— Ультрафиолет поврёждает ДНК
— Изменения в генах приводят к раку
Вредоносный свет
О вредоносном действии радиационного излучения наслышаны все. Однако если не принимать во внимание фоновую радиацию, то облучение все же является достаточно экзотическим ударом для любого живого организма. Настоящая же проблема состоит в том, что обычный солнечный свет представляет для ДНК достаточно серьезную угрозу! Дело в том, что водный раствор ДНК в пробирке прозрачен как стекло. И точно так же, как стекло, он пропускает видимый солнечный свет и поглощает ультрафиолетовые лучи. Эти лучи едва достигают поверхности Земли, поскольку основной их поток задерживается в верхних слоях атмосферы озоновым экраном. Однако даже этого скромного падающего на поверхность планеты облучения ультрафиолетом оказывается достаточно, чтобы повредить ДНК.
Чаще всего, это происходит следующим образом. Единичная порция света — фотон — может беспрепятственно пролететь сквозь мембраны и клеточные структуры, и «врезаться» в ДНК, передав ей квант своей энергии. Если эта энергия поглощается нуклеотидом, то он переходит в возбужденное состояние. Дальше все зависит от того, какой именно нуклеотид возбудился. В случае аденина или гуанина энергия возбуждения быстро переходит в тепловую, и структура ДНК не меняется. Если же порцию дополнительной энергии получили тимин или цитозин, последствия могут быть весьма существенными. К примеру, в этой ситуации между двумя расположенными рядом на одной цепи тиминами может появиться сшивка — химическая связь.
При этом возникает фотодимер тимина (тиминовый димер) — молекула, в которой четыре расположенные по углам квадрата атома углерода соединены вместе ковалентными связями. Если образно сравнить ДНК с застежкой-молнией, то тиминовый димер похож на два соседних зубца одной ее половинки, которые сошлись вместе и не позволяют теперь молнии застегиваться. ДНК с таким нарушением также не может нормально работать. С нее теперь невозможно ни снимать копии (и, следовательно, процесс деления клетки должен быть застопорен), ни считывать информацию, необходимую для производства белков. Ферменты, ответственные за копирование ДНК и считывание с нее информации, дойдя до тиминового димера, либо «перепрыгнут» через него, что приведет к разрыву синтезируемого белка на две половинки, либо вовсе остановятся. Вот к каким неприятным последствиям может привести действие одного единственного фотона!
Помимо образования димеров, в ДНК возможны и другие изменения оснований. Удвоение молекул ДНК живых организмов идет в бешеном темпе. Бактерия кишечная палочка делится каждые 15–20 минув при этом она копирует свою ДНК со скоростью 500 азотистых оснований в секунду. У человека клетки делятся не так стремительно, поэтому скорость копирования ДНК падает до 50 оснований в секунду. Но все равно это дикий по человеческим меркам темп! Сколько знаков за одну секунду можно напечатать на пишущей машинке? От силы несколько, не более. А тут пятьдесят знаков! Немудрено, что в клетках при копировании ДНК возникают «опечатки»: потери оснований, замены одного основания на другое, неправильное их спаривание, разрывы одной цепи ДНК… Такие единичные повреждения биологи называют точечными или точковыми мутациями. Известно, что от деления до деления при 37 градусах в среднем ДНК человека может попросту потерять до 20 азотистых оснований, а счет всех различных повреждений идет при этом уже на тысячи! Что и говорить, картина получается мрачная, если учесть, что всего несколько таких повреждений в ключевых генах клетки может привести к превращению ее в раковую.
Ремонтный набор
Ясно, что если бы у клеток не было защиты против таких нарушений ДНК, то вскоре многие гены были бы необратимо повреждены, что неизбежно приведет организм к полной катастрофе. Неудивительно поэтому, что любые клетки регулярно и постоянно занимаются репарацией — своеобразной «санацией» своей ДНК. Знающим историю людям слово «репарация» (восстановление) скорее всего напомнит о выплатах гигантских денежных сумм Германией странам, победившим в двух мировых войнах. Биологи же называют этим термином «починку» ДНК. Первые указания на подобные процессы были получены еще в начале шестидесятых годов XX века в опытах на бактериях. В ответ на облучение ультрафиолетом кишечные палочки начинали интенсивно «чинить» свою ДНК — то есть, удалять поврежденные облучением участки и восстанавливать исходные последовательности нуклеотидов. Со временем удалось разобраться во всех тонкостях этого уникального процесса. Оказалось, что в распоряжении клетки находится целый набор уникальных белков, работающих словно миниатюрные насадки бормашины, необходимые для постановки зубных пломб. Только работают они не с эмалью и дентином зуба, а с молекулой ДНК.
