252-253

Молекулярная генетика

Мутация и репарация

Генетическая информация кодируется последовательностью оснований ДНК и поэтому изменения в структуре или последовательности азотистых оснований приводят к мутациям. Многие мутагены вызывают нарушения регуляции роста и деления клеток и поэтому являются канцерогенными. Изменение в структуре генов (мутация) — важный фактор биологической эволюции. В то же время слишком высокая скорость мутаций ставит под вопрос существование индивидуальных организмов или целых видов. Поэтому клетки обладают механизмами восстановления (репарации), которые корректируют большинство изменений ДНК, вызываемых мутациями.

А. Мутагенные агенты

Мутации могут возникать в результате либо воздействия физических или химических факторов, либо ошибок в процессе репликации и рекомбинации ДНК.

Одним из наиболее важных физических мутагенов является ионизирующая радиация. Она приводит к образованию в клетке свободных радикалов (молекул с неспаренными электронами, см. с. 20), которые исключительно реакционноспособны и могут повредить ДНК. Коротковолновый ультрафиолетовый свет (УФ) также оказывает мутагенное действие, особенно на клетки кожи. Наиболее распространенным химическим изменением, вызванным ультрафиолетовым облучением, является образование тиминовых димеров (2). когда два соседних тиминовых оснований ковалентно связываются друг с другом. Это приводит к ошибкам при считывании ДНК во время репликации и транскрипции.

Из множества химических мутагенов здесь приведен только несколько примеров. Азотистая кислота (HNO₂) и гидроксиламин (NH₂OH) дезаминируют азотистые основания, т. е. превращают цитозин в урацил, а аденин в инозин. Алкилирующие соединения имеют реакционные группы, которые могут образовывать ковалентные связи с азотистыми основаниями, входящими в ДНК (см. с. 388). Метилнитрозамины (3) распадаются с образованием реакционноспособного метилкатиона (СН₃^-), который метилирует группы ОН и NH₂ в ДНК. Ароматический углеводород бензпирен сам по себе безвреден, но в результате метаболической трансформации образует производные, обладающие канцерогенным действием (4). За счет гидроксилирования одного из колец он превращается в реакционноспособный эпоксид, который алкилирует аминогруппу гуанина и других азотистых оснований. Токсичен и свободный радикал бензпирена.

Б. Результат действия мутагенов

Азотистая кислота вызывает точковые мутации (1). Например, С превращается в U, который в следующем цикле репликации образует пару с А (вместо G). после чего изменение принимает необратимый характер. Мутации типа вставки или выпадения некоторого числа нуклеотидов, не кратного трем, ведут к ошибочной трансляции всей ДНК, поскольку они сдвигают рамку считывания (2). При трансляции измененная мРНК будет интерпретироваться рибосомами по-другому, приводя к совершенно иной аминокислотной последовательности, что показано на простом примере (2).

В. Механизмы репарации

Важным механизмом удаления повреждений в ДНК является эксцизионная репарация (1). Специфическая нуклеаза удаляет небольшой сегмент ДНК, включающий поврежденный участок. Удаленный участок восстанавливается ДНК-полимеразой, использующей в качестве матрицы комплементарную цепь. Наконец, оставшийся одноцепочечный разрыв закрывается ДНК-лигазой. Тиминовые димеры могут быть удалены фотореактивацией (2). Специфическая фотолиаза связывается с дефектным участком ДНК и после облучения расщепляет димер с образованием отдельных нуклеиновых оснований. Третий механизм — это репарация в результате рекомбинации (3, показано в упрощенном виде). В этом процессе участок, содержащий повреждение, пропускается во время репликации. Образующаяся брешь закрывается путем сдвига соответствующего сегмента из правильно реплицированной второй цепи. Новая брешь ликвидируется с участием полимераз и ДНК-лигаз. В завершение первоначальный дефект (1) устраняется путем вырезания.