Репарация ДНК

Общие сведения

Агенты повреждающие ДНК

Излучение

1. ионизирующая радиация (гамма лучи, рентгеновские лучи)

2. Ультрафиолетовое излучение (особенно ~260 нм, именно в этой области происходит максимальное поглощение ДНК)

Активные радикалы кислорода образуемые во время нормального клеточного дыхания в различных биохимических путях.
Химические вещества окружающей среды.

Многие углеводороды.

Химикаты используемые в противоопухолевой химотерапии.

Типы повреждений ДНК

1. Все четыре основания в ДНК (A, T, C, G) могут быть ковалентно модифицированы в различных положениях.
Наиболее частое - это потеря аминогруппы (дезаминирование) - в таком случае C превращается в U.
Неправильное включение оснований происходящее из-за ошибок в работе ДНК полимераз при репликации.
Наиболее часто происходит включение урацила вместо тимина.
Нарушения структуры.
В ДНК могут происходить разрывы. Разрывы могут быть одноцепочечные, или могут разорваться обе цепи ДНК.

Ионизирующая радиация может быть частой причиной таких разрывов.
Между соседними основаниями может образоваться ковалентная связь, причем связь может образоваться между соседними основаниями в одной цепи или между двумя цепями ДНК.
типы повреждения ДНК
изменение одного основания
апуринизация
замена С на У
замена А на гипоксантин
алкилирование основания
вставка или делеция нуклеотида
встраивание аналогичного основания
изменение двух оснований
образование тиминовых димеров
поперечная связь с бифункиональным алкилирующим агентом
разрушение цепи
ионизирующее излучение
радиоактивное разрушение элементов остова
поперечные связи
между основаниями одной нити или двух параллельных нитей
между ДНК и белковыми молекулами, например гистонами

Репарация поврежденных оснований

Поврежденные основания могут быть исправлены различными путями:
Прямое химическое исправление повреждений.

Эксцизионная репарация (ER), при которой поврежденное основание удаляется и заменяется новым. Имеется три модели эксцизионной репарации, в каждой из которых используется свой собственный набор ферментов.
Эксцизионная репарация оснований (BER).
Эксцизионная репарация нуклеотидов (NER).
Мисмэтч репарация(MMR).

Прямое исправление повреждений.

Наиболее частая причина точечных мутаций у человека - это спонтанное добавление метильной группы - один из типов алкилирования. Такие модификации исправляются ферментами называемыми гликозилазами, исправляющими ошибку без разрушения цепи ДНК.

Некоторые препараты используемые в химотерапии также повреждают ДНК путем алкилирования.
Проблема репарации состоит в том, что ограниченным набором ферментов и механизмов клетка должна справиться со многими повреждениями вызванными самыми различными химическими и физическими агентами.

Эксцизионная репарация оснований (BER)

Основные ключевые события:

1. Удаления поврежденного основания (происходит ~ 20,000 раз в день в каждой клетке человеческого тела) ДНК гликозилазими. У человека имеется по крайней мере 8 генов кодирующих различные ДНК гликозилазы, кадждые из которых распознают свой набор повреждений оснований.
2. Удаление дезоксирибофосфата приводит к образованию пустоты в ДНК.
3. Замена правильным нуклеотидом. Это функция у человека выполняется ДНК полимеразой бетта.
4. Лигирование разрыва цепи. Имеется два фермента, оба нуждаются в АТФ.

Эксцизионная репарация нуклеотидов (NER)

NER отличается от BER несколькими путями.
Использованием различных ферментных систем.
Даже если ошибка в одном нуклеотиде, удаляется сразу множество нуклеотидов в районе повреждения.

Основные ключевые события NER:
1.Повреждение распознается одним или несколькими факторами связывающимися с местом повреждения.
2. ДНК раскручивается в месте повреждения. В этом процессе участвуют
различные транскрипционные факторы IIH, TFIIH, (которые так же работают при нормальной транскрипции).
3. Разрез ДНК происходит с 3" и 5"-конца от повреждения, в результате чего удаляется фрагмент ДНК содержащий поврежденный нуклеотид.
4. Новая цепь ДНК достраивается по матрице неповрежденной цепи ДНК полимеразами дельта или эпсилон.
5. Лигазы сшивают вновь синтезированный конец цепи.

Пигментная ксеродерма (XP)
XP редкое наследственное заболевание человека проявляющееся в поражении кожи при облучении светом, что в конечном итоге приводит к развитию рака кожи и гибели больного.
Болезнь возникает из-за мутаций в генах участвующих в NER репарации. Например:
XPA кодирует белок связывающийся с местом повреждения и помогающий сборке репарирующего комплекса.
XPB и XPD, которыя являются частями транскрипционного фактора TFIIH. Некоторые мутации в XPB и XPD также могут являться причиной преждевременного старения.
XPF разрезает цепь ДНК с 5"-конца от повреждения.

XPG разрезает цепь с 3"-конца.

Мисмэтч репарация(MMR)

Мисмэтч репарация исправляет ошибочно встроенные неповрежденные основания которые не образуют нормальное Уотсон-Криковское спаривание (A T, C G). Такие ошибки происходят во время работы ДНК полимеразы при репликации.
В мисмэтч репарации участвуют ферменты вовлеченные как в BER, так и в NER репарацию, так и специализированные ферменты.
Синтез ДНК при мисмэтч репарации осуществляется ДНК полимеразами дельта или эпсилон.
Система мисмэтч репарации участвует в увеличении точности рекомбинации при мейозе.

