Гораздо более серьезная форма повреждения ДНК возникает, когда обе ее нити разрываются и молекула распадается на две части, которые нужно заново соединить. Иногда даже происходят множественные разрывы на разных хромосомах. Это может привести к страшной путанице, когда половина одной хромосомы соединяется с половиной совершенно другой хромосомы или когда оторванный фрагмент вставляется на место задом наперед. Если снова представить ДНК как текст, состоящий из предложений, то изменения отдельных оснований подобны опечаткам: иногда они могут исказить смысл, но обычно мы его все-таки понимаем. Если же некорректно исправить разрыв двойной нити, то это все равно что из длинного текста вырезать предложения или целые абзацы, а потом вставить обратно в текст в случайном порядке. Иногда смысл текста еще можно понять, но в других случаях он окажется полной ерундой. Так что для клетки жизненно важно сращивать концы разорванной ДНК сразу, как только она их обнаружит, желательно до того, как произойдет множественный разрыв. Особые белки распознают разрывы и соединяют концы, восстанавливая целую молекулу ДНК. В этом процессе учитывается последовательность ДНК на концах оборванных нитей, и, если в клетке одновременно происходит не один разрыв, а несколько, всегда есть вероятность, что соединяемые концы перепутаются. Когда в геноме возникает такая путаница, это может привести к различным проблемам. Одна из них – утрата функции, когда клетка плохо справляется или вовсе не справляется со своей задачей. В других случаях происходит искажение или потеря сигналов, управляющих генами. В результате клетки начинают делиться бесконтрольно, что приводит к развитию рака.
Люди относятся к диплоидным организмам, то есть имеют по две копии каждой хромосомы. Более распространенный и точный способ восстановления разрывов двойной нити – это использование неповрежденной ДНК из другой хромосомы для образца. Даже у таких организмов, как бактерии, во время деления клетки и дупликации ДНК нередко присутствует вторая копия. Так или иначе, механизм репарации выстраивает разорванные фрагменты напротив соответствующих участков второй (целой) копии ДНК, создавая сложную структуру, в которой переплетаются все четыре нити. Это надежнее, чем просто захват обрывков и соединение их случайным образом, потому что этот механизм проверит, те ли концы соединяются. Именно таким способом восстанавливается целостность генома и заполняются любые пробелы, которые могут возникнуть, если оборванные концы повреждаются.
Наш геном может подвергаться мутациям не только в результате воздействия химических веществ. При каждом делении клетки должен копироваться весь геном, а это примерно то же самое, что скопировать текст длиной в 3 млрд букв. В биологии ни один процесс никогда не происходит безукоризненно точно. И как в случае с переписыванием текста от руки или набором на клавиатуре, чем больше ты торопишься, тем больше делаешь ошибок. ДНК-полимеразы – ферменты, реплицирующие ДНК, – работают невероятно точно и, более того, могут проверять свою работу, так сказать, исправлять ошибки по ходу дела. Впрочем, ошибки все-таки случаются – примерно одна на миллион букв. Для генома из нескольких миллиардов знаков это означает, что при каждом делении клетки случается несколько тысяч ошибок. Клетка не может делиться бесконечно, и в реальности всегда достигается компромисс между скоростью и точностью. Неудивительно, что клетка[92] создала сложнейший механизм для исправления этих ошибок.
Пол Модрич в ходе целой серии тщательно продуманных экспериментов[93] установил, каким образом ферменты в клетках бактерий распознают несоответствие, вырезают участок новой нити, содержащий ошибку, и заполняют этот пробел так, чтобы ошибка была исправлена. Сегодня достоверно установлено наличие этого механизма у бактерий, но ученые все еще не пришли к согласию в отношении того, как такого рода ошибки исправляются у высших организмов, например у человека.
