До сих пор мы рассматривали поведение биологических систем главным образом на уровне популяций или на уровне организмов, содержащих тысячи генов и потому представляющих собой весьма сложные структурные образования.
В такого рода системах предназначение генетических рекомбинаций и кроссинговера можно понять как «репарацию» генетических повреждений (т. е. мутаций) или, другими словами, как периодически осуществляемое восстановление некоторого характерного для вида набора генов, определяющих способность особей данного вида к существованию в рамках свойственной им экологической ниши.
Но помимо репарации в таком общем (или генетическом) смысле, на молекулярном уровне биологической организации действуют системы репарации ДНК, устраняющие разнообразные физические
повреждения этой молекулы как более или менее регулярной двуспиральной структуры. Известны различные повреждения ДНК, вызываемые действием ультрафиолетовых, рентгеновых лучей, а также разнообразных химических агентов, которые репарируются с участием специальных ферментов клетки, например образование тиминовых димеров — в результате ковалентного соединения двух соседних оснований в одной цепи ДНК, алкилирование — присоединение разнообразных алкильных групп в различных местах молекулы, разрывы одной или сразу двух цепей ДНК и т. д.
Возможно, что генетические рекомбинации зарождаются на самых ранних этапах молекулярной эволюции как механизм репарации физических повреждений молекулы ДНК либо эволюционно предшествующей ей структуры.
Согласно биологической эволюционной аксиоме, соответствующий способ репарации — путем обмена гомологичными элементами наследственных структур — оказывается незаменимым по ходу всей органической эволюции и в связи с этим генетическая рекомбинация могла бы рассматриваться как характеристическое проявление феномена жизни.
Взгляд на генетическую рекомбинацию как на механизм репарации ДНК подтверждается тем, что у различных организмов гены, ответственные за рекомбинацию и репарацию, часто имеют общую систему контроля, а в некоторых случаях одни и те же гены контролируют как рекомбинацию, так и репарацию ДНК.
Так, мутанты бактерий Е. coli, несущие повреждение по какому-либо и? генов, вовлеченных в контроль рекомбинации (recA, recB, recC), оказываются дефектными также и по способности репарировать повреждения ДНК. Ген recA Е. coli играет особенно важную роль: он кодирует белок (RecA), обеспечивающий конфронтацию гомологичных молекул ДНК при кроссинговере и, кроме того, RecA оказывается ключевым регуляторным белком в системе генов, относящихся к так называемой SOS-репарации. К этой системе репарации относится довольно много различных генов Е. coli, например гены uvrA, uvrB, uvrC, а также uvrD, ответственные за репарацию повреждений ДНК, вызванных ультрафиолетовыми лучами, ген recE, контролирующий особую систему генетической рекомбинации, и многие другие. Стоит обратить внимание на то, что ген uvrD одновременно отвечает за коррекцию неспаренных оснований в гетеродуплексах ДНК при кроссинговере. Соответственно механизм коррекции неспаренных оснований при кроссинговере (лежащий в основе явления конверсии гена) эквивалентен механизму удаления из ДНК повреждений типа тиминовых димеров, вызванных ультрафиолетовым облучением. Этот механизм известен как эксцизионная репарация: он состоит в удалении фрагмента однонитевой ДНК длиной в несколько тысяч пар оснований и затем — ресинтезе ДНК в образовавшейся бреши по сохранившейся ДНК-матрице.
Повреждение гена recA соответственно обусловливает дефектность бактерий по гомологичной генетической рекомбинации и одновременно — по различным системам репарации ДНК.
Гены recB и recC Е. coli кодируют две субъединицы фермента экзонуклеаза V, участвующего одновременно в процессах рекомбинации и репарации. Соответственно мутанты Е. coli, дефектные по экзонуклеазе V, как и мутанты recA, характеризуются не только неспособностью к генетической рекомбинации, но также пониженной жизнеспособностью. Подобные данные определенно указывают на то, что генетический обмен, по-видимому, является в своей основе репарационной системой.
Репарационный эффект генетических рекомбинаций особенно хорошо изучен на модельных системах бактериофагов. У бактериофагов Е. coli λ, Т2, Т4 и других описаны различные явления, в которых проявляется репарационный эффект рекомбинаций, например множественная реактивация, реактивация профага.
Явление множественной реактивации состоит в том, что фаг, инактивированный под действием ультрафиолетового облучения или химического мутагена, более эффективно репарируется при множественном заражении им бактерий, когда в одной клетке оказывается по два или по нескольку фаговых геномов. Сходный эффект имеет место и при реактивации профага: в этом случае лизогенизирующий фаг, обработанный агентом, повреждающим ДНК, восстанавливает свою жизнеспособность при заражении им лизогенных клеток, содержащих родственный (гетероиммунный) профаг — за счет рекомбинации с этим профагом.
