Дело в химии. Как все устроено?

Другой вариант повреждения ДНК – это воздействие на нее ультрафиолетовыми лучами (UV), наносящими разнообразные повреждения, вроде тех, что мы видели раньше. Страдает уже не химическая структура одного основания, но целый участок ДНК, он изменяется в основном путем образования связей, которых не должно быть, между соседними нуклеотидами тимина. В результате в структуре ДНК образуются грубые нарушения, которые приводят к серьезным сбоям в воспроизведении. Но и для этой ситуации наше тело разработало стратегию решения проблемы – механизм эксцизионной репарации нуклеотидов (Nucleotides Excission Repair, NER), обнаруженный Азизом Санкаром. Первыми вмешиваются ферменты под названием хеликаза, они служат для раскручивания спирали ДНК в нужном месте. Эндонуклеазы могут разрезать ДНК, позволяя изъять весь поврежденный кусок (он может содержать последовательность из 30 нуклеотидов). А фермент ДНК-полимераза синтезирует новый кусок цепи ДНК, вшиваемый на место ферментами-лигазами.

Хотя первые исследования были выполнены на бактериях, Санкар впоследствии сотрудничал с Линдалем, стремясь понять молекулярные основы механизма NER у людей – он оказался сложнее, чем у бактерий, однако логика у них практически одинаковая.

Это может показаться странным, но значительная часть исследований по репликации ДНК проводится на самом деле на бактериях, но получаемые результаты можно считать фундаментальными, поскольку разница между ними и более сложными человеческими клетками намного меньше, чем сходство. Честно говоря, вы были бы поражены, узнав, что значительная часть биохимических процессов у белков и ферментов, управляющих жизнью клетки бактерии, практически идентичны человеческим.

Следующим героем этого приключения стал Пол Модрич, первооткрыватель механизма репарации ошибочно спаренных нуклеотидов (Mismatch Repair), позволяющего исправить ошибки спаривания оснований, случающихся во время репликации. Если в предыдущих историях мы рассматривали ошибки, вызванные повреждениями ДНК, то теперь надо понять, как действовать, если аденин соединился с цитозином вместо положенного тимина. Если сравнивать снова с книгой – это как если бы раньше мы искали злодея, который пытался испортить наш труд, поджигая или разрывая страницы, а теперь нам нужно исправить ошибки написания – вместо «о», например, «а».

В конце 70-х годов прошлого века Модрич изучал особенный фермент, называющийся Dam-метилаза, который, как казалось, отвечал за метилирование отдельных участков ДНК. Добавление метиловой группы (то есть CH₃) предполагалось необходимым для выделения некоторых участков ДНК и обеспечения избирательности действий других ферментов.

Некоторое время спустя другой ученый, Мэтью Мезельсон, начал изучение процесса спонтанной коррекции бактериями введенных извне поврежденных ДНК. Мезельсону удалось сконструировать бактериальный вирус, содержащий поврежденную ДНК, с перепутанными соединениями; однако когда этим вирусом заражали клетки бактерий, последние исправляли ошибки, специально сделанные Мезельсоном.

Этот феномен был поразителен: по какой причине бактериям пришлось развить в себе подобный механизм? Наиболее очевидным было предположение, что он возник для исправления ошибок при воспроизводстве собственной ДНК. Проблема заключалась в том, чтобы понять, как бактерия может распознавать в ДНК, состоящей из двух цепей, которая цепь правильная, а которая с ошибкой? С химической точки зрения обе нити совершенно нормальны, в них нет испорченных нуклеотидов. Представим себе отрезок ДНК, состоящий из последовательности ACA, парной к TAT. Мы понимаем, что в ней есть ошибка, поскольку цитозин (С) связывается с гуанином (G), а не с аденином, который в свою очередь соединяется с тимином (Т), а не с цитозином. Но откуда мы узнаем, какая из версий правильная – ACA-TGT или ATA-TAT?

По мнению Мезельсона, решением проблемы как раз и служит метилирование, модификация, позволяющая различать исходную нить от той, что образуется при репликации.

Ученые начали совместное исследование, которое как раз и подтвердило гипотезу, что именно метилирование позволяет понять, какая из цепей оригинальная, а какая подлежит исправлению.

Результаты этой работы привели к открытию ферментов, вовлеченных в процесс репарации ошибочно спаренных нуклеотидов, и к концу восьмидесятых годов его удалось воспроизвести in vitro.