Ферменты, разрывающие цепи ДНК

В клетках различных организмов обнаруживаются ферменты, способные делать разрывы в цепях ДНК. Зачем клеткам такие ферменты и почему они не разрушают всю клеточную ДНК?

С химической точки зрения все разрывы, о которых пойдет речь, — это разрушения фосфодиэфирной связи (ее структура схематично приведена в школьном учебнике). Разрывы и последующие воссоединения ДНК происходят во время многих процессов.
Разрывы в цепях ДНК неизбежны при репликации ДНК. Ведь две цепи ДНК многократно закручены одна вокруг другой. В вилке репликации они расходятся. Но поскольку цепи спирализованы, а их концы не свободны, то на самом деле при их расхождении нижняя часть молекулы будет скручиваться. Чтобы ликвидировать эти лишние витки, а, в конечном счете, и расцепить две образующие молекулы ДНК, необходимо разорвать цепи ДНК и воссоединить их. Один из способов этого — расплетать ДНК непосредственно перед вилкой репликации (для этого тоже надо разрезать одну цепь ДНК). Наглядно представить это можно, например, с помощью моделирования на обычной бельевой веревке.
Вообще спирализация и деспирализация ДНК очень важны. Это следует из описанной выше схемы. Из нее ясно, что степень спирализации связана с возможностью расхождения двух цепей в ДНК. А такое расхождение (хотя бы на небольшом участке) нужно и для транскрипции, и для рекомбинации, поэтому можно сказать, что и эти процессы будут угнетены, если в клетке не будет ферментов, вносящих в ДНК разрывы.
Во всех клетках идет репарация — замена неправильно спаренных нуклеотидов (или таких нуклеотидов, которые приняли неправильную структуру из-за внешних физико-химических воздействий). При репарации испорченный участок цепи ДНК вырезается и удаляется. Для этого нужны ферменты, разрезающие клеточную ДНК.
Без разрывов в ДНК не будет происходить половой процесс у бактерий, при котором ДНК бактерии переходит в другую клетку в линейной форме (ген за геном).
В последние годы изучено много случаев, когда вирусы и похожие на них гены нормальных клеток покидают свое место в ДНК и встраиваются в новые места в этой же или (у эукариот) в других хромосомах.
Наконец, в каждой клетке есть ферменты, разрушающие бесполезные обрывки ДНК, ДНК вирусов и бактериофагов.
Способы разрушения ДНК, позволяющие клетке уберечь собственные хромосомы, разнообразны. Например, если ДНКаза (так называются ферменты, разрушающие ДНК) расположена в цитоплазме, то от нее будут страдать только попавшие в цитоплазму вирусные ДНК, а клеточная ДНК, находящаяся в ядре и органеллах, просто не встретится с ферментом (осталось принять меры, чтобы ДНК не была разрушена во время митоза, когда ядерная оболочка исчезает). У бактерий некоторые ДНКазы расположены на плазматической мембране и встречают бактериофаговую ДНК, когда она начинает проникать в клетку.
Таким образом, один из способов регулировать процесс в клетке состоит в создании отсеков с разными свойствами.
Другой способ защиты ДНК — взаимодействие ДНК с белками. В хромосомах эукариот ДНК просто не встречается в свободном виде — любой сколько-нибудь длинный участок ДНК стремится к взаимодействию с целым рядом белков, и эти белки могут перекрывать доступ ДНКазам. Сейчас выясняется, что и у прокариот бедки весьма часто связываются с ДНК.
Следующий способ защиты от ДНКазы — химические изменения структуры ДНК. Например, цитозин в составе ДНК может метилироваться, то есть присоединять СН3-группу. Это и другие химические изменения меняют чувствительность ДНК к ДНКазам.
Еще один способ — специфичность действий этих ДНКаз, то есть способность узнавать последовательность нуклеотидов в ДНК. Например, ДНКаза может «сесть» на молекулу ДНК только там, где находится последовательность, скажем, ГААТТЦ. Если ДНК не содержит такой последовательности, то ДНКаза «пройдет мимо», вовсе не связавшись и, следовательно, не разрезав ДНК.
Разберем этот случай подробнее. У всякой бактерии есть некоторое количество разных рестриктаз — ферментов, расщепляющих ДНК в строго определенных точках. Но бактерия имеет также метилазы — ферменты, которые метилируют ДНК в этих же точках. Для каждой рестриктазы есть парная метилаза. Как же работает эта система?
ДНК в клетке может быть метилирована по обеим цепям, только по одной цепи или не метилирована вовсе. Рестриктазы и метилазы время от времени «встречают» свой участок в ДНК. Если обе цепи метилированы, ферменты не «трогают» ДНК. Если метилирована одна цепь, то это значит, что фермент имеет дело с недавно удвоившейся клеточной ДНК: одна цепь — материнская, метилированная, а другая — свежесинтезированная. С такой молекулой рестриктаза ничего не делает, а метилаза метилирует вторую цепь. Наконец, если цепь не метилирована вовсе — это сигнал, что она чужая (например, принадлежит бактериофагу). Тогда рестриктаза ее разрушает. Как видно, здесь ДНКазы участвуют в своеобразном иммунитете бактерий.
Наконец, содержание самих ДНКаз в клетке может регулироваться: при одних условиях синтез ДНКаз может возрастать, а при других — уменьшаться. В реальных условиях разные способы комбинируются. Например, специфическое место узнавания ДНКазы может маскироваться белком, а когда надо внести разрыв, белок каким-нибудь способом удаляется. Другой пример: при слиянии клеток, происходящем в половом процессе хламидомонады, ДНК одной из клеток метилируется, после чего начинает работать ДНКаза, разрушающая большую часть ДНК другой клетки.