Механизм репарации ДНК и ее модель

Добавил пользователь Дмитрий К.
Обновлено: 14.12.2024

Репликация обеспечивает самокопирование генетического материала. При этом, благодаря принципу комплементарности, весьма высока точность сопоставления нуклеотидных последовательностей дочерней цепи к матричной ДНК. 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.

X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018


Актуальность: Данная тема является актуальной по причине того, что репарация является свойством живой клетки бороться с различными повреждениями ДНК, чтобы сохранить целостность ДНК. Данная тема затрагивает одну из важных задач современной медицины.

Цель: понять, как нарушается целостность генетического материала клетки и какие существуют восстановительные механизмы ДНК и как они работают.

1. Изучить, что такое репарация.

2. Разобрать, как происходит повреждение ДНК и по каким причинам

3. Выяснить, как работают репарационные механизмы ДНК

3. «Световое восстановление»………………………………………. …. 5

4. «Темновое восстановление»………………………………………. …….6

6. Классификация репарации………………………………………………..8

8. Интересные факты о репарации………………………………….………11

Репарация (от лат. reparatio — восстановление) — особая функция клеток, заключающаяся в способности исправлять химические повреждения и разрывы в молекулах ДНК, повреждённых при нормальном биосинтезе ДНК в клетке или в результате воздействия физических или химических реагентов. Осуществляется специальными ферментными системами клетки. Ряд наследственных болезней (напр., пигментная ксеродерма) связан с нарушениями систем репарации. 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.

Нарушения в ДНК

Молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты может быть разорвана как в ходе биосинтеза, так и под влиянием вредных веществ.

Источники повреждения ДНК:

- Ошибки репликации ДНК

- Апуринизация — отщепление азотистых оснований от сахарофосфатного остова

- Дезаминирование — отщепление аминогруппы от азотистого основания

К негативным факторам, в частности, относят температуру или физические силы различного происхождения. Если разрушение произошло, клетка запускает процесс репарации. Так начинается восстановление исходной структуры молекулы ДНК. За репарацию отвечают особые ферментные комплексы, присутствующие внутри клеток. С невозможностью отдельных клеток осуществлять восстановление связаны некоторые заболевания.

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.

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 ионизирующему излучению. 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.

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 пигментной ксеродермой. 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.

На данный момент ученые выделяют следующие разновидности систем репарации. Они активируются в зависимости от разных факторов. К ним относятся: реактивация, рекомбинационное восстановление, репарация гетеродуплексов, эксцизионная репарация, 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.

1. 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. Так действует, например, O6-метилгуанин-ДНК-метилтрансфераза, которая снимает метильную группу с азотистого основания на один из собственных остатков цистеина.

2. Эксцизионная репарация (англ. excision — вырезание) включает удаление повреждённых азотистых оснований из ДНК и последующее восстановление нормальной структуры молекулы. Эксцизионная репарация (excision repair): процесс с участием ферментативной системы, которая удаляет короткую однонитевую последовательность двунитевой ДНК , содержащей ошибочно спаренные или поврежденные основания , и замещает их путем синтеза последовательности, комплементарной оставшейся нити. Эксцизионная репарация является наиболее распространенным способом репарации модифицированных оснований ДНК. Этот тип репарации базируется на распознавании модифицированного основания различными гликозилазами, расщепляющими N-гликозидную связь этого основания с сахарофосфатным остовом молекулы ДНК. При этом существуют гликозилазы, специфически распознающие присутствие в ДНК определенных модифицированных оснований (оксиметилурацила, гипоксантина, 5-метилурацила, 3-метиладенина, 7-метилгуанина и т.д.). Для многих гликозилаз к настоящему времени описан полиморфизм, связанный с заменой одного из нуклеотидов в кодирующей последовательности гена. Для ряда изоформ этих ферментов была установлена ассоциация с повышенным риском возникновения онкологических заболеваний.