Репарация разрывов ДНК

Ионизирующая радиация и некоторые химические вещества способны разорвать одну или две цепи ДНК.
Одноцепочечные разрывы (SSB)
Разрывы одной из цепей ДНК часто исправляются ферментами участвующими в BER репарации.
Двуцепочечные разрывы (DSB)
Имеется два механизма которые способны устранить двуцепочечных разрывов ДНК:
Прямое соединение сломаных концов. Этот процесс требует специальных
ферментов, которые узнают и связывают разорванные концы с последующим их сшиванием. Если разорванная ДНК имеет тупые концы и соединение двух фрагментов ДНК происходит случайно, то такая репарация называется NHEJ. Белок Ku необходимый для NHEJ. Ku - гетеродимерная субъединица, состоящая из двух белков Ku70 и Ku80.
Ошибки возникающие при прямом присоединении могут являться причиной транслокаций.
Полинуклеотидлигаза – восстановл. одноцеп. разрывы ДНК

Гомологичная рекомбинация

Гомологичная рекомбинация способна восстанавливать поломанные концы хромосом используя ДНК не поврежденной сестринской хроматиды доступной после удвоения хромосом.
Гены необходимые для гомологичной рекомбинации - BRCA-1 and BRCA-2.

Конверсия гена
Донором нового гена может быть:
гомологичная хромосома (во время мейоза)
систринская хроматида (так же во время мейоза)
дуплицированный ген той же хромосомы (во время митоза)

Исправление ошибок за счет 3’-5’ экзонуклеазной активности полимеразы при репликации (только у прокариот) (мутация E.coli mutD-мутатор-измен. -субъединицы ДНК-пол.III)
Тиминовые димеры, фермент фотолиаза ген-phr (у низших эукариот)
Удаление присоединенных алкильных и метильных групп - O-6-метилгуанинтрансфераза (ген ada)-удаляет О-6-метилгуанин
эксцизионная р. оснований [Е.coli ] [человек | узнавание поврежд. XPA-белком в ассоциации с RPA | привлекается ф-р транскр. TFIIH (P52, Р34, Р44, Р62, XPB-XPD-геликазн. акт-ть) | ERCC1-XPF, XPG – нуклеазы, надрезають ДНК по обе стороны от поврежд. | ДНК-полимераза- и вспомогат. белки RFC и PCNA застраивают брешь]
р. азотистых осн.-гликозилаза удаляет осн.
AP-сайт (апуриновый, апиримидиновый) | AP-эндонуклеаза опознает брешь, разрез. 5’-ДНК
пострепликативная р. (ПРР)
SOS-р. белки соед. с ДНК-полимеразой, доч. ДНК строится напротив поврежд. ДНК

Сокращения.
BER - Base Excision Repair

NER - Nucleotide Excision Repair
MMR - Mismatch Repair
NHEJ - Nonhomologous End-Joining

Мисмэтч репарация

В процессе реплакации, в результате ошибок полимеразы, могут встраиваться некомплиментарные нуклеотиды, что может привести к мутациям в дочерней цепи ДНК. Неспареные основания узнаются ферментами мисмэтч репарации и осуществляют замену ошибочно спаренных нуклеотидов.

Ферменты данной системы обеспечивают гомологичную рекомбинацию, а также задержку клеточного цикла в ответ на повреждения ДНК.
Система репарации ошибочно спаренных нуклеотидов у E. coli, использующая белки MutHLS, распознает и репарирует все некомплементарные пары оснований за исключением C–C. Кроме того, эта система репарирует небольшие вставки в одну из цепей ДНК, образующиеся в результате ошибок репликации, длина которых не превышает четырех нуклеотидов.
Обычно у E. coli ДНК метилирована Dam-метилазой по сайтам GATC . Однако после завершения репликации дочерняя цепь ДНК некоторое время остается неметилированной.
Эта система может быть реконструирована in vitro с использованием
ДНК с одной метилированной цепью в качестве субстрата, к которой добавляются очищенные белки MutH, MutL, MutS, UvrD (хеликаза II), холофермент ДНК-полимеразы III, ДНК-лигаза, белок SSB, а также одна из экзонуклеаз: ExoI, ExoVII или RecJ. Процесс репарации инициируется внесением одноцепочечного разрыва в неметилированную цепь вблизи частично метилированного сайта GATC с последующим гидролизом цепи ДНК и заполнением образующейся одноцепочечной бреши. При этом белок MutS связывается с ошибочно спаренными нуклеотидами. У белка MutL не обнаружено ферментативной активности, хотя он взаимодействует с MutS и необходим для активации MutH – эндонуклеазы, осуществляющей одноцепочечный разрыв ДНК. Таким образом, комплекс MutS–MutL, собранный на участке ДНК с ошибочно спаренным нуклеотидом, стимулирует эндонуклеазную (никазную) активность MutH. Бесклеточная система не требует присутствия MutH при наличии в ДНК-субстрате одноцепочечного разрыва. MutHLS-система репарации может
использовать частично метилированные последовательности GATC, расположенные выше и ниже поврежденного участка ДНК. При этом в
вырезании ошибочно включенного нуклеотида помимо хеликазы II принимает участие одна из экзонуклеаз: ExoI (3’-экзо), ExoVII (3’- и 5’-экзо) или RecJ (5’-экзо) в зависимости от расположения GATC-сайта по отношению к корректируемому нуклеотиду. Вслед за вырезанием нуклеотида образовавшаяся одноцепочечная брешь заполняется холоферментом ДНК-полимеразы III в присутствии SSB-белка и ДНК-лигазы. Следует подчеркнуть, что использование белка MutH и Dam-метилазы для распознавания дочерней цепи реплицировавшейся ДНК является уникальным свойством грамотрицательных бактерий. У грамположительных бактерий не происходит метилирование цепей ДНК в целях маркировки. Если сайты GATC полностью метилированы, MutHLS-система репарации E. coli изменяет ошибочно спаренные нуклеотиды в обеих цепях ДНК с одинаковой эффективностью.
У E. coli существуют, по крайней мере, еще два специфических
пути репарации ошибочно спаренных нуклеотидов. Система VSP (very short patchrepair pathway) репарирует некомплементарные пары G–T, заменяя их на G–C. Считается, что такие пары образуются в результате дезаминирования 5-метилцитозина в сайтах, где остатки С метилированы Dcm-метилазой. С более низкой эффективностью эта же система заменяет пары G–U на G–C. Другая MutY-зависимая система репарации специфически ликвидирует последствия окислительных повреждений гуанина. Если dGTP окисляется с образованием 8-оксо-dGTP, белок MutT расщепляет последний, предотвращая его включение в ДНК. Если же он все-таки включается напротив остатка С, то Fpg-гликозилаза (MutM) удаляет это модифицированное основание. В том случае, когда 8-оксо-G остается в составе ДНК, в следующем раунде репликации он спаривается с А, и в итоге может произойти трансверсия G–C>T–A. В этом случае белок MutY действует как ДНК-гликозилаза, удаляющая остаток A из некорректной пары, и как AP-лиаза, вносящая одноцепочечный
разрыв по соседству с AP-сайтом. Далее следуют процессы, уже рассмотренные выше в связи с функционированием системы репарации BER. Последовательность реакций с участием MutY также репарирует некомплементарные пары A–G и A–C с образованием соответственно пар C–G и G–C. Репарация ошибочно спаренных оснований у эукариот происходит при
участии комплекса белков, подобного системе MutHLS бактерий. Белок GTBP человека представляет собой гомолог бактериального белка MutS, а у дрожжей в соответствующей роли выступает белок Msh6. Распознавание ошибочно спаренных нуклеотидов у человека осуществляется гетеродимером MSH2–GTBP. Гомологами MutL в клетках S. cerevisiae являются белки MLH1 и PMS2, которые также существуют в виде гетеродимерных комплексов. Мутации в генах, кодирующих эти белки у человека, сопровождаются формированием мутаторного фенотипа и развитием наследственного неполипозного рака кишечника (синдром HNPCC – hereditary nonpolyposis colon cancer).

