Фаерволл, бэкап и мониторинг. Как клетки оберегают нашу генетическую информацию

Почти каждый живой организм на Земле содержит ДНК. Эта молекула несет в себе инструкции по построению и поддержанию жизни, а также кодирует все признаки нашего организма — от цвета глаз до уровня гормонов в крови. Разумеется, столь важная информация нуждается в системе безопасности. Биологический код, подобно сетевой инфраструктуре, подвергается внешним воздействиям и атакам, а последствия его поломки могут быть катастрофическими.

В материале, подготовленном вместе с облачным провайдером #CloudMTS, мы расскажем о механизмах, которые помогают клетке защитить свою ДНК, и о том, чем это напоминает безопасность облачных сервисов.

Что такое ДНК?

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) содержится в клетках большинства организмов. У эукариот (животных, в том числе у человека, а также грибов и растений) ДНК содержится внутри ядер и организована в специальные структуры — хромосомы. Кроме того, она присутствует в митохондриях — клеточных органеллах, отвечающих за синтез и поступление энергии, которая необходима для жизнедеятельности клетки.

Наша генетическая информация хранится в виде последовательности нуклеотидных оснований, составляющих молекулу ДНК. Эта последовательность включает в себя четыре основания: аденин, цитозин, гуанин и тимин. Комбинируя разные основания (A, C, G и T), можно получать разные последовательности. Например, последовательность GTCCAGCCACAAAGGTGACA кодирует начало одной из глутатион-S-трансфераз человека. Такими последовательностями ДНК закодированы структуры всех белков: бактериальных филаментов, ферментов желудка, рецепторов головного мозга.

Неспецифические повреждения

Повреждения ДНК могут приводить к изменению ее последовательности и появлению мутаций. Чаще всего их эффект нейтральный или крайне негативный. Мутации, каждая из которых может быть унаследована потомком клетки, иногда становятся причиной возникновения серьезных генетических заболеваний — например, фенилкетонурии или серповидноклеточной анемии. Некоторые из них, к счастью, научились лечить не только на модельных организмах, но и у людей.

Воздействия, способные вызвать повреждения ДНК, объединяют под общим термином «мутаген». К мутагенам относят, например, активные формы кислорода (АФК) — очень сильные окислители, которые образуются в клетке в процессе ее жизнедеятельности. Эти молекулы могут взаимодействовать практически с любыми химическими соединениями в клетке, в том числе и с ДНК. Если количество АФК в клетке критически возрастает, она переходит в состояние окислительного стресса.

Еще один известный мутаген — ультрафиолетовое излучение. На нашей планете основной источник ультрафиолетовых волн — это обычный солнечный свет. Поэтому у людей, много времени проводящих на солнце, возрастают риски возникновения рака кожи.

Ультрафиолетовое излучение может поражать нуклеотиды независимо от их расположения в последовательности ДНК. Клетка может и не заметить мутацию — например, если та попадет на некодирующую часть ДНК. Но если мутация появится в кодирующей последовательности гена, это может привести к неприятным последствиям.

Чем больше солнечного света попадает на кожу, тем больше вероятность возникновения вредных мутаций. Бороться с вредными последствиями солнечного излучения помогают меланины. Эти пигменты поглощают ультрафиолетовый свет, не пропуская его в более глубокие слои кожи. Именно с уровнем меланина связаны отличия в цвете кожи разных людей.

В умеренных количествах ультрафиолетовое излучение не причинит вреда, но его чрезмерное количество представляет серьезную опасность. Тем же принципом руководствуются организаторы DDoS-атак на сетевую инфраструктуру. В норме сервер рассчитан на одновременную обработку определенного объема сетевых запросов. Однако, если их количество превысит возможности инфраструктуры, произойдет отказ в обслуживании — сервер и все связанные с ним ресурсы прекратят работать.

Этим и пользуются злоумышленники, организуя мощные и изматывающие DDoS-атаки. Самая долгая атака из зарегистрированных за третий квартал 2022 года продолжалась почти двое суток, а одна из наиболее мощных использовала сеть (ботнет) из 115 тысяч зараженных устройств. Облачный провайдер CloudMTS предлагает «Защиту от DDoS-атак», которая помогает нейтрализовать угрозы на всех уровнях, включая L7 — уровень веб-приложений.

Двухцепочечные разрывы

ДНК — это двухцепочечная спираль: с каждым азотистым основанием связано еще одно, комплементарное основание. Например, с аденином связывается тимин, а с гуанином — цитозин. Поэтому, если одно из азотистых оснований повреждается, клетка может восстановить его, прочитав другое. Иногда, впрочем, повреждения ДНК приводят к двухцепочечным разрывам. Тогда спираль разрывается целиком, и клетка не может восстановить последовательность.

К счастью, механизмы клеточной защиты предусматривают и такую экстремальную ситуацию. Хромосомы в клетках человека парные: каждой цепочке ДНК, полученной в наследство от матери, соответствует цепочка, унаследованная от отца. Такой хромосомный набор называется диплоидным. У полиплоидных организмов в одной клетке может быть несколько наборов гомологичных (соответствующих) хромосом. Поэтому для того, чтобы починить сломанную ДНК, клетка может использовать не только вторую спираль ДНК, но и последовательность ДНК из гомологичной хромосомы. Такой хромосомный «бэкап» позволяет клетке обеспечить дополнительную безопасность своей генетической информации.

Похожий процесс наблюдается для Х-хромосом в клетках самок плацентарных млекопитающих, например человека или кошек: одна из Х-хромосом в клетках животного инактивируется. Этим феноменом обуславливается, например, черепаховая окраска кошек, у которых в части клеток может быть инактивирован материнский аллель Х-хромосомы, а в другой части клеток — отцовский. Если материнский аллель кодирует темную окраску, а отцовский — рыжую, кошка будет сочетать в себе оба вида окраски.

Наличие нескольких копий ДНК позволяет клеткам в экстренном случае восстановить потерянную информацию. Руководствоваться тем же принципом и регулярно создавать резервные копии данных стоит в повседневной жизни. Но что делать, когда данных очень много и они активно используются? В таком случае задача аварийного восстановления может быть гораздо сложнее.

Подробнее
Пожалуйста, оцените статью:
Ваша оценка: None Средняя: 5 (1 vote)
Источник(и):

N+1