Мутагенні і летальні ефекти мутагенів супроводжуються структурними ушкодженнями, які вони викликають в молекулах ДНК. Наприклад, в геномі людини безперервно відбуваються випадкові зміни (пошкодження), але зберігаються лише окремі з них. Причому дуже рідко. Так з 1000 замін азотистих основ лише одна призводить до мутацій. Причина полягає в тому, що ці ушкодження часто схильні до відновлення. Процес реконструкції пошкоджень ДНК називають відновленням або репарацією ДНК.
Характер і механізми виправлення пошкоджень найбільш повно вивчені в разі пошкоджень, індукованих УФ-випромінювання третьому. Клітини реагують на УФ-випромінювання тим, що в їх ДНК утворюються ушкодження, головні з яких представляють собою фотохімічні зміни в піримідинових підставах, що переходять в піримідинові димер, зокрема в тимінових. Останні утворюються за рахунок ковалентного зв'язування сусідніх тимінових підстав в одній і тій же ланцюга молекули за допомогою приєднання вуглецю одного тиміну до вуглецю іншого тиміну. Крім тимінових димарів в ДНК опромінених клітин відбувається формування також цитозин-тимінових і цитозин-цитозинових димарів, однак частота їх є меншою. Димеризація фланкуючих підстав в гені супроводжується пригніченням транскрипції і реплікації ДНК. Вона веде також до мутацій. В результаті цього клітина може загинути або піддатися малігнізації.
Один їх механізмів відновлення пошкоджень ДНК діє у багатьох видів організмів, включаючи людину, і полягає в тому, що експонування у видимому світлі клітин, попередньо оброблених УФ-випромінюванням, призводить до зниження летального ефекту в кілька разів, т. Е. До фотореактивації функцій опромінених клітин. Це реактивує дію видимого світла пов'язане з розщепленням (мономерізаціей) піримідинових димерів, причому цей процес забезпечується світлозалежна фотореактівірующімі ферментами. Другий механізм видалення димарів піримідинових основ з ДНК опромінених клітин отримав назву темнової репарації або вирізання-відновлення. Так само, як і фотореактивації, він являє собою ферментативний процес, але більш складний, притому що проходить в темряві (рис. 121). Цей механізм полягає в тому, що тимінових димери за допомогою ДНК-репаруючу-чих нуклеаз, які здійснюють гідроліз фосфодіефірних скелетних зв'язків між нуклеотидами з ушкодженнями (з боку 5 'від тимінових димера) і нормальною частиною молекули ДНК, піддаються «вирізання» з ланцюга ДНК, в якій після цього залишаються прогалини. Потім відбувається «латання» дірок відновлювальних синтезом ДНК за участю ДНК-полімерази, що зв'язується з 3'-кінцем пошкодженої ланцюга ДНК, і використанні протилежного (нормальної) ланцюга в якості шаблону. Видалення піримідинових димерів з ДНК опромінених клітин шляхом «вирізання» і «латання» дірок завершується змиканням знову реплицироваться ділянки ДНК з сусідніми пошкодженими ділянками і «замазуванням» ( «зшиванням») сахарофосфатнимі скелетних зв'язків з допомогою ДНК-лігази. Таким чином, реалізація цього механізму забезпечується трьома репаруючу ферментами.
Третій механізм відновлення пошкоджень ДНК називають постреплікаціонним, або рекомбінаційним відновленням (рис. 122). Він полягає в тому, що синтез ДНК в УФ-опромінених клітинах йде з нормальною швидкістю вздовж хромосоми лише до димеру, перед яким він сповільнюється на кілька секунд, після чого починається знову, але вже на іншій стороні димера. Оскільки ДНК-полімераза перескакує через димер, то в дочірньої ланцюга ДНК утворюється пролом. Внаслідок цього район, у якому димер в одному дуплексі, буде інтактним в сестринській дуплексі, т. Е. В дочірніх молекулах ДНК одна ланцюг буде містити піримідинові димер, тоді як інша матиме проломи, які фактично є вторинними ушкодженнями. Отже, район, у якому димери в одному дуплексі, повністю зберігається в сестринській дуплексі. Цей процес закінчується рекомбинацией уздовж молекули ДНК після її реплікації, при якій дочірня ланцюг, що несе в якій-небудь ділянці пролом, злучається іншої дочірньої ланцюгом (комплементарної), що несе пролом в іншому місці. Це спарювання дозволяє відновлювальний синтез, який забезпечує відновлення правильної послідовності району в кожній проломи. Як шаблон використовується відповідний інтактних район іншої дочірньої ланцюга. Рекомбінаційні події на рівні кожної проломи призводять до реконструкції інтактною молекули ДНК, здатної до подальшої реплікації. Рекомбінаційно відновлення ДНК забезпечується поруч білків-рекомбіназа.