Все начинается с того, что специальный белок Уф-эндонуклеаза находит тиминовый димер и рвет рядом с ним одну цепь ДНК. Вторая цепь остается при этом неразорванной. Затем за работу берется другой белок — так называемая экзонуклеаза. Она удаляет слева и справа от разрыва несколько сотен нуклеотидов — так, на всякий случай. Точно также и стоматолог высверливает в поврежденном зубе лунку пошире, чтобы уже с гарантией удалить все поврежденные кариесом участки. В результате действия экзонуклеазы на одной из цепей ДНК (там где был обнаружен тиминовый димер) возникает брешь длиной в несколько тысяч нуклеотидов. Ее затем быстро заделывает третий белок — ДНК-полимераза. Она проезжается по второй, нетронутой цепочке ДНК и напротив каждого нуклеотида выстраивает ему комплементарный. Завершает эту блестящую работу последний белок — лигаза. Она «зашивает» разрывы на подверженной починке цепочке ДНК, да так искусно, что не остается никаких «швов». В результате существовавшая до повреждения структура ДНК полностью восстанавливается. Так что по образному выражению Юрия Георгиевича Чиркова «…в клетке в случае нужды есть кому не только кроить и пороть молекулы ДНК, но и сметывать их».
Из сказанного становится ясным смысл двухцепочечности ДНК. Биологи, занимающиеся проблемой возникновения жизни, утверждают, что первыми соединениями, возникшими на заре молекулярной эволюции и способными строить свои копии, были одноцепочечные рибонуклеиновые кислоты — РНК. А связанные с ними уже закодированные в РНК белки способствовали процессу их воспроизводства. Понятно, что в случае любых нарушений структуры таких первичных РНК они уже не могли быть восстановлены, поэтому цепочки нуклеотидов с возникающими существенными нарушениями постепенно элиминировались из кругооборота воспроизводства. Появление двухцепочечных молекул ДНК позволило эффективно восстанавливать поврежденные участки, достраивая их по неповрежденным половинкам. Это была настоящая революция в борьбе с неизбежными «типографскими опечатками» нуклеотидных текстов. Революция, которая наверняка ускорила на много порядков эволюцию клеток два с половиной миллиарда лет назад!
Ложка дегтя и SOS-репарация
Теперь в нарисованную картинку бочки меда пора добавлять деготь. Все было бы прекрасно, если бы любые точечные мутации могли вырезаться и ликвидироваться столь же точно, как это происходит с тиминовыми димерами. К сожалению порой клетка не в состоянии правильно определить, какую нить ДНК брать в качестве эталона, а какую следует чинить. Именно так дело обстоит в случае неправильного спаривания нуклеотидов. Действительно, какой нуклеотид в данном случае является «неправильным»? На какой цепи произошел сбой? Репарационная система клетки ответить на такой вопрос не в состоянии. В результате, лишь в половине случаев (когда в качестве оригинала случайно выбирается правильная половинка ДНК) исходная структура ДНК полностью восстанавливается. Во всех остальных случаях в качестве образца будет взята половинка с «неправильным» нуклеотидом и по нему на противоположной цепи будет достроен комплементарный ему нуклеотид. Так вместо пары А-Т может возникнуть пара Г-Ц со всеми неприятными последствиями, которые могут отсюда проистекать. Такое изменение будет точковой мутацией, которая «проскочит» через «систему ОТК» репарационных механизмов клетки. С этой точки зрения, частота точечных мутаций в ДНК является результатом равновесия между ее повреждениями и исправлениями.
