При удвоении ДНК перед делением клетки или при починке её разрывов постоянно происходят ошибки. Природа разработала несколько механизмов их исправления (репарации), но они не всегда срабатывают. Именно поэтому в клетках накапливаются мутации. Их воздействие на жизнедеятельность клетки может быть различным: многие мутации вовсе не влияют на работу клетки, некоторые – вредят, а есть такие, которые оказываются полезными и закрепляются в ходе естественного отбора.

Учёные из Университета Пердью в Индианаполисе (США) и Университета Умео (Швеция) показали, что механизм, с помощью которого клетки ремонтируют двухцепочечные разрывы своей ДНК – репликация, вызванная разрывами (BIR, break-induced replication), в 2800 раз чаще приводит к мутациям, чем обычный синтез ДНК. Результаты работы опубликованы недавно онлайн в журнале PLoS Biology.

Во время репликации, вызванной двухцепочечным разрывом, происходит не простое «заполнение» образовавшегося повреждения, а «переписывание» довольно протяжённых участков (несколько сотен нуклеотидов) до и после нарушенного участка. В качестве матрицы для «переписывания» при этом используется участок ДНК гомологичной хромосомы (копии, унаследованной от другого родителя). Этот метод позволяет быстро восстанавливать разрывы хромосом, но, как выяснилось, делает это крайне неаккуратно.

Анна Малкова (Anna Malkova) и её коллеги изучали BIR у дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Они отметили, что в некоторых случаях ферменты выбирают в качестве матрицы не тот участок гомологичной хромосомы, который соответствует месту разрыва, а какой-либо другой. Но даже в тех случаях, когда матрица выбрана верно, количество ошибок всё равно очень велико, причём не только вблизи места разрыва, но и по всей длине участка, который подвергается перестройке. После завершения BIR количество ошибок остаётся значительным, несмотря на то что в клетке существуют ферменты, предназначенные для их исправления.

Для того чтобы объяснить процесс накопления такого большого количества ошибок, понадобилось изучить взаимодействие молекул, участвующих в починке двухцепочечного разрыва. Выяснилось, что фермент полимераза-дельта, который присоединяет нуклеотиды к повреждённой цепи ДНК, работает очень быстро и небрежно. Хотя его задача в том, чтобы построить новую ДНК по образцу, «записанному» на гомологичной хромосоме, он обеспечивает лишь приблизительное соответствие матрице и может просто пропускать какие-либо нуклеотиды («буквы»). Вероятность таких пропусков повышается, если в клетке велика концентрация свободных нуклеотидов, строительного материала для новой цепи. Существуют ферменты, способные сверять матрицу с новообразованной ДНК и исправлять ошибки, но они как раз склонны к медленной и тщательной работе, и, пока они ликвидируют одну мутацию, полимераза-дельта успевает оставить за собой несколько новых.

Было известно, что при репликации, вызванной разрывами, происходят ошибки, но учёные не предполагали, что их число так велико. По мнению авторов, именно BIR – один из важнейших источников мутаций в клетке. Это значит, что именно небрежность полимеразы-дельта часто ответственна и за злокачественное перерождение клеток, и за появление новых генов в ходе эволюции.

Источник информации:

Angela Deem, Andrea Keszthelyi, Tiffany Blackgrove, Alexandra Vayl, Barbara Coffey, Ruchi Mathur, Andrei Chabes, Anna Malkova. Break-Induced Replication Is Highly Inaccurate. PLoS Biology (2011) 9(2): e1000594. doi:10.1371/journal.pbio.1000594.