Прямая репарация

Существуют два основных пути репарации алкилированных оснований: эксцезионная репарация оснований (BER) и прямая репарация поврежденных оснований. При BER DNA-гликозилазы выщепляют цитотоксичные алкилированные основания в DNA на первом шаге с образованием AP-сайта и последующим его процессированием.В случае прямой репарации реализуются два способа: репарация алкилтрасферазами либо окисление алкильной группы, в обоих случаях происходит регенерация неповрежденных оснований. Если протекает репарация алкилтрасферазами (у млекопитающих только O 6 -алкилгуанин репарируется по этому пути), то O 6 -алкилгуанинтрансфераза (AGT) переносит метильную или этильную группу с O 6 -алкилгуанина на один из собственных остатков цистеина. Алкилированный в результате собственной активности белок инактивируется, но может служить регулятором активности своего гена и нескольких других. В отличие от суицидных O 6 -метилгуанинтрансфераз, направленно деметилирующих высокомутагенное и токсичное
повреждение O 6 -метилгуанин, AlkB из E. coli и его человеческие аналоги hABH2 и hABH3 окисляет метильные группы 1-метиладенина (1-meA) и 3-метилцитозина (3-meC) в DNA для регенерации немодифицированных оснований аденина и цитозина.

O 6 -алкилгуанинтрансфераза

O 6 -алкилгуанинтрансферазная активность обнаружена у большинства организмов и препятствует мутагенному действию O 6 -алкилгуанина. AGT превращает O 6 -алкилгуанин в гуанин, перемещая алкильную группу с DNA на реакционный остаток цистеина в белке в ходе необратимой реакции.

Такое ковалентное присоединение алкильной группы к остатку цистеина инактивирует фермент. Поэтому AGT - суицидный фермент, который подвергается протеолитической деградации после одной
реакции трансалкилирования. Структурные исследования позволяют обнаружить, что активный центр AGT расположен в объеме фермента на некотором расстоянии от DNA-связывающего участка. Считается, что фермент "работает" по механизму "переворачивания нуклеотида", чтобы плотно сблизить основание субстрата и нуклеофильный активный центр AGT.