3. Пострепликативная репарация Tип репарации, имеющей место в тех случаях, когда процесс эксцизионной репарации недостаточен для полного исправления повреждения: после репликации с образованием ДНК, содержащей поврежденные участки, образуются одноцепочечные бреши, заполняемые в процессе гомологичной рекомбинации при помощи белка. Пострепликативная репарация была открыта в клетках E.Coli, не способных выщеплять тиминовые димеры. Это единственный тип репарации, не имеющий этапа узнавания повреждения.

Интересные факты о репарации

1. Полагают, что от 80 % до 90 % всех раковых заболеваний связаны с отсутствием репарации ДНК[4].

2. Повреждение ДНК под воздействием факторов окружающей среды, а также нормальных метаболических процессов, происходящих в клетке, происходит с частотой от нескольких сотен до 1000 случаев в каждой клетке, каждый час.

3. По сути ошибки в репарации происходят так же часто как и в репликации, а при некоторых условиях даже чаще.

4. В половых клетках сложная репарация, связанная с гомологичной рекомбинацией не происходит из-за гаплоидности генома этих клеток.

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 синдром Кокейна, ксеродерма, неполипозный рак толстой кишки, трихотиодистрофия и некоторые раковые опухоли.

1. Кирпичев А.С., Севастьянова Г.А. Молекулярная биология М. AKADEMA. 2005г.

2. С.Коничев, Г.А.Севастьянова Молекулярная биология. — Москва: Академия, 2003г.

3. С.Г. Инге-Вечтомов. Генетика с основами селекции. — Москва: Высшая школа, 1989г.

СИСТЕМА РЕПАРАЦИИ ДНК КАК ИСТОЧНИК МУТАТОРНЫХ ГЕНОВ

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

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.

Нарушения комплементарности цепей ДНК могут происходить спонтанно, т.е. без участия каких-либо повреждающих факторов, например в результате ошибок репликации.

Цель данной работы является изучение системы репарации ДНК как источника мутаторных генов.

Ошибки репарации

Точность репликации ДНК очень велика, но примерно один раз на 105-106 нуклеотидных остатков происходят ошибки спаривания, и тогда вместо пары нуклеотидов А-Т, G-С в дочернюю цепь ДНК оказываются включёнными нук-леотиды, 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 ком-плементарность. 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 (рис. 4-21).

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.

Рис. Система репарации ошибок репликации. 1 - белок mut S "узнаёт" некомплементарную пару и присоединяется в этом участке ДНК; 2 - белки mut H взаимодействуют с метилированной по аденину последовательностью материнской цепи -GATC-; завершается формирование ферментативного комплекса после присоединения mut L; 3 - комплекс определяет вновь синтезированную цепь по отсутствию метилированного остатка аденина в последовательности -GATC- и разрывает её; 4 - экзонуклеаза удаляет фрагмент дочерней цепи ДНК, содержащий ошибку; 5 - ДНК-полимераза β по принципу комп-лементарности застраивает брешь; 6 - ДНК-лигаза З'-конец вновь синтезированного фрагмента соединяет с основной цепью и завершает репарацию ошибки.

Нарушение системы репарации у человека является причиной:

Онкозаболеваний (80-90 % всех раковых заболеваний)

Аутоиммунных заболеваний (болезнь Альцгеймера, СКВ, ревматоидный артрит)

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 и физическая отсталость; аномалии кожи и зубов.

Синдром Блума

Мутации в гене BLM, который является составной ДНК геликаз (хеликазы), вызывают возникновение синдрома Блума. ДНК геликазы (хеликазы) - это ферменты, которые раскручивают двухцепную спираль ДНК.

Основные симптомы — лицевая эритема и карликовость. Как правило, эритема появляется в младенческом возрасте в виде бляшек, которые напоминают пятна красной волчанки. В основном локализуются в форме бабочки на крыльях носа и щеках, иногда могут появиться в области век, лба, раковин ушей, с внутренней стороны кистей.

