Мутагенез и репарация днк

Различают три основные возможности формирования предмутационных повреждений ДНК и возникновения мутаций. Во-первых, мутаген может включиться в ДНК вместо нормального основания. Так, 2-аминопурин, являющийся аналогом аденина, встраиваясь в ДНК, спаривается с тимином либо цитозином, что приводит к возникновению транзиций типа АТГЦ и ГЦАТ. Во-вторых, мутаген может сам не встраиваться в ДНК, но так модифицировать основания, что в ходе последующей репликации произойдет их ошибочное спаривание. Примеры мутагенов с подобной активностью - гидроксиламин, модифицирующий цитозин, и азотистая кислота, дезаминирующая аденин и цитозин, превращающиеся соответственно в гипоксантин и урацил. Близкий механизм мутагенного действия имеют и алкилирующие агенты - этилметансульфонат и нитрозогуанидин. Основное предмутационное повреждение, вызываемое этими мутагенами,- модификация гуанина с образованием О⁶-алкилгуанина. При отсутствии репарации последний обусловливает ошибочное спаривание с тимином, в результате которого возникают транзиции ГЦАТ. В-третьих, мутаген может повредить одно или несколько оснований, затрудняя или делая невозможным их спаривание с обычными основаниями. Примеры таких повреждений - димеры тимина и другие УФ-фотопродукты, подавляющие нормальную репликацию ДНК, для восстановления которой требуется индукция особого типа репарации ДНК, называемой SOS-репарацией. Именно этот тип репарации наиболее тесно связан с возникновением мутаций.

Большинство индуцированных физическими и химическими факторами повреждений ДНК, потенциально являющихся источниками мутаций, исправляются с помощью нескольких механизмов репарации, направленных на восстановление целостности структуры ДНК и тем самым на сохранение стабильности генетического материала в ряду поколений.

Все известные в настоящее время способы репарации ДНК обеспечиваются конститутивными, т.е. постоянно действующими, либо индуцированными ферментами, удаляющими повреждения, возникшие в одной из цепей ДНК. При этом некоторые способы могут не вполне точно восстанавливать исходную последовательность оснований в ДНК, вследствие чего возникают мутации.

Наиболее подробно исследована репарация ДНК в УФ-облученных клетках, поэтому большинство рассматриваемых ниже факторов относятся к репарации повреждений, индуцированных УФ-лучами.

Возможность репарации ДНК была обнаружена в 1949 г., когда три автора - А. Кельнер, Р. Дюльбекко и И.Ф. Ковалев независимо установили, что освещение видимым светом (с длиной волны свыше 400 нм) актиномицетов, бактериофага и парамеций восстанавливает их жизнеспособность после УФ-облучения в летальных дозах. Это явление названо фотореактивацией. В 1964 г. Р. Сетлоу и У. Керриер, Р. Бойс и П. Говард-Фландерс также независимо друг от друга обнаружили процесс темновой репарации ДНК, т.е. возможность удаления летальных УФ-повреждений в отсутствие обработки клеток после УФ-облучения видимым светом. Феномен обратимости повреждений, вызванных ионизирующим облучением, в клетках дрожжей и растений, впервые обнаружили в конце 50-х годов В.И. Корогодин и Н.В. Лучник. Основные механизмы репарации ДНК и ферменты, обеспечивающие этот процесс, были раскрыты к концу 70-х годов. В это же время исследования репарации ДНК стали широко проводиться на млекопитающих, хотя основным объектом для выяснения ее механизмов остаются микроорганизмы. Применение в самое последнее время различных методов работы с рекомбинантными ДНК и техники определения нуклеотидных последовательностей (секвенирования) ДНК существенно расширили возможности изучения молекулярных механизмов ее репарации. У E. coli, а затем и у дрожжей Sacharomyces cerevisiae, были клонированы и секвенированы многие гены, отвечающие за репарацию ДНК. У E. coli идентифицировано свыше 50 таких генов. Большинство генов, вовлеченных в репарацию ДНК у E. coli, обнаружены и у другой энтеробактерии - Salmonella typhimurium. У S. cerevisiae описано несколько десятков мутаций в генах, контролирующих чувствительность клеток к излучениям и химическим мутагенам.

Различают три основных типа репарации ДНК. Первый - дорепликативная репарация, называемая также внерепликативной, включает фотореактивацию и различные формы темновой эксцизионной репарации, направленной на вырезание (эксцизию) участков ДНК, несущих повреждения. Второй - пострепликативная, или внутрирепликативная, репарация - осуществляется с помощью механизмов, участвующих в процессах рекомбинации и репликации ДНК, и обеспечивает восстановление интактности ДНК, содержащей небольшое число повреждений, не удаленных в ходе репарации первого типа. Оба типа репарации ДНК устраняют основную часть предмутационных повреждений. Напротив, третий тип - индуцируемая репарация ДНК, зависимая у бактерий от функционирования генов recA и lexA, - является основным источником ошибок, приводящих к возникновению мутаций. Этот тип репарации относят к группе так называемых SOS-ответов клетки, индуцируемых повреждениями ее ДНК. Существование различных форм репарации повреждений ДНК доказано в отношении как про-, так и эукариот, однако наиболее детально эти процессы изучены у E. coli.