Важность AGT в защите млекопитающих от токсического и мутагенного эффектов алкилирующих агентов была продемонстрирована на мышах. Трансгенные мыши с чрезмерной экспрессией AGT проявляют значительно более низкий уровень возникновения опухолей в ответ на действие метилирующего агента - N-метил-N-нитрозомочевины, в то время как мыши с дефицитом AGT оказывались на много более восприимчивы к инициированию опухоли и токсическим эффектам этого агента по сравнению с немутантными мышами. AGT - важный фермент в противоопухолевой терапии так как он препятствует цитотоксическим эффектам противоопухолевых агентов класса хлороэтилнитрозомочевины (CENU), например
BCNU (N,N-бис(2-хлороэтил)N-нитрозомочевина) или темозоломид. Было показано, что количество, в котором присутствует AGT в опухолях, в основном определяет на сколько благоприятным окажется исход противоопухолевой терапии с использованием CENU. CENU первоначально взаимодействует с O 6 -карбонильной группой гуанина с образованием соединения 4 , которое впоследствии преобразуется в N 1 ,O 6 -этаногуанин 5 . Соединение 5 перегруппируется в течение нескольких часов в физиологически активный ICL 6 . AGT препятствует образованию 6 при взаимодействии с 4 или 5 , возобновляя гуанин или формируя DNA-белковый аддукт 8 . Экспериментально получено подтверждение образования аддукта 8 , но он был выделен в слишком малом количестве для его детального описания. При биохимическом исследовании этой проблемы был введен N 1 ,O 6 -этаноксантин
9 как стабильный аналог 5 в DNA. Этаноксантин 9 реагирует с AGT с образованием стабильного DNA-белкового аддукта 7 . Этот подход позволил формировать ковалентно связанный AGT-DNA аддукт 10 в большом количестве, который может быть использован для определения структуры AGT связанного с DNA. Взаимовлияние AGT и алкилирующей терапии привело к поиску ингибиторов AGT, которые могут быть использованы в терапии рака в сопряжении с алкилирующими агентами. К настоящему времени созданы ингибиторы, главным образом, производные гуанина с заместителями в O 6 -позиции. O 6 -бензилгуанин 2 был обнаружен как типичный ингибитор AGT, с которым сравнивают новые молекулы. Эффективность O 6 -BzG в усилении цитотоксичности CENU продемонстрирована на моделях животных. Лимитирующим фактором этого терапевтического подхода является токсичность для здоровых органов, частично для костного мозга. Некоторые
группы ученых направлены обойти эту проблему путем генерирования ATG-варианта, устойчивого к ингибированию O 6 -BzG, что может быть использовано для защиты костного мозга при помощи генного переноса.

Оксидоредуктазы AlkB, hABH2 и hABH3

Еще один путь прямой репарации алкилированных оснований - окисление алкильной группы с регенерацией неповрежденного азотистого основания. Фермент AlkB у Escherichia coli и два человеческих аналога hABH2 и hABH3 направленно деметилируют 1-метиладенин и 3-метилцитозин в DNA. Но в отличие от AGT, эти ферменты обладают субстратной специфичностью, направленной на поверхность пар оснований G:C и A:T. Повреждения 1-алкиладенин
и 3-метилцитозин формируются когда аденин и цитозин находятся в одноцепочечной структуре (в период репликации или транскрипции) и являются субстратами для AlkB, hABH2 и hABH3. Они окисляют метильные группы 1-метиладенина (1-meA) и 3-метилцитозина (3-meC) в DNA для регенерации азотистых оснований аденина и цитозина. Было также показано, что AlkB защищает от токсичного повреждения - аддукта с этильной группой и преобразует 1-этиладенин в аденин в DNA, продуцирующий в результате реакции ацетальдегид. Таким образом репарируются повреждения известного мутагена и канцерогена этиленоксида, эндогенно образующегося в ходе метаболизма этилена, а также широко применяющегося как фумигант для стерилизации. Аддукты с гидроксиэтилом, генерируемые этиленоксидом обнаружены в DNA клетки. Другие малые алкилирующие эпоксиды также задействованы в большом количестве в химическом производстве. Было показано, что AlkB снижает токсические эффекты DNA-повреждающих агентов, генерирующих гидроксиэтильный,
пропильный и гидроксипропильный аддукты. AlkB репарирует алкилированные трифосфаты 1-me-dATP активно, но неэффективно. Предполагалось, что эта способность может снижать уровень встраивания алкилированных трифосфатов при синтезе DNA; к тому же Фрагмент Кленова DNA полимеразы I у E. coli может использовать 1-me-dATP как предшественник для синтеза DNA in vitro. Человеческие ферменты hABH2 и hABH3 также деметилировали 1-метиладениновые остатки в поли(dA), они были неэффективны на коротких субстратах. Таким образом hABH3 обладал очень низкой активностью на тримере d(Tp1-meApT), тогда как у hABH2 активности не было обнаружено.

AlkB и его человеческие аналоги является частью -кетоглутарат/Fe(II)-зависимого суперсемейства диоксигеназ, и в процессе репарации протекает свместно декарбоксилирование -кетоглутарата и окислительное деметилирование поврежденного основания. Повреждения 1-meA и 3-meC формируются в основном в одноцепочечной DNA и предположительно
возникают в репликативной вилке и в активно транскрибируемых генах где они могут заблокировать DNA- и RNA-полимеразы. В действительности AlkB, hABH2 и hABH3 репарируют эти повреждения в одноцепочечной DNA, но также протекает репарация олигонуклеотидов, отожженных с комплементарной цепью после алкилирования. Эффективность репарации 1-метиладенина AlkB не зависит от полинуклеотидной структуры, но необходимо наличие нуклеотид-5"-фосфатной группы. Также человеческие ферменты hABH2 и hABH3 деметилировали остатки 1-метиладенина в поли(dA), они были неэффективны на коротких субстратах. К тому же, повреждения, содержащие положительный заряд (рибонуклеозиды 1-meA и 3-meC имеют соответственно pKa= 9.3 и 9.6) лучше репарировались, чем незаряженные основания (1-meG и 3-meT). Однако, так как 1-meG (и в меньшей степени 3-meT) репарировались AlkB, то формальный положительный заряд основания не является необходимым условием для функционирования AlkB. С этой точки зрения
пока неясно, зависит ли этот результат от того, что положительно заряженные основания лучше распознаются посредством электростатических взаимодействий с AlkB или положительно заряженные основания просто делают DNA лучшей уходящей группой после гидроксилирования метильной группы.

