Информации

Как уже писалось в §5.6, основным носителем наследственной информации является молекула ДНК. По сути дела, все многообразные формы жизнедеятельности организма можно свести к одной единственной цели – сохранению структуры ДНК, т.е. её химической формулы. В §5.5 показано, как эта цель обеспечивается строением молекулы ДНК и её упаковки в клетке – хромосомы. Здесь же дадим сначала описание известных современной биологии методов восстановления (репарации) молекулы ДНК, используемых спонтанно соответствующими органеллами клетки [58], а затем методов её развития.

1. Фотореактивация. Под действием ультрафиолетового облучения в тимине и цитозине ДНК и урациле и цитозине РНК двойная связь между атомами углерода С=С в составе пиримидиновых оснований может перегруппироваться:

В клетке присутствует специальный белок – фермент фотолиаза, который при воздействии видимого спектра света (его синей части) восстанавливает исходные связи.

2. Репарация О⁶ – алкилированного гуанина. Имеется большая группа химических мутагенов, повреждающих нуклеотиды ДНК путём добавки к ним метильной группы СН₃. При этом разрывается одна из связей углерода кольца сахарозы. У атома кислорода она защищается указанной группой, а у атома углерода создаёт дополнительную связь с соседним атомом азота.

Указанный дефект устраняется белком метилтрансфераза, который отрывает от ДНК метильную группу. Оторванная группа оказывается соединённой с молекулой метилтрансферазы. Поэтому для нового повреждения нужна новая молекула – репаратор. Например, в клетке Е.coli синтезируется 100 молекул метилтрансферазы в минуту. Если число повреждений данного типа растёт с большей скоростью, клетка гибнет.

3.Репарация однонитевых разрывовДНК. Если под действием ионизирующего излучения происходит разрыв одной из двух нитей ДНК, то восстановление разорванного участка по записи комплементарной нити осуществляется ферментом ДНК – полинуклеотидлигазой.

4.Репарация АП-сайтов. В нуклеотидах пуриновой и пиримидиновой групп (см. §6.3) под воздействием внешних условий может разрываться ковалентная связь между основанием и сахарозой. Такой разрыв в ДНК именуется АП - сайтом (Апириновый и Апиримидиновый сайт - брешь). В клетках имеются ферменты – инсертазы (от англ. Insert - вставлять), которые заменяют повреждённое основание нуклеотида.

5.Эксцизионная репарация (от англ. Excision - вырезание). При более сложных повреждениях участков ДНК они сначала обнаруживаются ферментами – гликолазами (от слов «гликолизная связь» - ковалентная связь между основанием и сахарозой нуклеотида), которые разрывают указанную связь, превращая её в АП-сайт. Затем вступает в действие фермент – АП-эндонуклеаза, который отщепляет повреждённое основание. Следующий фермент – фосфодиэстераза отщепляет от ДНК остаток повреждённого нуклеотида – сахарофосфатную группу. Таким образом, действием двух ферментов оказывается полностью удалён соответствующий нуклеотид. Заделку образовавшейся бреши осуществляет фермент полинуклеотид-лигаза, о котором говорилось выше. В некоторых эукариотах вырезается не один нуклеотид, а целый участок вокруг места повреждения. Эту реакцию осуществляет мультиферментный комплекс, именуемый эксинуклеаза.

6.Репарация неспаренных оснований (мисмэтчей – от англ. mismatch). Суть этого дефекта заключается в том, что в процессе репликации молекул ДНК – расщеплении её на две дочерние (см.§6.4) – могут возникнуть некомплементарные пары нуклеотидов (например, вместо А-Т пара А-Ц или вместо Г-Ц пара Г-Т). О том, насколько часто возникают такие ошибки (мисмэтчи) можно судить по бактерии Е.coli: у неё на 10⁵ пар нуклеотидов приходится одна дефектная (при общем числе 2´10⁶ пар [39]). Исправление дефекта дочерней молекулы ДНК осуществляется ещё до окончательного деления клетки комплексом ферментов – метилазы Mut H, Mut h, MutS и Mut V. Первый из них «метит» те участки матричной («материнской») цепи ДНК, которые состоят из последовательности ЦТАГ – присоединяет к аденину (А) метильную группу СН₃. Четыре других обнаруживают дефект в дочерней нити на участке между двумя соседними метками и исправляют её. В этой операции добавочно используются фермент хеликаза (расплетающая нить ДНК) и дезоксирибонуклеотидтрифосфат, заделывающий брешь после удаления ошибочного нуклеотида.

