Системы и механизмы репарации днк. Репарация. Принципы репарации ДНК у различных организмов сходны. Смотреть что такое "Репарация ДНК" в других словарях
7608 0
Под регенерацией подразумевают восстановление тканью, органом утраченной или поврежденной специализированной структуры.
Физиологическая регенерация заключается в обновлении морфофункциональных свойств ткани или органа с помощью естественных механизмов, например, образовании новых и резорбции старых, изношенных остеонов в кости.
При репаративной регенерации происходит процесс формирования новых структур на месте повреждения или травмы. В качестве иллюстрации можно привести процесс перелома длинных трубчатых костей. Процессы репаративной регенерации клеток, заключающиеся в образовании тканей на месте гибели поврежденных элементов во многом регулируются механическими условиями. В частности, деформация регенерата, например растяжение, из-за нестабильности может стимулировать как образование костной мозоли, так и рассасывание кости в зоне контактирующих поверхностей. Если происходит рассасывание, то возрастает нестабильность в зоне перелома. Увеличивающаяся деформация регенерата, например с использованием компрессионно-дистракционных аппаратов для остеосинтеза, может привести к постепенной дифференцировке клеток стромы в сторону повышения их прочности и жесткости. Так, мягкая грануляционная ткань, способная выдержать существенную деформацию, замещается соединительной тканью, обладающей большей жесткостью, но меньшей прочностью к деформации. Этот процесс часто называют «непрямым» заживлением. Если щель перелома небольшая и костные отломки хорошо стабилизированы межфрагментарной компрессией, то деформация проявляется минимально. При этом часто возникает прямое образование костной ткани, а рассасывание кости и образование периостальной мозоли не всегда обязательно. Такой тип заживления переломов называют «прямым» (контактным).
После санации очага воспаления от микробных и чужеродных тел включаются механизмы, протекающие с участием лимфоцитов и макрофагов. Лимфоциты секретируют ИЛ-2 и ФНО, которые активируют моноциты крови, которые в тканях проходят через стадию примирования и трансформируются в активированные макрофаги. Эти клетки, в свою очередь, секретируют в окружающую ткань ростовые факторы типа ФРФ, тромбоцитарный фактор роста, ИЛ-6, которые оказывают влияние на остеобласты, фибробласты и эндотелиальные клетки. Фибробласты делятся и по мере созревания начинают секретировать компоненты экстрацеллюлярного матрикса (протеогликаны, гликозаминогликаны, фибронектин, адгезины и т.п.), включая коллаген. Макрофаги контролируют фибриллогенез путем продукции при необходимости ферментов - коллагеназы и эластазы. Следует отметить, что оптимум работы большинства изо-форм этих ферментов лежит в нейтральной среде, т.е. тогда, когда все кислые продукты в очаге воспаления уже удалены или нейтрализованы. Кроме того, макрофаги через секрецию простагландинов и ФРФ, ФРТ и других факторов могут стимулировать или супрессировать функцию фибробластов, оказывая тем самым влияние на объем новой ткани (Кетлицкий, 1995; Серов и др., 1995).
Параллельно активируются процессы ангиогенеза. При этом макрофаги как бы пробивают туннели в экстрацеллюлярном матриксе, в которые мигрируют клетки эндотелия. При этом возникают новые капилляры, которые растут, превращаются в более крупные сосуды, ветвятся и пронизывают новую ткань (Маянский, Урсов, 1997). Этот процесс в какой-то мере напоминает механизм аппозиционного роста костной ткани или образования костной мозоли при переломах, в котором прослеживается та же, по-видимому, общебиологическая последовательность событий.
В результате заживления раны образуется новая ткань, которая в той или иной мере замещает функцию поврежденных структур. К сожалению, не всякое воспаление заканчивается таким исходом. В ряде случаев оно происходит с образованием разнообразных дефектов, грубой рубцовой тканью, переходит в хроническую стадию, включает аутоиммунные механизмы и склерозирование (кальцификации) тканей.
А.В. Карпов, В.П. Шахов
Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики
План лекции 1.Типы повреждений ДНК 1.Типы повреждений ДНК 2.Репарация ДНК, типы и механизмы: 2.Репарация ДНК, типы и механизмы: Прямая Прямая Эксцизионная Эксцизионная Пострепликативная Пострепликативная SOS репарация SOS репарация 3. Репарация и наследственные болезни 3. Репарация и наследственные болезни
Процесс восстановления исходной нативной структуры ДНК называют репарацией ДНК, или генетической репарацией, а системы, участвующие в нем - репарационными. Процесс восстановления исходной нативной структуры ДНК называют репарацией ДНК, или генетической репарацией, а системы, участвующие в нем - репарационными. В настоящее время известно несколько механизмов генетической репарации. Одни из них более просты и «включаются» сразу же после повреждения ДНК, другие требуют индукции большого числа ферментов, и их действие растянуто во времени. В настоящее время известно несколько механизмов генетической репарации. Одни из них более просты и «включаются» сразу же после повреждения ДНК, другие требуют индукции большого числа ферментов, и их действие растянуто во времени.
С позиций молекулярного механизма первичные повреждения в молекулах ДНК могут быть устранены тремя путями: С позиций молекулярного механизма первичные повреждения в молекулах ДНК могут быть устранены тремя путями: 1.прямым возвращением к исходному состоянию; 1.прямым возвращением к исходному состоянию; 2. вырезанием поврежденного участка и заменой его нормальным; 2. вырезанием поврежденного участка и заменой его нормальным; 3. рекомбинационным восстановлением в обход поврежденного участка. 3. рекомбинационным восстановлением в обход поврежденного участка.
Спонтанные повреждения ДНК Ошибки репликации (появление некомплементарных пар нуклеотидов) Ошибки репликации (появление некомплементарных пар нуклеотидов) Апуринизация (отщепление азотистых оснований из нуклеотида) Апуринизация (отщепление азотистых оснований из нуклеотида) Дезаминирование (отщепление аминогруппы) Дезаминирование (отщепление аминогруппы)
Индуцированные повреждения ДНК Димеризация (сшивание соседних пиримидиновых оснований с образованием димера) Димеризация (сшивание соседних пиримидиновых оснований с образованием димера) Разрывы в ДНК: однонитевые и двунитевые Разрывы в ДНК: однонитевые и двунитевые Поперечные сшивки между нитями ДНК Поперечные сшивки между нитями ДНК
ПРЯМАЯ РЕПАРАЦИЯ ДНК Этот тип репарации обеспечивает прямое восстановление исходной структуры ДНК или удаление повреждения. Этот тип репарации обеспечивает прямое восстановление исходной структуры ДНК или удаление повреждения. Широко распространенная система репарации такого рода фотореактивация пиримидиновых димеров. Широко распространенная система репарации такого рода фотореактивация пиримидиновых димеров. Это пока единственная, известная ферментная реакция, в которой фактором активации служит не химическая энергия, а энергия видимого света. Это пока единственная, известная ферментная реакция, в которой фактором активации служит не химическая энергия, а энергия видимого света. При этом активизируется фермент фотолиаза, которая разъединяет димеры. При этом активизируется фермент фотолиаза, которая разъединяет димеры.
