РЕПАРАЦИЯ (от позднелат.
reparatio-восстановление), свойственное всем клеткам живых организмов восстановление
первоначальной (нативной) структуры ДНК в случае ее нарушения.
Повреждение структуры ДНК
может привести к блокированию репликации ДНК (летальный исход) или к
мутации. Дефекты структуры ДНК возникают в результате воздействия на
нее разл. хим. агентов или физ. факторов (индуцир. повреждения), а также из-за
ошибок при синтезе новых цепей ДНК (спонтанные повреждения).
В процессе эволюции живые
организмы выработали разнообразные способы репарации. При реверсии поврежденное звено
ДНК восстанавливается в результате обратной р-ции, к-рая активируется специфич.
ферментами. Примеры реверсий ДНК-фотореактивация (фоторепарация) и деалкилиро-вание
остатка гуанина в положении О6. В первом случае фермент дезоксирибопиримидинфотолиаза,
активируемый солнечным светом (l 300-400 нм), превращает циклобута-новые
пиримидиновые димеры (см. Пиримидиноеые основания), образующиеся
в ДНК при воздействии УФ излучения, вновь в мономеры. Реверсию О6-метилгуанина
осуществляет фермент О6-метилгуанин-ДНК-метилтрансфераза (Ada-белок).
Фермент репарирует О6-метилгуанин (а также О4-метилтимин)
путем прямого переноса группы СН3 на цисте-иновый остаток фермента.
При эксцизионной репарации происходит
замена поврежденного участка двойной спирали ДНК на нативный в результате сложного
многостадийного процесса, в к-ром участвует неск. ферментов. Как правило, первый
этап состоит в вырезании поврежденного пуринового или пиримидинового основания
из молекулы ДНК благодаря ферментативному гидролизу N-гликозидной связи. В ДНК
образуются апури-новые или апиримидиновые сайты (участки)-т. наз. АП-сайты.
На втором этапе в результате действия АП-эндо-нуклеаз происходит разрыв фосфодиэфирной
связи в ДНК с 3'-стороны (АП-эндонуклеазы I класса) или с 5'-стороны (АП-эндонуклеазы
II класса) от АП-сайта. Третий этап-вырезание АП-сайта из ДНК. Он может осуществляться
двумя способами. В первом случае выщепление и заполнение бреши осуществляется
одним и тем же ферментом-ДНК-полимеразой I или ДНК-полимеразой II. Во втором
варианте вырезание АП-сайта катализируют экзонуклеазы типа 5' : 3' (разрыв
цепи ДНК происходит с образованием на концах 3'-ОН и 5'-фосфата); заполнение
же бреши в результате ресинтеза ДНК осуществляется ДНК-полимера-зами (см. также
Полидезокеирибонуклеотид-синтетазы и Рибонуклеазы). Последний
этап эксцизионной репарации-"сшивание" однонитевого разрыва, восстанавливающее
целостность цепочки
макромолекулы ДНК, осуществляется с помощью фермента ДНК-лигазы.
При рекомбинационной репарации
происходит замещение поврежденного участка одной из нитей двойной спирали ДНК
на неповрежденный в результате обмена нитями между гомологичными хромосомами
как при рекомбинации гене-тической. Подобным образом репарируются сложные
де-фекты структуры ДНК, затрагивающие обе нити макромолекулы в области одного
и того же сайта, напр. сшивка между нитями или двойные (двунитевые) разрывы.
Особый случай рекомбинационной репарации-т. наз. пострепликативная репарация, при к-рой поврежденная
ДНК (дефекты затрагивают лишь одиночные нити) реплицируется, однако во вновь
синтезир. нитях образуются бреши (т. к. дефекты блокируют реплика-рию). Заполнение
брешей происходит в результате реком-бинац. обмена нитями ДНК из неповрежденных
областей сестринских ДНК. Ряд ферментов (напр., ДНК-полимеразы и ДНК-лигаза),
участвующих в рекомбинац. постреплика-тивной репарации, одновременно способны участвовать
и в эксци-зионной репарации. Однако имеются и специфич. ферменты рекомбинации, осв.
