Мутагенные и летальные эффекты мутагенов обусловлены структурными повреждениями, которые они вызывают в молекулах
ДНК. Однако эти повреждения часто подвержены восстановлению. Процесс реконструкции повреждений ДНК называют восстановле- нием или репарацией ДНК.
Будучи чувствительными к тому или иному виду излучения, клетки реагируют на УФ-облучение тем, что в их ДНК образуются повреждения, главные из которых представляют собой фотохимические изменения в пиримидиновых основаниях, переходящие в пиримидиновые димеры, в частности в тиминовые. Последние образуются за счет ковалентно связанных соседних тиминовых оснований в одной и той же цепи молекулы посредством присоединения углерода к углероду. Помимо тиминовых димеров, в ДНК облученных клеток происходит формирование также цитозин-тиминовых и цитозин-цитозиновых димеров, однако частота их является меньшей. Димеризация фланкирующих оснований в гене сопровождается затруднением транскрипции. Она ведет также к мутациям. В результате этого клетка может погибнуть или подвергнуться малигнизации.
Один из механизмов восстановления повреждений ДНК действует у многих видов организмов, включая человека, и состоит в том, что экспонирование в видимом свете клеток, предварительно обработанных УФ-излучением, приводит к снижению летального эффекта в несколько раз, т. е. к реактивации функций облученных клеток. Это реактивирующее действие видимого света связано с расщеплением (мономеризацией) пиримидиновых димеров, причем этот процесс обеспечивается светозависимым фотореактивирующим ферментом
(рис. 58).
Другой механизм удаления димеров пиримидиновых оснований из ДНК облученных клеток получил название темновой репарации или вырезания — восстановления. Так же как и фотореактивация, он представляет собой ферментативный процесс, но более сложный, притом проходящий в темноте (рис. 59). Этот механизм заключается в том, что тиминовые димеры подвергаются «вырезанию» из цепи ДНК, в которой остаются «бреши», «залатываемые» восстановительным синтезом ДНК при участии ДНК-полимеразы и использовании противоположной цепи в качестве шаблона. Конечный этап в уда- лении пиримидиновых димеров из ДНК-облученных клеток путем «вырезания» и «залатывания» «брешей» состоит в смыкании вновь реплицированного участка ДНК с соседними поврежденными участками и «замазывании» сахарофосфатных скелетных связей посредством фермента ДНК-лигазы.
Рис. 58. Фотореактивация индуцированных УФ-излучением пиримидиновых димеров в присутствии видимого света
Рис. 59. Вырезание из ДНК пиримидиновых димеров, индуцированных
УФ-излучением: 1 — тиминовый димер; 2 — «брешь» в цепи; 3 — расширение «бреши»; 4 — заполнение «бреши» восстановительным синтезом; 5 — «замазывание» одноцепочечного разрыва Третий механизм восстановления повреждений ДНК называют пострепликационным или рекомбинационным восстановлением (рис. 60). Он заключается в том, что синтез ДНК в УФ-облученных клетках идет с нормальной скоростью вдоль хромосомы лишь до димера, перед которым замедляется на несколько секунд, после чего начинается вновь, но на другой стороне димера. Поскольку ДНКполимераза перескакивает через димер, то в дочерней цепи образуется «брешь». Вследствие этого район, содержащий димер в одном дуплексе, будет интактным в сестринском дуплексе, т. е. в дочерних
молекулах ДНК одна цепь содержит пиримидиновые димеры, тогда как в другой присутствуют бреши, которые фактически являются вторичными повреждениями. Следовательно, район, содержащий димеры в одном дуплексе, полностью сохраняется в сестринском дуплексе. Этот процесс заканчивается рекомбинацией вдоль молекулы ДНК после ее репликации, при которой дочерняя цепь, несущая в каком-либо участке «брешь», спаривается с другой дочерней цепью (комплементарной), несущей «брешь» в другом месте. Это спаривание позволяет провести восстановительный синтез, чтобы обеспечить восстановление правильной последовательности района в каждой бреши. В качестве шаблона используется соответствующий интактный район другой дочерней цепи. Рекомбинационные события на уровне каждой «бреши» приводят к реконструкции интактной молекулы ДНК, способной к дальнейшей репликации.
Рис. 60. Пострепликационное восстановление ДНК: 1 — поврежденное основание; 2 — точка репликации ДНК; 3 — «брешь»; 4 — рекомбинация между дочерними хромосомами; 5 — полное восстановление ДНК (но поврежденное основание сохраняется)
У человека известен синдром «ксеродерма пигментозум», который характеризуется чрезвычайной чувствительностью кожи к солнечному свету, в результате чего она подвергается избыточной пигмен- тации, а затем часто происходит и малигнизация кожных клеток. Возникновение этого синдрома связано с дефектом способности вырезать тиминовые димеры из ДНК. Известен также синдром Блума, заключающийся в повышенной чувствительности индивидов
к солнечному свету и связанный с повышением сестринских хроматидных обменов в их геномах. Этот синдром также связан с дефектом восстановления ДНК.
Нормально повреждения ДНК, индуцированные солнечным светом (УФ-компонентом), восстанавливаются «вырезанием- восстановлением».
Некоторые из потенциально летальных или вторичных повреждений, индуцируемых рентгеновским излучением, могут быть вос- станавливаемыми посредством рекомбинации или какого-либо другого механизма, в котором участвуют ферменты-рекомбиназы. Предполагается также, что в отличие от повреждений ДНК, индуцированных УФ-излучением, повреждения, индуцированные рентгеновским излучением, подвержены восстановлению (через рекомбинацию) еще до первой постлучевой репликации.
Повреждения, вызываемые в ДНК химическими мутагенами, также восстанавливаются с помощью того или иного механизма. Каждый из механизмов восстановления ДНК является, по существу, системой защиты ДНК. В то же время восстановление ДНК часто сопровождается ошибками, проявляющимися в форме мутаций.
Вопреки тому что ДНК является хранителем генетической информации, она обладает ограниченной химической стабильностью. В клетках с довольно высокой частотой встречаются гидролиз, окисление и неэнзиматическое метилирование ДНК. Эти реакции взаимодействуют с восстановлением ДНК. Предполагают, что спонтанный распад ДНК — главный фактор в спонтанном мутагенезе, карциногенезе и старости.
Вероятно, ДНК кодирует коррекцию собственных ошибок.