Фоторепарация Схематически световая репарация выглядит следующим образом: 1. Нормальная молекула ДНК Облучение УФ-светом 2. Мутантная молекула ДНК – образование пиримидиновых димеров. Действие видимого света 3. Синтез фермента фотолиазы 4. Расщепление димеров пиримидиновых оснований 5. Восстановление нормальной структуры ДНК
Установлено, что большинство полимераз кроме 5"-3"-полимеразной активности имеют 3"-5"- экзонуклеазную активность, благодаря которой обеспечивается коррекция возможных ошибок. Установлено, что большинство полимераз кроме 5"-3"-полимеразной активности имеют 3"-5"- экзонуклеазную активность, благодаря которой обеспечивается коррекция возможных ошибок. Эта коррекция осуществляется в два этапа: сначала идет проверка соответствия каждого нуклеотида матрице перед включением его в состав растущей цепи, а затем перед включением в цепь следующего за ним нуклеотида. Эта коррекция осуществляется в два этапа: сначала идет проверка соответствия каждого нуклеотида матрице перед включением его в состав растущей цепи, а затем перед включением в цепь следующего за ним нуклеотида. РЕПАРАЦИЯ ДНК ЗА СЧЕТ ЭКЗОНУКЛЕАЗНОЙ АКТИВНОСТИ ДНК-ПОЛИМЕРАЗ
При встраивании неправильного нуклеотида двойная спираль деформируется. Это позволяет ДНК-П распознать в большинстве случаев дефект в растущей цепи. Если ошибочно встроенный нуклеотид не способен формировать водородную связь с комплементарным основанием, ДНК-П приостановит процесс репликации до тех пор, пока нужный нуклеотид не встанет на его место. У эукариот ДНК-П не обладает 3-5 экзонуклеазной активностью. При встраивании неправильного нуклеотида двойная спираль деформируется. Это позволяет ДНК-П распознать в большинстве случаев дефект в растущей цепи. Если ошибочно встроенный нуклеотид не способен формировать водородную связь с комплементарным основанием, ДНК-П приостановит процесс репликации до тех пор, пока нужный нуклеотид не встанет на его место. У эукариот ДНК-П не обладает 3-5 экзонуклеазной активностью.
Репарация алкилирующих повреждений Генетические повреждения, вызываемые присоединением алкильных или метильных групп, могут репарироваться в результате удаления этих групп специфическими ферментами. Специфический фермент О 6 метилгуанин трансфераза распознает О 6 метилгуанин в ДНК и удаляет метильную группу и возвращает основание в исходную форму. Генетические повреждения, вызываемые присоединением алкильных или метильных групп, могут репарироваться в результате удаления этих групп специфическими ферментами. Специфический фермент О 6 метилгуанин трансфераза распознает О 6 метилгуанин в ДНК и удаляет метильную группу и возвращает основание в исходную форму.
Действие полинуклеотидлигазы Например, под действием ионизирующего облучения могут возникнуть однонитевые разрывы ДНК. Фермент полинуклеотидлигаза воссоединяет разорванные концы ДНК. Например, под действием ионизирующего облучения могут возникнуть однонитевые разрывы ДНК. Фермент полинуклеотидлигаза воссоединяет разорванные концы ДНК.
Этапы эксцизионной репарации 1. Узнавание повреждения ДНК эндонуклеазой 1. Узнавание повреждения ДНК эндонуклеазой 2. Инцизия (надрезание) цепи ДНК ферментом по обе стороны от повреждения 2. Инцизия (надрезание) цепи ДНК ферментом по обе стороны от повреждения 3. Эксцизия (вырезание и удаление) повреждения при помощи геликазы 3. Эксцизия (вырезание и удаление) повреждения при помощи геликазы 4. Ресинтез: ДНК-П застраивает брешь и лигаза соединяет концы ДНК 4. Ресинтез: ДНК-П застраивает брешь и лигаза соединяет концы ДНК
Мисмэтч-репарация Во время репликации ДНК бывают ошибки спаривания, когда вместо комплементарных пар А-Т, Г-Ц образуются некомплементарные пары. Неправильное спаривание затрагивает только дочернюю цепь. Система репарации мисмэтч должна найти дочернюю цепь и произвести замену некомплементарных нуклеотидов. Во время репликации ДНК бывают ошибки спаривания, когда вместо комплементарных пар А-Т, Г-Ц образуются некомплементарные пары. Неправильное спаривание затрагивает только дочернюю цепь. Система репарации мисмэтч должна найти дочернюю цепь и произвести замену некомплементарных нуклеотидов.
Мисмэтч репарация Как отличить дочернюю цепь от материнской? Как отличить дочернюю цепь от материнской? Оказывается, специальные ферменты метилазы присоединяют метильные группы к аденинам в последовательности ГАТЦ на материнскую цепь и она становится метилированной, в отличие неметилированной дочерней. У E.coli продукты 4-х генов отвечают зп мисмэтч репарацию: mut S, mut L, mut H, mut U. Оказывается, специальные ферменты метилазы присоединяют метильные группы к аденинам в последовательности ГАТЦ на материнскую цепь и она становится метилированной, в отличие неметилированной дочерней. У E.coli продукты 4-х генов отвечают зп мисмэтч репарацию: mut S, mut L, mut H, mut U.
ПОСТРЕПЛИКАТИВНАЯ РЕПАРАЦИЯ ДНК Пострепликативная репарация осуществляется в тех случаях, когда повреждение доживает до фазы репликации (слишком много повреждений, или повреждение возникло непосредственно перед репликацией) или имеет такую природу, которая делает невозможным его исправление с помощью эксцизионной репарации (например, сшивка цепей ДНК). Эта система играет особенно важную роль у эукариот, обеспечивая возможность копирования даже с поврежденной матрицы (хотя и с увеличенным количеством ошибок). Одна из разновидностей этого типа репарации ДНК - рекомбинационная репарация.
SOS -репарация Обнаружена в 1974 г. М.Радманом. Он дал название, включив в него международный сигнал бедствия. Включается тогда, когда повреждений в ДНК настолько много, что они угрожают жизни клетки. Индуцируется синтез белков, которые присоединяются к ДНК-П комплексу и строят дочернюю цепь ДНК напротив дефектной матричной. В результате ДНК удваивается с ошибкой и может произойти клеточное деление. Но если были задеты жизненно важные функции клетка погибнет. Обнаружена в 1974 г. М.Радманом. Он дал название, включив в него международный сигнал бедствия. Включается тогда, когда повреждений в ДНК настолько много, что они угрожают жизни клетки. Индуцируется синтез белков, которые присоединяются к ДНК-П комплексу и строят дочернюю цепь ДНК напротив дефектной матричной. В результате ДНК удваивается с ошибкой и может произойти клеточное деление. Но если были задеты жизненно важные функции клетка погибнет.
