Глава XVI. ИНГИБИРОВАНИЕ МАКРОМОЛЕКУЛЯРНЫХ СИНТЕЗОВ

Одной из непосредственных причин гибели клеток при их облучении ультрафиолетовым светом является инактивация биосинтетического аппарата, ответственного за синтез жизненно важных макромолекул: ДНК, РНК и белков.

Основные данные по ингибированию макромолекулярных синтезов получены на микроорганизмах. Сходные закономерности обнаруживаются также у простейших, животных клеток в культуре и клеток кожи in vivo.

Спектры действия подавления синтеза ДНК, РНК и белка, включая индукцию ферментов, у микробов носят в основном нуклеиновый характер (рис. 54). Однако некоторые данные указывают на активное участие в этом процессе не только нуклеиновых кислот, но и белка. Например, в спектрах действия подавления макромолекулярных синтезов у М. radiodurans проявляется белковый компонент, а спектры действия инактивации синтеза полифенилаланина рибосомами in vitro имеют как нуклеиновый (260 нм), так и белковый (280 нм) максимумы.

Обычно фоточувствительность синтеза ДНК у микроорганизмов (штаммы Е. coli), определяемая по дозам облучения, выше, чем фоточувствительность синтеза РНК и белка.

В зависимости от видовой принадлежности и физиологического состояния биологических объектов взаимоотношения между скоростью подавления синтезов РНК и белка могут быть различными, причем чаще всего более чувствителен синтез РНК. Фоточувствительность биосинтезов различных видов РНК возрастает в ряду

. Известно также, что рибосомальная более чувствительна, чем или

В свою очередь синтез различных ферментов в клетке одного и того же микроорганизма и идентичных ферментов в разных микроорганизмах подавляется с неодинако вой эффективностью. Например, индукционный синтез ферментов подавляется раньше, чем суммарный синтез белков.

Рис. 54. Спектры действия ингибирования синтеза белка и РНК (1) и поглощения нуклеиновых кислот (2) (Hanawalt Р., Set low R., 1960)

Синтез ДНК и белка ингибируется по одноударному, РНК - по двухударному механизму, что может быть объяснено необходимостью повреждения двух участков ДНК для прекращения транскрипции.

В 1964 г. Сетлоу предположил, что ДНК-полимераза останавливается в ходе синтеза дочерней комплементарной цепи около каждого пиримидинового димера. Это предположение косвенно, подтверждается данными Раппа и Ховард-Фландерса, обнаружившими на штамме , лишенном ферментов темновой репарации, параллелизм между числом димеров и уменьшением скорости синтеза ДНК, что позволило оценить время задержки ДНК-полимеразы у каждого димера в 10 с. В облученных клетках синтезируется не целая ДНК, а ее укороченные фрагменты, длина которых коррелирует со средним расстоянием между димерами в цепи материнской ДНК. Такая же фрагментация характерна и для синтеза и-РНК и у Е. Фрагментация РНК обусловлена отрывом РНК-полимеразы от матрицы в димерсодержащих участках.

Аналогичным образом облучение влияет на синтез белка. Обнаруживаются укороченные полипептидные цепи белков и возникают изменения общего заряда

макромолекулы и ее конформации. Это следует, например, из данных о способности фрагментов полипептидной цепи диссоциировать при более низких концентрациях соли, чем обычный белок. Подчеркнем, что фрагментация белка отражает фрагментацию и-РНК.

Общее торможение синтеза белка приписывается замедлению синтеза и-РНК и белка рибосомами вследствие потери терминальных кодонов и-РНК при фрагментации. Это затрудняет своевременный отрыв рибосомы с полипептидной цепью от матрицы. Торможение синтеза белка может быть обусловлено также задержкой синтеза рибосом. Характерно, что при малых дозах (десятки преобладает «рибосомальный», а при больших (сотни — матричный (и-РНК) эффекты подавления.

Большие дозы облучения, приводящие к накоплению фотопродуктов в самой и-РНК, приостанавливают трансляцию у каждого места повреждения, о чем говорит прогрессирующее по градиенту уменьшение скорости синтеза различных белков полицистронного гена по мере удаления от оператора. Подобная ситуация отмечена для gal- и lac-оперонов Е. coli.

К сожалению, на вопрос первостепенной важности, подавление какого макромолекулярного синтеза приводит к гибели или ингибированию деления клеток, еще ответить нельзя. Основной причиной создавшейся неопределенности являются трудности методического характера. Во всех работах анализируются биосинтезы не определенных видов макромолекул ДНК, РНК и белка, а их совокупность («вал»). Вместе с тем хорошо известно, что прекращение синтеза лишь одного ключевого белка (при продолжении всех остальных биосинтезов) может привести к гибели или подавлению деления клеток. Интерпретация данных по ингибированию УФ-лучами синтеза ДНК затруднена также вследствие гетерогенности клеток в культуре. При этом гетерогенность популяции увеличивается в ходе облучения. Именно поэтому Смит и Хэнеуолт условно разделили клетки по их ответу на облучение на три класса: 1) образующие колонии и синтезирующие ДНК (эффективная репарация); 2) не образующие колонии, но синтезирующие ДНК; 3) не образующие колонии и не синтезирующие ДНК.

Ярким примером отсутствия прямой связи между подавлением клеточного деления и синтезом ДНК (равно, как и других макромолекул) могут служить некоторые штаммы Е. coli, у которых облучение ингибирует деление клеток, но существенно не влияет на все макромолекулярные синтезы. При этом возникают длинные аномальные полиплоидные клетки-филаменты, содержащие большое количество ядроподобных структур нуклеоидов. Способность образовывать филаменты свойственна штаммам бактерий, которые содержат гены между try и gal) и Ion (локализованный между gal и lac). Спектр действия филаментообразования имеет нуклеиновый характер, а сам эффект вызывается малыми дозами облучения. Характерно, что УФ-облучение в этом случае, существенно не тормозя синтеза ДНК, РНК, белков и биомассы клеток, препятствует клеточному делению — образованию мембранных перегородок в филаменте. Причиной филаментообразования являются, по-видимому, димеры пиримидиновых оснований, о чем свидетельствует способность видимого света частично снимать эффект (фотореактивация). По данным Виткин, за филаментообразоваиие ответственно повреждение гена-регулятора, что приводит к прекращению синтеза репрессора, блокирующего оперон В, причем снятие блока (индукция оперона) запускает синтез белка — ингибитора митозов.

Рекомендуемая литература

(см. скан)