Репарация ДНК (фотореактивация, эксцизионная репарация, пострепликативная репарация)

Репарация – восстановление. Для постоянства генетического материала требуется:

1. точность копирования ДНК (репликации), которую обеспечивает ДНК-полимераза.

2. механизмы репарации многочисленных повреждений, спонтанно возникающих и которые реализуются различными способами. Например, сравнение аминокислотной последовательности одного и того же белка у разных биологических видов. Доля аминокислот, которая окажется при этом различной, сопоставляется с числом лет, прошедших с момента, когда два вида разошлись из общего предка. Таким образом, можно вычислить среднее число лет, необходимое для того, чтобы стойкое изменение затронуло 1% аминокислот данного белка. Модно вычислить среднее число лет, необходимое для возникновения в гене одной стабильной мутации. Этот метод дает заниженную оценку, так как фактор, нарушающий синтез белка исчезает из популяции под действием естественного отбора. Но существуют фибринопептиды, фрагменты из 20-ти аминокислот, которые отщепляются от фибриногена, когда он активируется, превращаясь в фибрин. Фибринопептиды не выполняют прямых функций, они толерантны ко всем аминокислотным заменам. Анализ фибринопептидов показал, что белок размером примерно 400 АКО изменяется случайным образом в результате одной аминокислотной замены, примерно каждые 2000 лет. Хотя все пары оснований подвержены мутациям в равной степени, изменения в аминокислотной последовательности у одних белков нарушают функцию сильнее, у других меньше. Все вредные мутации элиминируются естественным отбором. Кроме того, известно, что молекулы ДНК претерпевают значительные изменения без каких-либо видимых причин. Например, ДНК клеток человека теряет за сутки примерно 5 000 пуриновых оснований. Кроме того, могут быть замены, обрывы и т.д. если бы не существовало механизмов репарации нарушений после каждого цикла репликации, в дочерних цепях были бы бреши или мутации. В процессе эволюции возникли несколько систем репарации ДНК. Каждый механизм реализуется с помощью определенных ферментов.

1. система фотореактивации (рис А.). Это явление было открыто в 1949 г. Кельнером. Сущность состоит в том, что видимый свет с длиной волны 300-400 нм активирует фотореактивирующий фермент – фотолиазу и расщепляет димер тимина. Этот механизм способен убирать только один тип нарушений, который возникает под действием ультрафиолета. Фермент присоединяется к димеру в темноте, а под действием видимого света, за счет поглощенной энергии восстанавливает исходное неповрежденное состояние. Если димер не восстанавливается, то будет служить субстратом для действия других систем. Биологическое значение этой системы – защита ДНК от инактивирующего действия ультрафиолета.

2. репарация алкилирующих повреждений – еще один вид прямой коррекции. Это репарация повреждений, которые вызываются присоединением алкильных или метильных групп. В этой системе измененное основание распознается ферментом метилгуанилтрансферразой, и с его помощью удаляется метильная или алкильная группа.

3. ДНК-полинуклеотидлигаза – которая воссоединяет разорванные концы сахарофосфатного остова ДНК.

4. эксцизионная репарация (рис Б.) (темновая). Механизм обнаружен в 1954 г. Не требует энергии видимого света. Наиболее общий способ исправления структурных повреждений ДНК, вызванных физическими и химическими агентами. Выделяют 4 этапа:

а. инцизия (надрезание) осуществляется ферментами эндонуклеазами. Фермент сложный, состоит их трех субъединиц. Распознает дефект ДНК рядом с поврежденным участком через несколько нуклеотидов с сторону 5’ конца.

b. эксцизия (вырезание) осуществляется экзонуклеазами, которые осуществляют последовательное отщепление поврежденных нуклеотидов и ряда последующих оснований, следовательно образуется брешь.

с. репаративный синтез, который осуществляется ДНК-полимеразой. Происходит застраивание брешей, где матрицей служит неповрежденная нить.

d. завершается процесс с участием ДНК-лигаз, которые сшивают 3’ и 5’ конец.

Измененные АКО могут репарироваться с помощью ферментов – гликозиназ, которые способны обнаруживать ненормальные основания. Причем каждый фермент обнаруживает только определенный тип изменений. Затем фермент катализирует отщепление основания от сахара. Эта каталитическая активность оставляет на ДНК апуриновые или апиримидиновые сайты. Фермент АР-эндонуклеаза опознает эти сайты и разрезает ДНК на 5’ конце от поврежденного основания. Далее процесс идет по типу эксцизионной репарации.

5.пострепликативная (рекомбинационная) репарация (рис В.). Этот способ заключается в репарации пробелов, образующихся в дочерних цепях на фоне не удаленных в ходе репарации димеров. Из комплиментарной матричной цепи ДНК, которая свободна от дефектов, с помощью белка RecA вырезается участок ДНК, равный бреши, и вставляется в дочернюю ДНК. Затем другие ферменты репарации устраняют дефект исходно поврежденной цепи, а брешь, оставшаяся после вырезания застраивается ДНК-полимеразой.

5.1. SOS-репарация (склонная к ошибкам). Если к моменту репликации в клетках остаются повреждения, тогда два белка присоединяются к комплексу ДНК-полимераза-III–RecA и активируют его (этот метод репликации). Таким образом, репликационный комплекс продолжает синтез дочерней цепи на поврежденной матрице, подставляя в участок напротив повреждения любые нуклеотиды, следовательно, дочерняя цепь несет мутации напротив матричной цепи. Этот механизм проходит на другом этапе. Но если жизненные функции испорчены, то клетка все равно погибает.

Кливер определил, что причиной пигментной ксеродермы является нарушение в репаративной системе, в частности нарушены этапы распознавания и вырезания, не работают фотолиазы.

Характерные черты:

- повышенная чувствительность к излучениям

- нестабильность хромосом,

- иммунологическая нестабильность,

- повышен риск заболевания раком.

Дата добавления: 2015-04-24