Репарации

Большинство изменений генетического кода, возникающих в результате мутаций, ведут к нарушению структуры и функции бактериальных клеток и часто являются летальными. Лишь небольшое количество из них является приспособительными и закрепляется отбором. Отсюда в процессе эволюции неизбежно возникли мощные механизмы, приводящие к восстановлению структуры поврежденной ДНК. Такие системы получили название репарационных, а сам процесс восстановления – репарации.

Эти системы состоят из многочисленных ферментов, контролирующих состояние ДНК.

Типичным примером репарационных систем является система фотореактивации. Она активизируется при образовании тиминовых димеров в ДНК под действием ультрафиолетового облучения. Ферменты, ответственные за фотореактивацию (в частности – фотолиаза), действуют в присутствии видимого света и деполимеризуют тиминовые димеры до исходных мономеров.

Аналогичная система, функционирующая в отсутствие видимого света, называется системой темновой репарации.

Существует дорепликативная и пострепликативная репарация, которые отличаются по механизмам.

В случае дорепликативной репарации происходит выявление поврежденных участков и их эксцизия (вырезание) эндонуАклеазами с последующим удалением. Далее осуществляется синтез поврежденной цепи по матрице сохранившейся и сшивание участков ДНК-лигазой.

Пострепликативная репарация обеспечивается рекомбинационными процессами с замещением поврежденных участков.

Особое место в жизнедеятельности как отдельных бактериальных клеток, так и всей микробной популяции в целом занимает так называемая SOS-репарация или SOS-ответ.

SOS-ответ представляет собой индуцируемую реакцию клеток на резкую остановку синтеза нуклеиновых кислот, вызванную обширным повреждением ДНК, голоданием клетки или другими факторами. Это крайний ответ клетки на критическое состояние, приближающее ее к гибели. У Е. соli результатом SOS-ответа является индукция синтеза около 25 белков, имеющих прямое отношение к репарации, рекомбинации и синтезу ДНК.

Этот вид репарации у микробов контролируется так называемой SOS-областью (или SOS-регулоном). В норме эта область находится в репрессированном состоянии и активируется лишь в критические для клетки моменты. Возникает взрыв генетических процессов – возрастает частота мутаций как точечных, так и по типу сдвига рамки считывания, увеличивается частота хромосомных перестроек, активируются специализированные системы делеции ДНК, возрастает частота рекомбинационных обменов, и наконец, становится возможной запрещенная межвидовая рекомбинация.

Задача SOS-индуцированного мутагенеза – заставить ДНК-полимеразу пройти повреждение даже ценой ошибки.

SOS-ответ имеет весьма важное значение для развития микробной популяции в целом. К настоящему времени уже выяснено, что и эволюция генома, и шоковая адаптация популяции к изменившимся внешним условиям происходит не только путем постепенного накопления необходимого числа мутаций для получения нового признака. Лишь горизонтальный (в том числе – межвидовой) перенос блоков, составляющих гены, или даже целых генов, может обеспечить моментальное приобретение нужного качества.

В природной популяции Е. соli до 1% клеток имеют мутантный фенотип. Таково условие выживания данной популяции. В благоприятных же искусственных условиях число клеток-мутантов снижается на несколько порядков. Отсюда для постоянно идущего процесса эволюционной изменчивости более выгодны стрессовые ситуации, предусматривающие, в частности, межвидовой обмен генетическим материалом. Это и обеспечивает индуцибельная система SOS.