В ході еволюції у клітин виробилася здатність синтезувати репаруючу ферменти, які синтезуються, коли починають виникати пошкодження ДНК. Наприклад, у Е. coli відкрита так звана SOS-репарація, яка полягає в тому, що будь-яке пошкодження ДНК, що супроводжується порушенням її реплікації, веде до посилення транскрипції великої кількості генів (більше 15), що кодують репаруючу білки. Цей процес супроводжується підвищенням виживаності клітин. Відомо також, що існують репаруючу системи, які активуються, якщо в ДНК утворюються метиловані нуклеотиди. Подібні індуковані системи репарації існують, ймовірно, і у еукаріотів.
У людини відомий синдром «ксеродерма пігментозум», який успадковується як хромосомного рецесивного ознаки і який характеризується надзвичайною чутливістю шкіри до сонячного світла, в результаті чого вона піддається надлишкової пігментації, а потім часто відбувається і малігнізація клітин шкіри, т. Е. Розвивається шкірний рак . Виникнення цього синдрому пов'язано з дефектом здатності вирізати тимінових димери з ДНК. Відомий також синдром Блума, успадковані як рецесивного ознаки і полягає в підвищеній чутливості індивідів до сонячного світла. Цей синдром пов'язаний також зі збільшенням геномної нестабільності в вигляді підвищення сестринських хроматидного обмінів, хромосомних аберацій в геномах хворих, підвищення ризику розвитку у них всіх типів раку і, найголовніше, з дефектом відновлення їх ДНК. Як для синдрому «ксеродерма пігментозум», так і для синдрому Блума характерна імунологічна недостатність у хворих.
Нормальні пошкодження ДНК, індуковані сонячним світлом (УФ-компонентом), відновлюються «вирізанням-відновленням».
Деякі з потенційно летальних або вторинних ушкоджень, індукованих рентгенівським випромінюванням, можуть бути відновлюваними за допомогою рекомбінації або будь-якого іншого механізму, в якому беруть участь ферменти-рекомбінази. Передбачається також, що на відміну від пошкоджень ДНК, індукованих УФ-випромінюванням, ушкодження, індуковані рентгенівським випромінюванням, схильні до відновлення (через рекомбінацію) ще до першої постлучевого реплікації.
Пошкодження, що викликаються в ДНК хімічними мутагенами, також відновлюються за допомогою того чи іншого механізму. Кожен з механізмів відновлення ДНК є, по суті, системою захисту ДНК. У той же час відновлення ДНК часто супроводжується помилками, що проявляються у формі мутацій.
Узагальнюючи значення репараційних механізмів в житті клітин, можна зробити висновок, що репарація ушкоджень ДНК забезпечує підтримання стабільності генів, причому вона заснована на наявності двох ланцюгів в ДНК. Саме завдяки цьому пошкодження в одного ланцюга можуть репарирувати за рахунок інформації неушкодженою ланцюга. Однак ДНК, попри те, що вона є хранителем генетичної інформації, все ж має обмежену хімічною стабільністю. У клітинах з досить високою частотою зустрічається гідроліз, окислення і неензіматіческое метилювання ДНК. Ці реакції взаємодіють з відновленням ДНК. Припускають, що спонтанний розпад ДНК, ймовірно, є головним фактором в спонтанному мутагенезу, карциногенезу і настанні старіння організмів. Таким чином, ДНК представляється суперечливою структурою. З одного боку, вона дуже консервативна в плані її стабільності, з іншого боку, вона дуже схильна до розпаду.