Это интересное наблюдение Раппа и Говарда-Фландерса было учтено при создании модели хромосомных перестроек и полных генных мутаций.

Начнем изложение модели с того момента, когда одна из нитей ДНК получила повреждение. Если это повреждение может быть узнано репарирующими ферментами, то могут быть принципиально две возможности — либо само повреждение будет вырезано и затем зарепарировано с восстановлением нормальной структуры, либо — фермент закономерно или по ошибке вырежет не сам поврежденный участок, а противоположный ему. Принципиальным отличием поражений, узнаваемых репарирующими ферментами, от тех, которые остаются не идентифицированными ими, является нарушение правильности спирали ДНК Уотсона—Крика. Подтверждение этого предположения было получено автором этой статьи в опытах с мутагеном — гидроксиламином. Этот агент действует на цитозиновые основания в ДНК, и мутагенное последствие обработки гидроксиламином заключается в переводе цитозина за счет дезаминирования (отрыва аминной группы) в урацил. Поскольку урацил спаривается не с гуанином, как это делал цитозин, а с аденином, то происходит замена пары гуанин—цитозин на пару аденин—тимин, иными словами, возникает точечная мутация. Переход цитозина в урацил может не сопровождаться нарушением конфигурации ДНК, и согласно нашему предположению повреждения от гидроксиламина не Должны узнаваться репарирующими ферментами. Это было зарегистрировано в опытах с бактериофагом лямбда. Фаги обрабатывались раствором гидроксиламина, и по степени инактивации фага судили о репарируемости генетических повреждений. Совпадение кривых выживаемости фага в нормальных бактериальных клетках и мутантных клетках свидетельствовало об отсутствии репарации.

Таким образом, репарация тех повреждений, которые нарушают вторичную структуру ДНК, должна сопровождаться вырезанием или самого поврежденного участка или противоположного ему. Однако последствия этих двух актов будут совершенно различными. Участок ДНК, в котором повреждение, вырезано, будет быстро зарепарирован. Но как было показано американскими биохимиками Раппом и Говард-Фландерсом в 1968 г., молекула ДНК, несущая брешь против и поврежденного участка, будет долгое время оставаться незалеченной из-за того, что повреждение будет мешать репарирующим ферментам заделывать брешь в молекуле. В таком случае любое повторное «прохождение» блока репарирующих ферментов, следящих за «правильностью» молекул ДНК, приведет к вырезанию оставшегося не вылеченным поврежденного участка. Но в силу того, что первое вырезание оставалось незалеченным, второе вырезание закончится распадом молекулы ДНК на фрагменты. Распад молекулы ДНК повлечет за собой развал и самой хромосомы. Следствием всего процесса будет возникновение хромосомной перестройки в молекуле, первично поврежденной только в одной нити.

Изложенная идея позволяет понять многие экспериментальные факты, касающиеся возникновения хромосомных и хроматидных разрывов. Наибольшая частота хромосомных разрывов наблюдается как раз с теми мутагенами, которые вызывают нарушение вторичной структуры ДНК, а наибольшая частота хроматидных разрывов — с теми мутагенами, которые не нарушают спирали Уотсона—Крика

Какова же судьба оторвавшегося фрагмента ДНК? Во-первых, он может быть утерян, и это приведет к гибели клетки, например, за счет нарушения деления клеток. Во-вторых он может перейти в другую хромосому, образовав транслокацию. Этот способ генетического обмена осуществляется счет процесса кроссинговера, или рекомбинации, как его принято сейчас называть. Процесс перехода оторванного куска хромосомы к новой хромосоме можно представить следующим образом. Если в оторвавшемся фрагменте имеется последовательность оснований, комплементарная к последовательности оснований в другой хромосоме, то фрагмент сможет соединиться с этой хромосомой и затем образовать транслокацию.'

Принципиально тот же механизм может быть предложен для случаев полных генных мутаций. Хотя, как показали Рапп и Говард-Фландерс, скорость застройки брешей в поврежденной молекуле ДНК низка, но все же застройка имеет место.

При такой застройке, несомненно, синтезируемый участок будет отличаться от исходной структуры. Это произойдет потому, что матрицей для репаративного синтеза будет служить поврежденный участок оппозитной нити, что и закончится вставкой неверных оснований. Само явление вставки неверных оснований сразу после облучения ультрафиолетом наблюдалось в ряде экспериментов. Американские генетики Сетлоу, Каррир и Боллум в экспериментах с ДНК, облученной ультрафиолетовым светом, обнаружили, что в синтезируемых на такой ДНК молекулах информационных РНК имеется гораздо меньше АА-последовательностей (т. е. расположенных рядом двух адениловых остатков), чем в и-РНК, построенных на необлученных матрицах. Американский биохимик Яновский и сотрудники также отметили, что после повреждения цитозиновых нуклеотидов, расположенных рядом в гене щелочной фосфатазы кишечной палочки, происходит синтез измененной и-РНК, что заканчивается подстановкой в белок неверной аминокислоты.

Таким образом, основным условием появления полной мутации должна быть репарабельность первичного поражения. Нерепарируемые повреждения должны приводить к мозаицизму, а большая часть репарируемых повреждений заканчиваться полными мутациями.

Можно думать, что среди репарабельных поражений существуют два класса. Первый состоит из тех поражений, которые изменяют вторичную конфигурацию ДНК и в момент репаративного синтеза спариваются с комплементарным партнером, новым для данного сайта. Основным для появления полной мутации в этом случае является то, что образовавшаяся пара не будет далее изменять конфигурацию ДНК- Тем самым для появления полной мутации достаточно единственного акта вырезания с последующим репаративным синтезом.

Второй класс должны составлять такие поражения ДНК, которые изменяют вторичную конфигурацию ДНК и, следовательно, репарируются с неверным для этого участка партнером. Однако, даже спарившись, поврежденное основание будет по-прежнему нарушать нормальную структуру, и узнаваться ферментом — репарирующей эндонуклеазой. Поэтому стабилизация мутации наступит только после вторичного вырезания теперь уже самого поврежденного основания. Примерами изменений такого рода могут быть алкилированные основания, димеризованные тимины и т. д.

Мы можем назвать первый тип поражений ДНК мутационным, поскольку при таком поражении сразу формируется стабильное измененное основание. Второй тип в таком случай может быть назван мутагенным, так как он создает предпосылки для неверного спаривания, но сам должен быть устранен, и на его место должен встать нуклеотид, комплементарный основанию в репарированном участке.

Список литературы

1. Азимов А. Краткая история биологии. М.,1997.

2. Кемп П., Армс К. Введение в биологию. М.,2000.

3. Либберт Э. Общая биология. М.,1978 Льоцци М. История физики. М.,2001.

4. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. М.,1999.