Сокращения:

• AGT - алкилгуанин трансфераза
• BER - эксцезионная репарация оснований
• DNA - дезоксирибонуклеиновая кислота
• RNA - рибонуклеиновая кислота
• BCNU - N,N-бис(2-хлороэтил)N-нитрозомочевина
• CENU - хлороэтилнитрозомочевина
• O 6 -BzG - O 6 -бензилгуанин
• 1-meA - 1-метиладенин
• 1-meG - 1-метилгуанин
• 3-meC - 3-метилцитозин
• 3-meT - 3-метилтимин

Литература:

» Orlando D. Scharer (2003) Angew. Chem. Int. Ed. 42, 2946-2974
» James C. Delaney and John M. Essigmann Mutagenesis, genotoxicity, and repair of 1-methyladenine, 3-alkylcytosines, 1-methylguanine, and 3-methylthymine in alkB Escherichia coli
» Pertti Koivisto, Tod Duncan, Tomas Lindahl, and Barbara Sedgwick Minimal Methylated Substrate and Extended Substrate Range of Escherichia coli AlkB Protein, a 1-Methyladenine-DNA Dioxygenase*
» Duncan, T., Trewick, S. C., Koivisto, P., Bates, P. A., Lindahl, T. & Sedgwick, B. (2002) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 16660-16665. 5. Aas, P. A., Otterlei, M., Falnes, P. O., Vagbo, C. B., Skorpen, F., Akbari, M., Sundheim, O., Bjoras, M., Slupphaug, G., Seeberg, E., et al. (2003) Nature 421, 859-863.
» Hollis, T., Lau, A., and Ellenberger, T. (2000) Mutat. Res. 460, 201-210
» Daniels, D. S., and Tainer, J. A. (2000) Mutat. Res. 460, 151-163
» Trewick, S. C., Henshaw, T. F., Hausinger, R. P., Lindahl, T., and Sedgwick, B. (2002) Nature 419, 174-178
» Falnes, P. O., Johansen, R. F., and Seeberg, E. (2002) Nature 419, 178-181
» Duncan, T., Trewick, S. C., Koivisto, P., Bates, P. A., Lindahl, T., and Sedgwick, B. (2002) Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 99, 16660-16665
» Aas, P. A., Otterlei, M., Falnes, P. O., Vagbo, C. B., Skorpen, F., Akbari, M., Sundheim, O., Bjoras, M., Slupphaug, G., Seeberg, E., and Krokan, H. E. (2003) Nature 421, 859-863
» Aravind, L., and Koonin, E. V. (2001) Genome Biology 2, 0007.1-0007.8
» Bodell, W. J., and Singer, B. (1979) Biochemistry 18, 2860-2863
» Boiteux, S., and Laval, J. (1982) Biochimie (Paris) 64, 637-641
» Larson, K., Sahm, J., Shenkar, R., and Strauss, B. (1985) Mutat. Res. 150, 77-84
» Dinglay, S., Trewick, S. C., Lindahl, T., and Sedgwick, B. (2000) Genes Dev. 14, 2097-2105

Репарация разрывов ДНК

Фотореактивация

Абсорбция энергии УФ излучения молекулами ДНК приводит к образованию различных типов повреждений. Хотя одно- и двуцепочечные разрывы, а также ДНК-белковые сшивки могут возникать, большая часть индуцированных УФ-излучением повреждений приходится на модификацию азотистых оснований, с образованием циклобутан пиримидиновых димеров (CPD) и пиримидин-пиримидоновых фотопродуктов (6-4PP), как наиболее часто встречающихся типов фотоповреждений.

Пиримидиновые димеры являются ингибиторами и для репликации, и для транскрипции, что замедляет рост и приводит к мутагенезу в процессе репликации ДНК, если такие повреждения остаются неотрепарированными.

Для удаления индуцированных светом повреждений в ДНК у многих организмов применяются ферменты, специфично связывающиеся с CPD (CPD-фотолиаза) или с 6-4PP (6-4PP-фотолиазы) и исправляющие эти повреждения. CPD-фотолиазы обнаружены в бактериях, грибах, растениях, беспозвоночных и во многих позвоночных, 6-4PP-фотолиазы обнаружены, пока, только в Drosophila, тутовом шелкопряде, Xenopus laevis и в гремучих змеях, но не у Escherichia coli или дрожжей. У людей не обнаружено фотолиаз. Фотолиазы содержат FAD как каталитический кофактор и дополнительный хромофор в качестве светособирающей антенны.

Дополнительные хромофоры – это или 5,10-метенилтетрагидрофолат (MTHF), или 8-гидрокси-5-деазорибофлавин (8-HDF), с максимумами поглощений на длинах волн 380 и 440 нм, соответственно. Кристаллические структуры CPD-фотолиаз E.coli и Anacystis nidulans подтверждают, что для связывания с ДНК ферменты поворачивают пиримидиновый димер из дуплекса в углубление, содержащее каталитический кофактор. Затем циклобутановое кольцо расщепляется в ходе переноса, индуцированного светом электрона. CPD-фотолиазы селективно распознают CPD, подобно ДНК-связывающим белкам. Белый свет или UV-B-излучение индуцируют экспрессию CPD-фотолиаз. В отличие от CPD-фотолиаз, 6-4PP-фотолиаза стабильно экспрессируется и не регулируется ни белым светом, ни UV-B-излучением.

Схематичное изображение фотореактивации в хроматине. Октамеры гитонов голубого цвета, ДНК - черного. Фотолиаза связывается с циклобутан-пиримидиновыми димерами (CPD), поворачивает пиримидиновый димер и регенерирует природные пиримидины в ходе, зависимой от освещения, реакции. Фотолиаза предпочтительно репарирует CPD в линкетной ДНК. Репарация в нуклеосомах замедлена и, предположительно, облегчается динамическими свойствами нуклеосом, перемещающих повреждения ДНК в область линкерной ДНК.

