Чтобы установить все детали этого процесса, ученым Р. Сэтлоу и П. Говард-Фландерсу пришлось осуществить очень тонкие опыты на культурах облученных микробов, размножающихся в среде с тимином, содержащим метку, - радиоактивный атом трития Н3 (тяжелого изотопа водорода). Им удалось показать, что у бактерий, чувствительных к облучению, вся метка оказалась включенной в ДНК, тогда как у устойчивой к радиации культуры микробов часть метки содержалась в небольших фрагментах ДНК, очевидно, удаленных из молекулы в процессе ее ремонта. В других исследованиях в качестве метки был использован искусственный аналог тимина - 5-бромурацил.
ДНК, отремонтированная группой ферментов темновой реактивации, способна, как показали специальные исследования, к удвоению и к передаче наследственной информации, что является гарантией высокого качества проведенного ремонта.
Итак, микроорганизмы и клетки более сложно устроенных живых существ обладают очень точным и быстродействующим ферментативным механизмом, осуществляющим "текущий ремонт" молекул ДНК, исправление возникающих в них лучевых дефектов - защиту ДНК от разрушительного действия излучений.
Рис. 5. Схема процесса темнового восстановления структуры ДНК, поврежденной радиацией а - двойная цепочка ДНК с дефектом (димер темина), б - разрыв дефектной цепи, в - удаление поврежденного участка нити ДНК, г - восстановление исходной структуры ДНК
Но не только излучения нарушают структуру ДНК, искажая смысл кодированных сообщений. Большая группа химических веществ, не только созданных руками человека, но и возникающих внутри организма в ходе процессов обмена веществ, взаимодействуя с азотистыми основаниями или другими компонентами ДНК, вносит ошибки в наследственный код. Такими свойствами обладают, в частности, хиноидные и липидные радиотоксины и другие необычные вещества, накапливающиеся в облученном организме. Очевидно, и многие повреждения ДНК, вызываемые химическими препаратами, устраняются в процессе восстановления. Очень интересно и важно было бы установить, существуют ли специальные ферментные механизмы для противодействия каждому из вредоносных агентов, или все эти повреждения устраняются одной восстановительной системой.
Чтобы ответить на этот вопрос, ученым также пришлось проделать огромную работу: изучить закономерности действия на ДНК различных физических и химических агентов, особенности восстановления в каждом случае, затем сопоставить их между собой. Лишь после этого был получен важный вывод: наряду со специфическим механизмом фотореактивации существует общий механизм исправления дефектов структуры ДНК самой разнообразной природы. Ферменты, осуществляющие процесс темновой реактивации, "распознают" не отдельные измененные или поврежденные азотистые основания, а те деформации и нарушения, которые эти дефекты вносят в спирально-осевую структуру молекулы ДНК в целом. Дефектный участок ДНК устраняется и заменяется аналогичным по структуре нормальным участком, независимо от причины и характера дефекта.
Очевидно, присутствие в клетках описанной восстановительной системы имеет значение не только в плане нейтрализации отдельных вредных воздействий. Роль этого механизма значительно шире и важнее: защита от разнообразных повреждений и воздействий такого вещества, как ДНК, выполняющего роль хранителя и передатчика наследственной информации, способствует сохранению постоянства признаков организмов и видов, обеспечивает повторение, воспроизведение в длинном ряду поколений прародительских свойств, одним словом, гарантирует постоянство наследственных задатков.
Свыше 100 лет тому назад немецкий ученый Август Вейсман попытался экспериментально разрешить вопрос, могут ли передаваться по наследству признаки, приобретенные на протяжении жизни отдельного организма. Несколько сот поколений лабораторных мышей прошло через его руки. Каждой из них до скрещивания ученый аккуратно отрезал хвост, а затем измерял длину хвоста у потомков. Несмотря на столь длительное повторное воздействие, длина хвоста у новорожденных не уменьшалась ни на миллиметр. Из своих опытов Вейсман сделал вывод, который в наши дни, на фоне успехов генетики, молекулярной биологии и других наук, звучит весьма странно и даже анекдотически: приобретаемые организмом свойства не наследуются, поскольку наследственное вещество, ответственное за передачу признаков организма, бессмертно и независимо от подверженного влияниям смертного тела.
И все же, при всей странности выводов Вейсмана, с современной точки зрения, в них содержалось важное рациональное зерно: большинство признаков, приобретенных организмом в процессе жизнедеятельности, действительно не передается потомкам. Простой житейский опыт убеждает, что дети молотобойца или грузчика не наследуют его мощной мускулатуры, так же как дети инвалида войны лишены его увечий. Постоянство видовых и индивидуальных признаков в длинном ряду поколений обеспечивается существованием сложного и стройного механизма кодирования, сохранения, воспроизведения и передачи наследственной информации, особенностями устройства и обмена ДНК (которая, в отличие от белков, неохотно вступает в большинство биохимических реакций). Теперь мы знаем, что в обеспечении постоянства наследственных задатков организмов, в защите их от влияний среды немаловажная роль принадлежит и общему механизму восстановления повреждений ДНК, механизму исправления ошибок генетического кода.
Но ведь постоянство видовых свойств все-таки относительно: время от времени среди массы особей данного вида возникают новые признаки, виды изменяются, появляются новые, весь органический мир развивается, эволюционирует - это хорошо известно со времен Дарвина. Значит, какая-то часть повреждений ДНК все-таки остается неустраненной, и за счет этих изменений - мутаций, появляются новые признаки и свойства; наряду с наследственностью существует и изменчивость организмов. Из массы возникающих изменений механизм отбора, естественного или искусственного, сохраняет наиболее ценные, полезные признаки, способствующие эволюции вида, его лучшему приспособлению к условиям среды.
Следовательно, для успешного развития вида, его эволюции и выживания необходимо оптимальное соотношение между наследственностью и изменчивостью, оптимальная частота возникающих новых признаков. Вид, создавший в ходе эволюции слишком совершенную систему устранения дефектов ДНК, становится консервативным, не поспевает в своем развитии за изменением среды и в конечном счете перестает эволюционировать, оказывается в тупике и даже может погибнуть.
Существование системы исправления повреждений ДНК имеет не только общебиологическое, эволюционное значение. Важна роль этой системы в регуляции устойчивости организма, отдельных его клеток и тканей к радиации. Познав в деталях механизм исправления дефектов, люди смогут управлять им, по желанию повышая сопротивляемость важных органов действию радиации или искусственно повышая чувствительность опухолевой ткани к лучевой терапии.
От каких же факторов зависит эффективность деятельности восстановительной системы? Некоторые из этих факторов нам уже известны. Прежде всего это частота митозов: если она достаточно высока, интервал между облучением и митозом по крайней мере частично обеспечивает возможность восстановления. Снижение частоты митозов, достигаемое любым возможным методом (гипотермия, гипоксия, введение антимитотических средств типа колхицина, уретана, адреналина и т. п.), дает более или менее значительный противолучевой эффект главным образом благодаря деятельности восстановительной системы.
Реакция торможения митозов является у высокоорганизованных живых существ стереотипным, неспецифическим ответом на самые разнообразные воздействия. Шум, яркий свет, электрические и механические раздражения, колебания температуры и действие других физических и химических агентов более или менее значительной интенсивности - все они вызывают кратковременную, но ясно выраженную реакцию торможения митозов.
