стык сшивается ДНКлигазой:

ДНКлигаза

С помощью этой репарирующей системы обычно удаляются отдельные измененные нуклеотиды. Например, при апуринизации один из дезоксирибозных остатков цепи ДНК теряет пуриновый нуклеотид. Фермент АПэндонуклеаза быстро распознает данный дефект и разрывает фосфодиэфирную связь в поврежденной цепи ДНК по соседству с поврежденным нуклеотидом с 5'стороны от повреждения. Далее следует удаление поврежденного нуклеотида и заполнение образовавшегося дефекта с восстановлением целостности дезоксирибонуклеотидной цепи.

При химической модификации азотистых оснований нуклеотидов место нарушения структуры ДНК опознается ферментами ДНКгликозилазами и поврежденное азотистое основание удаляется путем разрыва bNгликозидной связи. Дезоксирибонуклеотидный остаток, потерявший азотистое основание, опознается далее АПэндонуклеазой и удаляется, а восстановление целостности дезоксирибонуклеотидной цепи идет по ранее описанному механизму. Существует не менее шести типов ДНКгликозилаз, каждый из которых узнает свой вариант химической модификации азотистых оснований; например, есть фермент, удаляющий дезамированный цитозин, имеется фермент, удаляющий алкилированные азотистые основания и т.д. При более обширных повреждениях работают другие системы эксцизионной репарации, в ходе устранения таких нарушений поврежденная цепь ДНК разрезается ДНКэндонуклеазами с обоих сторон от зоны повреждения и поврежденный участок удаляется целиком. А затем возникшая брешь застраивается bДНКполимеразой и стык сшивается ДНКлигазой.

Наконец, в клетках имеется система пострепликативной или рекомбинационной репарации, которая способна устранять повреждения ДНК уже после ее удвоения. В этих случаях ферменты рекомбинационной репарации используют материал одной молекулы ДНК для восстановления другой молекулы. Система рекомбинационной репарации эффективна в случаях дефектов, образуемых в дочерних молекулах ДНКпри репликации матрицы, содержащей поврежденные азотистые основания.

О роли репарационных процессов свидетельствует тот факт, что клетки затрачивают значительную часть своих энергетических и пластических ресурсов на производство ферментов, участвующих в работе репарационных систем. В клетках эукариот обнаружено более 50 генов, кодирующих различные ферменты, участвующие в репарации повреждений. Нарушение работы систем репарации приводит к тяжелым последствиям. Так, у больных с пигментной ксеродермой нарушена работа системы репарации повреждений ДНК, возникающих в коже под действием УФрадиации. В клетках кожи таких больных накапливаются пиримидиновые димеры, что приводит к тяжелому повреждению кожи, включая развитие злокачественных опухолей (рак кожи).