Ремонт ДНК

Мы уже довольно хорошо знаем, как живые организмы воспроизводят себе подобных, хоть это до сих пор вызывает у нас удивление и порой, несмотря на все наши знания, кажется чудом. Вспомним — нам это понадобится для понимания дальнейшего: в основе всех событий с живыми существами, растут ли они, размножаются или эволюционируют, лежит фундаментальный феномен природы — удвоение клетки, а центральное событие в этом феномене — удвоение, репликация хромосом.

Поразительнейший факт — точность, с которой происходит этот процесс. Именно благодаря ей природа такова, какова она есть, бесконечное разнообразие существ стабильно сохраняется миллионы лет. (Впрочем, поразительно, что даже редкие ошибки свои природа пристроила к делу: широко известно, что именно мутации — один из главнейших факторов эволюции живого.) При передаче даже короткого текста по телеграфу возникают ошибки, иногда затрудняющие понимание смысла информации. А ведь в клетке происходит передача информации, равной по объему нескольким томам энциклопедии. И все эти «тома» «перепечатываются» каждый раз, когда размножается любая из бесчисленных клеток многоклеточного организма или любое из одноклеточных существ, а такой акт происходит ежедневно, ежечасно или ежеминутно, и во всех этих множественных перепечатках сбои иногда столь ничтожны, что, например, какого-нибудь рачка, жившего в теплых морях палеозоя, нелегко отличить от его нынешнего потомка.

Необычайно велика и надежность хранения генетической информации в неделящихся клетках: известно, например, что зерна пшеницы не теряют всхожести после хранения более тысячи лет и их основные свойства за это время остаются, по-видимому, неизменными.

Как же достигается такая точность хранения и передачи генетической информации? Этот вопрос еще два десятилетия назад был едва ли не основной проблемой теоретической биологии. В самом деле, гибкость, подвижность, удивительная приспособляемость, способность к постоянному обновлению живой материи, в каком бы виде ее ни рассматривать — в виде ли отдельной клетки, организма или биосферы целиком,— казалось, никак не совмещалась с постоянством, с каким сохраняются и передаются по наследству отдельные ее свойства. Сколь ни убедительны были эксперименты генетиков, показывающие, как работает наследственный аппарат, его надежность никак не согласовывалась с окружающей его в клетке вечно меняющейся стихией, подверженной множеству влияний, к тому же чрезвычайно уязвимой и, казалось бы, беззащитной.

Это противоречие, давало основную пищу для дискуссий вокруг проблемы хромосомной наследственности в продолжение нескольких десятилетий становления генетики и даже после того, как возникла наука о молекулярных основах генетического механизма. Дело в том, что хоть, как мы увидим, отдельные далеко идущие выводы о том, какая же сила сохраняет миллионы лет наследственную информацию, делались уже на заре становления молекулярной биологии, в целом наука вплоть до шестидесятых годов прошлого века не подозревала о существовании специальной ремонтной службы у наследственных молекул. Генетики думали, что постоянство — особое свойство генов, которые не подвержены никакому влиянию внутриклеточной среды. Лишь когда такая служба была обнаружена, стало понятно, как уживаются в клетке удивительная изменчивость с удивительным постоянством.

А предыстория такого открытия была довольно давней. После того, как был установлен тот факт, что можно экспериментально с помощью излучений подействовать на генный материал, началось интенсивное изучение радиационного и химического мутагенеза.

Тогда-то среди генетиков получила широкое распространение точка зрения, потом оказавшаяся неверной, что изменения генов — совершенно автономные, «квантовые» события и внутриклеточное их окружение никакой роли в этих процессах не играет. Ее поддержали известный физик Э. Шредингер и позднее Д. Уотсон, Я. Крик. Вообще говоря, та идея, что мутации не подвержены никакой клеточной регуляции,— крайнее выражение старой концепции А. Вейсмана об автономности зародышевой плазмы, перенесенное на клеточный уровень. Хотя, безусловно, в клетке поток структурной информации идет исключительно от ДНК к белку (и это центральная догма молекулярной биологии), из этого еще не следует, что изменчивость самих генов не регулируется белковыми, цитоплазматическими факторами. Последующее развитие генетики показало, что в мутагенезе играют роль не только и не столько первичные химические повреждения генов, сколько точность работы белковых копировальных и ремонтных систем.

