Самая важная система
Обратимся, наконец, к третьей главной системе репарации — эксцизионной репарации оснований. Вообще-то, ее следовало бы назвать первой, по крайней мере по значению, ибо она устраняет подавляющее большинство всех повреждений. К ним относятся как раз те, которые неизбежно возникают в ДНК под действием воды и кислорода, но и многие другие повреждения тоже ею исправляются. Если поломки в других системах репарации вызывают тяжкие болезни, неисправность эксцизионной репарации оснований у человека, за редкими исключениями, в заболеваниях не проявляется — такие дети просто не рождаются, эмбрионы гибнут на самых ранних стадиях.
Наверное, в эксцизионной репарации оснований самое интересное то, что она была открыта, что называется, «на кончике пера». Как когда-то французский астроном Урбен Леверье задумался над возмущениями орбиты Урана и открыл Нептун, так в начале 1970-х годов Томас Линдаль задумался над химической реактивностью ДНК и открыл новый механизм ее репарации. Сам Линдаль утверждает, что его вдохновила знаменитая «Белая книга» — переведенная на английский язык монография «Органическая химия нуклеиновых кислот» академика Н. К. Кочеткова с соавторами, ставшая настольной книгой во многих биохимических лабораториях мира. Прочитав ее, биолог Линдаль понял, что представление о ДНК, как химически устойчивой молекуле, которая лишь изредка повреждается под влиянием ультрафиолета, радиации или химических мутагенов, в корне неверно — ДНК в водной среде повреждается постоянно. Выбрав две простых и легко идущих химических реакции — превращение цитозина в урацил (который в норме встречается в РНК, но не в ДНК) и апуринизацию (отщепление от ДНК аденина или гуанина), — Линдаль быстро показал, что они протекают и в изолированной ДНК, и в живой клетке. Более того, получив ДНК, в которой часть цитозина была заменена на урацил, он обнаружил и фермент, который удалял урацил в виде свободного основания —урацил-ДНК-гликозилазу (Uracil DNA glycosylases) — и новый вид репарации был открыт.
По пути эксцизионной репарации оснований происходит репарация небольших поврежденных оснований и апуринизированных нуклеотидов, которые не вносят значительных искажений в структуру ДНК и поэтому не узнаются системой эксцизионной репарации нуклеотидов. Сначала поврежденное основание узнается одним из ферментов, относящимся к классу ДНК-гликозилаз (DNA glycosylase), которые выщепляют его из ДНК. ДНК-гликозилазы обладают групповой специфичностью — некоторые удаляют из ДНК только окисленные пуриновые основания, другие — окисленные пиримидины, третьи — алкилированные основания, четвертые — урацил и т. п. После этого фермент АП-эндонуклеаза разрывает ДНК рядом с повреждением, ДНК-полимераза встраивает один (так называемая «короткозаплаточная репарация») или несколько нуклеотидов («длиннозаплаточная репарация»), и репарация завершается ДНК-лигазой. В процессе эксцизионной репарации оснований участвуют еще несколько белков, но они играют вспомогательную роль.
Рис. 4. Эксцизионная репарация оснований. ДНК-гликозилаза вырезает поврежденное основание, затем АП-эндонуклеаза разрывает поврежденную цепь ДНК, а далее в зависимости от участвующей ДНК-полимеразы вытесняются один или несколько нуклеотидов поврежденной цепи с одновременным синтезом нового участка ДНК |
В последние годы выяснилось, что природа, которая любит использовать готовые решения, приспособила эксцизионную репарацию оснований не только для ремонта ДНК, но и для, казалось бы, совсем посторонних вещей. Например, ту же урацил-ДНК-гликозилазу клетки человека используют для борьбы с вирусами, в частности с ВИЧ. Существует специальный ферментAPOBEC, который в вирусной ДНК массово превращает цитозин в урацил, а урацил-ДНК-гликозилаза потом такую ДНК расщепляет. Иммунный ответ также требует участия урацил-ДНК-гликозилазы, которая в этом случае отвечает за генерацию разнообразия антител. Эксцизионная репарация оснований лежит в основе эпигенетических процессов — направленной модификации ДНК, которая регулирует активность генов. В раковых клетках некоторые пути репарации выключены — и ингибиторы оставшихся путей, главным образом эксцизионной репарацию оснований, сейчас рассматриваются как новые многообещающие лекарства в онкологии.
Помимо множества собственных открытий, Томас Линдаль сослужил огромную службу науке и тем, что воспитал многих учеников. Через его лабораторию в лондонском Клэр-Холле (Clare Hall laboratories) прошла чуть ли не половина современных лидеров в области репарации ДНК. В июне этого года в честь Линдаля была организована конференция, на которую многие из них съехались со всего мира, и научный уровень ее был, наверное, самым высоким, который только доводилось видеть автору этих строк.