Глава 28
Основные биологические механизмы самозащиты генома клетки
Иммунитет существует не только на уровне целостного организма, но и на уровне клетки. Здесь он направлен на защиту самого ценного, что имеется в клетке, – ее генома и опосредуется самим геномом.
Одним из самых удивительных свойств генетической системы является ее способность к самозащите (иммунитету), реализуемая с помощью специальных биологических механизмов, обеспечивающих необходимую для существования и эволюции живой материи стабильность генетической информации и высокую надежность ее функционирования.
Действие этих механизмов проявляется как в особых реакциях, посредством которых осуществляется самоисправление различных нарушений в структуре ДНК (приводящих либо к извращению смысла генетической информации, либо к структурным повреждениям, имеющим летальные последствия), так и в реакциях, ведущих к исключению возможности функционирования в клетке чужеродного генома. В соответствии с этим, известные биологические механизмы самозащиты генома клетки можно разбить на следующие основные группы:
1) механизмы ревизии, позволяющие исключить из вновь синтезируемой ДНК ошибочно включенные нуклеотиды; благодаря этому механизму возможность включения ошибочного нуклеотида сводится к минимуму;
2) механизмы супрессии, или исправления нарушенного смысла генетического кода;
3) механизмы репараций, или самоисправлений структурных повреждений в ДНК;
4) механизмы модификации и ограничения (рестрикции), контролируемые хозяином;
5) механизмы подавления репродукции в клетке чужеродного генома;
6) механизмы подавления выражения информации чужеродного генома, интегрированного в геном клетки-хозяина.
Механизмы ревизии, или самокоррекции, осуществляются ДНК-полимеразой. Она способна устранять свои собственные ошибки, которые могут возникать в процессе репликации ДНК, обнаруживать и удалять неправильные пары и замещать их правильными. Благодаря такой саморевизии и самокоррекции обеспечивается необычайно высокая точность копирования при репликации ДНК. В среднем на каждые 1 · 109 комплементарных пар, образующихся при воспроизведении генома млекопитающего, состоящего из 3 · 109 пар оснований, происходит одна ошибка.
Супрессии, или супрессорные мутации, – это мутации, ведущие к восстановлению исходного фенотипа мутантной клетки. В основе супрессии лежат так называемые обратные мутации: восстановление исходного фенотипа происходит не в результате восстановления первоначального состояния самого мутантного гена, а вследствие дополнительных мутаций в том же или в других генах, которые и приводят к восстановлению исходного фенотипа.
Репарация ДНК основана на том, что генетическая информация в ДНК продублирована двумя копиями – по одной копии в каждой из двух цепей молекулы ДНК. Благодаря этому случайное повреждение в одной из цепей может быть удалено репарационными ферментами, и данный участок цепи заново синтезирован в своем нормальном виде за счет информации, которая содержится в неповрежденной цепи. Процессы репарации осуществляются с помощью особых наборов ферментов: ДНКполимераз, ДНК-лигаз или ДНК-гликозилаз.
Кроме явлений саморепликации, репарации и процессов, с помощью которых устраняются различные нарушения в структуре самого генома или исправляются нарушения информации, для его самозащиты клетка использует и другие биологические механизмы, направленные главным образом на исключение возможности конкурентного функционирования проникающего в него чужеродного генома. С помощью этих механизмов осуществляется либо избирательное разрушение чужеродного генома и таким образом исключается возможность его интеграции в геном клеткихозяина, либо предотвращается его репродукция в клетке, либо подавляется выражение содержащейся в нем информации, даже если он интегрировался в геном клетки-хозяина. К таким механизмам относятся, в частности, механизмы ограничения и модификации и система интерферонов.
Механизмы модификации и ограничения, контролируемые клеткой-хозяином, описаны у различных видов бактерий. Они связаны с активностью двух взаимодополняющих ферментных систем, одна из которых осуществляет специфическую модификацию «своей» ДНК (благодаря чему она и распознается ферментами ограничения как «своя» ДНК), а другая – система ограничения (рестрикции) – разрушает неприемлемую ДНК, если она не прошла соответствующей модификации, т. е. является «чужой» и должна быть разрушена.
О существовании в клетке специальных биологических систем, подавляющих репродукцию чужеродного генома, свидетельствует наличие белков-интерферонов. Хотя прямых доказательств существования систем, подавляющих выражение информации чужеродного генома, интегрированного в геном клетки-хозяина, еще не представлено, однако существует целый ряд косвенных данных, которые делают такое предположение весьма правдоподобным. Поскольку состояние лизогении (внедрение фагового генома в хромосому бактериальной клетки) или вирогении (внедрение вирусного генома в геном животной клетки) далеко не всегда проявляется фенотипически (вирус иммунодефицита человека может находиться в неактивном состоянии в течение ряда месяцев или лет), то правомерно предположить, что выражение чужеродной генетической информации каким-то образом временно или постоянно блокируется. Вместе с тем лизогения создает прочный иммунитет против суперинфекции данным фагом, т. е. обеспечивает специфический иммунитет против него. Таким же образом привнесенная в бактериальную клетку плазмида обеспечивает ей защиту против повторного заражения данной плазмидой. Так у бактерий возникает своеобразный иммунитет против чужеродных геномов.
