В мозге млекопитающих обнаружены практически все ферменты, необходимые для эффективной репарации повреждений ДНК. Так, в мозге крыс и кроликов имеются основные ферменты, необходимые для синтеза дезоксинуклеозидтрифосфатов, - рибонуклеотидредуктаза и тимидинкиназа. Активность этих ферментов особенно высока в мозге эмбрионов и новорожденных животных. У взрослых животных она сохраняется на довольно низком уровне, соответствующем невысоким потребностям в пополнении фондов дезоксинуклеозидтрифосфатов для репаративного синтеза ДНК. Содержание различных ДНК-полимераз в мозге млекопитающих также зависит от возраста. Функциональное значение различных ДНК-полимераз в клетках эукариот довольно хорошо исследовано.

Главной релликативной ДНК-полимеразой является поли-мераза а. Ведущую роль в репликации ядерной ДНК наряду с а-полимеразой выполняет ДНК-полимераза 5: предполагается, что 5-полимераза осуществляет непрерывный синтез лидирующей цепи ДНК, а а-полимераза - синтез фрагментов Оказаки "запаздывающей" цепи. ДНК-полимераза; небольшой вклад в общую активность вносит ДНК-полимераза у. ДНК-полимераза р осуществляет стимулируемый ультрафиолетовым облучением репаративный синтез ДНК в изолированных ядрах нейронов и является, таким образом, главной, если не единственной, репаративной полимеразой в зрелых нейронах.

ДНК-полимераза р является конститутивным ферментом, синтезируемым в клетках всех типов на более или менее одинаковом уровне, не зависимом от их пролиферативной активности. Это самая часто "ошибающаяся" из всех эукариотических ДНК-полимераз: при копировании ДНК in vitro она делает одну ошибку на каждые 103 - 104 нуклеотидов. По-видимому, существуют какие-то дополнительные факторы, повышающие точность ее работы in vivo.

В мозге млекопитающих обнаружены также и другие ферменты, принимающие участие в репликативном и репаративном синтезе ДНК. Наиболее подходящей по своим каталитическим свойствам на роль репаративной экзонуклеазы является ДНКаза ВШ, которая, по-видимому, относится к мозгоспецифическим ферментам. В ядрах нейронов и глии мозга взрослых морских свинок выявлена ДНК-лигаза, участвующая в завершающих этапах репаративного синтеза. Непонятной остается функция обнаруженной в мозге человека терминальной дезоксинуклеотидилтрансферазы, способной к нематричному синтезу ДНК. Интересно, что этот широко распространенный у млекопитающих фермент обнаруживается только в клетках тимуса и нервной системы. Высказываются предположения, что его роль связана с уникальной способностью этих клеток запасать и хранить ненаследуемую информацию.

ДНК-топоизомеразы I и II, участвующие в различных матричных процессах регуляции топологической структуры ДНК, обнаружены в ядрах нейронов и глиальных клеток.

В заключение остановимся на гипотезе о так называемой метаболической ДНК.

Предполагается, что, помимо стабильной геномной ДНК, в дифференцированных клетках существует специфическая фракция относительно быстро обменивающейся ДНК, которая, по-видимому, представлена экстракопиями наиболее активных генов. В целом эта концепция до сих пор не получила достаточного обоснования, хотя сообщения о существовании быстро обменивающихся фракций ДНК в тех или иных клетках время от времени появляются в научной литературе. Наиболее убедительны данные о существовании таких ДНК в эмбриональных фибробластах цыпленка, где ей приписывается роль межклеточного переносчика информации.

Вопрос о существовании метаболически лабильной ДНК в клетках мозга животных и ее природе остается спорным. Быстрое включение радиоактивных предшественников в ДНК мозга и последующее быстрое исчезновение их из этой ДНК наблюдали многие исследователи.

Однако имеются и сообщения о высокой стабильности радиоактивной метки, включившейся в ДНК мозга.

В литературе приводятся убедительные аргументы в пользу того, что быстрый обмен вновь синтезированной ДНК является артефактом, связанным с ее радиоактивной деградацией вследствие включения меченых предшественников.

