Частота ошибок при репликации ДНК E. coli не превышает 1 на 1-10 млрд. нуклеотидов. Поскольку геном E. coli содержит приблизительно 4.5 млн. п.н., то на 10 тыс. поделившихся клеток встраивается только 1 неправильный нуклеотид.
Если бы точность репликации определялась бы только энергией уотсон-криковского спаривания комплементарных оснований, то частота ошибок при репликации была бы на 5 порядков выше.
Точность репликации повышается благодаря 3'65'-экзонуклеазной активности ДНК- полимераз I и III. Если какая-либо из этих полимераз встраивает неправильный нуклеотид, то фермент сам может распознать неспособность этого нуклеотида образовать правильную пару с соответствующим нуклеотидом матрицы. В этом случае фермент возвращается назад и отщепляет неправильный нуклеотид с 3'-конца, после чего продолжает присоединять правильные нуклеотиды, т.е. возобновляет свое обычное продвижение вдоль матрицы в направлении 5' 6 3'. Корректирующее действие ДНК-полимеразы (proofreading) практически обеспечивает наблюдаемую точность репликации, однако это лишь один из путей, обеспечивающих высокую точность репликации.
Для исправления различных ошибок и спонтанных повреждений в ДНК клетки содержат специальный набор репарирующих ферментов. Наиболее частое повреждение в ДНК - это спонтанная апуринизация, заключающаяся в разрыве гликозидной связи между остатком аденина или гуанина и дезоксирибозой и происходящее, например, в каждой клетке человеческого тела с частотой около 5 тыс. разрывов в сутки. Другое повреждение ДНК - спонтанное дезаминирование цитозина, превращающее его в урацил, - происходит в каждой клетке с частотой 100 событий/сут. Помимо спонтанных повреждений в ДНК постоянно возникают индуцированные, т.е. вызванные различными факторами повреждения. Повреждающим фактором может быть высокоэнергетическое излучение - ультрафиолетовое (200 - 400 нм) или ионизирующее. На долю этого фактора приходится примерно 10% всех повреждений ДНК, вызываемых небиологическими факторами. Например, под действием ультрафиолетового излучения между двумя соседними пиримидиновыми остатками (чаще всего это два соседних тимина) может возникать ковалентная связь, в результате чего образуется димер, который будет непреодолимым препятствием для ДНК- или РНК- полимеразы. Повреждения в ДНК могут вызываться также активными химическими соединениями окружающей среды, называемыми мутагенами. Различают три основных типов мутагенов: 1) дезаминирующие агенты (например, HNO2 и нитриты), приводящие к превращению цитозина в урацил, аденина в гипоксантин, а гуанина в ксантин; 2) алкилирующие агенты (например, диметилсульфат, превращающий гуанин в О- метилгуанин, неспособный спариваться с цитозином) и 3) соединения, которые из-за своего сходства с нормальными основаниями могут подменять их в молекуле ДНК (например, 5- бромурацил или 2-аминопурин).
Неправильные нуклеотиды, как правило, удаляются из ДНК системой эксцизионной репарации (от англ. excision - вырезание). На первом этапе поврежденная структура узнается либо ферментом специфической эндонуклеазой, который делает одноцепочечный разрыв с 5'-стороны от повреждения (путь 1 на рис. 142), либо ферментом специфической ДНК-гликозилазой, который катализирует гидролитическое отщепление измененного основания от дезоксирибозы (путь 2 на рис. 142). К специфическим эндонуклеазам относится, например, фермент УФ-эндонуклеаза, узнающий тиминовый димер. В каждой клетке существует также не менее 20 различных специфических ДНК-гликозилаз, узнающих какой-либо один тип измененных оснований в ДНК.
Среди них имеются ферменты, удаляющие дезаминированный цитозин (урацил-ДНК-гликозилаза), дезаминированный аденин, алкилированные основания различных типов, основания с разомкнутым кольцом и основания, в которых двойная углерод-углеродная связь заменена простой. Участок с удаленным ДНК-гликозидазой или спонтанно отщепившимся основанием узнает AP-эндонуклеаза (апуриновая или апиримидиновая), которая тоже делает одноцепочечный разрыв в этом месте. Другой разрез производится эндонуклеазой с 3'- стороны примерно на расстоянии 12 - 20 нуклеотидов. Затем у E. coli на стадии вырезания ДНК-полимераза I за счет своей 5'63'-активности выщепляет нуклеотиды между разрезами, и она же застраивает получившуюся брешь правильными нуклеотидами, после чего ДНК- лигаза "зашивает" одноцепочечный разрыв. Хотя в клетке репарация, по-видимому, осуществляется ДНК-полимеразой I, ДНК-полимеразы II и III способны ее заменить. У эукариот функцию, аналогичную функции ДНК-полимеразы I, выполняет ДНК-полимераза b.
В том случае, когда нарушение структуры ДНК заключается в неправильном спаривании обычных оснований, репарирующая система не может определить, какое из оснований правильное. В этом случае возможен случайный выбор для удаления одного из неспаренных оснований. Но во многих случаях может быть применена рекомбинационная репарация, которая использует материал одной молекулы ДНК (из гомологичной хромосомы) для восстановления другой (рис. 143).