Повреждения ДНК. Репарация ДНК. Мутации. Генная терапия.

Повреждения в ДНК сводятся к минимуму благодаря существованию систем, которые узнают эти повреждения и исправляют их. Поэтому определяемая частота мутаций – спонтанных и индуцированных – отражает равновесие между числом повреждающих событий, происходящих в ДНК, и количеством повреждений, которые были исправлены (или неправильно исправлены). Значение репарирующих систем в жизни клетки так велико, что, вероятно, по сложности они не отличаются от репликационного аппарата.

репликация ДНК), благодаря этому и осуществляется передача генетической информации от материнской клетки к дочерним.

Под "повреждением" понимают любое изменение ДНК, которое вызывает отклонение от обычной двухцепочечной структуры.

К повреждающим событиям могут быть отнесены следующие:

Введение одноцепочечных разрывов;

Удаление основания, в результате чего его гомолог остается неспаренным;

Превращение одного основания в другое, которое неправильно спарено с основанием-партнером;

Введение ковалентных связей между основаниями на одной цепи ДНК или между основаниями на противоположных цепях.

Частота ошибок при реплика ции ДНК невелика, например, у кишечной палочки эта величина соответствует тому, что на 10 тыс. поделившихся клеток встраивается только 1 неправильный нуклеотид. Точность репликации повышается благодаря экзонуклеазной активности ДНК-полимераз. Если какая-либо из полимераз встраивает неправильный нуклеотид, то фермент сам может распознать неспособность этого нуклеотида образовать правильную пару с соответствующим нуклеотидом матрицы. В этом случае фермент возвращается назад и отщепляет неправильный нуклеотид, после чего продолжает присоединять правильные нуклеотиды, т.е. возобновляет свое обычное продвижение вдоль матрицы. Корректирующее действие ДНК-полимеразы (proofreading) практически обеспечивает наблюдаемую точность репликации, однако это лишь один из путей, обеспечивающих высокую точность репликации. Для исправления различных ошибок и спонтанных повреждений в ДНК клетки содержат специальный набор репарирующих ферментов. Наиболее частое повреждение в ДНК – это спонтанная апуринизация, заключающаяся в разрыве гликозидной связи между остатком аденина или гуанина и дезоксирибозой и происходящая, например, в каждой клетке человеческого тела с частотой около 5 тыс. разрывов в сутки. Другое повреждение ДНК – спонтанное дезаминирование цитозина, превращающее его в урацил, – происходит в каждой клетке с частотой 100 событий/сут. Помимо спонтанных повреждений в ДНК постоянно возникают индуцированные повреждения, т.е. вызванные различными факторами. Повреждающим фактором может быть высокоэнергетическое излучение – ультрафиолетовое (200–400 нм) или ионизирующее. На долю этого фактора приходится примерно 10 % всех повреждений ДНК, вызываемых небиологическими факторами. Например, под действием ультрафиолетового излучения между двумя соседними пиримидиновыми остатками (чаще всего это два соседних тимина) может возникать ковалентная связь, в результате чего образуется димер, который будет непреодолимым препятствием для ДНК- или РНК-полимеразы. Повреждения в ДНК могут спровоцировать появление мутаций, которые также могут вызываться активными химическими соединениями окружающей среды, называемыми мутагенами.

Неправильные нуклеотиды, как правило, удаляются из ДНК системой эксцизионной репарации (от англ. excision – вырезание). На первом этапе поврежденная структура узнается либо ферментом специфической эндонуклеазой, либо ферментом специфической ДНК-гликозилазой. К специфическим эндонуклеазам относится, например, фермент УФ-эндонуклеаза, узнающий тиминовый димер. В каждой клетке существует также не менее 20 различных специфических ДНК-гликозилаз, узнающих какой-либо один тип измененных оснований в ДНК.

В том случае, когда нарушение структуры ДНК заключается в неправильном спаривании обычных оснований, репарирующая система не может определить, какое из оснований правильное. В этом случае возможен случайный выбор для удаления одного из неспаренных оснований. Но во многих случаях может быть применена рекомбинационная репарация, которая использует материал одной молекулы ДНК (из гомологичной хромосомы) для восстановления другой.

они являются результатом изменений в структуре молекулы ДНК, что вызывает нарушение в сложившемся ранее процессе синтеза белка. Отсюда любая мутация всегда влечет за собой те или иные нарушения в структуре и функциях организма. Эти нарушения будут тем сильнее, чем сложнее перестройка гена. Как было показано на примере различий в структуре гемоглобина, нарушение всего только в одном звене приводит к заболеванию серповидной анемией.

Чем сильнее изменена структура молекулы ДНК при генной мутации, тем сильнее нарушается процесс обмена веществ в организме, тем резче может быть выражено снижение плодовитости и жизнеспособности мутанта. Известны случаи летальных мутаций, когда наличие измененного гена (особенно в гомозиготном состоянии) приводит организм к гибели.

Возникает глубокое противоречие, заключающееся в том, что большинство мутаций, с одной стороны, в той или иной степени нарушают целостность организма, а с другой стороны, являются важным фактором эволюционного процесса. Это противоречие разрешается благодаря наличию особого «механизма», обезвре­живающего отрицательный эффект мутаций. Таким обезвреживающим механизмом является взаимодействие двух других факторов эволюционного процесса - скрещивания и отбора.

Совершенно очевидно, что если возникшие мутации оказываются так или иначе вредными для организма, то эволюционный процесс не может идти по пути их простого накопления. И в этом смысле не каждая вновь появившаяся мутация знаменует начало нового направления в эволюции. Только те генотипические изме­нения будут подхвачены отбором, вредные проявления которых подвергнутся нейтрализации. Это достигается созданием сложных мутационных комбинаций, создающихся в результате непрерывного скрещивания совместно живущих особей данного вида. В результате комбинативных процессов будет происходить перестройка генотипов, разнообразие которых явится исходным материалом для действия отбора наиболее жизнеспособных в данных условиях форм. Таким образом, новая форма реализуется в результате взаимодействия трех факторов: 1) мутационных изменений, 2) комбинативных изменений, обусловленных скрещиванием, и 3) воздействием факторов внешней среды, формирующих фенотип и отбирающих наиболее благоприятные комбинации.

ГЕННАЯ ТЕРАПИЯ, лечение болезней путем введения пациенту здоровых ГЕНОВ вместо недостающих или поврежденных. Первый раз человека подвергли такому лечению в США в 1990 г. Это был четырехлетний ребенок, страдающий дефицитом редкого энзима, отсутствие которого разрушает иммунную систему человека. Исправление или замещение поврежденных генов производится по методам ГЕННОЙ ИНЖЕНЕРИИ. Здоровый ген вводят в какой-нибудь вирус (обычно переносчик легко поддающейся лечению инфекции) так, чтобы он был непосредственно нацелен на поврежденные клетки. С самого начала генная терапия была задумана как средство лечения наследственных заболеваний - муковисцидиоз или серповидная анемия, но также исследовались возможности применения метода для лечения других болезней, таких как рак, при которой ген поражается только спустя некоторое время. Хотя тысячи больных уже были излечены, главным образом в США, генная терапия еще не сказала своего слова. Не все из вводимых генов достигают цели, и не все, попавшие в поврежденную клетку, эффективно срабатывают. Существует также проблема использования вируса в качестве переносчика гена. Организм встречает вирус как «чужака», и у некоторых пациентов из-за этого наблюдается тяжелая иммунная реакция. Существует и теоретический риск того, что сам вирус может распространиться и вызвать рак.

Дата добавления: 2015-08-02