Класс CDP-специфичных фотолиаз из микроорганизмов, определенный как класс I фотолиаз, был первым охарактеризованным представителем семейства фотолиаз. Близкородственный класс фотолиаз специфичных к 6-4-фотопродуктам был обнаружен недавно, представители этого семейства были найдены в Drosophila melanogaster, Xenopus laevis и Arabidopsis thaliana. Криптохромы, являющиеся фоторецепторами на фиолетовую часть светового спектра обнаруженные в растениях и других организмах, также являются близкородственными классу I фотолиаз.

Более дальнородственным семейством CPD-фотолиаз, названное классом II фотолиаз было идентифицировано в ряде видов, включая животных, Archaebacterium, Eubacterium и высших растений. Было показано, что все охарактеризованные фотолиазы содержат восстановленный FAD и большинство содержат вторичные хромофоры в зависимости от вида либо MTHF, либо 8-HDF. Подобный механизм реакции был предложен для обоих классов CPD-фотолиаз. Хромофор MTHF или 8-HDF подобен антенне, которая абсорбирует фиолетовый свет и расходует поглощенную энергию на регенерацию FADH-.

Состав кофактора растительной фотолиазы не до конца исследован, хотя, недавно было показано, что CPD-фотолиазы из Arabidopsis содержавшие только FADH обладали ферментативной активностью.

Литература:

» Fritz Thoma, Light and dark in chromatin repair: repair of UV-induced DNA lesions by photolyase and nucleotide excision repair, Institut fur Zellbiologie, ETH-Zurich, Honggerberg, CH-8093 Zurich, Switzerland
» Characterization of Arabidopsis photolyase enzymes and analysis of their role in protection from ultraviolet-B radiation, Wanda M. Waterworth 1, Qing Jiang, Christopher E. West, M. Nikaido and Clifford M. Bray

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.

История открытия

Начало изучению репарации было положено работами Альберта Кельнера (США), который в 1948 году обнаружил явление фотореактивации - уменьшение повреждения биологических объектов, вызываемого ультрафиолетовыми (УФ) лучами, при последующем воздействии ярким видимым светом (световая репарация ).

Р. Сетлоу, К. Руперт (США) и другие вскоре установили, что фотореактивация - фотохимический процесс, протекающий с участием специального фермента и приводящий к расщеплению димеров тимина , образовавшихся в ДНК при поглощении УФ-кванта.

Позднее при изучении генетического контроля чувствительности бактерий к УФ-свету и ионизирующим излучениям была обнаружена темновая репарация - свойство клеток ликвидировать повреждения в ДНК без участия видимого света. Механизм темновой репарации облучённых УФ-светом бактериальных клеток был предсказан А. П. Говард-Фландерсом и экспериментально подтверждён в 1964 году Ф. Ханавальтом и Д. Петиджоном (США). Было показано, что у бактерий после облучения происходит вырезание повреждённых участков ДНК с изменёнными нуклеотидами и ресинтез ДНК в образовавшихся пробелах.

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 повреждения ДНК

Основные типы повреждения ДНК

Устройство системы репарации

Каждая из систем репарации включает следующие компоненты:

• ДНК-хеликаза - фермент, «узнающий» химически изменённые участки в цепи и осуществляющий разрыв цепи вблизи от повреждения;
• ДНКаза (дезоксирибонуклеаза) - фермент, "разрезающий" 1 цепочку ДНК (последовательность нуклеотидов) по фосфодиэфирной связи и удаляющий повреждённый участок: экзонуклеаза работает на концевые нуклеотиды 3` или 5`, эндонуклеаза - на нуклеотиды, отличные от концевых;
• ДНК-полимераза - фермент, синтезирующий соответствующий участок цепи ДНК взамен удалённого;
• ДНК-лигаза - фермент, замыкающий последнюю связь в полимерной цепи и тем самым восстанавливающий её непрерывность.

Типы репарации

Прямая репарация

Прямая репарация - наиболее простой путь устранения повреждений в ДНК, в котором обычно задействованы специфические ферменты , способные быстро (как правило, в одну стадию) устраняют 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 .

Эксцизионная репарация

Эксцизионная репарация (англ. excision - вырезание) включает удаление повреждённых азотистых оснований из ДНК и последующее восстановление нормальной структуры молекулы по комплементарной цепи. Ферментативная система удаляет короткую однонитевую последовательность двунитевой ДНК, содержащей ошибочно спаренные или поврежденные основания, и замещает их путём синтеза последовательности, комплементарной оставшейся нити.

Эксцизионная репарация является наиболее распространённым способом репарации модифицированных оснований ДНК . Она 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 [ Chen, 2003 ].

История открытия

Однонитевое и двунитевое повреждения ДНК

Источники повреждения ДНК

• УФ излучение
• Химические вещества
• Ошибки репликации ДНК
• Апуринизация - отщепление азотистых оснований от сахарофосфатного остова
• Дезаминирование - отщепление аминогруппы от азотистого основания

Основные типы повреждения ДНК

• Повреждение одиночных нуклеотидов
• Повреждение пары нуклеотидов
• Разрыв цепи ДНК
• Образование поперечных сшивок между основаниями одной цепи или разных цепей ДНК

Устройство системы репарации

Каждая из систем репарации включает следующие компоненты:

• фермент , "узнающий" химически изменённые участки в цепи ДНК и осуществляющий разрыв цепи вблизи от повреждения
• фермент , удаляющий повреждённый участок
• фермент (ДНК-полимераза), синтезирующий соответствующий участок цепи ДНК взамен удалённого
• фермент (ДНК-лигаза), замыкающий последнюю связь в полимерной цепи и тем самым восстанавливающий её непрерывность

Типы репарации

Эксцизионная репарация

Эксцизионная репарация (англ. excision - вырезание) включает удаление повреждённых азотистых оснований из ДНК и последующее восстановление нормальной структуры молекулы.

