Репарация

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 Р. 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 Р. 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 Р.-"сшивание" однонитевого разрыва, восстанавливающее целостность цепочки макромолекулы ДНК, осуществляется с помощью фермента ДНК-лигазы.

При рекомбинационной Р. 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 Р.-т. наз. пострепликативная Р., 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 Р., одновременно способны участвовать и в эксци-зионной Р. 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 Р., 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 Р. (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" Р. У бактерии Е. coli ферменты этой системы синтезируются только в ответ на действие на клетку ДНК-повреждающих агентов, напр. УФ излучения. Поэтому эту систему Р. 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-P. 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 Р. 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.