Можно выделить, например, клетки, в которых частота спонтанных мутаций повышена в 100 000 раз по сравнению с нормальными, или, напротив, такие, которые вообще невозможно заставить мутировать. Нужно отдать должное прозорливости некоторых генетиков, в частности М. Е. Лобащева, еще в 1947 году сформулировавшего гипотезу о том, что «мутации являются следствием нетождественной реверсии (репарации)…», в которой клеточным влияниям в мутагенезе отводилась ведущая роль.

Сейчас по этому поводу науке известно уже многое. Достижением современной биологии является само осознание того, что постоянство генных молекул — «заслуга» не их самих. Это — не столько результат их инертности, сколько итог деятельности специальной клеточной службы, микробригады по ремонту ДНК, которая восстанавливает исходную структуру ДНК. А в целом проводя анализ ДНК можно узнать множество интересной информации как о животных, так и о человеке. Говоря о тестах ДНК для людей можно узнать о генетических особенностях организма, его предрасположености к тем или иным заболеваниям, предпочтительном питании, обмене веществ и другую важную информацию.

Как это обычно бывает, открытие репарационной системы в клетке, разрешив одно противоречие, тут же поставило множество новых проблем. Понять, как происходит репарация — починка ДНК, и научиться ею управлять — значит для биологии пройти целую ступень в понимании того, каков же непосредственный механизм мутаций — изменений в наследственном коде. В свете новых данных он ведь оказался вовсе не таким, каким представлялся ранним генетикам, и теперь заново понадобилось объяснить, что же влияет на этот процесс и как влияет. Сейчас это особенно важно, поскольку в современном индустриальном обществе многие заболевания человека, такие как рак, атеросклероз, наследственные дефекты, так или иначе обусловлены мутациями. Но до возможности управления мутационным процессом пока еще далеко. Науки, изучающие жизнь клетки, движутся вперед чрезвычайно медленно — слишком трудный это объект для познания, знания здесь добываются буквально по крупицам.

Сложнейшие работы приводят нас к результатам, которым мы радуемся, а неспециалисты пожимают плечами: ну что, в самом деле, из того, что удалось узнать, скажем, как работает какой-нибудь фермент. Итог, который заденет за живое биологов-смежников, явится результатом нескольких десятков таких работ. И все-таки, может быть, после всего сказанного станет понятной та степень серьезности, с которой мы размышляем над открытыми нами фактами.

В своей лаборатории (одной из лабораторий Института цитологии) мы занимаемся теми веществами, которые отвечают за ремонт ДНК, и молекулярными механизмами такого ремонта.

Как естественно было ожидать, вещества эти — ферменты. Естественно — потому, что ни один процесс, происходящий в живой ткани, без органических катализаторов — ферментов, как выяснилось, не обходится. Не обходится без них и репарационный механизм. В лаборатории изучен целый ряд ферментов, участвующих в процедуре репарации, но чтобы понять смысл такой работы, надо знать предысторию.

Предыстория нашей проблемы, как уже говорилось, не очень длинная, но уже сейчас накоплено большое количество фактов, часто противоречивых, многие гипотезы не устояли против экспериментальной проверки, некоторые же пока выдерживают натиск фактов. Имеется и целый ряд устоявшихся положений, которые вряд ли будут пересмотрены в дальнейшем. В общем, это область (еще раз) выдающаяся, находящаяся в нормальном состоянии кризиса. Сейчас репарациями занимаются многие лаборатории мира. Что же мы знаем на сегодня?