Научному сообществу потребовалось немало времени, чтобы осознать всю важность повреждений и восстановления ДНК. Мёллер получил Нобелевскую премию в 1946 г., через целых 20 лет после того, как открыл, что воздействие рентгеновских лучей вызывает мутации. Но к 2015 г., когда Линдал, Санджар и Модрич получили Нобелевскую премию по химии, тема репарации ДНК уже давно не считалась маргинальной. В настоящее время общепризнано, что этот процесс критически важен для всех живых организмов, а также для понимания механизмов развития рака и старения. Как и в большинстве областей науки, эти открытия опирались на работу сотен ученых из различных лабораторий во многих странах мира, однако Нобелевскую премию разрешается[94] разделить не более чем между тремя номинантами, так что комитету достается незавидная работа выбрать для награждения трех наиболее важных, и не всегда без споров. Премия также не присуждается посмертно, а Дик Сетлоу, как ни печально, умер в возрасте 94 лет – за несколько месяцев до объявления лауреатов.
За годы работы ученые выделили множество различных репаративных ферментов. Многие из них, по сути, одинаковы для всех форм жизни, от бактерий до человека. Репарация ДНК настолько важна для жизни, что появилась миллиарды лет назад, еще до того, как разделились эволюционные линии бактерий и эукариотов. Поддержание стабильности генома и записанных в нем инструкций критически важно для клетки и требует постоянного наблюдения и исправления ошибок. Эти репаративные ферменты можно считать защитниками нашего генома.
Повреждения ДНК происходят непрерывно, и поэтому любой дефект в самом механизме репарации особенно опасен, ведь это значит, что повреждения будут быстро накапливаться. Неудивительно, что многие мутации в генах, кодирующих белки, которые участвуют в репарации ДНК, часто связаны с раком: например, мутации в гене BRCA1 предрасполагают женщин в основном к раку молочной железы и яичников. Дефекты механизма репарации также приводят к старению, но поскольку вероятность развития рака повышается с возрастом, то эти два следствия трудно разделить. Наверное, никто другой не исследовал так всесторонне связь дефектов механизма репарации ДНК и преждевременного старения организма, как нидерландский ученый Ян Хоймакерс. Одно из заболеваний, которые он изучал[95], – синдром Коккейна, характеризующийся симптомами, которые обычно ассоциируют со старостью, такими как нейродегенерация, атеросклероз и остеопароз. У женщин[96] нарушение реакции клетки на повреждения ДНК может влиять на возраст наступления менопаузы. В целом чем эффективнее наш организм способен восстанавливать ДНК, тем успешнее он противостоит старению.
ОБНАРУЖИВ СЕРЬЕЗНОЕ ПОВРЕЖДЕНИЕ ДНК, клетка запускает процесс, называемый «ответом на повреждение ДНК». И это не всегда хорошая новость: ответ на повреждение зачастую влияет на старение сильнее, чем само повреждение. Иногда клетка[97] переходит в состояние сенесцентности, в котором она не способна больше делиться, а в крайних случаях вынуждена совершить самоубийство. Представляется странным, что жизни в процессе эволюции понадобилось развить механизм убийства собственных клеток, но одной клеткой среди миллиардов, составляющих организм, всегда можно поступиться. В то же время, если клетке позволить превратиться в раковую, она может размножиться и в какой-то момент убить весь организм. Как гибель клетки, так и переход в сенесцентное состояние – важные факторы старения, особенно второе, и в последующих главах мы расскажем о них гораздо подробнее. Пока же отметим, что ответ на повреждение ДНК – это развившийся в процессе эволюции механизм, уравновешивающий риски между развитием рака и старением. Это еще один механизм, который должен помогать нам в начале жизни, даже если позже, когда мы уже передадим свои гены потомству, нам придется за это заплатить.
Главную роль в ответе на повреждение играет белок, называемый p53, – кодируемый геном-супрессором опухолей ТР53. Этот белок настолько важен, что его нередко называют «стражем генома». Почти 50 % всех случаев рака связаны с мутацией в этом гене, а при некоторых формах рака этот показатель достигает 70 %. Обычно p53 связан с белком-партнером и неактивен. Кроме того, он постоянно возобновляется в клетке – непрерывно производится и быстро разрушается. В случае повреждения ДНК p53 активируется и начинает накапливаться. Высвобождаясь из связки с белком-партнером, он мгновенно включается в работу и запускает экспрессию множества генов – в данном контексте экспрессия генов означает производство функциональных белков на основе информации, закодированной в этих генах. Некоторые из этих генов кодируют белки, предназначенные для репарации ДНК. Другие останавливают