Анемия Фанкони

Был установлен дефект в системе репарации ДНК в фибробластах больных анемией Фанкони. Скорее всего, именно этим обусловлено легкое повреждение хромосом при этой болезни под влиянием ультрафиолетового облучения, малых доз цитостатических препаратов. Симптомы анемии Фанкони начинают проявляться в возрасте 4-10 лет. Ранние признаки патологии: спонтанные кровотечения; кровоподтеки на коже; бледность покровов и слизистых оболочек; вялость, слабость реакций на раздражители.

Кроме того, у ребенка возникает склонность к инфекционным заболеваниям. Печень и селезенка при этом не увеличиваются. Может развиться лимфаденопатия.

Дефекты системы репарации ДНК как причина рака

Парадокс процесса канцерогенеза в том, что скорость мутаций в нормальных клетках слишком низка, чтобы вызвать злокачественную трансформацию. Первым доказательством существования так называемого нестабильного фенотипа стала нестабильность генома некоторых опухолей толстой кишки. Если клетка не может устранять повреждения, происходящие в процессе нормального деления, мутации накапливаются, достигая критического уровня в генах, осуществляющих контроль над ростом клетки, и развивается злокачественная опухоль.

Таким образом, нарушение системы репарации ДНК ведет к злокачественной трансформации. Многочисленные исследования выявили эти нарушения в опухолях, обладающих микросателлитной недостаточностью. Ключевые гены, ответственные за метаболизм клетки, обычно не имеют микросателлитных повторов, которые были бы наиболее подвержены повреждениям. Тем не менее в клетках с дефектами системы репарации частота мутаций в неповторяющихся последовательностях повышена в 100 — 10 000 раз по сравнению с клетками, в которых эта система функционирует нормально.

Хотя микросателлитные последовательности в функциональных генах обычно отсутствуют, мононуклеотидные повторы в некоторых основных генах могут приводить к их инактивации. К таким генам относятся, например, TGF-BR2H(A10), bMSH3 (А8), bMSH6/GTBP (С8), IGF2R (G8) и ВАХ (G8). Парадоксально, но нестабильность числа хромосом часто наблюдается в опухолях без нарушений системы репарации, а опухоли с такими нарушениями часто имеют стабильное число хромосом. Наследственные мутации системы репарации нередко выявляют у лиц, страдающих семейными формами злокачественных опухолей. К таким заболеваниями относятся некоторые опухоли толстой кишки (ННПКРР), рак эндометрия (РЭ) и синдром Линча типа II.

Также с нарушениями системы репарации связано развитие синдромов Торре и Тюрко. ННПКРР составляет около 5 % всех случаев рака толстой кишки; его диагностируют на основании следующих критериев: 1) должно быть по меньшей мере три родственника, из них двое первой степени родства, имевших рак толстой кишки; 2) опухоли толстой кишки по крайней мере в двух поколениях; 3) хотя бы у одного из родственников рак толстой кишки был выявлен в возрасте моложе 50 лет.

У 70 % больных ННПКРР выявляют мутации в генах клеточной системы репарации ДНК — bMLH1 (49 %), bMLH2 (45 %) и bPMS2 (6 %). Нарушения системы репарации обнаруживают в 25 % случаев рака эндометрия (РЭ), примерно 1/4 из них наследственные, остальные — результат инактивации гена MLH1, вызванной гиперметилированием промоторного региона.

Заключение

В основе порядка в хромосоме и в клетке лежат механизмы репарации. С учетом тысяч повреждений, от которых ежедневно страдает геном, и с нарушений при репликации генома, клетке жизненно важно иметь эффективные механизмы репарации. Без таких механизмов геном сможет выполнять свои функции максимум несколько часов, пока основные гены не будут инактивированы повреждениями ДНК. Клеточные линии будут накапливать ошибки репликации с такой скоростью, что их геномы станут полностью нефункциональны уже через считанные деления.