Ошибку можно выжечь и вырубить

В 1948 году Альберт Кельнер получил первые убедительные доказательства «самолечения» наследственного аппарата клеток. Это явление назвали фотореактивацией. Клетки повреждались ультрафиолетом, а излечивались под действием мощного луча обычного света. Любопытно, что это открытие предвосхищало другое, более фундаментальное: Кельнер предсказал, что объект повреждения и излечения — именно нуклеиновые кислоты, до того, как их генетическая роль стала общепризнанной.

Явление фотореактивации оставалось непонятым до 1962 года, когда К. Рупертом и его сотрудниками был расшифрован его молекулярный механизм. Выяснилось, что при фотореактивации действует фермент, который использует для своей работы энергию света. Он расщепляет сдвоившиеся под влиянием ультрафиолета две из четырех букв генетического кода пиримидиновые основания, поскольку в сдвоенном, «склеенном» состоянии эти основания уже не представляют собой кода, перестают быть «буквами».

Изучая фотореактивацию дальше, исследователи убедились, что сдвоившиеся основания — димеры — единственные исправляемые ею повреждения ДНК. Другие она не лечит. Способ возрождения под действием света природа создала, видимо, на заре эволюции. В самом деле, ведь солнечный луч содержит как коротковолновый ультрафиолетовый компонент, так и видимый свет: очевидно, в клетках возникла способность нейтрализовать генетические эффекты ультрафиолета имеющимся под рукой средством. Итак, в этом открытии скорее важен был сам факт — поломки в наследственном веществе можно исправить. Естественно было предположить далее, что свет — не единственный способ такого исправления. Поэтому многие исследователи предприняли попытки обнаружить более универсальные механизмы ремонта ДНК.

И такой механизм был открыт. Оказалось, что поврежденный участок одной из нитей двойной спирали ДНК особыми ферментами «хирургически» удаляется из молекулы, и образующаяся брешь вновь заполняется неповрежденными нуклеотидами.

Микробригады «хирургов» не слишком специализированы, они устраняют повреждения, вызванные не только ультрафиолетом, но и ионизирующими излучениями и химическими канцерогенами.

Роль репараций отчетливо осознается, когда изучаются такие клетки, которые не умеют радикально лечить свой генетический материал. Оказалось, что они обладают целым рядом биологических несовершенств, в частности, очень высокой чувствительностью к действию излучений и химических мутагенов: они погибают при таких дозах излучения, которые никак не влияют на нормальные клетки. Более того, среди тех клеток, которые все-таки выживают, оказывается значительно больше мутантных.

Убедительный пример — больные тяжелыми наследственными заболеваниями, пигментной ксеродермой например. Их клетки не способны к «хирургическому» восстановлению наследственных структур. У этих больных облучение небольшими дозами ультрафиолета или ионизирующего излучения вызывает труднозаживающие язвы, которые имеют тенденцию перерождаться в раковые разрастания. Иногда у них нарушены внутренние органы из-за пониженной жизнеспособности нервных клеток.

Для исследователя очень важны данные о том, что клетки, не обладающие способностью вырезать из ДНК поврежденные участки, отличаются повышенной податливостью к поломкам и раковому перерождению. Это доказывает, что в нормальных клетках ремонтный аппарат играет очень важную роль как антимутагенный и антиканцерогенный сторож и что работает он очень надежно.

В клетке имеются механизмы и паллиативного лечения ДНК, когда химическое повреждение не удаляется, а залечиваются лишь вторичные нарушения. Среди паллиативных механизмов имеются такие, которые сами привносят большое количество ошибок, мутаций. Но о них речь позднее.

С открытием «хирургической» репарации нашелся хотя бы частичный ответ на одну из начальных загадок молекулярной биологии — зачем природе понадобилась именно двойная спираль ДНК. Избыточность информации, заложенная в структуре двойной спирали, оказалась крайне нужной для ее починки. Повреждения практически никогда не затрагивают сразу пару противостоящих комплементарных нуклеотидов, а лишь один из них. Второй, неповрежденный, и сохраняет исходную информацию. Правда, иногда, при особых обстоятельствах, повреждения в обоих нитях ДНК перекрывают друг друга. Но об этом разговор опять-таки пойдет несколько позже.

