Изучение мутационного процесса

В первых же экспериментах по изучению действия радиации наследственные структуры — хромосомы было обнаружено, что хромосомы могут разрываться, образуя фрагменты. Впоследствии разрывы хромосом были описаны и в тех случаях, когда организмы или отдельные клетки обрабатывали химическими мутагенами. Но природа возникновения разрывов, оставалась непонятной до самого последнего времени.

В жизненном цикле клетки можно отметить следующие основные этапы: в фазе G1 клетка готовится к удвоению ее генетических структур. В этой фазе хромосомы большинства клеток содержат одну двунитевую молекулу ДНК. В фазе S происходит удвоение генетического материала — репликация молекул ДНК, и клетки вступают в фазу G2, когда их хромосомы содержат уже две копии — хроматиды, каждая из которых несет по одной двунитевой молекуле.

В результате многочисленных работ по изучению химии взаимодействия мутагенов с ДНК было установлено, что, как правило, повреждению подвергается только одна нить ДНК, а другая остается неповрежденной. Если это так, то ДНК, поврежденная в фазе G1 или G2, могла бы нести только хроматидные мутации. После репликации повреждение одной нити ДНК передалось бы ее дочерней копии — хроматиде, а вторая хроматида, синтезированная на неповрежденной нити ДНК, оставалась бы нормальной. Однако в экспериментах было найдено, что нередко повреждение захватывает обе нити ДНК и обе хроматиды сразу. В этом и заключалась основная трудность в понимании природы мутагенеза. В 1968 г. Н. П. Дубининым и В. Н. Сойфером была предложена модель, объясняющая эту основную трудность и позволяющая понять молекулярный механизм этого явления.

За последние годы были открыты особые ферментные системы, следящие за сохранением целостности генетического материала клетки и названные репарирующими системам. Наибольший интерес представляют ферменты так называемой темновой репарации.

Если в ДНК возникает повреждение, которое может быть узнано репарирующими ферментами, то прежде всего происходит надрез ДНК вблизи места повреждения. Вслед за этим участок, заключающий в себе повреждение, вырезается из структуры ДНК, а образовавшаяся брешь расширяется подобно тому, как при операциях хирурги вычищают некоторый участок здоровой ткани вокруг удаленного повреждения. Два последующих этапа — застройка образованной бреши здоровым материалом и соединение застроенного участка со старой нитью ДНК. Такая репарация может происходить на любой стадии клетки и, что самое главное, — в отсутствие репликации ДНК.

В 1968 г. два американских исследователя Фрэд Рапп и Пауль Говард-Фландерс экспериментально показали, что при некоторых типах поражения ДНК (при соединении двух рядом расположенных в ДНК тиминовых остатков в так называемый димер тимина), против них при синтезе ДНК остается настроенная брешь, и эта брешь оказывается долго живучи Таким образом, система «повреждение — оппозитная брешь» может существовать в ДНК длительное время.

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.