Список литературы:

И. М. Спивак , Экология. Повреждение и репарация ДНК: учебное пособие. - 2017

Биохимия : учебник / под ред. Е. С. Северина. - М. : ГЭОТАР-Медиа, 2005. - 784 с.

Долгова Е. В. Репарация межпозвоночных сшивок молекулы ДНК / Е. В. Долгова, А. С. Лихачева, К. Е. Орищенко, Е. А. Алямкина, С. С. Богачев, М. А. Шурдов // Вестник ВОГиС. - 2010. - Том 14, № 2

Петрусева И. О. Молекулярные механизмы действия системы общегеномной эксцизионной репарации нуклеотидов / И. О. Петрусева, А. Н. Евдокимов, О. И. Лаврик // Acta Naturae (русскоязычная версия). - 2014. - Вып. № 1 (20), том 6. - С. 24-32.

Коничев С. А. Молекулярная биология / С. А. Коничев, Г. А. Севастьянова. - М. : Академия, 2005. - 400 с.

Уже на ранних стадиях эволюции ДНК заменила РНК в качестве носителя генетической информации. Но несмотря на свои «преимущества», ДНК постоянно подвергается химическим изменениям, как спонтанным, так и индуцируемым мутагенами и даже клеточными метаболитами. Еще одна обычная причина повреждений ДНК - радиация и ультрафиолетовое облучение. Большинство происходящих с ДНК изменений недопустимы: они либо приводят к вредным мутациям, либо блокирую репликацию ДНК и вызывают гибель клеток. Поэтому все клетки имеют специальные системы исправления повреждений, репарации ДНК. Нарушение этих систем губительно. Принципы репарации ДНК у различных организмов сходны, поэтому эти принципы рассматриваются на примере E. coli, у которой они хорошо изучены.Цель

Рассмотреть репарации повреждений ДНК

ПОНЯТИЕ РЕПАРАЦИИРепарация — особая функция клеток, заключающаяся в способности исправлять химические повреждения и разрывы в молекулах ДНК, повреждённой при нормальном биосинтезе ДНК в клетке или в результате воздействия физическими или химическими агентами. Осуществляется специальными ферментными системами клетки.

Системы репарации существуют не только у микроорганизмов, но также в клетках животных и человека, у которых они изучаются на культурах тканей. Известен наследственный недуг человека — пигментная ксеродерма, при котором нарушена репарация. Источники и типы повреждения ДНК *УФ излучения *Химические вещества, радиация *Ошибки репликации, ДНК * Апуринизация — отщепление азотистых оснований от сахарофосфатного остова * Дезаминирование — отщепление аминогруппы от азотистого основания

РЕПАРАЦИЯ НЕОБЪЕМНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ ДНК

Прямое исправление поврежденийЧастая причина точечных мутаций у человека: это спонтанное добавление метильной группы — один из типов алкилирования. Такие модификации исправляются без разрушения цепи ДНК ферментами — гликозилазами. Фермент О-6-метилгуанин-ДНК-метилтрансфераз (MGMT) защищает клетку от токсических эффектов, производимых алкилирующими агентами, переводя для этого метильную группу из О-6-метилгуанин-ДНК в цистеиновый остаток в MGMT.

Эксцизионная репарация оснований (ЭРО) Основным механизмом удаления необъемных повреждений ДНК является ЭРО. Существует два основных пути ЭРО: «короткоза- платочный» (short-path) и «длиннозаплаточный» (long-path). В ходе «короткозаплаточного» пути про- исходит замещение только одного поврежденного ну- клеотида, тогда как при «длиннозаплаточном» уда- ляются 2-8 нуклеотидов .

ЭРО в коррекции нуклеотидов, спаренных с поврежденными основаниями ДНК Интересны механизмы предотвращения возникнове- ния мутаций и коррекции повреждений с помощью «мисматч»-специфичных ДНК-гликозилаз, уча- ствующих в удалении неповрежденных азотистых оснований, спаренных с поврежденными нуклеоти- дами.