Зубчики на «молнии»

Пора, однако, упомянуть об основных видах повреждений, встречающихся в ДНК, и о том (сначала), к чему они ведут.

Главное действующее лицо в процессах, которые мы рассматриваем,— ДНК-полимераза, фермент, отвечающий за синтез новых нитей ДНК. Этот белок может удваивать, реплицировать, ДНКовую нить только при условии, что матричная ее нить, дающая инструкцию о том, какой нуклеотид вставлять следующим, не повреждена, имеет нормальную структуру. Этот фермент «приучен» подгонять друг к другу только соответствующие пары нуклеодитов (А:Т и Г:Ц).

Любое значительное химическое изменение оснований сильно затрудняет работу ДНК- полимераз или вообще полностью блокирует их действие. В последнем случае повреждение называют некодирующим, его ДНК-полимераза вообще не «узнает». Реже возникают такие изменения оснований, которые ДНК-полимераза признает за кодирующие, но не может точно разобраться, какое соответствующее основание пристроить напротив — оно похоже на другие. Все равно, как если бы буква «а», скажем, перестала различаться с буквой «и» или «о». Такие кодирующие повреждения с высокой вероятностью приводят к ошибкам, мутациям, но возникают они сравнительно редко. Чаще к мутациям приводят некодирующие повреждения, но сложным путем, о котором еще пойдет речь. И наконец, совсем редко, азотистое основание изменяется так, что его смысл становится полностью иным,— такие повреждения называют кодирующими наоборот.

Хороший пример некодирующего повреждения — уже упомянутая необычная «сшивка» двух стоящих рядом в одной нити молекул пиримидиновых оснований (тимина и цитозина). Образующиеся пары — основные виновники гибели клеток и вирусов, мутагенеза и канцерогенеза. Сравнивая ДНК с застежкой-«молнией», можно сказать, что такие пары аналогичны двум зубчикам, связанным ниткой: каждый может убедиться, что такую «молнию» застегнуть довольно трудно.

Другой пример — выпадение из ДНК двух оснований (аденина и гуанина). Такие повреждения возникают сами собою, и они равнозначны выпадению одного зубчика из «молнии».

Разнообразные не узнаваемые ДНК-полимеразой повреждения возникают при действии на ДНК рентгеновых или гамма-лучей. Химические же мутагены и канцерогены часто подвешивают к нитям ДНК целые группировки, иногда превосходящие по размерам сами основания. Результат такой же, как если бы к зубчику «молнии» припаять кусочек олова. Не стоит множить такие примеры, придется пока обойтись без иллюстрации наоборот кодирующих повреждений.

Профилактический ремонт

В опыте проще всего воздействовать на клетку каким-нибудь из лучей или химических соединений. Поэтому подавляющая часть экспериментальных данных о ремонте ДНК собрана на таких повреждениях, что возникли под влиянием различных излучений и химических веществ.

И потому сначала считалось, что ремонтируются лишь дефекты, нанесенные хранителю наследственной информации чрезвычайными вмешательствами чуждой среды вроде ультрафиолета, рентгена, химии. И со временем созрела мысль о том, что репарационные механизмы были созданы природой не только для особых случаев, это было бы расточительностью с ее стороны, но и для постоянного поддержания стабильной наследственности, в типовых условиях. Такое предположение было высказано биологом В. П. Парибоком. Легко понять, что оно качественно меняло роль ремонтной бригады в жизни клетки, сильно расширяя сферу ее деятельности. Ныне накоплен большой материал, подтверждающий это предвидение.

