У всіх живих організмів ДНК потребує постійного ремонту, і для цієї мети в клітинах є кілька головних ремонтних систем, що допомагають підтримувати геном в цілості і збереження.
Як ми всі добре знаємо, наша спадкова інформація - та й не тільки наша, а взагалі будь-якого живого організму на Землі - зберігається в молекулах ДНК. Щоб ця інформація «запрацювала», її потрібно перетворити на білок, для чого спочатку з якогось гена, який являє собою ділянку ДНК, знімається РНК-копія (відбувається транскрипція), а потім на РНК синтезується молекула білка (трансляція). По суті, в ДНК записані схеми збирання білкових молекул і додаткові регуляторні «параграфи», за допомогою яких можна дуже точно регулювати кількість того чи іншого білка. Крім того, генетичну інформацію потрібно також передавати в наступні покоління. Тут існує спеціальний молекулярний процес, реплікація, тобто подвоєння молекули ДНК, щоб одна копія геному змогла перейти дочірній клітині.
Як легко здогадатися, збереження генів стало найпершим завданням, яке довелося вирішувати живим організмам вже на найначальніших етапах еволюції. Дійсно, уявімо, що в ген прокралася помилка: у такому випадку з'являється ймовірність, що білок, синтезований відповідно до зміненої інструкції, буде працювати не так, як треба, і що зіпсований варіант гена перейде в наступні покоління. Щоб цього не відбувалося, існують спеціальні молекулярні машини, що виконують репарацію ДНК, і саме за опис різних механізмів репарації і була присуджена чергова Нобелівська премія з хімії.
Щоб зрозуміти, які пошкодження можливі в ДНК і як їх слід виправляти, потрібно хоча б побіжно згадати хімічну будову нуклеїнових кислот. І ДНК, і РНК складаються з безлічі мономерів-нуклеотидів; нуклеотид же, у свою чергу, складається з трьох частин: залишку фосфорної кислоти, вуглеводу та азотистої основи. Вуглевод (рібоза або дезоксирибоза) і фосфорна кислота складаються в цукрофосфатний остов, утиканий азотистими підставами, які якраз виконують функцію букв генетичного коду: А - підстава аденін, Т - основа тимін (в РНК замість тіміна - U, урацил), G - основа гуанін, С - підстава цитозин. ДНК складена з двох ланцюгів, об'єднаних у спіраль, і підстави на одному ланцюжку взаємодіють з іншим: аденін - з тіміном, гуанін - з цитозином. Це називається правилом комплементарності, завдяки якому клітина може на одному ланцюгу ДНК зробити нову - просто підбираючи відповідні комплементарні нуклеотиди.
Візерунок підстав у ДНК дозволяє зашифрувати будову будь-якого білка (докладно організацію генетичного коду ми зараз обговорювати не будемо). Так що в інтересах «генетичної безпеки» букви ні в якому разі не повинні змінюватися, зникати, і т. д. А між тим саме так і відбувається: в геномі якісь нуклеотиди постійно вилітають зі свого місця, або ж змінюються на інші, або ж в ряду нуклеотидів з'являється хтось зайвий. Такі події називаються мутаціями, і трапляються вони не тільки під впливом зовнішніх факторів, наприклад, радіоактивного або ультрафіолетового випромінювання. У самій клітині під час метаболізму з'являються агресивні молекули, здатні внести мутацію в ДНК. Нарешті, реплікуючі машини, які подвоюють генетичний матеріал, синтезують нові ланцюги все-таки не зі стовідсотковою точністю. Заміна або випадання нуклеотиду не обов'язково призводять до серйозних наслідків, але багато мутацій можуть запустити рак, або стати причиною якогось психоневрологічного захворювання, або ж вивести з ладу обмін речовин, і т. д. Завдання
систем репарації - шукати такі помилки і своєчасно їх виправляти. Томас Ліндаль (Tomas Lindahl), один з нинішніх лауреатів, у 1974 році опублікував статтю, в якій описував бактеріальний фермент, що дозволяє відновити пошкоджений цитозин у ДНК. Цитозін (С) схильний втрачати одну хімічну групу, перетворюючись на урацил (U), так що в результаті кращим напарником в сусідньому ланцюжку ДНК для нього стає не гуанін (G), а аденін (А). І спеціальний білок у бактерій займається тим, що вирізає з ДНК поламаний цитозин, ліквідуючи мутацію.Кілька
десятків років Ліндаль займався тим, що уточнював молекулярний механізм, який був названий ексцизійною (тобто вищеплюючою) репарацією підстав. Він є не тільки у бактерій, а й у інших організмів, аж до людини; ключовими ж білками тут є ферменти-глікозилази. Вищенаведений приклад з цитозином - лише один з можливих, дефектними можуть ставати й інші «букви» - підстави. Ремонт же починається з того, що ДНК-глікозилаза відщеплює пошкоджену «букву». Потім підключаються інші білки, що видаляють з ланцюга ДНК цукор і фосфорну кислоту, які тримали на собі модифіковану основу. В результаті в ДНК-ланцюжку виходить діра, яку закладають нові білки: вони вставляють у визволене місце ту «букву», яка тут повинна бути.