задача к-рых способствовать переносу нитей ДНК между гомологичными двутяжевыми
участками макромолекул. У бактерии кишечной палочка Escherichia coli (E. coli)
подобную роль выполняет белок RecA (мол. м. ок. 39 тыс.).
Система коррекции ошибок
репликации-важный механизм репарации, определяющий частоту спонтанного мутагенеза.
В результате ошибок при действии ДНК-полимеразы (а также при рекомбинации) во
вновь синтезир. нитях ДНК появляются некомплементарные остатки нуклеозидов:
вместо канонич. пар G-C и А-Т в ДНК появляются пары G-G, А-А, А-С, G-T (G, A,
C и Т-соотв. остатки гуанози-на, аденозина, цитидина и тимидина) и др., локально
искажающие двойную спираль макромолекулы. Т.к. подобный локальный дефект симметричен
по отношению к обеим нитям, то возникает дополнит. сложность-необходимо не просто
убрать из ДНК подобный дефект, а вырезать "неправильный" нуклеозид
из вновь синтезир. нити, оставляя исходную (родительскую) нить интактной. У
бактерии Е. coli отличие вновь синтезир. нити от родительской нити определяется
спец. сигналами-метилир. адениловыми остатками в последовательностях GATC (катализирует
метилирование фермент ifom-метилаза). Именно в этой нити-с 5'-стороны от GATC-последовательности
специфич. эн-донуклеаза MutH осуществляет разрыв фосфодиэфирной связи. Др. специфич.
белки (MutS и MutL) "узнают" дефект, вырезают нуклеозид и помогают
раскручивать двойную спираль ДНК. Заключит. этапы репарации (заполнение бреши с помощью
ресинтеза и зашивание однонитевого разрыва) проводятся ДНК-полимеразой и ДНК-лигазой.
Система коррекции ошибок позволяет понизить частоту спонтанного фона мутаций
в 100 тыс. раз.
Особое место среди клеточных
репарирующих систем занимает "ошибочная" репарация. У бактерии Е. coli ферменты
этой системы синтезируются только в ответ на действие на клетку ДНК-повреждающих
агентов, напр. УФ излучения. Поэтому эту систему репарации называют иногда SOS-системой.
Осн. задача такой системы-модифицировать ДНК-поли-меразу и поврежденный участок
ДНК таким образом, чтобы не блокировалось действие ДНК-полимеразы. У Е. coli
это достигается в результате совместного действия на ДНК и комплекс ДНК-ДНК-полимераза
в области дефекта ферментов RecA и UmuCD. Система SOS-репарации играет важную роль,
т. к. благодаря ей появляется возможность сохранить генетическую информацию
при попадании организмов в условия, при к-рых значительно повышается частота
мутаций.
Системы репарации являются осн.
факторами, определяющими нормальное функционирование клеточной ДНК и генетич.
стабильность клетки в целом. Известен в настоящее время ряд наследств. заболеваний
человека, связанных с нарушением репарац. систем, напр. пигментная ксеродерма,
атак-сия-телеангиэктазия и прогерия.
Лит.: Жестяников
В. Д., Репарация ДНК и ее биологическое значение, Л., 1979; Конев С. В., Волотовский
И.Д., Фотобиология, 2 изд., Минск, 1979; Томилин Н. В., Генетическая стабильность
клетки, Л., 1983; Friedberg E.C., DNA repair, N.Y., 1985; Molecular
biology of DNA repair, eds. by A. Collins, R. Johnson, J. Boyle; "J. Cell.
Sci.", Suppl., 1987, v. 6; Friedberg E.C., "Microbiol. Rev.",
.1988, v. 52, № i, r. 70-102. Г.Б. Завильгельский.