Пока найдены три основных источника тех или иных изменений в ДНК неповрежденных клеток. Во-первых, ошибки возникают в процессе считывания информации с ДНК на РНК: в одной из нитей ДНК возникают иногда разрывы, которые и чинятся самым обычным путем. Кроме того, пробелы в «молнии» появляются в дочерних нитях ДНК при ее удвоении (даже без всяких непорядков в матрице) и так же быстро репарируются.

Во-вторых, иногда ошибается сама ДНК-полимераза, вставляя неправильный нуклеотид. Этот фермент, кстати, обладает совершенно удивительными свойствами, какой-то разумностью, которой трудно ожидать от столь примитивных устройств: он сам исправляет собственные ошибки вырезанием неправильно вставленного нуклеотида. Эта функция ДНК-полимеразы получила название «издательской», или «корректорской», и в общем она похожа на процесс обычной репарации путем вырезания. В тех же случаях, когда фермент не может исправить собственную ошибку, опять-таки возрастает количество спонтанных мутаций.

Интересно, что точность работы ДНК-полимераз зависит от условий, в которых им приходится работать. Например, в присутствии ионов некоторых металлов — марганца или бериллия, количество ошибок фермента увеличивается. Но тогда, может быть, в клетке есть специальные механизмы, которые регулируют точность работы ДНК-полимераз, влияя на их «корректорские» способности? Действительно, показано, что «корректорская» способность ДНК-полимераз может регулироваться клеточной средой. Механизм такой регулировки, если его существование окажется реальностью, можно было бы считать пусковой «пружиной» эволюции. В самом деле, с помощью чего-то подобного среда должна была бы ускорять или замедлять мутационный процесс «по надобности», ведь известно, что в отдельные периоды жизни вида изменчивость в нем нарастает, иногда же она падает.

Наконец, третий источник нарушений ДНК — это повреждения нуклеотидов, возникающие за счет теплового движения молекул. Реакции теплового повреждения ДНК при температуре 37° протекают с довольно большими скоростями. Например, ДНК каждого нейрона в клетках человека получает в сутки около 10 000 некодирующих спонтанных повреждений и около 100 — кодирующих наоборот. Если бы не было репарации, то клетки бы очень быстро теряли заложенную в них генетическую информацию и способность к делению. Некоторые генетики, например Джон Дрейк, предлагают, что такие спонтанные (тепловые) химические реакции — основная причина случайных мутаций в клетках млекопитающих. Очевидно, что регуляция скорости, с которой чинятся спонтанные повреждения ДНК, опять-таки может влиять на темп эволюции. То есть это один из эволюционных регулировочных механизмов.

Главные механики ремонтной бригады

«Производительность труда» у службы репарации в нормальных клетках очень велика: каждая бактериальная клетка за час может вырезать из ДНК несколько тысяч некодирующих повреждений, клетка человека — несколько сот тысяч, причем делается это практически безошибочно — лишь один из миллиона актов репарации приводит к мутации. А каждое из повреждений, о которых идет речь, могло бы, при полном отсутствии репарации, привести к гибели. Интересно такое сравнение: в современных вычислительных машинах одновременная порча, скажем, сотни случайно расположенных элементов создает громадные трудности для ремонтников, и исправление всех дефектов занимает много времени, которое уходит в основном на поиски неисправных элементов.

Эффективность хирургических репараций в клетке столь высока потому, что в процессе эволюции появились очень хорошие поисковые и исполняющие устройства — ферменты, легко находящие поврежденные области в молекулах ДНК. Вот мы и пришли к исходному пункту. Теперь, вероятно, понятно, почему изучение ферментов сейчас одна из важных задач науки. Разобравшись в том, как они работают, мы сможем лучше понять весь процесс ремонта. А это поможет научиться управлять стойкостью клеток к агентам, оказывающим действие на наследственную информацию.