Але таке точкове вирізання підстав - лише один з механізмів ремонту ДНК. Ще наприкінці 40-х років минулого століття біологи описали цікавий феномен: бактерії, опромінені ультрафіолетом (або жорстким іонізуючим випромінюванням), переставали рости і гинули, але поверталися до зростання, якщо їх освітлювали звичайним світлом. Було встановлено, що ультрафіолет погано діє на ДНК, зшиваючи разом деякі пари підстав, що сидять поруч на одному ланцюгу, - такі дімери сильно ускладнювали реплікацію ДНК. Сам собою напрошувався висновок, що існує якийсь фотоактивований білок, який усуває подібні нуклеотидні аномалії. Азіз Санджар (Aziz Sancar), біохімік з Туреччини, почав свою наукову кар'єру в США з того, що успішно визначив цей білок (його назвали ДНК-фотоліазою). Однак його результати в той час мало кого вразили. (Згодом виявилося, що фотоліаза виконує чи не найпростішу ДНК-репарацію: вона за допомогою енергії світла просто поділяє з'єднані нуклеотиди. Такий спосіб ремонту ДНК є у бактерій, архей, дріжджів, комах, але у людини, як і у багатьох вищих еукаріот, нічого такого немає.)
Скоро стало ясно, що у бактерій, крім світлової репарації (або фотореактивації), є ще й «темнова», яка йде сама по собі, без всякого світлового стимулювання. У складі дослідницької групи, яка намагалася розшифрувати механізм такої репарації, Санджару протягом кілька років поставив ряд експериментів, в ході яких вдалося визначити ферменти, що відповідають за ремонт ДНК при пошкодженні ультрафіолетом, і зрозуміти механізм їх роботи. В даному випадку з ланцюга ДНК вирізається не один-єдиний пошкоджений нуклеотид, а цілий шматок, фрагмент з декількох «букв» (у бактерій - 12-13, у людини - 27-29), що містить пошкоджену ділянку. Ферменти, які це роблять, називаються ексцизійні нуклеази. Потім настає черга іншого білка, який робить «заплатку» на те місце, звідки вирізали шматочок генетичного тексту; правильним шаблоном служить інший ланцюг ДНК (не забуваємо про принцип комплементарності!). Нарешті, останній етап - готова заплатка з обох кінців за допомогою нових ферментів пришивається на «продірявлене» місце
. Таку репарацію назвали ексцизійною репарацією нуклеотидів, і спочатку її вивчали на бактеріях. Що стосується людини, то у нас все відбувається складніше, і білків бере участь більше, але сам принцип роботи у всіх організмів тут однаковий: з запасом вирізати пошкоджений шматок і зробити його заново. Виходить, що з урахуванням фотоліази на рахунку Санджара цілих два репаруючих механізми. Необхідно відзначити, що, на відміну від «механізму Ліндаля» (ексцизійної репарації підстав), яка ремонтує лише деякі різновиди пошкоджень ДНК, «механізм Санджара» видаляє всі можливі пошкодження, хоча і з різною ефективністю, і його роль у підтримці стабільності генома досить і досить велика
. Нарешті, з ім'ям третього нобелеату, Пола Модріча (Paul Modrich), пов'язано відкриття ще одного механізму ремонту ДНК. Він починав з досліджень ферментів ДНК-метилтрансфераз (або ДНК-метилаз) у бактерій.Їх функція полягає в тому, щоб метильними групами мітити підстави в бактеріальній ДНК - якщо потім в клітку проникне вірус, то його ДНК буде знищена як така, що не має захисних метильних міток. Однак у зв'язку з метилазами виявився ще один дивний молекулярний феномен: коли в бактеріальну клітку запускали спеціально сконструйований вірус, в ДНК якого деякі підстави були некомплементарні один одному, то такі неправильні пари виправлялися якраз за допомогою метилази. Тоді ж було висунуто припущення, що це потрібно при помилках копіювання: хоча, як ми згадували вище, реплікаційні машини, що подвоюють ДНК, працюють дуже точно, помилки у них все ж трапляються, і буває, що навпроти генетичної «букви» в одному ланцюгу встає зовсім некомплементарна їй «буква» в новому ланцюгу. Для усунення таких похибок якраз і існує окрема система, яка називається репарацією помилково спарених нуклеотидів, або місматч (mismatch) -репарацією, якщо використовувати кальку з англійського терміну. Метилювання ж потрібно для того, щоб позначати правильний, старий ланцюг ДНК - помилка буде виправлена відповідно до її нуклеотидної послідовності