Пострепликативная, или рекомбинационная репарация. Данный вид репарации возникает тогда, когда клетка подошла в своём развитии к началу митоза (деления), а повреждения, отмеченные выше в разделах 1-4, ещё не устранены. В этом случае процесс репликации начинается на повреждённой матричной ДНК. Доходя до повреждённого нуклеотида, ДНК-полимераза застывает на месте, но не долее, чем на 10 секунд. Через 10 секунд она перескакивает через повреждённый нуклеотид, формируя дочернюю ДНК с брешами против дефектного нуклеотида. Надо сказать, что вторая дочерняя ДНК в этом месте формируется без дефекта, что и используется для исправления повреждённой ферментами recА и лигазами.

8.SOS-репарация. Этот способ сохранения жизнедеятельности дочерних клеток в том случае, когда ни один из перечисленных выше методов восстановления ДНК не сработал, а молекула начала делиться на две. Суть его заключается в том, что при неисправленных ДНК происходит синтез дополнительных белков, которые «загрубляют» деятельность ДНК-полимеразного комплекса до такой степени, что он «не замечает» наличие дефектов в матричной ДНК и продолжает строить дочерние с ошибками (мутациями). Таким образом, на некоторое время жизнедеятельность клеток сохраняется, хотя и в болезненном виде. Название «SOS-репарация» и дано по аналогии с ситуацией, связанной с подачей сигнала SOS, когда важно спасти гибнущего человека любой ценой. В дальнейшем дефектные дочерние клетки либо гибнут, либо успевают в ходе своего жизненного цикла устранить унаследованные дефекты ДНК. Впрочем, возможен и промежуточный результат – дефектные клетки продолжают размножаться. Особенно опасен такой результат для многоклеточных организмов, порождая в них болезненные, в том числе злокачественные процессы. Тем не менее, всё сказанное свидетельствует о том, что длительная эволюция живых организмов позволила создать весьма совершенный механизм сохранения наследственной информации.

Но кроме внутриклеточного механизма важную роль играет внешний, приспособительный механизм поддержания наследственных признаков. Он связан с постоянной необходимостью приспосабливаться к изменяющейся внешней среде. Как уже указывалось выше (см. §5.2), для каждой популяции условия внешней среды обязательно будут изменяться, даже если в этой среде ничего не происходит, вследствие того, что эта популяция размножается в геометрической прогрессии. Как известно, Ч.Дарвин и А.Уоллес предложили схему приспособления организма к изменяющимся условиям внешней среды, именуемую «естественным отбором». Суть её заключается в том, что дефекты наследственности ДНК, передаваемые с помощью SOS-репарации, не всегда носят ущербный характер. Иногда они улучшают степень приспособленности клеток (или образованного ими многоклеточного организма) к условиям окружающей среды. Такие клетки выживают, а менее приспособленные гибнут. Основной логический недостаток такого объяснения заключается в том, что случайные повреждения ДНК даже в том случае, если они культивируются благоприятной внешней средой, не в состоянии «изобрести» весь тот необычайно сложный и совершенный мир живых организмов, который сформировался на Земле. Поэтому учёные–биологи и продолжают искать более целенаправленные механизмы развития биологических систем.

В последние годы обнаружено, что молекулы ДНК, как прокариотов, так и эукариотов (включая, естественно, и все многоклеточные организмы) обладают способностью к активной перестройке – изменению последовательности и даже увеличению числа нуклеотидных пар. Такое изменение происходит как в наследственных, половых клетках, так и в соматических, т.е. предназначенных только для обеспечения жизнедеятельности многоклеточных организмов. Перестройка осуществляется с помощью так называемых подвижных элементов [59-62] ДНК. В 70-е годы двадцатого столетия было обнаружено, что отдельные фрагменты дуплексной структуры ДНК длиной от 10³ до 10⁵ пар нуклеотидов могут перемещаться вдоль самой молекулы или переходить на другую молекулу. Такая транспозиция приводит к мутациям геномов, однако в отличие от физико- или химикогенных (т.е. вызванных облучением или химическими реагентами), эти мутации обусловлены запрограммированными жизненными процессами, а не стохастическими и направленными на разрушение организма воздействиями.

Согласно современным данным, подвижные элементы составляют от 10 до 30% всей массы ДНК. Их специфическая деятельность – перемещение в геноме – происходит относительно редко. Так, у плодовой мушки дрозофилы (наиболее удобного объекта изучения механизма генной жизнедеятельности) частота транспозиций не превышает 10^-4 ... 10^-6 (одна транспозиция на десять тысяч... один миллион особей). Однако под воздействием изменения внешних условий эта частота может резко возрасти – 10^-1... 10^-2.