Процесс хирургической репарации, когда поврежденный нуклеотид вырезается из ДНК, можно разбить на ряд этапов, на каждом из которых действует особый фермент. На первом этапе ферменты узнают поврежденный район и надрезают одну из нитей ДНК рядом с повреждением — это делают эндонуклеазы. На втором этапе белки-ремонтники вырезают поврежденный участок. Исполнителей этого этапа называют «экзонуклеазы». Третий этап — заполнение бреши неповрежденными нуклеотидами — приводит уже известный нам фермент — ДНК-полимераза. И, наконец, последний этап — пришивание вновь синтезированного фрагмента к ДНК — осуществляет лигаза.

В лаборатории радиационной цитологии удалось показать, прежде всего, что есть несколько типов ферментов, и узнающих поврежденные области в молекулах ДНК и запускающих процесс вырезания-заполнения. Есть, например, такие, что настроены на борьбу только с ультрафиолетом и некоторыми химическими мутагенами. Хотя до настоящего времени прямыми опытами не доказано, что в клетке ведется починка участков с тепловыми повреждениями; это лишь предполагается (иначе быть не может!), но ферменты, которые могли бы это делать, обнаружены давно. Интересно, что некоторые из ферментов, необходимые для репарации тепловых повреждений, могут вырезать и повреждения ультрафиолетом. Причины такой универсальности пока не ясны, однако не исключено, что это отражает ранние этапы эволюции репарационных процессов, ведь солнечная ультрафиолетовая радиация и тепло были важнейшими факторами окружающей среды на заре эволюции.

Особые ферменты узнают повреждения нуклеодитов рентгеновыми и гамма-лучами. Для репарации повреждений, кодирующих наоборот, нужен тоже отдельный класс катализаторов-ферментов.

Многие ферменты нам удалось выделить в достаточно чистом виде, и с их помощью процесс ремонта, например, ультрафиолетовых повреждений, был реконструирован вне клетки. Оказалось также, что выделенные репарационные белки можно приспособить к делу: как в научных целях — для очень чувствительного зондирования поврежденных молекул ДНК, так и в практических — для лечения клеток, лишенных соответствующих ремонтных качеств.

Изучая ферменты, удалось отчасти объяснить, отчего так высока эффективность и точность репарации вырезанием. В частности, это связано с тем, что эндонуклеазы обладают очень высоким сродством к поврежденным районам ДНК, большим, чем это характерно для обычных ферментов, и надрезается именно поврежденная нить ДНК, при том, что не затрагивается участок напротив повреждения.

Кроме того, в прямых опытах было показано, что очищенная эндонуклеаза — фермент надрезания — уменьшает число мутаций в клетках, подавляет мутагенез. Из этого следовал вывод, что именно невырезанные «ошибки» (в данном опыте — димеры) причастны к порождению мутаций.

То есть опыты с ферментами помогли получить информацию о том, как поломки ДНК приводят к мутациям.

Все это наводит на мысль и об одном из возможных путей управления мутагенезом: подавляя ход ремонта вырезанием в клетке, можно увеличивать число мутаций, а поощряя хирургические репарации, подавлять мутагенез.

Но до управления им на практике еще далеко, а сакраментальный вопрос, как возникают мутации, уже близок к разрешению.

Сложности и ошибки

Как уже говорилось, идея о том, что ошибки, то есть мутации, возникают именно при неправильном ремонте, появилась давно, однако разобраться в том, как это происходит, оказалось намного сложнее. А очевидно, что без таких знаний никакое рациональное управление мутагенезом невозможно.

Итак, имеются три возможности. Либо мутации образуются при работе обычного ремонтного механизма, когда он действует на необычных, усложненных повреждениях и потому ошибается. Либо они появляются при репарации самых обычных повреждений, но когда в процесс вовлекается особая, необычная репарационная система, отличающаяся высокой ошибочностью. Либо справедливо и то и другое. Современное состояние этой проблемы — компромисс первой и второй точек зрения: существуют и особая высокоошибочная репарация и уникальные повреждения.

