Под воздействием химических, физических и других факторов внешней среды в молекулах ДНК могут происходить различные повреждения, связанные, главным образом, с нарушением процессов репликации, разрывом молекул ДНК и т.д., что приводит к серьезным последствиям.
Так, ультрафиолетовое (УФ) облучение в больших дозах оказывает летальное, а в малых - антимитотическое и мутагенным действием. При этом в молекуле ДНК возникает ряд изменений, например:
а) окислительное дезаминирование азотсодержащих пуриновых и пиры-мидинових оснований, входящих в состав ДНК. Так, цитозин превращается в урацил, аденин - на 6-гидроксипурин, гуанин - на 2,6-ди-гидроксипурин, что нарушает процесс комплементарности (урацил становится комплементарным аденина, а образованные производные аденина и гуанина - цитозина), что в дальнейшем приводит к нарушению в структуре закодированного белка;
б) между двумя рядом расположенными остатками тимидиловои кислоты в одной цепи ДНК, или между ее цепями, в результате реакции фотодимеризации молекулы тимина образуют димеры - двойные тимин кольца с образованием между ними 5,6-циклобутанового кольца. Между Дымер возникают ковалентные связи, которые нарушают стерические условия, необходимые для репликации ДНК, то есть возникают препятствия при репликации ДНК;
в) возможно появление участков локальной денатурации ДНК (различия цепей), которые также препятствуют репликации.
В процессе эволюции в клетках живых организмов образовались определенные механизмы репарации (восстановления) поврежденной ДНК. В клетке существует система репарационных ферментов, функция которых заключается в устранении повреждений в генетическом материале.
Один из процессов репарации, что происходит вследствие действия света, называют фотореактивации. Существует фермент (ДНК-фотолаза), которая, присоединяясь к хромофора, поглощает видимый свет, доставляя необходимое для осуществления реакции энергию. Фермент специфически взаимодействует с тиминових диммером, расщепляя его на мономеры. При этом восстанавливаются водородные связи между освобожденными двумя тем-нами и аденина в комплементарных полинуклеотидных цепях ДНК. Функция ДНК восстанавливается примерно на 90-95%.
Другой изучен процесс репарации, который не зависит от наличия света, получил название темновой репарации или эксцизионной (от лат. Excisio - вырезание). В этом случае удаляются поврежденные участки с участием целого комплекса ферментов. Так, специфическая эндон-клеаза распознает повреждения и надрезает цепь ДНК вблизи тем-нового димера. Другой фермент (УФ-эндонуклеаза) вырезает олигонук-леотид, содержащий тиминових димер, ДНК-полимераза I или II заполняют образован прорыв путем замещения тимидиловимы нук-леотидамы. Фермент ДНК-лигаза образует фосфодиефирний связь между новосинтезированные фрагментом и остатком молекулы ДНК.
Если повреждение охватывают оба цепи ДНК, то указанные повреждения не могут быть ликвидированы системами репарации, поскольку застройка прорыва требует наличия матрицы - непошко-утвержденного цепи ДНК.
С помощью темновой репарации может происходить исправление большинства потенциально летальных нарушений генома. Так, у бактерий она может устранять разрывы полинуклеотидных цепей ДНК, вызванные действием рентгеновских лучей; удалять сшивки пуриновых оснований в ДНК, вызванные действием иприта.
Таким образом, системы репарации повышают стабильность носителя наследственной информации - ДНК.
Некоторые наследственные заболевания человека связаны с дефектами в репарации повреждений ДНК, например, пигментная ксеродерма. Больные ксеродерму чрезвычайно чувствительны к солнечному свету, у них часто возникает рак кожи. Доказано, что эта болезнь кожи в одних больных связана с инактивацией УФ-эндонуклеазы, в других - клетки не способны репаруваты ДНК, которые имеют одиночные разрывы, в связи с отсутствием, вероятно, ДНК-полимеразы I.