Инцизионная репарация нуклеотидов (ИРН) Альтернативным путем удаления повреждений с участием АП-эндонуклеаз является инцизионная репарация нуклеотидов (ИРН, Nucleotide Incision Repair, NIR). В этом процессе удаление поврежденного нуклеотида происходит без участия ДНК-гликозилаз и без образования по- тенциально мутагенных промежуточных продук- тов - АП-сайтов.

Прямое восстановление структуры ДНК (ПВ) В удалении ряда «необъемных» повреждений так- же участвуют ферменты, способные непосредствен- но восстанавливать структуру азотистых оснований . К таким ферментам относятся диоксигеназы (окислительные деметилазы) семейства AlkB и алкил- трансферазы, участвующие в репарации алкилиро- ванных азотистых оснований ДНК

РЕПЛИКАЦИЯ ПОВРЕЖДЕННЫХ УЧАСТКОВ ДНК СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫМИ ДНК-ПОЛИМЕРАЗАМИ

Не все повреждения могут быть быстро удалены из генома ферментами репарации. Большое количество нерепарированных повреждений нарушают работу высокоточных репликативных ДНКП Pol α, Pol δ и Pol, блокируют репликацию, что приводит к остановке клеточного цикла, хромосомной нестабильности или гибели клеток. Важнейшим механизмом преодоления репликатив ного блока служит вовлечение в репликацию поврежденной ДНК спецДНКП, которые относятся к разным семействам и специализируются на репликации разных повреждений.

Основная функция Pol η в клетке состоит в эффективной и точной репликации через фотопродукты (тимин-тиминовые циклобутановые димеры) и защите клеток от ультрафиолетового из- лучения. Тем не менее, Pol η эффективно включает нуклеотиды напротив некоторых других «необъемных» повреждений.

Pol ζ состоит из четырех субъединиц: каталитической Rev3 и регуляторных Rev7, p50 и p66. Препараты Pol ζ из S. cerevisiae c высокой эффективностью про- должают синтез ДНК от некомплементарных концов праймеров и праймеров, спаренных с повреждениями.

В 2013 году была открыта спецДНКП нового типа - праймаза-полимераза PrimPol, которая обладает одновременно ДНК-полимеразной и праймазной активностями, но отличается от Pol α-праймазы способностью к инициации синтеза ДНК с использованием dNMP. PrimPol не относится ни к одному из семейств известных ДНКП эукариот, а принадлежит AEP-семейству праймаз. Нокаут гена PRIMPOL вызывает чувствительность клеток к повреждениям ДНК и замедляет скорость движения репликативной вилки в отсутствие экзогенных повреждающих фак- торов.

Источники

Алиханян С.И и др. Общая генетика. М., 1985

Генетика. Под ред. Иванова В.И.М.,2006

Скосарева Л.В., Лебедева Н.А., Лаврик О.И., Речкунова Н.И. // Молекуляр. биология. 2013. Т. 47. № 5. С. 731-742.

Косова A.A., Лаврик О.И., Ходырева С.Н. // Молекуляр. биология. 2015. Т. 49. № 1. C. 67-74.

К вопросу о механизмах репарации ДНК в клетке


В данной статье обоснована необходимость более детального изучения механизмов репарации ДНК в клетках для обоснования этиологии и возможных генно-инженерных методов лечения различных заболеваний.

Ключевые слова: ДНК, репарация ДНК, прямая репарация, эксцизионная репарация, ДНК-лигазы, SOS-репарация.

Обмен нуклеотидов, в частности ДНК, является ключевым для нормальной жизнедеятельности клетки. Поэтому для поддержания гомеостаза клетки весьма необходима стабильная защита генома от спонтанных мутаций и случайных поломок.