Прежде всего, исследователи пришли к выводу, что ««хирургическая» репарация, о которой говорилось выше, если и приводит к появлению мутаций, то чрезвычайно редко — лишь один раз на миллион индивидуальных актов вырезания. По мнению доктора биологических наук С. Е. Бреслера, редкие мутации могут возникать в процессе хирургической репарации, когда два поврежденных нуклеотида случайно оказываются сближенными. Но если репарация путем вырезания столь надежна, тогда ошибки должны возникать в тех редких случаях, когда репарируются бреши, возникшие уже после удвоения ДНК.

Дело в том, что иногда ремонт наследственной информации проходит не так просто, как описано выше. Бывают и усложненные его варианты. ДНК-полимераза не всегда бросает работу, добравшись до поврежденного места, а иногда проскакивает его. Тогда напротив больного нуклеотида в дочерней нити образуется пробел, или брешь. Он обязательно должен быть починен, прежде чем начнется новое удвоение, иначе хромосома разорвется и клетка погибнет. Действительно, оказалось, что в клетках бактерий такие пробелы восстанавливаются в течение ближайшего часа после их образования. Позднее подобный ход событий был прослежен и в клетках млекопитающих, в том числе и человека.

Подобный ремонт назван пострепликативным, поскольку он происходит после удвоения ДНК. Каким же образом клетка ухитряется закрыть такую брешь? Оказывается, и здесь используется запас информации, заложенный в двойной нити ДНК: одновременно с поврежденной ведь удваивается и сестринская здоровая нить, она-то и содержит тот кусочек, который мог бы закрыть образовавшийся пробел. Обычно ремонт так и происходит — из нити-сестры вырезается фрагмент, вставляющийся в пробел, образовавшийся напротив повреждения. Но теперь появился, в свою очередь, пробел в неповрежденной нити, и он также должен быть починен. Но сделать это уже значительно проще, ведь ее-то матрица цела.

Однако иногда этот процесс идет еще более сложно. Хотя у читателя и так, вероятно, уже кружится голова из-за необходимости следить за всем этим хороводом наследственных спиралей, но выхода нет — рассказать об этих сложностях необходимо: все они настойчиво изучаются во многих лабораториях, так как имеют прямое отношение к тайне возникновения мутаций и канцерогенезу. Долгое время думали, что это и есть основной источник мутаций. В последние годы, однако, вопрос был радикально пересмотрен. Ремонт брешей, образующихся после удвоения ДНК, с помощью сестринской нити был реабилитирован, и с него было снято обвинение в ошибочности. Виновником мутаций оказалась так называемая БОБ-репарация, существование которой было постулировано американцем М. Рэдманом.

Последовательность событий при этом примерно такая: если в ДНК возникают повреждения, которые не могут быть залечены обычными способами, активируются определенные гены, отвечающие за ферменты, способные устранять такие критические повреждения. Желая подчеркнуть, что эта репарация работает лишь в исключительных ситуациях, Рэдман и предложил термин БОБ-репарация, который уже укоренился в научной литературе.

Исключительность ситуаций и оправдывает частные ошибки в работе БОБ-репарации: здесь уже не до тщательности, лишь бы как-нибудь выжить, позволить ДНК удваиваться дальше. Как на корабле, терпящем серьезную аварию, например имеющем пробоину, все силы направлены на борьбу за жизнь, и о качестве никто не думает. При аврале ведь контроль за качеством ослабляется, и бывает, что идет брак. Мутации являются как бы платой за выживание.

Рэдману удалось показать на опыте, что облучение клеток ультрафиолетом и некоторые другие воздействия приводят к синтезу в них особых белков, которые способны в сочетании с другими ферментами преодолевать роковые, не чинимые иными способами поломки в нити ДНК. В клетках служба БОБ-репарации действует недолго: от получаса до нескольких часов. Смысл понятен: поддерживать высокий уровень ошибок слишком долгое время для клетки очень вредно.

