ГЛАВА 30. ЕЩЕ О ГЕНАХ: РЕПАРАЦИЯ, МУТАЦИИ, РЕКОМБИНАЦИЯ И КЛОНИРОВАНИЕ

Хромосомы - это отнюдь не инертные, стабильные структуры, незыблемо сохраняющие генетическую информацию в исходном виде. Они постоянно претерпевают различного рода изменения. Некоторые из этих изменений носят случайный характер и легко поддаются исправлению. Например, в ходе репликации, когда цепи дуплекса расходятся и раскручиваются с большой скоростью, в ДНК могут возникать одноцепочечные разрывы. Эти разрывы восстанавливаются (репарируются) под действием ДНК-полимеразы I и ДНК-лигазы. Аналогичным образом, ошибочно встроенный нуклеотид, который не способен образовать правильную комплементарную пару, может быть вырезан и заменен благодаря корректирующей способности ДНК-полимеразы (разд. 28.14). В этой главе мы увидим, что изменения ДНК могут быть вызваны воздействием различных факторов внешней среды. Если клетка не исправляет возникшее нарушение, то это приводит к появлению наследуемого изменения - мутации.

Хромосомы претерпевают также изменения и перестройки другого рода, происходящие в процессе их нормального биологического функционирования. Слияние яйцеклетки со сперматозоидом у эукариот сопровождается генетической рекомбинацией, что приводит к появлению потомства с новой комбинацией генов. Кроме того, гены и части генов могут перемещаться из одного места хромосомы в другие. Гены могут также обмениваться и рекомбинировать при заражении клеток вирусами.

Однако, несмотря на постоянные повреждения, репарацию, обмен и перемещение генов, внутривидовая тождественность живых организмов поддерживается из поколения в поколение с исключительной точностью. Это оказывается возможным благодаря замечательной способности некоторых ферментов предохранять или восстанавливать специфические нуклеотидные последовательности ДНК в каждой из хромосом организма. Обнаружение этих ферментов позволило также осуществить в лабораторных условиях конструирование рекомбинантных, т. е. по существу новых молекул ДНК, в которых гены одного организма оказываются объединенными с генами другого. Эти достижения открыли новую эру в биохимической генетике и привели к возникновению нового научного направления - генетической инженерии.

Рассмотрим некоторые типы изменений ДНК.

30.1. В ДНК постоянно возникают повреждения

Практически все живые организмы подвергаются воздействию высокоэнергетического излучения, способного вызывать химические изменения в ДНК. Ультрафиолетовое излучение (с длиной волны 200 400 нм), составляющее значительную часть солнечного спектра, может вызвать химические изменения в ДНК бактерий и клеток кожного покрова человека. В результате поглощения ультрафиолетовых (УФ) лучей пуриновое или пиримидиновое основание переходит в возбужденное состояние, при котором в структуре этого основания возможны ковалентные изменения.

Под действием другого вида лучистой энергии - ионизирующего излучения из биологической молекулы могут выбиваться один или несколько электронов, что приводит к образованию крайне нестабильного иона или свободного радикала. Такой продукт обладает высокой реакционной способностью и может вызвать в ДНК аномальные химические изменения. Вокруг нас постоянно существует фон ионизирующего излучения как в форме космических лучей, проникающих в глубинные слои земли, так и в форме излучения, испускаемого радиоактивными изотопами радия, плутония, углерода и водорода . Еше один вид ионизирующего излучения - это рентгеновские лучи, используемые при медицинских обследованиях, а также при радиотерапии рака и других заболеваний. Источником ионизирующего излучения служат также радиоактивные осадки, выпадающие после испытаний ядерного оружия, и радиоактивные отходы атомных реакторов. Приблизительно 10% всех повреждений ДНК, вызываемых небиологическими факторами, происходит под действием ультрафиолетового и ионизирующего излучения. К счастью, большая часть этих повреждений быстро исправляется клетками с помощью особых ферментативных механизмов.