Согласно имеющимся оценкам, в каждой клетке человеческого тела в сутки происходят десятки тысяч событий повреждений ДНК. Эндогенные повреждения в основном относятся к следующим категориям:

1) ошибочное включение в геном урацила или спонтанное деаминирование цитозина;

2) гидролиз или окисление любого из четырёх оснований активными формами кислорода, гормонами, активными формами азота, предшественниками гема или аминокислотами;

3) алкилирование пуринов и пиримидинов S-аденилметионином или другими агентами [7].

Также ежесуточно происходит спонтанное отщепление оснований, в количестве до 10 тысяч событий на весь объём генома. Сходные повреждения вызываются также экзогенными факторами, такими как ксенобиотики и радиация.

Молекулы ДНК являются для клетки настолько важными и уникальными, что в процессе эволюции в клетке выработалась сложная система репарации структуры ДНК, состоящая из нескольких механизмов и сотен белков, обеспечивающих процесс восстановления нормальной структуры ДНК. Основа всех репарационных механизмов — наличие в молекуле ДНК двух цепочек, таким образом в клетке есть 2 копии генетической информации: поврежденный участок восстанавливается по второй комплементарной сохранной цепи; если же повреждение затрагивает обе цепи ДНК, то используется информация для восстановления из гомологичной хромосомы [10].

Прямая репарация — наиболее простой и быстрый вариант для клетки устранить дефект за одну стадию. Однако с помощью реакций этого типа может быть исправлено небольшое число повреждений. К реакциям прямой репарации относятся фотореактивация пиримидиновых димеров, репарация АР-сайтов прямой вставкой пуринов и прямая репарация однонитевых разрывов ДНК [6].

Фотореактивация пиримидиновых димеров реализуется за счёт группы ферментов ДНК-фотолиаз. Фотолиазы активируются светом, с длиной волны 300-600 нм (видимая область). Фермент связывается с поврежденным участком. Затем после активации фотолиазы видимым светом происходит разрыв связей, возникших между пиримидиновыми кольцами ДНК. Фотолиазы были найдены у бактерий, дрожжей, мушки дрозофилы, некоторых видов иглокожих. Наличие фотолиаз у высших млекопитающих, включая человека, пока не доказано.

Репарация АР-сайтов прямой вставкой пуринов реализуется при участии фермента ДНК-инсертаза [4]. Инсертаза комплементарно присоединяет основание к дезоксирибозе и структура ДНК приобретает исходный вид. При этом типе репарации нет необходимости в разрезании цепи ДНК, вырезать неправильный нуклеотид и репарировать разрыв, однако данный механизм работает медленно и таким образом может быть исправлено небольшое число поломок.

Прямая репарация однонитевых разрывов ДНК осуществляется за счёт работы одного фермента — ДНК-лигазы. Данная группа ферментов катализирует ковалентное сшивание цепей ДНК в дуплексе при репликации, репарации и рекомбинации. Они образуют фосфодиэфирные мостики между 5'-фосфорильной и 3'-гидроксильной группами соседних дезоксинуклеотидов в местах разрыва ДНК. Реакция протекает с затратой энергии АТФ. Помимо прямой репарации, ДНК-лигазы играют важную роль в механизмах эксцизионной репарации.

Эксцизионная репарация — более сложный механизм восстановления структуры ДНК, при котором поврежденные участки извлекаются из цепи ДНК; при этом могут удаляться даже соседние с повреждёнными участками нуклеотиды. В образовавшийся промежуток вставляется недостающий участок. Для эксцизионной репарации необходима комплементарная цепь ДНК [9]. Несмотря на разнообразие типов эксцизионной репарации и белков, участвующих в ней, можно выделить общие этапы:

1) распознавание повреждения с помощью ДНК-гликозилазы [5];

2) разрезание нити ДНК с помощью эндонуклеаз;

3) удаление повреждённого участка посредством различных экзонуклеаз;

4) репаративный синтез на неповрежденной матрице при участии ДНК-полимераз.