Когда же срабатывает мутагенная БОБ-репарация? В опытах в США показано, что БОБ-репарация иногда участвует в ликвидации брешей, возникающих напротив поврежденного нуклеотида при удвоении, то есть в усложненном пострепликативном ремонте. Какова в таких случаях структура брешей, почему они не могут быть устранены обычным механизмом с помощью сестринской нити, в чем их исключительность, остается невыясненным.

Одна гипотеза состоит в том, что сбои обычной репарации происходят тогда, когда бреши в дочерних нитях после репликации совпадают,— очевидно, в этом случае тот кусочек сестринской нити, который бы мог закрыть брешь, отсутствует. Во всяком случае, БОБ-репарация — это механизм, принципиально отличный от обычной репарации пострепликативных брешей с помощью сестринской нити.

Механизм БОБ-репарации — в настоящее время предмет интенсивных исследований и обсуждений, и многие вопросы еще остаются нерешенными. Главный стимул для исследователей — заманчивая перспектива понять механизм химического и лучевого канцерогенеза, доказать, что рак, злокачественный рост, есть прямое следствие определенных мутаций, например, в клетках кожи или печени: известная работа Рональда Харта и Ричарда Сетлоу показала, что причина рака у рыб — пресловутые тиминовые димеры. Мутационная теория рака в последние годы очень убедительно обоснована косвенными данными, и, по-видимому, только она может объяснить с единой точки зрения весь громадный материал по химическому и лучевому канцерогенезу. Остается, однако, необходимой ее прямая проверка в эксперименте на клетках млекопитающих.

На научной конференции, посвященной происхождению рака у человека, в лаборатории количественной биологии в Колд Спринг Харборе, США, были приведены данные, доказывающие, что подавляющее большинство случаев рака у человека — результат влияния среды, в основном химических веществ, проникающих в организм разными путями. По-видимому, самый лучший способ уменьшения заболеваемости раком состоит в том, чтобы убрать канцерогены из среды обитания, а для этого нужно быстро и надежно их обнаруживать. Поэтому не случайно громадный интерес вызывает разработка быстрых методов оценки возможной канцерогенности чего-либо по числу порождаемых мутаций.

Интересно, что при конструировании сверхчувствительных к канцерогенам тест-штаммов бактерий, позволяющих быстро обнаруживать микрограммные его количества, используются знания об антимутагенной и мутагенной репарации: антимутагенная репарация подавляется, а мутагенная — стимулируется. Словом, возня со «сложностями» в механизмах репарации находит выход в практику, правда, еще не реализованный полностью.

Важно, что БОБ-репарация может стимулировать и спонтанный мутационный процесс, протекающий при отсутствии особого повреждения клетки мутагенами. Иногда ее можно возбудить просто нагреванием клеток. А этот факт, кажется, подтверждает важную для понимания эволюции живых организмов концепцию о том, что чем далее находится живой организм от физиологического оптимума, тем больше частота мутаций, приводящая к появлению новых, иногда более приспособленных форм. Иначе говоря, чем меньше приспособленность организма в данных условиях окружающей среды, тем более активно работает мутагенная репарация и больше появляется мутаций — клетка стремится произвести как можно больше мутаций, чтобы лучше приспособиться (на генетическом уровне) к новому окружению.

Когда-то наши представления о происходящем в клетке были просты: источник и постоянства, и изменений организмов — гены. Мутации — один из основных факторов эволюции. Но со временем тезис о мутациях стал обрастать оговорками — сначала такой: мутации возникают благодаря ошибкам ремонтной микробригады клетки, а потом и такой: мутации возникают, когда ремонтная бригада либо выключена, либо занята авральной работой, либо позволяет себе совершать ошибки. Цепь этих оговорок, как видите, не очень длинна, но далеко не все их содержание понятно исследователям, расшифровка же их до конца равнозначна открытию фундаментальных законов природы.

Здесь рассказано о маленьком участке сложного завода — клетки; представьте себе, что таких участков десятки, и каждый из них — головоломка, сложная и важная.

Автор: Н. Томилин.