Продемонстрированный пример работы репарационной системы — лишь один в целом ряду защитных механизмов клетки, оберегающей свою ДНК от возможных повреждений. В частности, существуют механизмы репарации, основанные на обменах поврежденных участков ДНК на неповрежденные. Такую репарацию называют рекомбинационной. Не будем, впрочем, сейчас углубляться во все эти тонкости, тем более, что даже у относительно просто устроенной бактерии — кишечной палочки — уже открыты не менее пятнадцати генов, оказывающих влияние на репарацию ДНК. Важно другое: повреждение многих из этих генов приводит к повышению частоты мутирования, поскольку в клетке начинает хуже работать система репарации ДНК. Следовательно, образно говоря, клетка может менять «толщину фильтра», через которую проходят изменения в ДНК. Не исключен и противоположный эффект, основанный на повышении эффективности работы репарационных систем в результате отбора.
Такой отбор может происходить, к примеру, при повышении уровня УФ-облучения или радиационного фона. Любопытно было бы в этой связи исследовать работу репарационных систем организмов, волею случая оказавшихся на территории, зараженной выбросами из Чернобыльской АС. Не исключено, что в такой ситуации клетки будут прибегать к каким-то экстренным мерам защиты своей ДНК. Подобные механизмы не являются фантазией и неплохо изучены у бактерий. Речь идет о так называемой SOS-репарации. Она может вызываться интенсивным УФ-облучением или подавлением синтеза ДНК в результате нехватки строительного материала, воздействия ядов или мутаций в ключевых генах, ответственных за клеточное деление.
В такой ситуации бактерия как бы чувствует, что с ее ДНК произошло что-то действительно серьезное, и мелким косметическим ремонтом тут не отделаешься. Серьезные поломки требуют адекватных действий. В результате деление клеток полностью прекращается, а интенсивность репарации резко возрастает. При этом активируется специальный белок RecA. Есть, кстати, указания, что для его активации нужны фрагменты ДНК — как бы «ошметки», образующиеся в результате серьезных ее повреждений. Белок RecA в прямом смысле режет другой белок, который является репрессором многих генов — то есть блокирует их работу. Этот белок-репрессор играет роль своеобразной печати, до поры наложенной на дверцы генетических сейфов. В результате разрезания репрессора блок снимается, и в клетке активируются сразу множество генов, ответственных за интенсивную репарацию. Иными словами, возникает ситуация своеобразного «аврала», в процессе которого клетка пытается спасти свою информационную начинку.
Ксеродерма
Проблема защиты своей ДНК от всевозможных повреждений является настолько общей и фундаментальной, что ответственные за подобную протекцию гены оказались очень схожими и у человека, и у грызунов, и у пивных дрожжей. Не вызывает сомнений, что эти гены являются неотъемлемой частью генома практически любого земного организма. Нарушения в работе этих важных генов приводят к тяжелейшим последствиям. У человека наиболее известные из них — пигментная ксеродерма, синдромом Коккейна и трихотиодистрофия.
Больные ксеродермой (от греч. ксеро — сухой, и дерма — кожа) крайне чувствительны к солнечному свету. На поверхности их кожи часто возникают множественные веснушки и даже рубцы, кожа меняют свою пигментацию и становится сухой. К сожалению, часто у таких людей уже в юном возрасте возникают различные раки кожи — меланомы и карциномы. Средний возраст появления подобных опухолей у больных ксеродермой — всего 8 лет, тогда как у прочих пациентов подобные новообразования и среднем проявляются только к 50-ти годам.
Ксеродерма распространена во всем мире. По счастью, частота с встречаемости невелика и составляет, к примеру в США, один случай на четверть миллиона. В Японии эта частота больше — 1 случай на 40 тысяч. Страдают прежде всего ткани и органы, на которые непосредственно воздействует солнечный свет. В частности, повреждаются роговица, сетчатка глаза и хрусталик. Даже на внутренней полости рта, куда свет падает все же нечасто, у больных ксеродермой в 20 тысяч раз чаще, чем в среднем возникают опухоли. Ксеродерма является наследственным рецессивным не связанным с полом заболеванием. Это означает, что она с равной вероятностью, встречается как среди женщин, так и среди мужчин и проявляется только в том случае, если нарушения в соответствующих генах присутствуют сразу в двух хромосомах — одной материнской и парной ей отцовской.