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Репарация (биология)" в других словарях:

Система обнаружения и репарации вставок, пропусков и ошибочных спариваний нуклеотидов, возникающих в процессе репликации и рекомбинации ДНК, а также в результате некоторых типов повреждений ДНК Сам факт ошибочного спаривания не позволяет… … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Репарация. Повреждённые хромосомы Репарация особая функция клеток, заключающаяся в способности исправлять химические повреждения и разрывы в молекулах ДНК, повреждённой при нормальном… … Википедия

Радиационная биология или радиобиология наука, изучающая действие ионизирующих и неионизирующих излучений на биологические объекты. Код науки по 4 х значной классификации ЮНЕСКО (англ.) 2418 (раздел биология). Радиобиология … Википедия

I Генетика (от греч. génesis происхождение) наука о законах наследственности и изменчивости организмов. Важнейшая задача Г. разработка методов управления Наследственностью и наследственной Изменчивостью для получения нужных человеку форм… … Большая советская энциклопедия

Специализация: Клеточная биология Периодичность: ежемесячно Сокращённое название: Nat. Cell. Biol. Язык: Английский Главный редактор: Саумья Суомината … Википедия

Мутагенез это внесение изменений в нуклеотидную последовательность ДНК (мутаций). Различают естественный (спонтанный) и искусственный (индуцированный) мутагенез. Содержание 1 Естественный мутагенез … Википедия

Радиационная биология или радиобиология это самостоятельная комплексная, фундаментальная наука, состоящая из многих научных направлений, изучающая действие ионизирующих и неионизирующих излучений на биологические объекты. Код науки по 4 х значной … Википедия

Halobacteria, штамм NRC 1, каждая клетка около 5 мкм длиной … Википедия

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 - это ее починка, т. е. исправление ошибок, возникающих в структуре молекулы. Слово «репарация» происходит от английского «repair», переводимого как «ремонт», «починка» и т. п.

Под ошибками в структуре ДНК, которые могут быть репарированы, чаще всего понимают нарушение последовательности нуклеотидов - структурных единиц, из которых состоит каждая цепь ДНК. Молекула ДНК состоит из двух цепей-нитей, комплементарных друг другу. Это значит, что если повреждения возникают в одной из цепей, то по второй неповрежденной можно восстановить испорченный участок первой. Кроме этого, в клетках эукариот каждая хромосома имеет гомологичную, т. е. содержащую тот же набор генов (но не аллелей). В крайнем случае, когда поврежден участок на обеих нитях молекулы, он может копироваться с гомологичной хромосомы. Также после S-фазы клеточного цикла , когда произошла репликация (самокопирование), каждая хромосома состоит из двух двухцепочечных идентичных друг другу хроматид, т. е. по-сути из двух идентичных молекул ДНК. Это также может быть использовано для восстановления исходной структуры поврежденной молекулы.

В процессе эволюции появилось много различных клеточных молекулярных механизмов, ответственных за репарацию ДНК. В основном это различные ферменты и их комплексы. Часть из них участвует также в репликации. Особо опасны повреждения генов, которые кодирую такие ферменты. Это приводит к утрате того или иного репарационного механизма. В этом случае в клетках происходит более быстрое накопление повреждений и мутаций. Нередко это служит причиной возникновения бесконтрольно делящихся клеток, т. е. появления опухолей.

С другой стороны, если повреждения ДНК особенно сильны, то в клетках включается механизм самоуничтожения (апоптоза ). Таким образом к делению такие клетки не допускаются, а значит следующее поколение не будет содержать значительные повреждения ДНК.

Ошибки в структуре ДНК могут возникать на различных этапах ее существования (во время синтеза, в пред- и постсинтетические периоды), по разным причинам (случайно, под действием химически активных веществ, радиации и др.). Также изменения бывают разными (потеря химической группы нуклеотида или присоединение дополнительной, замена нуклеотида на другой, установление химической связи между двумя соседними нуклеотидами, разрыв цепи, потеря участка и др.). В связи с таким разнообразием существует трудность классификации репарационных механизмов. Часто их делят на те, которые происходят во время репликации, сразу после нее и в течение остального жизненного цикла клетки. Ниже перечислены наиболее изученные причины изменения структуры ДНК и способы репарации.

Следует иметь в виду, что не все ошибки исправляются, относительно мелкие и не критичные могут передаваться следующему поколению клеток и организмов. Их нельзя назвать повреждениями, скорее - мутациями. Большинство мутаций вредны, однако те, что нейтральны или полезны в данных условиях окружающей среды, служат материалом для эволюции. Таким образом несовершенство механизмов репарации ДНК обеспечило разнообразие жизни на нашей планете.

Коррекция нуклеотидной последовательности при репликации

ДНК-полимеразы выполняют основную работу при репликации ДНК, присоединяя нуклеотид за нуклеотидом к новой цепи. Помимо основной функции, многие полимеразы способны удалять неправильно присоединенный последний нуклеотид, т. е. не комплементарный нуклеотиду матричной цепи.

Химическая структура нуклеотидов может несколько модифицироваться. При этом они начинают соединяться водородными связями не со своими комплементарными напарниками. Так, например, цитозин должен связываться с гуанином. Но его измененная форма устанавливает водородные связи с аденином, с которым должен был связаться тимин.