РЕПАРАЦИЯ ДНК И НАСЛЕДСТВЕННЫЕ БОЛЕЗНИ ЧЕЛОВЕКА Нарушение системы репарации у человека является причиной: Преждевременного старения Онкозаболеваний (80-90 % всех раковых заболеваний) Аутоиммунных заболеваний (ревматоидный артрит, СКВ, болезнь Альцгеймера)
Болезни, связанные с нарушением репарации Пигментная ксеродерма Пигментная ксеродерма Атаксия-телеангиэктазия или синдром Луи-Бар Атаксия-телеангиэктазия или синдром Луи-Бар Синдром Блума Синдром Блума Трихотиодистрофия (ТТД) Трихотиодистрофия (ТТД) Синдром Коккейна Синдром Коккейна Анемия Фанкони Анемия Фанкони Прогерия детей (синдром Хатчинсона-Гилфорда) Прогерия детей (синдром Хатчинсона-Гилфорда) Прогерия взрослых (синдром Вернера) Прогерия взрослых (синдром Вернера)
Атаксия-телеангиэктазия или синдром Луи- Бар: А-Р, мозжечковая атаксия, нарушение координации движений, телеангиэктазы – локальное чрезмерное расширение мелких сосудов, иммунодефицит, предрасположенность к онкозаболеваниям. Синдром Блума: А-Р, высокая чувствительность к УФ лучам, гиперпигментация, краснота на лице в виде бабочки.
Трихотиодистрофия: А-Р, нехватка серы в клетках волос, ломкость, напоминают тигровый хвост, аномалии кожи, зубов, дефекты полового развития. Синдром Коккейна: А-Р, карликовость при норме гормонов роста, глухота, атрофия зрительного нерва, ускорение старения, чувствительны к солнечному свету. Анемия Фанкони: уменьшение кол-ва всех клеточных элементов крови, скелетные нарушения, микроцефалия, глухота. Причина- нарушение вырезания пиримидиновых димеров и нарушение репарации межцепочечных сшивок ДНК.
Литература: 1. Генетика. Под ред. Иванова В.И. М., Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика. Новосибирск, Муминов Т.А., Куандыков Е.У. Основы молекулярной биологии (курс лекций). Алматы, Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Л. Молекулярная биология. М., 2003.
РЕПАРАЦИЯ ДНК
Системы репарации
2 Эксцизионная репарация. Примеры и виды
3 Репарация ошибок репликации ДНК
4 Рекомбинантная (пострепликативная) репарация у бактерий
5 SOS-репарация
Системы репарации ДНК достаточно консервативны в эволюции от бактерий до человека и наиболее изучены у Е. coli.
Известны два типа репарации: прямая и эксцизионная
Прямая репарация
Прямая репарация - наиболее простой путь устранения повреждений в ДНК, в котором обычно задействованы специфические ферменты, способные быстро (как правило, в одну стадию) устранять соответствующее повреждение, восстанавливая исходную структуру нуклеотидов.
1. Так действует, например, О6-метилгуанин-ДНК-метилтрансфераза
(фермент – самоубийца), которая снимает метильную группу с азотистого основания на один из собственных остатков цистеина
У Е. coli может в 1 мин синтезироваться до 100 молекул этого белка. Аналогичный по функциям белок высших эукариот, очевидно, играет важную роль в защите от рака, вызываемого внутренними и внешними алкилирующими факторами.
ДНК-инсертаза
2. ДНК-инсертазами
фотолиаза
3. Тиминовые димеры "расшиваются" путем прямой репарацци при участии фотолиаз , осуществляющих соответствующее фотохимическое превращение . ДНК-фотолиазы представляют собой группу ферментов, активируемых светом, с длиной волны 300 - 600 нм (видимая область), для чего в их структуре имеется особый светочувствительный центр.
Они широко распространены в природе и обнаружены у бактерий, дрожжей, насекомых, рептилий, земноводных и человека. Эти ферменты нуждаются в разнообразных кофакторах (FADH, тетрагидрофолиевая кислота и др.), участвующих в фотохимической активации фермента. Фотолиаза Е. coli представляет собой белок с молекулярной массой 35 кДа, прочно связанный с олигорибонуклеотидом длиной 10-15 нуклеотидов , необходимым для активности фермента.
Примеры прямой репарации
1. Метилированное основание O 6- mG диметилируется ферментом метилтрансфераза О6-метилгуанин-ДНК-метилтрансфераза (фермент – самоубийца), которая переносит метильную группу на один из своих остатков
цистеина
2. АР-сайты могут репарироваться путем прямой вставки пуринов при участии ферментов, называемых ДНК-инсертазами (от англ. insert- вставлять).
СХЕМА ПРИМЕРА ПРЯМОЙ РЕПАРАЦИИ ПОВРЕЖДЕНИЙ В ДНК – метилированное основание O 6- mG демитилируется ферментом метилтрансферазой, который переносит метильную группу на один из своих остатков аминокислоты цистеина.
3. Фотолиаза присоединяется к тиминовому димеру и после облучения этого комплекса видимым светом (300-600 нм) димер расшивается
СХЕМА ПРИМЕРА ПРЯМОЙ РЕПАРАЦИИ ПОВРЕЖДЕНИЙ В ДНК – Фотолиаза
присоединяется к тиминовому димеру и после облучения видимым спектром света этот димер расшивается
Эксцизионная репарация
(от англ. excision - вырезание).
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Эксцизионная репарация включает удаление поврежденных азотистых оснований из ДНК и последующее восстановление нормальной структуры молекулы.
МЕХАНИЗМ
В эксцизионной репарации обычно принимают участие несколько ферментов, а сам процесс затрагивает
не только поврежденный ,
но и соседние с ним нуклеотиды .
УСЛОВИЯ
Для эксцизионной репарации необходима вторая (комплементарная) цепь ДНК. Общая упрощенная схема эксцизионной репарации представлена на рис. 171.
ЭТАПЫ
Первым этапом эксцизионной репарации является вырезание аномальных азотистых оснований. Его катализируют группа ДНК- N -гликозилаз - ферменты, расщепляющие гликозидную связь между дезоксирибозой и азотистым основанием.
ВАЖНОЕ ЗАМЕЧАНИЕ:
У человека ДНК- N -гликозилазы обладают высокой субстратной специфичностью: разные ферменты этого семейства распознают и вырезают различные аномальные основания (8-оксогуанин, урацил, метилпурины и др.).
У бактерий ДНК- N -гликозилазы такой субстратной специфичностью не обладает
ОБЩИЕ ФЕРМЕНТЫ ЭКСЦИЗИОННОЙ РЕПАРАЦИИ
| НАЗВАНИЕ | ФУНКЦИЯ | МЕХАНИЗМ |
| ДНК- N -гликозилазы | вырезание аномальных азотистых оснований | расщепляет гликозидную связь между дезоксирибозой и азотистым основанием |
| АР-эндонуклеаза | создает условия для работы следующего фермента - экзонуклеазы | разрывает сахаро-фосфатный остов молекулы ДНК в АР-сайте |
| экзонуклеаза | выщепляет несколько нуклеотидов | последовательно отщепляет несколько нуклеотидов от поврежденного участка одной цепи ДНК |
КОНКРЕТНЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ ШАГИ ЭТОГО МЕХАНИЗА:
В результате действия ДНК- N -гликозилаз образуется АР-сайт, который атакуется ферментом АР-эндонуклеазой . Она разрывает сахаро-фосфатный остов молекулы ДНК в АР-сайте и тем самым создает условия для работы следующего фермента - экзонуклеазы , которая последовательно отщепляет несколько нуклеотидов от поврежденного участка одной цепи ДНК.
В клетках бактерий освобожденное место заполняется соответствующими нуклеотидами при участии ДНК-полимеразы I , ориентирующейся на вторую (комплементарную) цепь ДНК.
Поскольку ДНК-полимераза I способна удлинять З"-конец одной из цепей в месте разрыва в двуцепочечной ДНК и удалять нуклеотиды с 5"-конца того же разрыва,
т.е. осуществлять “ник-трансляцию” , этот фермент играет ключевую роль в репарации ДНК. Окончательное сшивание репарированных участков осуществляет ДНК-лигаза .
В клетках эукариот (млекопитающих)
Эксцизионная репарация ДНК в клетках млекопитающих сопровождается резким всплеском активности еще одного фермента – поли А D Р-рибозо-полимеразы . При этом происходит ADP-рибозилирование белков хроматина (гистонов и негистоновых белков), что ведет к ослаблению их связи с ДНК и открывает доступ ферментам репарации.
Донором ADP-рибозы в этих реакциях выступает NAD+ , запасы которого сильно истощаются при эксцизионной репарации повреждений, вызываемых рентгеновским облучением:
Отрицательно заряженные остатки ADP-рибозы из внутреннего состава молекулы NAD+ присоединяются через радикал глутаминовой кислоты или фосфосерина к белкам хроматина, что ведет к нейтрализации положительных зарядов этих белков и ослаблению их контакта с ДНК.
ЧТО ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ ГРУППА ФЕРМЕНТОВ
ДНК – гликозилазы
расщепляет гликозидную связь между дезоксирибозой и азотистым основанием
что приводит к вырезанию аномальных азотистых оснований
ДНК - гликозилазы , участвующие в устранении окислительных повреждений ДНК в клетках прокариот и эукариот , весьма разнообразны и отличаются по субстратной специфичности, пространственной структуре и способам взаимодействия с ДНК.
К наиболее изученным ДНК-гликозилазам относятся:
эндонуклеаза III (EndoIII),
форм амидо пиримидин-ДНК-гликозилаза (Fpg),
Mut T и
Mut Y кишечной палочки.
Эндонуклеаза III Е. coli "узнает" и специфически выщепляет из ДНК окисленные пиримидиновые основания.
Этот фермент представляет собой мономерный глобулярный белок, состоящий из 211 аминокислотных остатков (мол. масса 23,4 кДа). Ген, кодирующий Endo III, секвенирован, установлена его нуклеотидная последовательность. Endo III представляет собой железосерный белок [(4 Fe -4 S )2+-белок], обладающий элементом надвторичной структуры типа "греческий ключ" (спираль - шпилька - спираль), служащим для связывания с ДНК . Ферменты с аналогичной субстратной специфичностью и сходной аминокислотной последовательностью выделены также из клеток быка и человека .
Форм амидо пиридин-ДНК-гликозилаза Е. coli "узнает" и выщепляет из ДНК окисленные гетероциклические основания пуринового ряда .
СХЕМА ЭКЦИЗИОННОЙ РЕПАРАЦИИ СТАДИЯ 1
ДНК N
СХЕМА ЭКЦИЗИОННОЙ РЕПАРАЦИИ
1 ДНК N гликозидаза удаляет поврежденное основание
АР эндонуклеаза вносит разрыв в ДНК
2 Экзонуклеаза удаляет ряд нуклеотидов
3 ДНК полимераза заполняет освободившийся участок комплементарными
Мононуклеотидами
ДНК лигаза сшивает репарированную цепь ДНК
Mut T - небольшой белок с молекулярной массой 15 кДа, обладающий нуклеозидтрифосфатазной активностью, который преимущественно гидролизует dGTP до dGMP и пирофосфата.
Биологическая роль Mut T заключается в предотвращении образования во время репликации неканонических пар А:G и А: 8-oxo-G .
Такие пары могут появляться в том случае, когда окисленная форма
dGTP (8-oxo-dGTP) становится субстратом ДНК-полимеразы.
Mut T гидролизует 8-oxo-dGTP в 10 раз быстрее, чем dGTP.
Это делает 8-oxo-dGTP наиболее предпочтительным субстратом Mut T и объясняет его функциональную роль.
Mut Y представляет собой специфическую аденин-ДНК-гликозилазу, расщепляющую N-гликозидную связь между аденином и дезоксирибозой аденозина, образующего неканоническую пару с гуанином.
Функциональная роль этого фермента заключается в предотвращении мутации
T:A - G:A путем отщепления неповрежденного остатка аденина из пары оснований A: 8-oxo-G.
Нуклеотидная эксцизионная репарация
(АТФ-зависимый механизм удаления повреждений из ДНК)
В последнее время в эксцизионной репарации особое внимание уделяют АТР-зависимому механизму удаления повреждений из ДНК. Этот вид эксцизионной репарации получил название нуклеотидная эксцизионная репарация (nucleotide excision repair; NER).
Она включает в себя ДВА ЭТАПА :
1. удаление из ДНК олигонуклеотидных фрагментов , содержащих повреждение, и
Эксинуклеаза
2. последующую реконструкцию цепи ДНК с участием комплекса ферментов (нуклеаз, ДНК-полимеразы, ДНК-лигазы и др.).
Удаление фрагмента ДНК происходит по обе стороны поврежденного нуклеотида. Длина удаляемых олигонуклеотидных фрагментов отличается у прокариот и эукариот.
Удаление фрагмента ДНК у прокариот
Так, у Е. coli, В. subtilus, Micrococcus luteus вырезается фрагмент длиной 12-13 нуклеотидов,
Удаление фрагмента ДНК у эукариот
а у дрожжей, земноводных и человека - фрагмент, состоящий из 24-32 нуклеотидов.
Эксинуклеаза – фермент, удаляющий фрагменты ДНК
Выщепление фрагмента ДНК осуществляется ферментом эксинуклеазой (excinuclease). У Е. coli этот фермент состоит из 3 различных протомеров –
uvrA
uvr В
uvr С
каждый из которых выполняет определенную функцию в ходе эксцизионного выщепления фрагмента ДНК. Название этих белков дано по первым буквам слов "ultra violet repair".
Протомер uvr А обладает АТРазной активностью, связывается с ДНК в виде димера, осуществляя
первичное распознавание повреждения и
связывание uvr В
Протомер uvr В обладает:
1 . Латентной АТР-азной и латентной хеликазной активностью, необходимой для изменения конформаций и расплетания двойной спирали ДНК;
2. Эндонуклеазной активностью, расщепляя межнуклеотидную (фосфодиэфирную) связь со стороны З"-конца выщепляемого фрагмента.
Протомер uvr С действует как эндонуклеаза , вносящая разрыв в репарируемую цепь ДНК с 5"-конца вырезаемого фрагмента.
Таким образом, протомеры uvr A, uvr В, uvr С взаимодействуют с ДНК в определенной последовательности, осуществляя АТР-зависимую реакцию выщепления олигонуклеотидного фрагмента из репарируемой цепи ДНК.
Образовавшаяся брешь в молекуле ДНК реставрируется при участии ДНК-полимеразы I и ДНК-лигазы. Модель эксцизионной репарации с участием вышеперечисленных ферментов представлена на рис. 172.
Эксцизионные репарации у человека
Эксцизионные репарации у человека также имеют АТФ - зависимый характер и включают три основных этапа :
узнавание повреждения,
двойное разрезание цепи ДНК,
восстановительный синтез и
лигирование репарируемой цепи.
Однако, в эксцизионной репарации ДНК человека принимают участие
25 различных полипептидов ,
16 из которых участвуют в выщеплении олигонуклеотидного фрагмента, являясь протомерами эксинуклеазы ,
а остальные 9 осуществляют синтез репарируемого участка молекулы.
В репарационной системе ДНК у человека весьма существенную роль выполняют белки транскрипции –
РНК-полимераза II и
TF ПН - один из шести основных факторов транскрипции эукариот .
Следует отметить, что эксцизионная репарация у прокариот, как и у эукариот, зависит от функционального состояния ДНК:
транскрибируемая ДНК репарируется быстрее,
чем транскрипционно неактивная.
Этот феномен объясняется следующими факторами:
структурой хроматина,
гомологией цепей транскрибируемых участков ДНК,
эффектом повреждения цепей и его влиянием на РНК-полимеразу.
ВАЖНОЕ ЗАМЕЧАНИЕ:
КОДИРУЮШАЯ ЦЕПЬ ДНК (цепь хранения информации)
МАТРИЧНАЯ ЦЕПЬ ДНК (с неё происходит списывание информации)
Известно, что такие крупные повреждения, как образование тиминовых димеров , блокируют транскрипцию как у бактерий, так и у человека, если они происходят на матричной цепи ДНК (повреждения на кодирующей цепи не влияют на транскрипционный комплекс). РНК-полимераза останавливается в месте повреждения ДНК и блокирует работу транскрипционного комплекса.
Транскрипционно-репарационный фактор сцепления (TRCF) .
У Е. coli усиление репарации при транскрипции опосредуется одним специальным белком - транскрипционно-репарационным фактором сцепления (TRCF) .
Этот белок способствует :
1. отсоединению РНК-полимеразы от ДНК
2. одновременно стимулирует образование комплекса белков,
Осуществляющих репарацию поврежденного участка.
По окончании репарации РНК-полимераза встает на место и транскрипция продолжается (см. рис.).
Итак общая схема эксцизионной репарации
1. ДНК- N -гликозилаза удаляет поврежденное основание
2. АР –эндонуклеаза вносит разрыв в цепь ДНК
3. Экзонуклеаза удаляет ряд нуклеотидов
4. ДНК-полимераза заполняет освободившийся участок
Комплементарными нуклеотидами
5. ДНК лигаза сшивает репарированную цепь ДНК
Репарация ошибок репликации ДНК
путем метилирования
Ошибки спаривания азотистых оснований во время репликации ДНК происходят достаточно часто (у бактерий один раз на 10 тыс. нуклеотидов), в результате которых в дочернюю цепь ДНК включаются некомплементарные нуклеотидам материнской цепи нуклеотиды - мисмэтчи (англ. mismatch н е соответствовать ).
Несмотря на то, что ДНК-полимераза I прокариот обладает способностью к самокоррекции, ее усилия по устранению ошибочно присоединенных нуклеотидов иногда оказываются недостаточны , и тогда в ДНК остаются некоторые неправильные (некомплементарные) пары.
В этом случае репарация происходит с использованием определенной системы, связанной с метилированием ДНК . Действие этой системы репарации основано на том, что после репликации через определенное время (несколько минут) ДНК подвергается метилированию.
У Е. coli метилируется в основном аденин с образованием
N6-мeтил-аденина (N6-mA).
До этого момента вновь синтезированная (дочерняя) цепь остается неметилированной.
Если в такой цепи есть неспаренные нуклеотиды, то она подвергается репарации: Таким образом метилирование метит ДНК и
включает систему исправления ошибок репликации.
В этой системе репарации узнаются особые структуры:
последовательность G-N6-mA-T-С и следующая за ней деформация
в двойной спирали в месте отсутствия комплементарности (рис. ниже).
В устранении неспаренных нуклеотидов в полуметилированной молекуле ДНК принимает участие достаточно сложный комплекс ферментов репарации, который сканирует поверхность молекулы ДНК, вырезает участок дочерней цепи , прибегающей к мисмэтчам , а затем создает условия для застраивания
его нужными (комплементарными) нуклеотидами.
Различные компоненты этого комплекса обладают разными активностями нуклеазной,
хеликазной,
АТРазной,
необходимыми для внесения разрывов в ДНК и выщепления нуклеотидов, расплетания двойной спирали ДНК и энергетического обеспечения движения комплекса вдоль репарируемой части молекулы.
Сходный по структуре и функциям комплекс ферментов репарации выявлен и у человека.
Рекомбинантная (пострепликативная) репарация
В тех случаях, когда по тем или иным причинам вышерассмотренные системы репарации оказываются нарушенными, в цепях ДНК могут образовываться бреши (недорепарированные участки), имеющие иногда весьма существенные размеры , что чревато нарушением системы репликации и может привести к гибели клеток.
В этом случае клетка в состоянии использовать для репарации одной молекулы ДНК другую полученную после репликации молекулу ДНК, т. е. привлечь для этой цели механизм рекомбинации .
У бактерий
У бактерий в рекомбинантной репарации принимает участие белок Rec А . Он связывается с одноцепочечным участком ДНК и вовлекает его в рекомбинацию с гомологичными участками неповрежденных цепей другой молекулы ДНК .
В результате и разорванная (содержащая бреши), и неповрежденная цепи репарируемой молекулы ДНК оказываются спаренными с неповрежденными комплементарными участками ДНК, что открывает возможность репарации путем вышеохарактеризованных систем.
При этом могут происходить вырезание определенного фрагмента и
заполнение с его помощью бреши в дефектной цепи.
Возникающие при этом пробелы и разрывы в цепях ДНК восполняются с участием ДНК-полимеразы I и ДНК-лигазы .
SOS-репарация
Существование этой системы впервые постулировал М. Радман в 1974 г. Он же дал название этому механизму, включив в него международный сигнал бедствия "SOS" (спасите наши души).
И действительно, эта система включается тогда, когда повреждений в ДНК становится настолько много, что угрожает жизни клетки . В этом случае происходит индукция активности разнообразной группы генов, задействованных в различных клеточных процессах, сопряженных с репарацией ДНК.
Включение тех или иных генов, определяемых количеством повреждений в ДНК, приводит к разным по значимости клеточным ответам (начиная со стандартной репарации поврежденных нуклеотидов и кончая подавлением клеточного деления).
Наиболее изучена SOS-репарация у Е. coli, главными участниками которой являются белки, кодируемые генами Rec A и Lex А .
Первый из них представляет собой полифункциональный белок Rec A , участвующий
в рекомбинации ДНК , а также
в регуляции транскрипции генов фага лямбда , поражающего Е. coli,
а второй (белок Lex А) является репрессором транскрипции большой группы генов, предназначенных для репарации ДНК бактерий. При его ингибировании или разрешении репарация активируется.
Связывание Rec А с Lex А приводит к расщеплению последнего и соответственно к активации генов репарации .
В свою очередь, индукция SOS-системы бактерии служит для фага лямбда сигналом опасности и приводит к тому, что профаг переключается с пассивного на активный (литический) путь существования, вызывая тем самым гибель клетки-хозяина .
SOS-система репарации выявлена не только у бактерий, но и у животных, и человека.
Гены, задействованные в SOS-репарации повреждений ДНК
| Гены | Последствия активации гена |
| uvr А, В, С, D | Репарация повреждений вторичной структуры ДНК |
| Rec А | Пострепликативная репарация, индукции SOS-системы |
| lex А | Выключение SOS-системы |
| rec N, ruv | Репарация двунитевых разрывов |
| Обеспечение рекомбинационной репарации |
|
| umu С, D | Мутагенез, вызванный изменениями свойств ДНК-полимеразы |
| sul А | Подавление клеточного деления |
Заключение
Исправление повреждений в ДНК тесным образом связано с другими фундаментальными молекулярно-генетическими процессами: репликацией, транскрипцией и рекомбинацией. Все эти процессы оказываются переплетенными в общую систему взаимодействий, обслуживаемую большим числом разнообразных белков, многие из которых являются полифункциональными молекулами, задействованными в контроле реализации генетической информации в клетках про- и эукариот. В то же время очевидно, что природа "не скупится" на элементах контроля, создавая сложнейшие системы коррекции тех повреждений в ДНК, которые несут опасность для организма и особенно для его потомства. С другой стороны, в тех случаях, когда репарационных возможностей недостаточно для сохранения генетического статуса организма, наступает необходимость в программируемой клеточной смерти – апоптозе. .
СХЕМА НУКЛЕОТИДНОЙ ЭКСЦИЗИОННОЙ РЕПАРАЦИИ У E . COLI С УЧАСТИЕМ ЭКСИНУКЛЕАЗЫ
1. ТРАНСКРИПЦИОННО НЕЗАВИСИМЫЙ МЕХАНИЗМ
2. ТРАНСКРИПЦИОННО ЗАВИСИМЫЙ МЕХАНИЗМ
3. ОБЩИЙ ЭТАП РЕПАРАЦИИ
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
А - белок uvr А
Б - белок uvr В
С - белок uvr С
маленький черный треугольник – знак указывает на место повреждений
СХЕМА РЕПАРАЦИИ, СВЯЗАННАЯ С МЕТИЛИРОВАНИЕМ ДНК
31. Повреждения и репарация днк. Виды повреждений. Способы репарации. Дефекты репарационных систем и наследственные болезни.
Процесс, позволяющий живым организмам восстанавливать повреждения, возникающие в ДНК, называют репарацией. Все репарационные механизмы основаны на том, что ДНК - двухцепочечная молекула, т.е. в клетке есть 2 копии генетической информации. Если нуклеотидная последовательность одной из двух цепей оказывается повреждённой (изменённой), информацию можно восстановить, так как вторая (комплементарная) цепь сохранена.
Процесс репарации происходит в несколько этапов. На первом этапе выявляется нарушение комплементарности цепей ДНК. В ходе второго этапа некомплементарный нуклеотид или только основание устраняется, на третьем и четвёртом этапах идёт восстановление целостности цепи по принципу комплементарности. Однако в зависимости от типа повреждения количество этапов и ферментов, участвующих в его устранении, может быть разным.
Очень редко происходят повреждения, затрагивающие обе цепи ДНК, т.е. нарушения структуры нуклеотидов комплементарной пары. Такие повреждения в половых клетках не репарируются, так как для осуществления сложной репарации с участием гомологичной рекомбинации требуется наличие диплоидного набора хромосом.
А. Спонтанные повреждения
Нарушения комплементарности цепей ДНК могут происходить спонтанно, т.е. без участия каких-либо повреждающих факторов, например в результате ошибок репликации, дезаминирования нуклеотидов, депуринизации.
Ошибки репликации
Точность репликации ДНК очень велика, но примерно один раз на 10 5 -10 6 нуклеотидных остатков происходят ошибки спаривания, и тогда вместо пары нуклеотидов А-Т, G-С в дочернюю цепь ДНК оказываются включёнными нуклеотиды, некомплементарные нуклеотидам матричной цепи. Однако ДНК-полимеразы δ, ε способны после присоединения очередного нуклеотида в растущую цепь ДНК делать шаг назад (в направлении от 3"- к 5"- концу) и вырезать последний нуклеотид, если он некомплементарен нуклеотиду в матричной цепи ДНК. Этот процесс исправления ошибок спаривания (или коррекция) иногда не срабатывает, и тогда в ДНК по окончании репликации остаются некомплементарные пары, тем более, что ДНК-полимераза а лишена корректирующего механизма и "ошибается" чаще, чем другие полимеразы.
При неправильном спаривании в первичной структуре дочерней цепи ДНК необычные основания не появляются, нарушена только комплементарность. Система репарации некомплементарных пар должна происходить только на дочерней цепи и производить замену некомплементарных оснований только в ней. Ферменты, участвующие в удалении неправильной пары нуклеотидов, распознают матричную цепь по наличию метилированных остатков аденина в последовательностях -GATC-. Пока основания нуклеотидных остатков в дочерней цепи неметилированы, ферменты должны успеть выявить ошибку репликации и устранить её.
Распознавание и удаление (первый этап) некомплементарного нуклеотида происходят при участии специальных белков mut S, mut L, mut H . Каждый из белков выполняет свою специфическую функцию. Mut S находит неправильную пару и связывается с этим фрагментом. Mut Н присоединяется к метилированному (по аденину) участку -GATC-, расположенному вблизи некомплементарной пары. Связующим между mut S и mut Н служит белок mut L, его присоединение завершает образование активного фермента. Формирование комплекса mut S, mut L, mut Н на участке, содержащем ошибку, способствует проявлению у белка mut Н эндонуклеазной активности. Ферментативный комплекс гидролизует фосфоэфирную связь в неметилированной цепи.
К свободным концам цепи присоединяется экзонуклеаза (второй этап). Отщепляя по одному нуклеотиду в направлении от 3"- к 5"- концу дочерней цепи, она устраняет участок, содержащий некомплементарную пару. Брешь застраивает ДНК-полимераза β (третий этап), соединение основного и вновь синтезированного участков цепи катализирует фермент ДНК-лигаза (четвёртый этап). Для успешного функционирования экзонуклеазы, ДНК-полимеразы р и ДНК-лигазы необходимо участие в репарации хеликазы и SSB-белков.
Депуринизация (апуринизация)
ДНК каждой клетки человека теряет за сутки около 5000 пуриновых остатков вследствие разрыва N-гликозидной связи между пурином и дезоксирибозой.