. До кінця 80-х років минулого століття Полу Модрічу вдалося визначити всі ферменти, що беруть участь у місматч-репарації, і навіть продемонструвати їхню роботу в штучній системі. Коротко її етапи такі: спеціальний білок знаходить неправильно спарені нуклеотиди, після чого до нього приєднується його «колега», який визначає, на якому ланцюгу знаходиться метильна група. Потім у справу включаються ферменти, що вирізають з нової (тобто позбавленої метильної мітки) ланцюга ДНК фрагмент з неправильною «буквою», після чого ДНК тут синтезується заново. Як і в попередніх випадках, дослідники підтвердили, що такий же механізм працює не тільки у бактерій, але й у інших організмів, аж до людини
. Серед систем репарації ДНК є ще деякі різновиди і модифікації, не виключено, що в майбутньому до них додадуться й інші. Однак три вищеописані механізми можна назвати основними, присутніми у більшості живих організмів. Коли мова йде про дослідження таких фундаментальних процесів, то звістки про Нобелівську премію сприймаються з деяким подивом - здається, що за це вже давно все всім дали. Зауважимо, втім, що сама по собі думка, що у клітин повинен бути механізм ремонту ДНК, відносно проста (хоча, за словами Томаса Ліндаля, деякий час тому всі були переконані у виключній стабільності клітинної ДНК, для якої ремонт-то майже і не потрібен). Зовсім інша справа - розшифровка механізмів молекулярних процесів, деталізація, визначення етапів тощо; власне, саме на розшифровку механізмів, на підтвердження початкової здогадки у всіх трьох випадках пішли роки дослідницької роботи, а потім повинні були пройти ще роки для того, щоб стало остаточно ясно, що все саме так, як ми з'ясували. І тому у формулюванні Нобелівського комітету йдеться саме про «механізми репарації ДНК»
.Що ж до «народногосподарської користі», то тут все просто: ДНК в наших клітинах ламається постійно, і, якщо її вчасно не ремонтувати, наш геном зануриться в хаос, з усіма витікаючими наслідками. Про це цілком наочно говорить статистика: вважається, що від 80% до 90% всіх ракових захворювань пов'язані з неправильною роботою ДНК-репаруючих систем
. І останнє - ми майже нічого не сказали про те, до яких країн належать нові лауреати, в якому університеті вони виконали свої епохальні роботи тощо. Однак сучасна наука, і особливо такі її області, як молекулярна біологія, така, що питання про «національну приналежність» того чи іншого відкриття просто безглузде.Судіть самі: Азіз Санджар народився і отримав медичну освіту в Туреччині, але потім перебрався до Техаського університету в Далласі, де займався фотоліазою, потім працював у Єлі, а свої нобелівські результати отримав в Університеті Північної Кароліни в Чапел-Хілл; зараз він зберігає подвійне громадянство Туреччини і США. Томас Ліндаль народився в Швеції і отримав вищу освіту в Каролінському інституті, потім деякий час працював у США, а потім переїхав до Великобританії, де в Імперському фонді з дослідження раку продовжив раніше розпочату роботу з розшифровки ексцизійної репарації підстав. З Полом Модрічем все трохи простіше: він і народився в США, і вивчився там, і працював, але знову ж таки його науковий шлях пов'язаний з цілою низкою університетів, від Стенфордського до Університету Дьюка. Іншими словами, наукою варто займатися там, де ви зможете знайти відповіді на свої запитання, і де ви зможете отримати результати, які принесуть користь всім людям
. За матеріалами Нобелівського комітету.