Раздел 1

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА

1.2. Молекулярно-генетический и клеточный уровни организации жизни

1.2.3. Наследственный аппарат еукаріотичних клеток и его функционирования на молекулярном уровне

1.2.3.4. Поддержание генетической стабильности клеток

Для обеспечения основных характеристик клеток и организмов данной популяции необходимо точное хранения структуры и стабильности функций генетического материала на протяжении тысяч и миллионов лет, несмотря на действие различных мутагенных факторов. Для поддержания стабильной функции ДНК существует несколько механизмов. Во-первых, это высокая химическая стабильность самой молекулы ДНК, а во-вторых, - наличие специальных механизмов самокоррекции и репарации возникающих изменений. Генетическая информация может надежно храниться в нуклеотидных последовательностях ДНК только потому, что широкий набор различных реплікаційних ферментов осуществляет непрерывный "обзор" ДНК и удаляет из нее поврежденные нуклеотиды.

Под действием физических и химических агентов, а также при нормальном биосинтезе ДНК в ней могут возникать повреждения. Оказалось, что клетки имеют механизмы исправления повреждений в нитях ДНК. Способность клеток к исправлению повреждений в молекулах ДНК получила название репарации (от. лат. rэраrаtiо - восстановления).

Процесс репарации ДНК заключается в том, что генетическая информация представлена в ДНК двумя копиями - по одной в каждом из двух цепей двойной спирали ДНК. Благодаря этому случайное повреждение в одном из цепей может быть удален реплікаційним ферментом и поврежденный участок цепи ресинтезована в своем нормальном виде за счет информации, содержащейся в целости цепи.

За время осуществления в клеточном цикле различают дореплікативну, реплікативну и постреплікативну репарацию.

Дореплікативна репарация. Это процесс восстановление поврежденной ДНК до ее удвоения. В простейших случаях разрывы могут быть восстановлены ферментом лігазою. В других случаях используется полная ферментативная система репарации (приведена ниже).

Реплікативна репарация. Это совокупность процессов восстановления ДНК в ходе репликации. При этом повреждена участок удаляется в течение репликации в зоне роста цепи. В обеспечении высокой точности репликации значительная роль принадлежит механизма самокоррекции, который осуществляется ДНК-полимеразой или тесно связанным с ней ферментом эндонуклеазой. Этот процесс связан с определением ошибочно включенного в цепь нуклеотида, отщеплением его и заменой на соответствующий. В результате этого частота ошибок снижается в 10 раз (с 10⁵-10⁶).

Постреплікативна репарація. ее механизм точно не изучен. При постреплікативній репарации происходит вырезание поврежденного участка и сшивания концов. При этом клетка может сохранять жизнеспособность и передавать дефектную ДНК дочерним клеткам. Предполагают возможность различных вариантов синтеза ДНК на поврежденной матрицы.

По механизмам развития репарации различают: ексцизійну, неексцизійну, рекомбінативну репарацию.

Эксцизионная репарация (вирізаюча). При ексцизійній репарации устраняются повреждения, которые появились под влиянием ионизирующей радиации, химических веществ и других факторов. Это основной тип репарации, обнаружен как у прокариот, так и в клетках эукариот.

Эксцизионная репарация ДНК отличается тем, что не только разрезаются димеры (как при световой), но и вырезаются большие участки молекулы ДНК (до нескольких сотен нуклеотидов). Очевидно, могут удаляться целые гены, после чего происходит репаративный комплементарный матричный синтез с помощью фермента ДНК-полимеразы.

На основе одной из предложенных моделей установлено пять последовательных этапов ексцизійної репарации: 1) "распознавание" повреждения ДНК эндонуклеазой; 2) разрезание эндонуклеазой одной из цепей молекулы ДНК вблизи повреждения; 3) "вырезание" поврежденного участка и ее расширение екзонуклеазою; 4) матричный синтез нового цепи ДНК-полимеразой (репаративная репликация); 5) соединение новообразованной участки с нитью ДНК под влиянием фермента ДНК-лигазы.

Неексцизійна репарация. Фоторепарація. Способность к репарации была обнаружена у бактерий, которые подвергались воздействия ультрафиолетовых лучей. В результате облучения целостность молекул ДНК нарушается, потому что в них возникают димеры, то есть сцеплены между собой соседние піримідинові основы. Димеры могут формироваться между двумя тимінами, тимином и цитозином, двумя цитозинами, тимином и урацилом, двумя урацилами. Однако облученные клетки на свете выживают гораздо лучше, чем в темноте. После тщательного анализа причин этого явления установлено, что в поврежденных клетках на свету происходит репарация ДНК (фоторепарація). Она осуществляется специальным ферментом ДНК-фотолігазою, которая активируется квантами видимого света. Фермент соединяется с поврежденной ДНК, разъединяет связи в димерах и восстанавливает целостность нити ДНК. Фермент ДНК-фотолігаза, что фотореактивує, не является видоспецифічним, то есть действует на различные виды ДНК. В нем есть цианокобаламин (витамин В₁₂), что поглощает кванты видимого света и передает энергию молекуле фермента. На ранних стадиях эволюции живых организмов, когда отсутствовал озоновый экран, который задерживает большую часть потока губительных для организмов солнечных ультрафиолетовых лучей, фоторепарація играла особенно важную роль.

Рекомбінативна репарация. Если, например, димеры тимина не устранены до рекомбинации, то это приводит к изменению структуры дочерних ДНК. Такие нарушения могут устраняться непосредственно в процессе кроссинговера. Но при этом не происходит устранения димера, он удаляется уже после репликации.

Последствия нарушения процесса репарации.

Обнаружено несколько мутаций, которые вызывают тяжелые врожденные заболевания вследствие нарушения процесса репарации. Примером может быть пигментная ксеродерма - рецессивный аутосомный мутация, встречается довольно редко. Дети, гомозиготные по гену этой мутации, при рождении выглядят нормально, но уже в раннем возрасте под воздействием ультрафиолетовых лучей солнечного света в них появляются изменения кожи: веснушки, расширение капилляров, ороговения кожи, поражения глаз, что связано с повреждением ДНК. В фибробластах, взятых с кожи больных пигментную ксеродерму, процесс репарации после ультрафиолетового облучения затягивается до 30 ч (в клетках здоровых людей - 6 ч) и не достигает нормального уровня. Длительное воздействие ультрафиолета приводит, в конечном итоге, к возникновению рака кожи и летального исхода. У таких детей отсутствует один из ферментов репарации ДНК.

Способность клеток осуществлять эффективную репарацию генетического материала может иметь значение также в клеточных механизмах старения. Существуют наблюдения, что линии мышей-долгожителей отличаются более стабильными хромосомами, а у мышей с непродолжительным сроком жизнь хромосомы характеризуются большим повреждением, возникновением структурных аберраций, которые являются следствием нарушения процессов репарации. Существуют наблюдения, которые свидетельствуют о снижении интенсивности процессов репарации ДНК с возрастом. Но трудно сказать, эти изменения - причина старения организма, или его следствие.