Для Е.coli был описан особый вид репарации — SOS-репарация [1]. Это целая система белков, активирующихся при угрозе гибели клетки. Система несовершенна, так как происходит вставка некомплементарных нуклеотидов. Однако этот механизм необходим для осуществления митоза и проведения репликации даже при значительных повреждениях ДНК.

В части процессов репарации в клетке также участвует и рекомбинация. Этот механизм восстановления ДНК является приоритетным при возникновении двунитевых разрывов и из-за обширности требует более детального рассмотрения.

У млекопитающих найдено несколько различных видов ДНК-лигаз [8]:

- ДНК-лигаза I связывает фрагменты Оказаки в ходе репликации ДНК и вносит свою лепту в реакции эксцизионной репарации.

- ДНК-лигаза II — недостаточно изучена; имеются две теории образования этого фермента, связанные с лигазой III и альтернативным сплайсингом.

- ДНК-лигаза III также задействована в реакциях эксцизионной репарации и в рекомбинации.

- ДНК-лигаза IV — катализатор для конечного этапа non-homologous end joining — NHEJ двухнитевых разрывов ДНК. Также это тип ферментов принимает участие в рекомбинации генов иммуноглобулинов.

Основные структуры, осуществляющие репарацию — это различные группы ферментов. У разных биологических видов обнаружены разные типы ферментов в пределах одной группы. Некоторые ферменты образуют большие комплексы с различными видами ферментной активности.

Как мы видим, все разнообразие механизмов связано с огромным множеством ферментов, вносящих свой вклад в реакции репарации. С учетом развития молекулярной диагностики и генной терапии более детальное изучение механизмов репарации ДНК и структур, участвующих в них, является весьма приоритетным и многообещающим как для научного обоснования этиологии различных генетических [3] и онкологических заболеваний [2], так и для практического применения в качестве мишеней для лекарственных препаратов.

  1. Ушаков В. Ю.SOS-система репарации ДНК у бактерий (обзор) // Вестник Пермского университета. — 2010. — Вып. 2. — С. 19-30.
  2. Bartkova J., Horejsi Z., Koed К., et al. DNA damage response as a candidate anti-cancer barrier in early human tumorigenesis // Nature. — 2005. — Vol. 434. — Р.864-870.
  3. Caldecott K. W. Single-strand break repair and genetic disease // Nat. Rev. Genet. — 2008. — Vol. 9. — Р.619-631.
  4. Flaherty D. M., Martha М. М., Hunninghake G. W. AP Endonucleases and the Many Functions of Ref-1 // American Journal of Respiratory Cell and Molecular Biology. — 2001. — Vol. 25. № 6. — Р.664-667.
  5. Scharer O. D., Jiricny J. Recent progress in the biology, chemistry and structural biology of DNA glycosylases // Bioessays. — 2001. — Vol. 23. — P.270-281.
  6. Основы биохимии Ленинджера: в 3 т. Т. 3: Пути передачи информации / Д. Нельсон, М. Кокс; пер. с англ. — 3-е изд., испр. — М.: Лаборатория знаний, 2017. — 448 с. — с. 66-79.
  7. Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Роберте К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд., перераб. М75 и доп. Т.1. Пер. с англ. -М. Мир, 1994. -517 c
  8. Клаг, Уильям С. Основы генетики / У. С. Клаг, М. Р. Каммингс. — М.: Техносфера, 2007. — 896. с
  9. Коничев С. А. Молекулярная биология / С. А. Коничев, Г. А. Севастьянова. — М.: Академия, 2005. — 400 с.
  10. Разани С. В. Хроматин: упакованный геном / С. В. Разин, А. А. Быстрицкий. — М.: Бином. Лаборатория знаний, 2009. — 176 с.

Основные термины (генерируются автоматически): прямая репарация, III, поврежденный участок, разрыв ДНК, репарация, NHEJ, детальное изучение механизмов репарации ДНК, прямая вставка пуринов, репарация АР-сайтов, тип ферментов.

Читайте также: