Обеспечивает самокопирование генетического материала. При этом, благодаря принципу комплементарности, весьма высока точность сопоставления нуклеотидных последовательностей дочерней цепи к матричной . Кроме того, ДНК - достаточно химически инертное вещество, что обеспечивает ее большую стабильность по сравнению, например, с РНК. Однако этого мало, так как ДНК все же может повреждаться внешними воздействиями, также могут возникать ошибки на этапе репликации. Поэтому в клетках должны существовать механизмы исправления повреждений и ошибок синтеза, т. е. выполняться репарация ДНК .

Существует целый ряд репарационных механизмов, выполняющихся на различных этапах синтеза ДНК, а также в зависимости от типа возникающих ошибок.

Все вместе репарационные механизмы существенно снижают частоту ошибок в молекулах ДНК и направлены на поддержание стабильности наследственного материала. Однако, поскольку не все изменения структуры ДНК устраняются, возникают мутации, благодаря которым на Земле возникло разнообразие живых организмов.

Устранение ошибок ДНК-полимеразой

Прежде всего сама ДНК-полимераза при наращивании новой цепи ДНК проверяет, тот ли нуклеотид присоединяется к растущей нити.

Существуют измененные формы азотистых оснований, которые могут комплементарно связываться с нуклеотидами матрицы. Так измененная форма цитозина может связаться с аденином. Полимераза присоединит этот конечный нуклеотид к растущей цепи, но он быстро перейдет в свою обычную форму - станет обычным цитозином. При этом водородные связи разрушаются (т. к. нарушается комплементарность), и на конце получается неспаренный нуклеотид, однако ковалентно соединенный с синтезируемой цепью. Полимераза не может далее наращивать цепь. Сама полимераза или связанный с ней фермент редактирующая эндонуклеаза отщепляют последний «неправильный» нуклеотид.

В результате такого механизма самокоррекции частота ошибок репликации снижается в 10 раз. Если присоединение ошибочного нуклеотида на этапе синтеза ДНК составляет 10 -5 , то репарационная активность полимеразы снижает их количество до 10 -6 .

Репарационные механизмы

ДНК-полимераза исправляет часть ошибок репликации, но не все. Кроме того, изменения в последовательности нуклеотидов ДНК возникают и после ее удвоения. Так могут теряться пуриновые основания (аденин и гуанин), дезаминироваться цитозин, превращаясь в урацил. Эти и другие изменения возникают обычно из-за содержащихся в окружающей хромосомы среде определенные химически активных вещества. Ряд подобных соединений нарушает нормальное спаривание оснований. Под действием ультрафиолетового излучения два соседних остатка тимина могут образовать связи между собой, возникают тиминовые димеры.

Существует прямая репарация , когда, если это возможно, ферментативно восстанавливается исходная структура нуклеотидов, без их вырезания.

Эксцизионная репарация

Эксцизионная, или дорепликативная, репарация осуществляется до очередного цикла репликации.

Существует класс ферментов, обнаруживающих измененные последовательности нуклеотидов в одной из комплементарных цепей ДНК. После этого происходит удаление ошибочного участка и его замена вновь синтезированным. При этом матрицей служит участок комплементарной «правильной» нити.

Ферменты репарации обычно обнаруживают ошибки на новой нити ДНК, а не матричной. Между двумя цепями одной молекулы ДНК небольшое различие, заключающееся в степени метилирования азотистых оснований. У дочерней цепи оно отстает от синтеза. Ферменты распознают такую цепь и именно на ней исправляют участки, которые так или иначе не комплементарны участкам старой цепи. Кроме того, сигналами могут служить разрывы нити, которая у эукариот синтезируется фрагментами.

Фермент эндонуклеаза способна обнаруживать утрату пуриновых оснований. Данный фермент разрывает фосфоэфирную связь в месте повреждения. Далее действует фермент экзонуклеаза , который удаляет участок, содержащий ошибку. После этого дыра застраивается согласно комплементарности матрице.

ДНК-гликозилазы – целый класс ферментов, распознающих повреждения ДНК в результате дезаминирования, алкилирования и других структурных изменений ее оснований. Гликозилазы удаляют именно основания, а не нуклеотиды. После этого участки нити ДНК без оснований репарируются также как при «починке» пуринов.

Следует отметить, что дезаминирование азотистых оснований может привести к невозможности восстановления исходной последовательности нуклеотидов. Происходит замена одних пар оснований другими (например, Ц-Г заменится на Т-А).

Ферменты, удаляющие участки с тиминовыми димерами, распознают не отдельные ошибочные основания, а более протяженные участки измененной ДНК. Здесь также происходит удаление участка и синтез на его месте нового. Кроме того димеры тимина могут устраняться самопроизвольно под действием света - так называемая световая репарация .

Пострепликативная репарация

Если дорепликативная репарация не исправила измененные участки ДНК, то в ходе репликации происходит их фиксация. Одна из дочерних молекул ДНК будет содержать изменения в обоих своих нитях. В ней одни пары комплементарных нуклеотидов заменены на другие, или появляются бреши во вновь синтезированной цепи напротив измененных участков матричной.

Система пострепликативной репарации способна распознавать такие изменения ДНК. На этом этапе устранение повреждений ДНК осуществляется путем обмена фрагментами (т. е. рекомбинацией) между двумя новыми молекулами ДНК, одна из которых содержит повреждение, другая - нет.

Так происходит с димерами тимина, которые не были удалены на предыдущих этапах. Между двумя рядом стоящими тиминами присутствуют ковалентные связи. Из-за этого они не способны связываться водородными связями с ковалентной цепью. В результате, когда на матричной цепи, содержащей тиминовый димер, синтезируется дочерняя цепь, в ней образуется брешь. Этот разрыв распознается ферментами репарации. Понятно, что правильного участка у данной молекулы ДНК нет (одна нить содержит тиминовый димер, другая - дыру). Поэтому единственный выход - это взять участок ДНК со «здоровой» молекулы, который берется с матричной цепи этой молекулы ДНК. Образующаяся здесь дыра заполняется по принципу комплиментарности.

SOS-система

Значительная часть повреждений ДНК устраняется с помощью описанных репарационных механизмов. Однако если ошибок остается слишком много, то обычно включается так называемая SOS-система, состоящая из своей группы ферментов, которые могут заполнять дыры, не обязательно соблюдая принцип комплементарности. Поэтому срабатывание SOS-системы часто служит причиной возникновения мутаций.

Если же изменение ДНК слишком существенное, то репликация блокируется, и клетка не будет делиться.

Размер: px

Начинать показ со страницы:

Транскрипт

1 РЕПАРАЦИЯ ДНК 1 Системы репарации 1 Прямая репарация. Примеры 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 (от англ. excision - вырезание). 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. О6-метилгуанин-ДНК-метилтрансфераза 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. АР-сайты могут репарироваться путем прямой вставки пуринов при участии ферментов, называемых ДНК-инсертазами (от англ. insert- вставлять). 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 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

2 представляет собой белок с молекулярной массой 35 кда, прочно связанный с олигорибонуклеотидом длиной нуклеотидов, необходимым для активности фермента. Примеры прямой репарации 1. Метилированное основание O6-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 O6-mG демитилируется ферментом метилтрансферазой, который переносит метильную группу на один из своих остатков аминокислоты цистеина Фотолиаза присоединяется к тиминовому димеру и после облучения этого комплекса видимым светом (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.

3 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 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: 3 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 АР-эндонуклеаза экзонуклеаза создает условия для работы следующего фермента - экзонуклеазы выщепляет несколько нуклеотидов и азотистым основанием разрывает сахарофосфатный остов молекулы ДНК в АР-сайте 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.

4 ЧТО ПРОИСХОДИТ ДАЛЕЕ: 4 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 АDР-рибозополимеразы. 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

5 что приводит к вырезанию аномальных азотистых оснований 5 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 [(4Fe-4S)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 гликозидаза удаляет поврежденное основание АР эндонуклеаза вносит разрыв в ДНК СХЕМА ЭКЦИЗИОННОЙ РЕПАРАЦИИ 1 ДНК N гликозидаза удаляет поврежденное основание АР эндонуклеаза вносит разрыв в ДНК 2 Экзонуклеаза удаляет ряд нуклеотидов

6 3 ДНК полимераза заполняет освободившийся участок комплементарными Мононуклеотидами ДНК лигаза сшивает репарированную цепь ДНК 6 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.

7 Нуклеотидная эксцизионная репарация (АТФ-зависимый механизм удаления повреждений из ДНК) В последнее время в эксцизионной репарации особое внимание уделяют АТРзависимому 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 фермент, удаляющий фрагменты ДНК 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 нуклеотидов, Удаление фрагмента ДНК у эукариот а у дрожжей, земноводных и человека - фрагмент, состоящий из 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; 7

8 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 ДНКполимеразы I и ДНК-лигазы. Модель эксцизионной репарации с участием вышеперечисленных ферментов представлена на рис 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) 8

9 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. 9 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 не 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).

10 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 10 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

11 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 клеткихозяина. SOS-система репарации выявлена не только у бактерий, но и у животных, и человека. 11

12 12 Гены, задействованные в SOS-репарации повреждений ДНК Гены uvr А, В, С, D Rec А lex А rec N, ruv ssb umu С, D sul А Последствия активации гена Репарация повреждений вторичной структуры ДНК Пострепликативная репарация, индукции SOS-системы Выключение SOS-системы Репарация двунитевых разрывов Обеспечение рекомбинационной репарации Мутагенез, вызванный изменениями свойств ДНК-полимеразы 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.. МАТЕРИАЛ И ПРИВЕДЕННЫЕ ДАЛЕЕ СХЕМЫ ВЗЯТЫ ИЗ РУКОВОДСТВА Кирпичев А.С., Севастьянова Г.А. Молекулярная биология М. AKADEMA C.

13 СХЕМА НУКЛЕОТИДНОЙ ЭКСЦИЗИОННОЙ РЕПАРАЦИИ У E.COLI С УЧАСТИЕМ ЭКСИНУКЛЕАЗЫ 1. ТРАНСКРИПЦИОННО НЕЗАВИСИМЫЙ МЕХАНИЗМ 13

14 2. ТРАНСКРИПЦИОННО ЗАВИСИМЫЙ МЕХАНИЗМ 14

15 3. ОБЩИЙ ЭТАП РЕПАРАЦИИ 15 УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ А - белок uvr А Б - белок uvr В С - белок uvr С маленький черный треугольник знак указывает на место повреждений

16 СХЕМА РЕПАРАЦИИ, СВЯЗАННАЯ С МЕТИЛИРОВАНИЕМ ДНК 16

Репарация ДНК Типы мутаций на генном уровне Типы изменений в генах Замены (в.т.ч изза модификациии нуклеотидов) Делеции Вставки Транслокации Дупликации Инверсии По последствиям точковые мутации бывают:

Репарация ДНК Репарация ДНК Первичная структура ДНК является динамичной и подвергается постоянным изменениям. Изменения в молекулярной структуре генетического материала являются повреждениями ДНК. Повреждение

Молекулярно-генетический уровень характеризует: Репликация ДНК, репарация ДНК, мутации ДНК, рекомбинации молекул ДНК транскрипция ДНК трансляция РНК Составляют элементарные генетические процессы обеспечивающие

СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОГО МАТЕРИАЛА 1. ВВЕДЕНИЕ Предмет и задачи молекулярной биологии. История ее развития и основные достижения. 2. СТРОЕНИЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ Химический состав

Глава 7 Репликация ДНК 1. CS Репликация это процесс присущий: a) только эукариотам; b) только прокариотам; c) только вирусам; d) всем живым системам; e) все ответы неверные. 2. CS Репликация это процесс:

Вопросы к экзамену (зачету) Молекулярная биология лекции С.В. Разина Билет 1. 1. Кольцевые молекулы ДНК и понятие о сверхспирализации ДНК. Параметры сверхспирализованной ДНК и конформационные переходы

7 РЕПЛИКАЦИЯ И РЕПАРАЦИЯ ДНК Репликация ДНК это молекулярный процесс точного копирования молекул ДНК (ее нуклеотидной последовательности). С помощью механизма репликации происходит точная передача генетической

Лекция 7 Нуклеиновые кислоты Структура ДНК Синтез ДНК Мутации Структура РНК Нуклеиновые кислоты ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) ирнк (рибонуклеиновая кислота) линейные полимеры, мономерами которых

Биохимия Лекция 3 ДНК Дезоксирибонуклеи новая кислота (ДНК) макромолекула, обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых

Генетическая рекомбинация - это перераспределение генетического материала (ДНК), приводящее к возникновению новых комбинаций генов. Рекомбинация может происходить путем обмена клеточными ядрами, целыми

РЕКОМБИНАЦИЯ Генетическая рекомбинация - это перераспределение генетического материала (ДНК), приводящее к возникновению новых комбинаций генов. Пути рекомбинации: - обмен клеточными ядрами - обмен целыми

Основные генетические механизмы Тренинг «Использование методики Xpert MTB/RIF», г.душанбе, 29 июля 2 августа 2013 г. Презентация подготовлена в рамках проекта USAID «Посилення контролю за туберкульозом

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА. РЕПЛИКАЦИЯ мультиферментный комплекс (ДНК-репликазная система), которая включает около 20 основных ферментов и белковых факторов единица процесса репликации

Глава I. Основы цитологии На дом: 12 Тема: «Нуклеиновые кислоты. ДНК» Задачи: Дать характеристику нуклеиновым кислотам: видам НК, локализации их в клетке, строению, функциям. Изменено, дополнено Нуклеиновые

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНТИКА МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА. РЕПЛИКАЦИЯ ДНК ЭУКАРИОТ Организм Количество репликонов Средний размер репликона, тыс.п.н. Скорость движения репликативной вилки, п.н./сек. 1 4200 50000 500 40

ПРОЦЕССИНГ ДНК И РНК При жизни организма непрерывно происходят процессы обновления тканей, клеток и т.д., которые неизбежно включают процессы копирования и передачи информации, хранящейся в геноме. Направления

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА. ПРОЦЕССИНГ РИБОСОМАЛЬНЫХ И ТРАНСПОРТНЫХ РНК. синтез молекул РНК, образование первичного транскрипта (пре-рнк) (посттранскрипционные модификации) модификация

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА. ТРАНСКРИПЦИЯ РНК ПРОКАРИОТ участок ДНК, являющийся единицей транскрипции РНК транскриптон прокариотических организмов в широком смысле структурная и функциональная

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ. БИОСИНТЕЗ ЛЕКЦИЯ 3 План лекции 1. РЕПЛИКАЦИЯ 2. ТРАНСКРИПЦИЯ РЕПЛИКАЦИЯ Лекция 3. БИОСИНТЕЗ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ Словарь Реплисома мультиферментный комплекс (ДНКрепликазная система),

1.2. Поток генетической информации у прокариот Организация прокариотического гена Транскрипция у прокариот Трансляция у прокариот +/- ДНК и РНК Репарация ДНК Поток генетической информации у прокариот Ранние

Учитель биологии ГБОУ СОШ 277 Кировского района Буянов А.В. Название «нуклеиновые кислоты» происходит от латинского слова «нуклеус», т.е. ядро. Они впервые были обнаружены и выделены из ядер клеток. Этот

Организация наследственного материала (I) Вопросы: 1. Строение и функции нуклеиновых кислот. 2. Репликация ДНК. 3. Генетический код и его свойства. 4. Реализация генетической информации в клетке. Биосинтез

Ррнк Рибосомальная РНК входит в состав рибосом, сложных надмолекулярных структур, которые состоят из четырех типов ррнк и нескольких десятков белков. Рибосомальная РНК составляет большую долю (до 80%)

Занятие 6. Тема: ОРНИЗИЯ НСЛЕДСТВЕННОО МТЕРИЛ (занятие I) " " 200 г ель занятия: изучить молекулярную природу гена, его свойства; научиться решать задачи, раскрывающие строение молекул ДНК и РНК, по репликации,

Задания для внеаудиторной работы студентов специальности медицинская биохимия 1 курс. Резюме - краткое изложение информации по какому-либо изученному материалу. Необходимо изложить пройденную тему в 5-7

Репликация ДНК Биосинтез белка Репликация удвоение молекулы ДНК Происходит в S (синтетический)период митотического цикла Образующиеся дочерние молекулы - точные копии материнской Принципы репликации Комплементарность

Молекулярная биология Лекция 12. Регуляция. Скоблов Михаил Юрьевич Часть 1. Регуляция активности генов у прокариот Парадокс количества и сложности: Эволюционное качество достигается не количеством генов,

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО НАУЧНЫХ ОРГАНИЗАЦИЙ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ЦИТОЛОГИИ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК Билеты вступительного экзамена в аспирантуру

Нуклеопротеины (ДНП и РНП) сложные белки, небелковым компонентом которых являются нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК). Нуклеиновые кислоты (от лат. Nucleus ядро) это полинуклеотиды, неразветвленные и нерегулярные,

Генный уровень организации наследственного материала. Ген - единица наследственной информации: занимающая определенное положение в хромосоме, контролирующая выполнение определенной функции, определяющая

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА МОЛЕКУЛЯРНАЯ ГЕНЕТИКА. РЕПЛИКАЦИЯ период жизни клетки от одного деления до другого или от деления до смерти Y-образная структура, перемещающаяся вдоль родительской спирали ДНК и характеризующаяся

Занятие 4. ТРАНСКРИПЦИЯ ДНК Цель занятия: ознакомиться с процессами транскрипции ДНК у про- и эукариот и особенностями организации их генов. 1. Транскрипция прокариот 2. Транскрипция эукариот 3. Нематричный

Глава 11 Методы анализа генов 1. CS Ферменты рестрикции: a) используются в ПЦР; b) узнают одноцепочечную ДНК; c) узнают и разрезают специфические двуцепочечные последовательности ДНК; d) встречаются у

Рестриктазы - группа бактериальных нуклеаз. Рестриктазы - это ферменты, обладающие эндонуклеазной активностью, которые специфически гидролизуют молекулы двухцепочечных ДНК при наличии в них определенных

Характеристика ДНК и РНК ДНК выполняет следующие функции: 1. Участвует в копировании генетического материала (репликации) и передаче его дочерним клеткам в ходе их деления. 2. Обеспечивает - экспрессию

Синтез ДНК Реализация наследственной информации Заведующий кафедрой биологии, профессор Колесников О.Л. Особенности ДНК-полимеразы Синтез новой цепи идет в направлении от 5 к 3 концу цепи Фермент может

Учитель биологии Зозуля Е.В.. Ноябрь 2014. Решение задач по молекулярной биологии. Молекулярная биология изучает механизмы хранения и передачи наследственной информации. Задачи по молекулярной биологии

ЖИЗНЬ КЛЕТКИ: БИОСИНТЕЗ БЕЛКА КЛЕТОЧНЫЙ ЦИКЛ РЕПАРАЦИЯ интерфаза Клеточный цикл = ИНТЕРФАЗА + М-фаза пресинтетический период G1 (синтез РНК, рибосом, нуклеотидов, белков, синтез АТФ, деление МХ и хлоропластов,

Решение биологических задач на тему «Генетический код. Биосинтез белка» Типы задач 1. Определение последовательности аминокислот в фрагменте молекулы белка на основании последовательности нуклеотидов ДНК

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ОБЩАЯ И МЕДИЦИНСКАЯ ГЕНЕТИКА ЗАДАЧИ Под редакцией профессора М.М. Азовой Министерство образования и науки Р Рекомендовано Координационным советом по области образования «Здравоохранение

Глава 9 Транскрипция и процессинг РНК 1. СS Кэпирование про-мрнк обеспечивает: a) репликацию ДНК; b) репарацию ДНК; c) стабильность молекул РНК; d) денатурацию ДНК; e) сплайсинг. 2. CS В транскрипции участвует:

Занятие 3. РЕПЛИКАЦИЯ ДНК Цель занятия: ознакомиться с процессами репликации ДНК. 1 Матричные процессы синтеза биополимеров. Белки и ферменты, участвующие в репликации ДНК. Общая характеристика репликации

ëóèùâapple Ç.ç., 997 REPAIR OF GENETI DAMAGE V. N. SOYFER The following mechanisms of repair are described: direct repair, excision of damages based by glycosylases, nucleotides" excision, repair of mismatched

Нуклеиновые кислоты Нуклеиновые кислоты и их роль в жизнедеятельности клетки Нуклеиновые кислоты открыты во второй половине 19 века швейцарским биохимиком Фридрихом Мишером Фридрих Мишер Нуклеиновые кислоты

Тема 1. Химический состав клетки Задания части А Выберите один ответ, который является наиболее правильным 1. Назовите органические соединения, которые содержатся в клетке в наибольшем количестве (в %

Р Радикальная замена аминокислоты мутационная замена, приводящая к значительным изменениям структуры и функции белка. Рамка считывания один из трех возможных способов считывания нуклеотидной последовательности

ЗАПОРОЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА БИОЛОГИЧЕСКОЙ ХИМИИ МАТРИЧНЫЕ СИНТЕЗЫ: РЕПЛИКАЦИЯ ТРАНСКРИПЦИЯ ТРАНСЛЯЦИЯ МАТРИЦА форма, применяемая при штамповке, отливке РЕПЛИКА- копия, отпечаток,

Молекулярная биология Лекция 7. Репликация и репарация. Скоблов Михаил Юрьевич Часть 1. Репликация ДНК Эксперимент Мезельсона и Сталя 1958 год ДНК-полимераза В 1956 г. Корнберг выделил из клеток бактерии

Предлагаемая книга является первым наиболее полным и авторитетным руководством по интенсивно развивающейся области науки молекулярной генетике, аналогов которому в мировой научной литературе нет. Издание

Репарация - это свойство живой клетки бороться с различными повреждениями ДНК. В окружающем мире существует множество факторов, способных вызвать необратимые изменения в живом организме. Чтобы сохранить свою целостность, избежать патологических и несовместимых с жизнью мутаций, должна существовать система самостоятельного восстановления. Как нарушается целостность генетического материала клетки? Рассмотрим этот вопрос более подробно. Также выясним, какие существуют восстановительные механизмы организма и как они работают.

Нарушения в ДНК

Молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты может быть разорвана как в ходе биосинтеза, так и под влиянием вредных веществ. К негативным факторам, в частности, относят температуру или физические силы различного происхождения. Если разрушение произошло, клетка запускает процесс репарации. Так начинается восстановление исходной структуры За репарацию отвечают особые ферментные комплексы, присутствующие внутри клеток. С невозможностью отдельных клеток осуществлять восстановление связаны некоторые заболевания. Наука, изучающая процессы репарации, - это биология. В рамках дисциплины проведено достаточно много опытов и экспериментов, благодаря которым становится более понятным процесс восстановления. Надо отметить, что механизмы репарации ДНК очень интересны, как и история открытия и изучения данного феномена. Какие факторы способствуют началу восстановления? Для того чтобы процесс запустился, необходимо, чтобы на ДНК воздействовал стимулятор репарации тканей. Что это такое, подробнее расскажем чуть ниже.

История открытия

Это удивительное явление начал изучать американский ученый Кельнер. Первым значимым открытием на пути исследования репарации стал такой феномен, как фотореактивация. Этим термином Кельнер назвал эффект снижения вреда от ультрафиолетового облучения при последующей обработке поврежденных клеток ярким излучения видимого спектра.

"Световое восстановление"

Впоследствии исследования Кельнера получили свое логическое продолжение в работах американских биологов Сетлоу, Руперта и некоторых других. Благодаря труду этой группы ученых было достоверно установлено, что фотореактивация является процессом, который запускается благодаря особому веществу - ферменту, катализирующему расщепление димеров тимина. Именно они, как выяснилось, образовывались в ходе экспериментов под воздействием ультрафиолета. При этом яркий видимый свет запускал действие фермента, который способствовал расщеплению димеров и восстановлению первоначального состояния поврежденных тканей. В данном случае речь идет о световой разновидности восстановления ДНК. Определим это более четко. Можно сказать, что световая репарация - это восстановление под воздействием света первоначальной структуры ДНК после повреждений. Однако данный процесс не является единственным, способствующим устранению повреждений.

"Темновое" восстановление

Спустя некоторое время после открытия световой была обнаружена темновая репарация. Это явление происходит без какого-либо воздействия световых лучей видимого спектра. Данная способность к восстановлению обнаружилась во время исследования чувствительности некоторых бактерий к ультрафиолетовым лучам и Темновая репарация ДНК - это способность клеток убирать любые патогенные изменения дезоксирибонуклеиновой кислоты. Но следует сказать, что это уже не фотохимический процесс, в отличие от светового восстановления.

Механизм "темнового" устранения повреждений

Наблюдения за бактериями показали, что спустя некоторое время после того, как одноклеточный организм получил порцию ультрафиолета, вследствие чего некоторые участки ДНК оказались поврежденными, клетка регулирует свои внутренние процессы определенным образом. В результате измененный кусочек ДНК просто отрезается от общей цепочки. Получившиеся же промежутки заново заполняются необходимым материалом из аминокислот. Иными словами, осуществляется ресинтез участков ДНК. Открытие учеными такого явления, как темновая репарация тканей, - это еще один шаг в изучении удивительных защитных способностей организма животного и человека.

Как устроена система репарации

Эксперименты, позволившие выявить механизмы восстановления и само существование этой способности, проводились с помощью одноклеточных организмов. Но процессы репарации присущи живым клеткам животных и человека. Некоторые люди страдают Это заболевание вызвано отсутствием способности клеток ресинтезировать поврежденную ДНК. Ксеродерма передается по наследству. Из чего же состоит репарационная система? Четыре фермента, на которых держится процесс репарации - это ДНК-хеликаза, -экзонуклеаза, -полимераза и -лигаза. Первый из этих соединений способен распознавать повреждения в цепи молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты. Он не только распознает, но и обрезает цепь в нужном месте, чтобы удалить измененный отрезок молекулы. Само устранение осуществляется с помощью ДНК-экзонуклеазы. Далее происходит синтез нового участка молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты из аминокислот с целью полностью заменить поврежденный отрезок. Ну и финальный аккорд этой сложнейшей биологической процедуры совершается с помощью фермента ДНК-лигазы. Он отвечает за прикрепление синтезированного участка к поврежденной молекуле. После того как все четыре фермента сделали свою работу, молекула ДНК полностью обновлена и все повреждения остаются в прошлом. Вот так слаженно работают механизмы внутри живой клетки.

Классификация

На данный момент ученые выделяют следующие разновидности систем репарации. Они активируются в зависимости от разных факторов. К ним относятся:

1. Реактивация.
2. Рекомбинационное восстановление.
3. Репарация гетеродуплексов.
4. Эксцизионная репарация.
5. Воссоединение негомологичных концов молекул ДНК.

Все одноклеточные организмы обладают как минимум тремя ферментными системами. Каждая из них обладает способностью осуществлять процесс восстановления. К этим системам относят: прямую, эксцизионную и пострепликативную. Этими тремя видами восстановления ДНК обладают прокариоты. Что касается эукариот, то в их распоряжении находятся дополнительные механизмы, которые называются Miss-mathe и Sos-репарация. Биология подробно изучила все эти виды самовосстановления генетического материала клеток.

Структура дополнительных механизмов

Прямая репарация — это наименее сложный способ избавления от патологических изменений ДНК. Ее осуществляют особые ферменты. Благодаря им восстановление структуры молекулы ДНК происходит очень быстро. Как правило, процесс протекает в течение одной стадии. Одним из вышеописанных ферментов является O6-метилгуанин-ДНК-метилтрансфераза. Эксцизионная система репарации - это тип самовосстановления дезоксирибонуклеиновой кислоты, который подразумевает вырезание измененных аминокислот и последующую замену их заново синтезированными участками. Этот процесс уже осуществляется в несколько стадий. В ходе пострепликативного восстановления ДНК в структуре этой молекулы могут образовываться бреши величиной в одну цепочку. Затем они закрываются при участии белка RecA. Пострепликативная система репарации уникальна тем, что в ее процессе отсутствует этап распознавания патогенных изменений.

Кто отвечает за механизм восстановления

На сегодняшний день ученым известно, что такое простейшее существо, как кишечная палочка, обладает не менее чем полусотней генов, отвечающих непосредственно за репарацию. Каждый ген выполняет определенные функции. К ним относят: распознавание, удаление, синтез, прикрепление, идентификацию последствий воздействия ультрафиолета и так далее. К сожалению, любые гены, в том числе и те, что отвечают за процессы репарации в клетке, подвергаются мутационным изменениям. Если это происходит, то они запускают более частые мутации и во всех клетках организма.

Чем опасно повреждение ДНК

Каждый день ДНК клеток нашего организма подвергаются опасности повреждений и патологических изменений. Этому способствуют такие факторы окружающей среды, как пищевые добавки, химические вещества, перепады температур, магнитные поля, многочисленные стрессы, запускающие определенные процессы в организме, и многое другое. Если структура ДНК будет нарушена, это может вызвать тяжелую мутацию клетки, а может в будущем привести к раку. Именно поэтому у организма есть комплекс мер, призванных бороться с такими повреждениями. Даже если ферментам не удается вернуть ДНК в первозданный вид, система репарации работает на то, чтобы свести повреждения к минимуму.

Гомологичная рекомбинация

Разберемся, что это такое. Рекомбинация являет собой обмен генетическим материалом в процессе разрыва и соединения молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты. В том случае, когда в ДНК возникают разрывы, начинается процесс гомологичной рекомбинации. В ходе него осуществляется обмен фрагментами двух молекул. Благодаря этому точно восстанавливается первоначальная структура дезоксирибонуклеиновой кислоты. В некоторых случаях может происходить проникновение ДНК. Благодаря процессу рекомбинации возможна интеграция этих двух разнородных элементов.

Механизм восстановления и здоровье организма

Репарация - это обязательное условие нормального функционирования организма. Подвергаясь ежедневно и ежечасно угрозам повреждений и мутаций ДНК, многоклеточная структура приспосабливается и выживает. Это происходит в том числе и за счет налаженной системы репарации. Отсутствие нормальной восстановительной способности вызывает болезни, мутации и другие отклонения. К ним относятся различные патологии развития, онкология и даже само старение. Наследственные болезни вследствие нарушений репарации могут приводить к тяжелым злокачественным опухолям и другим аномалиям организма. Сейчас определены некоторые заболевания, вызываемые именно сбоями систем репарации ДНК. Это такие, например, патологии, как ксеродерма, неполипозный рак толстой кишки, трихотиодистрофия и некоторые раковые опухоли.

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

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.