При синтезе новой нити ДНК очередной нуклеотид сначала связывается водородными связями с комплементарным основанием матрицы. После этого полимераза связывает его с концом растущей цепи ковалентной связью.
Однако, если это был модифицированный нуклеотид, который неправомерно связался с комплементарным основанием материнской цепи, то он обычно быстро возвращается в свою исходную форму и становится некомплементарным. Водородные связи разрываются, и получается, что конец новой цепи имеет свободно висящий нуклеотид, ковалентно связанный с синтезируемой цепью.

ДНК-полимераза в данном случае не может присоединить следующий нуклеотид, и ей ничего не остается, как только удалить этот ошибочный нуклеотид.

Если же водородные связи не разорвались, то за ошибочным нуклеотидом цепь продолжит нарастать далее, а точечная мутация сохранится. Она может быть устранена уже после репликации.

Репарация сразу после репликации

После того, как новая нить ДНК была синтезирована, определенные комплексы ферментов распознают неправильно спаренные основания. При этом существует проблема определения новой и старой цепей молекулы ДНК. Новая отличается отсутствием метилированных оснований и у эукариот наличием временных разрывов. По этим признакам ферментные комплексы идентифицируют именно вновь синтезированную цепь. Таким образом в некомплементарных парах оснований «ошибкой» считается нуклеотид новой цепи.

Как только ошибка найдена, другие ферменты вырезают целый участок ДНК, содержащий неправоменое основание, а не только один нуклеотид. После этого полимераза заново строит этот участок, а лигаза сшивает его с остальной цепью. Этот механизм, когда вырезается и вновь синтезируется участок ДНК, называется эксцизионной репарацией (от слова excision - отрезание, вырезание), он достаточно универсален и используется во многих случаях репарации, а не только при «проверке» ДНК сразу после репликации.

Репарационные механизмы при повреждении ДНК

ДНК организма может изменяться не только из-за ошибок во время репликации. Клетка живет, подвергается воздействию неблагоприятных внешних факторов, ее внутренняя биохимическая среда может изменяться, провоцируя пагубные для ДНК реакции. В результате генетический материал так или иначе повреждается. В зависимости от типа повреждения, его масштаба включаются различные репарационные механизмы, привлекающие несколько различающиеся наборы ферментативных комплексов.

1. Существуют ферменты, отменяющие изменения нуклеотидов на месте без удаления участков ДНК. Другими словами, если в цепи был нуклеотид, содержащий основание гуанин (Г), который в результате химической реакции присоединил метил-группу и превратился в метил-гуанин, то фермент превратит его обратно в гуанин. В основном подобная репарация ДНК касается присоединения-отсоединения определенных групп атомов.

2. В случае утраты пуриновых оснований может протекать эксцизионная репарация. В случае дезаминирования и некоторых других структурных изменений оснований, ферменты гликозилазы вырезают только поврежденное основание нуклеотида. И только после этого протекает стандартная эксцизионная репарация.

3. Вырезается участок и при образовании димеров, когда два соседних нуклеотида соединяются между собой. Обычно такие реакции протекают в результате воздействия ультрафиолетовых лучей. Образование димера провоцирует расхождение комплементарных нитей ДНК в этом и близлежащих участках. Образуется пузырь, который распознается ферментами. Далее запускается эксцизионная репарация.

4. Бывают столь сильные повреждения молекул ДНК, когда структура обеих ее цепей нарушается в одном и том же месте. При этом уже нельзя согласно принципу комплементарности восстановить одну цепь по другой. Одним из примеров подобного повреждения может является разрыв молекулы ДНК на две части, например, при действии сильного радиоактивного облучения.

В случае повреждения обеих нитей молекулы ДНК на помощь может прийти рекомбинативная репарация, когда вместо поврежденного участка вставляется участок с гомологичной хромосомы или сестринской хроматиды. В случае разрыва также существуют ферменты, способные обратно присоединять оторванный кусок ДНК. Однако при этом часть нуклеотидов может теряться, что в свою очередь может привести к серьезным мутациям.

Рекомбинативная репарация в пресинтетический период клеточного цикла может протекать только между гомологичными хромосомами, т. к. каждая хромосома в этот период состоит только из одной хроматиды. В постсинтетический период, когда хромосомы состоят из двух идентичных хроматид, участок может заимствоваться с сестринской хроматиды.

Следует подчеркнуть, что у сестринских хроматид набор аллелей исходно идентичен (если не было кроссинговера). У гомологичных хромосом - нет. Таким образом, настоящая рекомбинация с точки зрения генетики протекает только в случае обмена между гомологичными хромосомами. Хотя здесь в обоих случаях мы говорим о рекомбинации.

Рассмотрим такой пример. Допустим в ДНК возник тиминовый димер, который не был репарирован до репликации. В процессе репликации цепи исходной молекулы ДНК расходятся и на каждой строится новая комплементарная цепь. На той матричной цепи, которая содержит димер тимина, в этом участке не может быть построен участок новой цепи. В этом месте просто отсутствует нормальный шаблон. В дочерней нити появляется брешь, а в материнской остается димер. Т. е. данная молекула ДНК «не знает», какова правильная нуклеотидная последовательность участка.

Единственный выход в данном случае – позаимствовать кусок ДНК с другой хроматиды. Он переносится с одной из ее цепей. Образовавшаяся здесь брешь застраивается по шаблону комплементарной цепи. Перенесенный участок на поврежденной молекуле застраивает брешь дочерней цепи, материнская так и продолжит содержать димер, который может быть репарирован позже.