РЕПАРАЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКИХ ПОВРЕЖДЕНИЙ

РЕПАРАЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКИХ ПОВРЕЖДЕНИЙ (лат. reparatio восстановление) — восстановление биологической активности поврежденных генетических структур. Под Р. г. п. на молекулярном уровне понимают восстановление первичной и вторичной структуры поврежденных молекул ДНК, на генетическом уровне — ликвидацию предмутационных изменений, на клеточном уровне — ликвидацию повреждений, ведущих к репродуктивной гибели клетки. Р. г. п. имеет большое значение в патогенезе ряда заболеваний, в т. ч. опухолевых, поскольку между ревматоидных артритах (см.). Имеющиеся данные о роли репарации генетических повреждений в процессах старения носят противоречивый характер.

Наиболее полно Р. г. п. изучена на Мутация), получение и анализ мутаций, влияющих на процесс Р. г. п., выделение и исследование ферментов, участвующих в репарации генетических повреждений.

Частота появления генетических повреждений столь высока, что при отсутствии Р. г. п. количество повреждений, к-рое возникает при естественном фоне мутагенов, привело бы организм к гибели. Клетки потенциально способны восстанавливаться после повреждений генетического материала всех типов.

Р. г. п. обеспечивается десятками ферментов, многие из к-рых участвуют также в процессах Ферменты).

По источнику используемой генетической информации молекулярногенетические механизмы Р. г. п. можно разделить на три группы:

1) репарация ДНК без использования информации о последовательности нуклеотидов в полинуклеотидной цепи; 2) Р. г. п. с использованием такой информации, т. е. с использованием комплементарной интактной нити как матрицы; 3) Р. г. п. с использованием меж-молекулярной информации о последовательности нуклеотидов в гомологичной полинуклеотидной цепи.

К первой группе механизмов Р. г. п. относится прежде всего фотореактивация (фотореверсия), заключающаяся в ферментативном расщеплении пиримидиновых димеров, образующихся при действии УФ-излучения. Процесс фотореактивации протекает только при действии видимого света (максимальную эффективность для разных ферментов и субстратов отмечают в области длин волн ок. 400 нм) и при участии фотолиаз. Известную роль фотореактивация играет и при действий ионизирующего излучения высокой энергии. Наряду с ферментативной фотореактивацией известно неферментативное фотохим. восстановление поврежденных ДНК, наблюдавшееся, напр., in vitro у трансформирующей ДНК, а также так наз. фотозащита: задержка роста при сильном освещении, благоприятствующая реализации других репаративных систем. К этой же группе механизмов Р. г. п. следует отнести репарацию одиночных разрывов сахарофосфатного остова молекулы ДНК с помощью сшивания образовавшихся концов ДНК-лигазой. Информация о нуклеотидной последовательности в полинуклеотидной цепи второй нити ДНК не используется. Интактная вторая нить играет чисто механическую роль, удерживая свободные концы разорванной нити ДНК в непосредственной близости друг от друга.

Необходимо заметить, что клетки имеют в своем распоряжении и другие механизмы репарации димеров и однонитевых разрывов.

Р. г. и. без использования информации о последовательности нуклеотидов в полинуклеотидной цепи комплементарной нити может осуществляться путем модификации нек-рых азотистых оснований; напр., с помощью трансметилаз от них отщепляются «лишние» метильные группы. Другой способ репарации поврежденных оснований также без использования информации, заключенной в полинуклеотидной последовательности комплементарной нити как матрицы, состоит в отщеплении поврежденного или измененного азотистого основания и замене его нормальным с участием ДНК-гликозидазы и инсертазы.