Поведение подвижных элементов внутри ДНК напоминает поведение инородного фактора, озабоченного лишь самосохранением путём паразитирования и размножения в геноме. Одно время биологам представлялось, что основная часть молекулы ДНК – “хозяйский геном” – вынуждена бороться с ними. Во всяком случае, их поведение по подавляющему большинству признаков совпадало с деятельностью вирусов. Последние, как известно, представляют собой молекулу ДНК (или РНК), покрытую небольшой защитной белковой оболочкой, которая, проникнув в эукариотическую клетку, сбрасывает эту оболочку и “приклеивается” к молекуле ДНК поражённой ею “хозяйки”. А дальше вирусный участок соединённой ДНК порождает с помощью ферментов хозяйской клетки копии. Эти копии угнетают клетку-хозяйку, потребляя на своё образование значительную часть энергии и жизненного материала. После гибели клетки они в значительно большем количестве вываливаются из разорвавшейся оболочки и атакуют соседние клетки, проделывая с ними то же самое, что и с исходной.

Впрочем, молекулы ДНК некоторых вирусов, присоединившись к хозяйской, как бы замирают: в течение длительного времени их копии не порождаются. Так, например, ведут себя внутри нейронов человека вирусы герпеса. И лишь при особых внешних условиях – ослаблении иммунной реакции организма – они выявляют свои злокачественные вирусные свойства.

Однако, как показали самые последние исследования, целевая направленность подвижных элементов ДНК – транспозонов – совсем не та, что у вирусов. Всё более складывается мнение, что их основная функция – сохранение основного наследственного генофонда путём относительно небольшой перестройки генома применительно к изменяющимся внешним условиям.

Различные подвижные элементы получают весьма живописные названия, например, hobo – бродяга, gypsy – цыган, flea – блоха и т.п. Они подразделяются на два класса – собственно транспозоны и ретротранспозоны. Транспозоны с помощью комплекса ферментов, главным из которых является транспозаза, вырезаются из одного участка ДНК и переносятся на другой. Вырезанный участок ДНК восстанавливается с помощью либо сестринской молекулы (при репликации), либо гомологичной. Таким образом, при перемещении транспозона число его копий в пределах ДНК возрастает на одну, а сама молекула увеличивается в размере.

Ретротранспозоны не вырезаются из хромосомы, а перемещаются с помощью двух транспозиций – сначала по стандартной методике на заданном участке ДНК строится молекула мРНК, а затем по ней восстанавливается в конце хозяйской молекулы ДНК этот участок. При этом молекула мРНК ведёт себя как вирус. Более того, эта молекула может быть упакована в белковую оболочку, выйти из клетки и переместиться в другую клетку. Таким образом, генетический материал оказывается переданным неполовым путём от одного организма к другому. В частности, так могут возникнуть одноклетки.

Обнаруживаются транспозоны в нити ДНК с помощью так называемых инвертированных повторов. Участок, соответствующий транспозону, с двух сторон ограничен пятью парами нуклеотидов с противоположной последовательностью (рисунок 5.9)

Т

Т

Г

Ц

А

Т

Г

Ц

А

А

А

А

Ц

Г

Т

А

Ц

Г

Т

Т

ДНК инвертированные инвертированные ДНК хозяина повторы транспозон повторы хозяина

Рисунок 5.9

Конструкция участка ДНК с транспозоном

Хотя роль транспозонов и ретротранспозонов до конца ещё не изучена, уже сейчас явно, что она является важной, если не решающей в эволюционном процессе биологических систем. Во всяком случае, экспериментально доказано, что:

1.ретротранспозоны предохраняют ДНК от деградации, которая происходит при многократных делениях клеток;

2.транспозоны и ретротранспозоны влияют на интенсивность транскрипции генов, т.е. интенсивность генерирования экспрессии того или иного белка;

3.подвижные элементы ДНК влияют на процесс перекрёстного обмена участков гомологичных хромосом после слияния половых клеток (мейоза) – кроссинговера (см. §5.6);

4.ретротранспозоны могут выступать в роли вирусов и осуществлять перенос генов от одного многоклеточного организма другому;

5.Все эукариотические клетки обладают белковым механизмом активизации и, наоборот, торможения деятельности подвижных элементов;

6.Подвижные элементы ДНК могут:

- удалить какой-либо ген из генома;

- увеличить количество копий гена (амплификация);

- состыковать разобщённые части гена.

---

Дата добавления: 2015-08-27