Соматический гипермутагенез у бактерий
Генетические исследования середины 70-х годов позволили выяснить, что мутагенез, происходящий в клетке после воздействия ДНК-повреждающими агентами, является не пассивным процессом, а требует участия определенных ферментов. Так, мутации по локусам umu (UV-induced mutability) E. coli и Rev1 (UV reversion) у Saccharomyces serevisiae резко снижали уровень мутагенеза, который обычно имел место в клетках после того, как их подвергали воздействию ДНК-повреждающих агентов ( Kato, 1977 ; Steinborn, 1978 ; Lemontt, 1971 ; Lawrence, 1976 ). Rev1-белок и UmuC-белок имели гомологию с белками многих организмов из разных таксономических групп: DinB ( E.coli ) [ Ohmori, 1995 ], Dbh ( археи ) [ Kulaeva, 1996 ], RAD30 ( S. serevisiae ) [ McDonald, 1997 ], - что позволяло сделать выводы о существовании суперсемейства вовлеченных в мутагенез белков у многих организмов и консервативности механизма мутагенеза. Вскоре было показано, что DinB и UmuC кодируются ДНК- полимеразами E. coli Рol IV и Pol V , соответственно [ Wagner, 1999 ; Tang, 1999 ; Reuven, 1999 ].
Существуют разные пути гипермутагенеза геномной ДНК, предполагающие вовлечение склонных к ошибкам ДНК-полимераз. Мутагенез часто бывает индуцированным в ответ на воздействие ДНК-повреждающих агентов. При этом он может осуществляться в процессе репликации ДНК, содержащей повреждения: в зависимости от типа повреждения различные склонные к ошибкам ДНК-полимеразы с разной частотой могут встраивать напротив повреждения корректный или "ошибочный" нуклеотиды ( error-free и error-prone translesion DNA syntesis ). Также мутагенез может происходить вследствие включения высокоошибочных ДНК-полимераз, экспрессировавшихся и активировавшихся в ответ на повреждение, в репликацию неповрежденной геномной ДНК.
Однако, гипермутагенез ДНК, осуществляемый этими ферментами, не всегда индуцируется в ответ на повреждения ДНК. Функция соматического гипермутагенеза в клетке может быть первичной. В норме высокоошибочные ДНК-полимеразы участвуют не только в репарации и репликации поврежденной ДНК, но и выполняют другие функции, связанные с их высокой склонностью совершать ошибки на неповрежденной матрице и обеспечивающие селективное преимущество организмов. Например, эти ферменты участвуют в соматическом гипермутагенезе при созревании вариабельных участков генов иммуноглобулинов и адаптивном мутагенезе .
Обычно в клетке E. coli присутствует около 250 молекул Pol IV , при SOS-ответе концентрация Pol IV увеличивается в 10 раз [ Kim, 2001 ]. Предполагается, что в отсутствие SOS-ответа небольшое количество молекул Рol IV участвует в адаптивном мутагенезе, играющем большую роль в приспособлении к окружающей среде. Этот феномен хорошо изучен у прокариот и представляет собой процесс, при котором непролиферирующие популяции бактерий в культуре генерируют мутации при действии каких-либо нелетальных селективных условий. Так Рol IV в ответе почти за 85% адаптивных мутаций со сдвигом рамки считывания гена LacZ в плазмидах клеток дикого типа [ Foster, 2000 ; Kofoid, 2003 ; McKenzie, 2001 ], при мутациях в гене Рol IV клетки E. coli характеризуются низким значением спонтанного мутагенеза [ Lenne-Samuel, 2002 ]. Известно, что многие плазмиды и транспозоны бактерий несут DinB ген [ Permina, 2002 ].
Стратегия одноклеточных прокариот ясна, у них при изменении условий окружающей среды баланс между риском и выгодой от высокомутагенного синтеза часто сдвигается на сторону выгоды. Высокоошибочные ДНК-полимеразы играют, очевидно, определенную роль в их эволюции, ускоряя ее в ответ на определенные факторы среды и способствуя прямой адаптации. Должна ли быть подобная эволюционная стратегия у эукариот и многоклеточных животных? Проведенные исследования позволяют сделать вывод о том, что в определенных тканях многоклеточных животных также имеет место гипермутагенез, в который вовлечены склонные к ошибкам ДНК-полимеразы.