Среди механизмов Р. г. п., осуществляющейся с использованием комплементарной нити как матрицы, наибольшее значение имеет механизм так наз. эксцизионной репарации, при к-рой участок поврежденной нити ДНК удаляется и образовавшаяся брешь застраивается нуклеотидами, комплементарными нуклеотидам неповрежденной нити. Наиболее изучена темновая репарация пиримидиновых димеров. Этот процесс состоит из четырех этапов: 1) инцизии: эндонуклеаза находит димер и производит возле него надрез полинуклеотидной нити; 2) эксцизии: экзонуклеаза удаляет поврежденный участок нити; 3) репаративного синтеза: ДНК-полимеразы заполняют образовавшуюся брешь, используя в качестве матрицы комплементарную интактную нить; 4) соединения вновь синтезированного участка с основной нитью с помощью лигаз. У бактерий бреши в нитях ДНК застраиваются либо короткими (длиной до 30 нуклеотидов), либо длинными (длиной до 1500 нуклеотидов) участками. Известен мутант, названный «безрассудным», у к-рого на каждый димер выщепляется в среднем 27 000 нуклеотидов. У млекопитающих застройка брешей длинными участками нуклеотидов после вырезки димеров не обнаружена. Совершенно также происходит эксцизионная репарация при других изменениях первичной структуры ДНК (появление иесиаренных азотистых оснований, АП-сайтов, аддуктов и др.), при этом в Р. г. п. участвуют специфические эндонуклеазы, распознающие соответствующие повреждения. Однонитевые разрывы, особенно характерные для действия ионизирующего излучения, также ликвидируются с помощью эксцизионной репарации. Поскольку само повреждение состоит в надрезе нити, первое звено механизма эксцизионной репарации — инцизия — отсутствует. У бактерий и у человека известны эндонуклеаз-ные мутанты, не способные к эксцизионной репарации димеров, но репарация однонитевых разрывов у них происходит нормально. Для эксцизионной репарации однонитевых разрывов характерно образование лишь очень небольших брешей в 1—2 нуклеотида.

У бактерий, не способных выщеплять димеры, репликативный синтез новых нитей заключается в образовании коротких фрагментов, длина к-рых соответствует расстоянию между димерами. Тем не менее такие бактерии сохраняют жизнеспособность при наличии в их геноме десятков димеров, т. к. при последующей инкубации в питательной среде молекулярный вес (масса) новых нитей достигает нормальной величины за счет так наз. пострепликативной репарации. Репарация брешей, возникших в результате дефектного синтеза, происходит путем рекомбинации между материнскими и дочерними нитями; после рекомбинации брешь оказывается напротив неповрежденного участка и заполняется соответствующими нуклеотидами путем репаративного синтеза. Кроме того, известен механизм пострепликативной репарации без рекомбинации: новые нити синтезируются в обход повреждений. Такая репарация особенно характерна для млекопитающих, ее молекулярный механизм пока не изучен. Синтез нормальных нитей при неудаленных повреждениях может также происходить с помощью так наз. репликативной репарации. Повреждение в родительской нити блокирует синтез новой нити, в то время как на комплементарной неповрежденной нити он продолжается. При смещении так наз. репликативной вилки (см. Репликация) в обратном направлении с освобождением комплементарных дочерних нитей неравной длины они образуют дуплекс и в короткой нити происходит наращивание участка, комплементарного поврежденному.

Третья группа молекулярно-генетических механизмов — Р. г. п., протекающая с использованием генетической информации с гомологичной молекулы ДНК, имеет место в случае повреждений с вовлечением всего сечения молекулы ДНК. Прежде всего это касается двунитевых разрывов сахарофосфатного остова ДНК, т. е. повреждений, наиболее существенных для биол. действия ионизирующего излучения. Экспериментально доказано, что репарация двойных разрывов происходит только при наличии в клетке не менее чем двух копий генетического материала. Так, в опытах на дрожжах, хромосомы к-рых содержат по одной молекуле ДНК, при облучении нормальных диплоидов происходит репарация двойных разрывов. При облучении же гаплоидов в стационарной фазе роста репарации нет, но она наблюдается при облучении в фазе логарифмического роста, когда в клетке появляется вторая копия генома. Среди бактерий репарация двойных разрывов имеет место у микрококка, к-рый является полиплоидом. У кишечной палочки с одним геномом репарация двойных разрывов не происходит, но она наблюдается в клетках с несколькими нуклеоидами. Репарация двойных разрывов отсутствует в клетках, у к-рых в результате мутации нарушена способность к рекомбинации. Это указывает на рекохмбинационный механизм репарации двойных разрывов; детали его не изучены. Репарация поперечных сшивок ДНК происходит путем выщепления сшивки, рекомбинации с неповрежденным гомологом и застройки пробела с использованием информации, полученной с неповрежденных нитей.

Изучению механизмов Р. г. п. с участием гомологичных молекул прежде уделялось мало внимания, поскольку в генетике господствовало представление об однонитчатом строении хромосом. Возможно, что подобные механизмы Р. г. п. распространены более широко. Можно предполагать, что у млекопитающих взаимодействие гомологов имеет место при пострепликативной репарации в обход повреждений. Механизм этого процесса остается пока неясным.