Аналогичные механизмы репарации ДНК путем рекомбинационного обмена между гомологичными хромосомами действуют и в диплоидных клетках эукариотических организмов. По этой причине, например, диплоидные расы дрожжей намного более устойчивы з действию ионизирующей радиации по сравнению с гаплоидными штаммами.
При изучении множественной реактивации у бактериофагов были получены разнообразные свидетельства того, что в этом процессе восстановление жизнеспособности (инфекционности) у фаговых частиц происходит благодаря генетическому обмену. Например, при одновременном заражении бактериальных клеток поврежденными и неповрежденными корпускулами фага наблюдается «спасение» отдельных генетических маркеров инактивированного фага, т. е. их появление в потомстве (соответствующий эффект известен в литературе как кросс-реактивация).
Но характерно, что при таком смешанном заражении урожай, т. е. суммарный выход жизнеспособных корпускул фага, не понижается, что следовало бы ожидать как результат случайного «симметричного» обмена. Таким образом при множественной реактивации сегменты ДНК, несущие повреждения, по-видимому, не включаются в рекомбинантный фаг.
Если при множественном заражении в процессе кроссинговера каким-то образом распознаются повреждения ДНК, то следует усомниться в обычно принимаемом всеми допущении, что в основе кроссинговера лежит равновероятный взаимный обмен гомологичными сегментами ДНК. Во всяком случае возникает вопрос: не следует ли рекомбинационный процесс на молекулярном уровне каким-то определенным правилам, которые только в грубом приближении могут рассматриваться как равновероятный взаимный обмен гомологичными сегментами ДНК? Таким образом, явление множественной реактивации у бактериофагов приводит к мысли, что кроссинговер в своей основе, возможно, в принципе не соответствует представлению о нем как о случайном обмене: не исключено, что в основе кроссинговера лежит неизвестный нам механизм распознавания и устранения повреждений молекул ДНК. То, что кроссинговер, возможно, появляется на самых ранних этапах эволюции как механизм репарации повреждений ДНК, подчеркивают многие авторы. Но главный вопрос заключается в том, почему кроссинговер сохраняет свое значение на протяжении всей органической эволюции, фактически обусловливая развитие у высокоорганизованных форм особого полового размножения, в котором предусматривается необходимость периодического взаимодействия гомологичных хромосом разного происхождения (происходящего в мейозе).
Особенно интригующий представляется вывод о том, что в мейозе, по-видимому, репарируются повреждения ДНК, обусловливающие старение организмов. Например, культуры некоторых одноклеточных типа парамеций, поддерживаемые путем вегетативного размножения, постепенно стареют и вымирают до тех пор, пока в особях при помощи определенных внешних воздействий не индуцирован мейоз либо их переход к половому взаимодействию.
Некоторые авторы в своих статьях исходят из того, что существует какой-то особый вид повреждений ДНК, который или не поддается узнаванию репарационными ферментами клетки, или по какой-то иной причине может быть устранен только путем рекомбинационных обменов. К. Бернштейн допускает, что повреждения ДНК, ответственные за старение, могут вызываться алкилирующими агентами; этот автор ссылается на работы, из которых следует, что в некоторых случаях присоединение к ДНК алкильных групп (в частности, при образовании 7-метилгуанина) не влияет, на репликацию ДНК и не оказывает мутагенного действия. На этом основании предполагается, что образование 7-метилгуанина относится именно к таким повреждениям ДНК, которые обусловливают старение организма и устраняются в мейозе.
Вообще, если кроссинговер — незаменимый механизм репарации ДНК, то было бы важно по существу понять, почему это так. В случае с 7-метилгуанином в принципе не очень ясно, почему подобная химическая модификация основания в ДНК должна устраняться исключительно путем рекомбинационного обмена. В связи с этим заслуживает внимания гипотеза о том, что возникновение генетических рекомбинаций как репарационного механизма было связано с необходимостью восстановления двунитевых повреждений (например, поперечных ковалентных «сшивок») ДНК.
Казалось бы, что это и есть правильный ответ на вопрос: ведь в том случае, если повреждение затрагивает сразу обе нити ДНК, недостающую генетическую информацию уже было бы неоткуда получить, кроме как от другой, гомологичной молекулы ДНК. Однако в таком случае не имело бы значения, происходят рекомбинирующие хромосомы от одного или от разных родителей. Но известно, что различные формы самооплодотворения не получают развития в эволюции, из чего следует, что половая дифференциация предоставляет видам какое-то особое преимущество, не сводящееся к возможности репарации двунитевых повреждений ДНК. Данное обстоятельство учитывают авторы указанной работы и таким образом вопрос о природе повреждений ДНК, устраняемых кроссинговером, фактически остается открытым.