Тогда в молекуле ДНК на месте этих оснований образуется участок, лишённый азотистых оснований, названный АП-сайтом (AP-site, или апуриновый сайт). Термин "АП-сайт" используют также в тех случаях, когда из ДНК выпадают пиримидиновые основания и образуются апиримидиновые сайты (от англ, apurinic-apyrimidinic site ).
Этот тип повреждений устраняет фермент ДНК-инсертаза (от англ, insert - вставлять), который может присоединять к дезоксирибозе основание в соответствии с правилом комплементарности. В этом случае нет необходимости разрезать цепь ДНК, вырезать неправильный нуклеотид и репарировать разрыв.
Дезаминирование
Реакции дезаминирования цитозина и превращение его в урацил, аденина в гипоксантин, гуанина в ксантин происходят значительно реже, чем депуринизация, и составляют 10 реакций на один геном в сутки.
Исправление этого вида спонтанного повреждения происходит в 5 этапов (рис. 4-24). В репарации принимает участие ДНК-N-гликозилаза, гидролизующая связи между аномальным основанием и дезоксирибозой (первый этап), в результате образуется АП-сайт, который распознаёт фермент АП-эндонуклеаза (второй этап). Как только в цепи ДНК возникает разрыв, в работу вступает ещё один фермент - АП-экзонуклеаза, который отщепляет от цепи дезоксирибозу, лишённую основания (третий этап). В цепи ДНК появляется брешь размером в один нуклеотид. Следующий фермент ДНК-полимераза b к З"-концу разорванной цепи присоединяет нуклеотид по принципу комплементарности (четвёртый этап). Чтобы соединить два свободных конца (3"-конец встроенного нуклеотида и 5"-конец основной цепи), требуется ещё один фермент - ДНК-лигаза (пятый этап).
Нерепарируемо и поэтому опасно дезаминирование метилированного цитозина. Продукт его спонтанного дезаминирования - тимин,
Б. Индуцируемые повреждения
Индуцируемые повреждения возникают в ДНК в результате воздействия разнообразных мутагенных факторов как радиационной, так и химической природы.
Образование димеров пиримидиновых оснований
Под действием УФО двойная связь между С 5 и С 6 атомами углерода в составе пиримидиновых оснований (тимине и цитозине) может разрываться. Атомы углерода остаются связанными одной связью. Расстояние между параллельными плоскостями оснований полинуклеотидной цепи, в которых произошёл разрыв., равно примерно 3,4 . Это расстояние позволяет освободившимся валентностям между С-С атомами пиримидиновых оснований, расположенных последовательно в цепи ДНК, сформировать циклобутановое кольцо. В зависимости от того, какие основания соединены в димер, их называют димерами тимина, цитозина или тимин-цитозиновыми димерами.
Удаление пиримидиновых димеров происходит под действием фотолиазы Фермент расщепляет вновь образовавшиеся связи между соседними пиримидиновыми основаниями и восстанавливает нативную структуру. В фотолиазе есть участок, либо сам поглощающий фотоны (в синей части спектра), либо связывающийся с кофакторами, адсорбирующими свет. Таким образом, свет активирует фотолиазу, которая распознаёт димеры в облучённой ДНК, присоединяется к ним и разрывает возникшие между пиримидиновыми кольцами связи. После этого фермент отделяется от ДНК.
Повреждения оснований ДНК химическими мутагенами
Азотистые основания в ДНК могут подвергаться разнообразным повреждениям: алкилированию, окислению, восстановлению или связыванию основания с формамидными группировками. Репарация начинается с присоединения ДНК-N-гликозилазы к повреждённому основанию. Существует множество ДНК-М-гликозилаз, специфичных к разным модифицированным основаниям. Ферменты гидролитически расщепляют N-гликозидную связь между изменённым основанием и дезоксирибозой, это приводит к образованию АП-сайта в цепи ДНК (первый этап). Репарация АП-сайта может происходить или только при участии ДНК-инсертазы, которая присоединяет к дезоксирибозе основание в соответствии с правилом комплементарности, или при участии всего комплекса ферментов, участвующих в репарации: АП-эндонуклеазы, АП-экзонуклеазы, ДНК-полимеразы β и ДНК-лигазы.
В. Дефекты репарационных систем и наследственные болезни
Репарация необходима для сохранения нативной структуры генетического материала на протяжении всей жизни организма. Снижение активности ферментов репарационных систем приводит к накоплению повреждений (мутаций) в ДНК.
Причиной многих наследственных болезней человека выступает нарушение отдельных этапов процесса репарации.
Пигментная ксеродерма
У больных в системе репарации снижена активность ферментов, ответственных за удаление неправильных оснований, "застройку" бреши и другие функции. Дефект репарационной системы проявляется в сверхчувствительности к УФ-свету, что приводит к появлению красных пятен на коже, переходящих в незаживающие коросты и нередко в рак кожи.
Трихотиодистрофия
Заболевание связано с повышенной фоточувствительностью ДНК, вызванной снижением активности фермента, участвующего в удалении димеров тимина. Симптомы заболевания: ломкость волос вследствие нехватки серы в белках волос и их луковиц; часто умственная д физическая отсталость; аномалии кожи и зубов.
| " |
Репарация ДНК - это ее починка, т. е. исправление ошибок, возникающих в структуре молекулы. Слово «репарация» происходит от английского «repair», переводимого как «ремонт», «починка» и т. п.
Под ошибками в структуре ДНК, которые могут быть репарированы, чаще всего понимают нарушение последовательности нуклеотидов - структурных единиц, из которых состоит каждая цепь ДНК. Молекула ДНК состоит из двух цепей-нитей, комплементарных друг другу. Это значит, что если повреждения возникают в одной из цепей, то по второй неповрежденной можно восстановить испорченный участок первой. Кроме этого, в клетках эукариот каждая хромосома имеет гомологичную, т. е. содержащую тот же набор генов (но не аллелей). В крайнем случае, когда поврежден участок на обеих нитях молекулы, он может копироваться с гомологичной хромосомы. Также после S-фазы клеточного цикла , когда произошла репликация (самокопирование), каждая хромосома состоит из двух двухцепочечных идентичных друг другу хроматид, т. е. по-сути из двух идентичных молекул ДНК. Это также может быть использовано для восстановления исходной структуры поврежденной молекулы.
В процессе эволюции появилось много различных клеточных молекулярных механизмов, ответственных за репарацию ДНК. В основном это различные ферменты и их комплексы. Часть из них участвует также в репликации. Особо опасны повреждения генов, которые кодирую такие ферменты. Это приводит к утрате того или иного репарационного механизма. В этом случае в клетках происходит более быстрое накопление повреждений и мутаций. Нередко это служит причиной возникновения бесконтрольно делящихся клеток, т. е. появления опухолей.
С другой стороны, если повреждения ДНК особенно сильны, то в клетках включается механизм самоуничтожения (апоптоза ). Таким образом к делению такие клетки не допускаются, а значит следующее поколение не будет содержать значительные повреждения ДНК.