Все механизмы Р. г. п. в клетке многократно продублированы и могут идти разными путями. Эти пути находятся под сложным генетическим контролем. Благодаря этому выживание мутантных клеток, дефектных по каким-либо ферментам репарации, обеспечивается включением резервных путей. Известно, что мутагенные факторы способны индуцировать в клетках репаративные процессы. Так, выживаемость УФ-обл ученного бактериофага, к-рый лишен репаративных ферментов, но не лишен способности индуцировать в бактерии фагоспецифнчные ферменты репарации, за счет чего происходит его восстановление, существенно возрастает, если он реплицируется в УФ-облученных бактериях (так наз. УФ-реактивация). Очевидным является присутствие в клетках репаративных систем, активных в нормальных условиях (конститутивных), и систем, включающихся при действии высоких доз мутагенов (индуцибельных).

Все основные типы Р. г. п. имеют конститутивные и индуцибельные ветви. Молекулярные механизмы индукции Р. г. п. изучены мало. Стало известно о роли в этом процессе поли-АДФ-рибозы. Ее синтез осуществляется при участии фермента, активирующегося с появлением разрывов в ДНК; образующаяся полн-АДФ-рибоза, соединяясь с ДНК, изменяет ее конформацию и тем самым делает доступной для ферментов репарации.

Точность разных механизмов Р. г. п. неодинакова. Так, фотореактивация или эксцизионная репарация с застройкой брешей короткими участками нуклеотидов осуществляют Р. г. п. практически безошибочно. При эксцизионной репарации с застройкой длинными участками нуклеотидов и при индуцибельной пострепликативной репарации (так наз. СОС-репарации) часто происходит ошибочное встраивание нуклеотидов, что приводит к образованию мутантов. Между индуцибельной и мутагенной Р. г. п. существует выраженная корреляция, хотя бывают и исключения.

Клетки способны репарировать как предмутационные, так и летальные для клетки повреждения. Поскольку генетический аппарат прокариотов состоит из одной молекулы ДНК, для них все три аспекта репарации — явления одного порядка, и связь между ними очевидна. Что касается эукариотов, то исследования Р. г. п. на всех трех уровнях до сих пор велись почти независимо друг от друга. То, что в основе явлений репарации лежат одни и те же механизмы, не подлежит сомнению, но однозначной связи между ними нет. Репарация генных мутаций у эукариотов почти не исследовалась. Репарация повреждений, лежащих в основе структурных мутаций, обнаруживается при увеличении интервала времени между воз

действием мутагена и делением клетки, когда предмутационное изменение переходит в необратимую форму. Установлено, что, как и при Р. г. и. на молекулярном уровне, Р. г. и. хромосом бывает конститутивной и индуцибельной, и что индуцибельная Р. г. п. более мутагенна. Однако Р. г. п. хромосом не сводится к репарации элементарных молекулярных повреждений. При исследовании распределения структурных мутаций по клеткам было установлено, что Р. г. п. у эукариотов происходит не только в результате механизмов, рассмотренных выше, но также на уровне надмолекулярных потенциальных генетических повреждений. Однако механизм таких Р. г. п. совершенно не изучен. При изучении эффектов мутагенов, летальных для клетки, различают репарацию так наз. сублеталей и потенциальных деталей. Первые обнаруживают в опытах по фракционированному воздействию мутагена на клетку, вторые — при инкубировании клеток в субоптимальных условиях.

Имеют ли два типа повреждений и соответственно механизмы их репарации разную природу или их различие связано только с методикой обнаружения, не ясно. Нет также данных, позволяющих однозначно связать предмутационные и летальные для клеток повреждения с конкретными механизмами Р. г. п. на молекулярном уровне.

Таким образом, Р. г. п. имеет решающее значение для биол. эффектов ДНК-тропных повреждающих агентов и для возникновения мутаций.

Библиография: Ганасси Е. Э. Радиационное повреждение и репарация хромосом, М., 1976; Жестяников В. Д. Репарация ДНК и ее биологическое значение, Л., 1979; Корогодин В. И. Проблемы пострадиационного восстановления, М., 1966; Лучник Н. В. Биофизика цитогенетических повреждений и генетический код, Л., 1968; Современные проблемы радиобиологии, под ред. А. М. Кузина, т. 1, М., 1970; Molecular mechanisms for repair of DNA, ed. bv P. C. Hanawalt a. R. B. Setlow, N. Y.— L., 1975; Repair from genetic radiation damage, and differential radiosensitivity in germ cells, ed. by F. H. Sobels, Oxford a. o., 1963.

H. В. Лучник.