Полагают также, что метаболическая нестабильность этой ДНК обусловлена быстрой гибелью значительной части активно делящихся клеток. Тем не менее некоторые исследователи считают, что метаболически лабильная ДНК в клетках мозга действительно существует и может выполнять какие-то особые, хотя пока и не выясненные функции.

Недавно стабильность ДНК в клетках коры мозжечка человека исследовали по соотношению в ней природных изотопов углерода. Оказалось, что основная масса ДНК в этих клетках чрезвычайно стабильна.

Ясно, что если метаболическая ДНК в мозге человека и существует, она составляет ничтожно малую от суммарной ДНК долю.

3. Особенности организации хроматина в нервных клетках

Хроматин всех эукариот организован в виде серии повторяющихся нуклеопротеидных частиц - нуклеосом. Каждая нуклеосома состоит из так называемого кора, содержащего октамер гистонов Н2А, Н2В, НЗ, Н4 и обернутый вокруг него участок ДНК - 146 н. п., а также линкерной области, ассоциированной с гистоном HI, играющим особую роль в соединении нуклеосом друг с другом и в образовании наднуклеосомньгх уровней организации хроматина.

Нуклеосомная и наднуклеосомная организации, несомненно, играют важную, хотя и во многом еще не выясненную роль в функциональной активности хроматина. Укладка двуспиральной ДНК в нуклеосоме сопровождается сильными искажениями ее вторичной структуры и кардинально изменяет условия ее взаимодействия с различными регуляторными белками. Показано, что наличие нуклеосом в промоторной области генов препятствует инициации транскрипции РНК-голимеразой II. В то же время наличие нуклеосом в кодирующей области не препятствует элонгации уже инициированных цепей мРНК. Поэтому начальные реакции транскрипции генов in vivo обеспечиваются специальными механизмами, исключающими образование нуклеосом в критических участках промоторной области. В кодирующей же области активно транскрибируемых генов отмечается лишь частичное нарушение нуклеосомной структуры, объясняемое временным вытеснением гистонов движущейся РНК-полимеразой.

Образование локальных наднуклеосомных структур с участием гистона HI, по-видимому, является универсальным самоподдерживающимся механизмом выключения генов. Исследования последних лет показали также, что тканеспецифическая транскрипция генов обеспечивается сложными взаимодействиями различных негативных и позитивных регуляторов, узнающих специфические последовательности в промоторах индивидуальных генов. Характерными особенностями структуры активных участков хроматина являются: частичное или полное нарушение нуклеосомной и наднуклеосомной организации, присутствие особых вариантов гистонов или их постсинтетическая модификация, существование локальных торзионных напряжений в доменах хроматина и избирательная ассоциация с ядерным матриксом.

Преобладающая часть ядерной ДНК мозга организована в типичную нуклеосомную структуру. Однако по сравнению с хроматином печени хроматин мозга более гетерогенен по длине линкерных участков и обладает более разнообразным набором негистоновых белков. Длина нуклеосомных единиц в большинстве эукариотических клеток близка к 200 н. п. Некоторые вариации этой величины связаны с изменчивостью в длине линкерных участков, тогда как с кором нуклеосом всегда ассоциирован фрагмент ДНК длиной 146 н. п. В дифференцированных нейронах неокортекса нуклеосомная ДНК необычно короткая и составляет - 160-162 н. п., а клетки неастропитарной глии неокортекса и нейроны мозжечка имеют обычные по длине нуклеосомы. Переход в нейронах неокортекса к атипично коротким нуклеосомам коррелирует с окончательной дифференцировкой этих нейронов: у кроликов, мышей и крыс он проходит в первую неделю постнатального онтогенеза, а у более зрелорождающихся морских свинок - между 32-м ч 44-м днями эмбриогенеза. Аналогично, в пренатально дифференцирующихся нейронах гипоталамуса крыс короткие нуклеосомы присутствуют уже за два дня до рождения.