Ошибки в структуре ДНК могут возникать на различных этапах ее существования (во время синтеза, в пред- и постсинтетические периоды), по разным причинам (случайно, под действием химически активных веществ, радиации и др.). Также изменения бывают разными (потеря химической группы нуклеотида или присоединение дополнительной, замена нуклеотида на другой, установление химической связи между двумя соседними нуклеотидами, разрыв цепи, потеря участка и др.). В связи с таким разнообразием существует трудность классификации репарационных механизмов. Часто их делят на те, которые происходят во время репликации, сразу после нее и в течение остального жизненного цикла клетки. Ниже перечислены наиболее изученные причины изменения структуры ДНК и способы репарации.
Следует иметь в виду, что не все ошибки исправляются, относительно мелкие и не критичные могут передаваться следующему поколению клеток и организмов. Их нельзя назвать повреждениями, скорее - мутациями. Большинство мутаций вредны, однако те, что нейтральны или полезны в данных условиях окружающей среды, служат материалом для эволюции. Таким образом несовершенство механизмов репарации ДНК обеспечило разнообразие жизни на нашей планете.
Коррекция нуклеотидной последовательности при репликации
ДНК-полимеразы выполняют основную работу при репликации ДНК, присоединяя нуклеотид за нуклеотидом к новой цепи. Помимо основной функции, многие полимеразы способны удалять неправильно присоединенный последний нуклеотид, т. е. не комплементарный нуклеотиду матричной цепи.
Химическая структура нуклеотидов может несколько модифицироваться. При этом они начинают соединяться водородными связями не со своими комплементарными напарниками. Так, например, цитозин должен связываться с гуанином. Но его измененная форма устанавливает водородные связи с аденином, с которым должен был связаться тимин.
При синтезе новой нити ДНК очередной нуклеотид сначала связывается водородными связями с комплементарным основанием матрицы. После этого полимераза связывает его с концом растущей цепи ковалентной связью.
Однако, если это был модифицированный нуклеотид, который неправомерно связался с комплементарным основанием материнской цепи, то он обычно быстро возвращается в свою исходную форму и становится некомплементарным. Водородные связи разрываются, и получается, что конец новой цепи имеет свободно висящий нуклеотид, ковалентно связанный с синтезируемой цепью.
ДНК-полимераза в данном случае не может присоединить следующий нуклеотид, и ей ничего не остается, как только удалить этот ошибочный нуклеотид.
Если же водородные связи не разорвались, то за ошибочным нуклеотидом цепь продолжит нарастать далее, а точечная мутация сохранится. Она может быть устранена уже после репликации.
Репарация сразу после репликации
После того, как новая нить ДНК была синтезирована, определенные комплексы ферментов распознают неправильно спаренные основания. При этом существует проблема определения новой и старой цепей молекулы ДНК. Новая отличается отсутствием метилированных оснований и у эукариот наличием временных разрывов. По этим признакам ферментные комплексы идентифицируют именно вновь синтезированную цепь. Таким образом в некомплементарных парах оснований «ошибкой» считается нуклеотид новой цепи.
Как только ошибка найдена, другие ферменты вырезают целый участок ДНК, содержащий неправоменое основание, а не только один нуклеотид. После этого полимераза заново строит этот участок, а лигаза сшивает его с остальной цепью. Этот механизм, когда вырезается и вновь синтезируется участок ДНК, называется эксцизионной репарацией (от слова excision - отрезание, вырезание), он достаточно универсален и используется во многих случаях репарации, а не только при «проверке» ДНК сразу после репликации.
Репарационные механизмы при повреждении ДНК
ДНК организма может изменяться не только из-за ошибок во время репликации. Клетка живет, подвергается воздействию неблагоприятных внешних факторов, ее внутренняя биохимическая среда может изменяться, провоцируя пагубные для ДНК реакции. В результате генетический материал так или иначе повреждается. В зависимости от типа повреждения, его масштаба включаются различные репарационные механизмы, привлекающие несколько различающиеся наборы ферментативных комплексов.
1. Существуют ферменты, отменяющие изменения нуклеотидов на месте без удаления участков ДНК. Другими словами, если в цепи был нуклеотид, содержащий основание гуанин (Г), который в результате химической реакции присоединил метил-группу и превратился в метил-гуанин, то фермент превратит его обратно в гуанин. В основном подобная репарация ДНК касается присоединения-отсоединения определенных групп атомов.
2. В случае утраты пуриновых оснований может протекать эксцизионная репарация. В случае дезаминирования и некоторых других структурных изменений оснований, ферменты гликозилазы вырезают только поврежденное основание нуклеотида. И только после этого протекает стандартная эксцизионная репарация.
3. Вырезается участок и при образовании димеров, когда два соседних нуклеотида соединяются между собой. Обычно такие реакции протекают в результате воздействия ультрафиолетовых лучей. Образование димера провоцирует расхождение комплементарных нитей ДНК в этом и близлежащих участках. Образуется пузырь, который распознается ферментами. Далее запускается эксцизионная репарация.
4. Бывают столь сильные повреждения молекул ДНК, когда структура обеих ее цепей нарушается в одном и том же месте. При этом уже нельзя согласно принципу комплементарности восстановить одну цепь по другой. Одним из примеров подобного повреждения может является разрыв молекулы ДНК на две части, например, при действии сильного радиоактивного облучения.
В случае повреждения обеих нитей молекулы ДНК на помощь может прийти рекомбинативная репарация, когда вместо поврежденного участка вставляется участок с гомологичной хромосомы или сестринской хроматиды. В случае разрыва также существуют ферменты, способные обратно присоединять оторванный кусок ДНК. Однако при этом часть нуклеотидов может теряться, что в свою очередь может привести к серьезным мутациям.
Рекомбинативная репарация в пресинтетический период клеточного цикла может протекать только между гомологичными хромосомами, т. к. каждая хромосома в этот период состоит только из одной хроматиды. В постсинтетический период, когда хромосомы состоят из двух идентичных хроматид, участок может заимствоваться с сестринской хроматиды.
Следует подчеркнуть, что у сестринских хроматид набор аллелей исходно идентичен (если не было кроссинговера). У гомологичных хромосом - нет. Таким образом, настоящая рекомбинация с точки зрения генетики протекает только в случае обмена между гомологичными хромосомами. Хотя здесь в обоих случаях мы говорим о рекомбинации.
Рассмотрим такой пример. Допустим в ДНК возник тиминовый димер, который не был репарирован до репликации. В процессе репликации цепи исходной молекулы ДНК расходятся и на каждой строится новая комплементарная цепь. На той матричной цепи, которая содержит димер тимина, в этом участке не может быть построен участок новой цепи. В этом месте просто отсутствует нормальный шаблон. В дочерней нити появляется брешь, а в материнской остается димер. Т. е. данная молекула ДНК «не знает», какова правильная нуклеотидная последовательность участка.
Единственный выход в данном случае – позаимствовать кусок ДНК с другой хроматиды. Он переносится с одной из ее цепей. Образовавшаяся здесь брешь застраивается по шаблону комплементарной цепи. Перенесенный участок на поврежденной молекуле застраивает брешь дочерней цепи, материнская так и продолжит содержать димер, который может быть репарирован позже.