Что именно повреждается в системе репарации ДНК в случае ксеродермы, еще не до конца ясно. Известно лишь, что клетки таких больных сверхчувствительны к воздействию УФ-лучей, химических мутагенов и канцерогенных веществ, образующих с ДНК прочные соединения. Вместе с тем, эти клетки обычно сохраняют нормальную чувствительность к ионизирующей радиации. Как это нередко бывает в случае генетически обусловленных заболеваний, ксеродерма является следствием нарушения не одного участка ДНК, а нескольких. В конце XX века известно по меньшей мере семь таких различных нарушений и, как следствие, семь различит, ix форм этого заболевания.
Трихотиодистрофия и другие нарушения
Трихотиодистрофией называется еще одно генетически врожденное рецессивное заболевание человека, связанное с нарушением репарации ДНК, хотя эта связь менее очевидна, чем в случае пигментной ксеродермы. Если поместить волосы больных трихотиодистрофией под микроскоп, становятся видны характерные поперечные полосы, возникающие из-за нехватки в них богатых серой белков. Пучок таких волос становится ломким и напоминает по окраске тигриный хвост. Под таким названием («тигриный хвост») трихотиодистрофия и вошла в историю медицины в 1968 г. К сожалению, это не единственные указания на заболевание, которое еще связано с повреждением интеллектуальных функций, маленьким ростом и пониженной плодовитостью. У некоторых больных трихотиодистрофией наблюдается также повышенная чувствительность к УФ-облучению, что и указывает на повреждение систем репарации у них ДНК. Вместе с тем у таких больных нет предрасположенности к раку кожи. Сплошные загадки!
Повышенной фоточувствительностью страдают также люди с редким заболеванием, которое было описано в середине тридцатых годов Коккейном и получило название по фамилии этого исследователя. На генетическую рецессивную природу синдрома указывало его проявление в семьях с родственными браками. Помимо гиперчувствительности к свету, больные синдромом Коккейна страдают также глухотой и атрофией зрительного нерва. У них укороченное туловище, большие уши, нос и глубоко запавшие глаза. В довершение ко всему, они страдают от кариеса и стареют несколько быстрее, чем остальные люди. В мозгу у них наблюдается ряд нарушений. Редко кто из людей с таким диагнозом доживает до 18–20 лет. Клетки соединительной ткани людей с синдромом Коккейна очень плохо выживают после доз УФ-облучения, которые для клеток здоровых людей являются относительно безвредными. Этот факт указывает на то, что все описанные выше неприятные проявления болезни могут быть косвенными последствиями нарушения репарации ДНК.
Специалисты могут назвать еще несколько врожденных заболеваний человека, которые, скорее всего, вызваны нарушениями репарации ДНК. Среди них атаксия-телеангиэктазия, при которой рождаются люди с так называемой атаксией — прогрессивным церебральным параличом и патологическим расширением кровеносных сосудов на коже и конъюктивах глаз (телеангиэктазия). Они страдают умственной и иммунной недостаточностью. Приблизительно у 10 % таких больных уже в детстве или раннем возрасте развиваются злокачественные опухоли. По опенкам специалистов, каждый сотый, а, по некоторым данным, даже каждый двадцатый человек является носителем гена этого заболевания, которое по счастью не проявляется, если в гомологичной хромосоме работает соответствующий неповрежденный ген.
Этот мрачный список можно было бы продолжить, однако названия соответствующих синдромов и связанных с ними нарушений обычно известны только узким специалистам, поскольку эти заболевания, по счастью, встречаются достаточно редко. Ясно, что подобные генетические нарушения систем контроля над ДНК должны выбраковываться естественным отбором из человеческой популяции. Почему же, тем не менее, их удается обнаруживать? Еще в начале XX века английский генетик Дж. Холдейн прозорливо указывал на то, что серьезные генетические заболевания должны возникать в человеческом обществе вновь и вновь в результате случайных, спонтанных мутаций. Нарушения, связанные с репарацией ДНК, — яркий пример таких дефектов, возникающих в генах в каждом новом поколении людей. Те немногие случаи подобных заболеваний, которые удается обнаружить, позволяют ученым изучать тонкие механизмы репараций ДНК в клетках человека и те страшные последствия, которые влекут за собой нарушения в их работе.