Главная > Психология > Репарация: это что? Механизмы репарации ДНК. Системы репарации ДНК: общие сведения Биологическая роль и биохимические механизмы репарации


Репарация: это что? Механизмы репарации ДНК. Системы репарации ДНК: общие сведения Биологическая роль и биохимические механизмы репарации




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

Синтез ДНК происходит по полуконсервативному механизму: каждая цепь ДНК копируется. Синтез происходит по участкам. Существует система, устраняющая ошибки при редупликации ДНК (фоторепарация, дорепродуктивная и пострепродуктивная репарации ). Процесс репарации очень долог: до 20 часов, и сложен. Ферменты – рестриктазы вырезают неподходящий участок ДНК и достраивают его заново. Репарации никогда не протекают со 100% эффективностью, если бы это было, Не существовала бы эволюционная изменчивость. Механизм репарации основан на наличии в молекуле ДНК двух комплементарных цепей. Искажение последовательности нуклеотидов в одной из них обнаруживается специфическими ферментами. Затем соответствующий участок удаляется и замещается новым, синтезированным на второй комплементарной цепи ДНК. Такую репарацию называют эксцизионной, т.е. с вырезанием. Она осуществляется до очередного цикла репликации, поэтому ее называют также дорепликативной. В том случае, когда система эксцизионной репарации не исправляет изменения, возникшего в одной цепи ДНК, в ходе репликации происходит фиксация этого изменения и оно становится достоянием обеих цепей ДНК. Это приводит к замене одной пары комплементарных нуклеотидов на другую либо к появлению разрывов во вновь синтезированной цепи против измененных участков. Восстановление нормальной структуры ДНК при этом может произойти и после репликации. Постреплекативная репарация осуществляется путем рекомбенации между двумя вновь образованными двойными спиралями ДНК. В ходе дорепликативной и пострепликативной репарации восстанавливается большая часть поврежденной структуры ДНК. Если в клетке, несмотря на осуществляемую репарацию, количество повреждений остается высоким, в ней блокируются процессы репликации ДНК. Такая клетка не делится.

19.Ген, его свойства. Генетический код, его свойства. Структура и виды РНК. Процессинг, сплайсинг. Роль РНК в процессе реализации наследственной информации.

Ген – участок молекулы ДНК, который несет информацию о структуре полипептидной цепи или макромолекулы. Гены одной хромосомы располагаются линейно, образую группу сцепления. ДНК в хромосоме выполняет разные функции. Существуют разные последовательности генов, есть последовательности генов, контролирующих экспрессию генов, репликацию и др. Есть гены, содержащие информацию о структуре полипептидной цепи, в конечном счете – структурных белках. Такие последовательности нуклеотидов длинной в один ген, называются структурными генами. Гены, определяющие место, время, длительность включения структурных генов – регуляторные гены.

Гены имеют маленький размер, хотя состоят из тысяч пар нуклеотидов. Наличие гена устанавливается по проявлению признака гена (конечному продукту). Общую схему строения генетического аппарата и его работы в 1961 году предложили Жакоб, Моно. Они предложил, что есть участок молекулы ДНК с группой структурных генов. К этой группе примыкает участок в 200пар нуклеотидов – промотор (участок примыкания ДНК зависимой РНК-полимеразы). К этому участку примыкает ген-оператор. Название всей системы – оперон. Регуляция осуществляется регуляторным геном. В итоге белок-репрессор взаимодействует с геном-оператором, и оперон начинает работать. Субстрат взаимодействует с геном регуляторами, оперон блокируется. Принцип обратной связи. Экспрессия оперона включается как единое целое.

У эукариот экспрессия генов не исследована. Причина – серьезные препятствия:

Организация генетического материала в форме хромосом

У многоклеточных организмов клетки специализированы и поэтому часть генов выключена.

Наличие гистоновых белков, в то время как у прокариот - «голая» ДНК.

ДНК – макромолекула, она не может выходить в цитоплазму из ядра и передавать информацию. Синтез белка возможен благодаря м-РНК. В эукариотической клетке транскрипция происходит с огромной скоростью. Сначала возникает про-и-РНК или пре-и-РНК. Это объясняется тем, что у эукариот и-РНК образуется в результате процессинга (созревания). Ген имеет прерывистую структуру. Кодирующие участки – экзоны и некодирующие – интроны. Ген у эукариоических организмов имеет экзонно-интронную структуру. Длина интрона больше длины экзона. В процессе процессинга интроны «вырезаются» - сплайсинг. После образования зрелой и-РНК после взаимодействия с особым белком переходит в систему – информосому, которая несет информацию в цитоплазму. Сейчас экзоно-интронные системы хорошо изучены (например, онкоген - Р-53). Иногда интроны одного гена являются экзонами другого, тогда сплайсинг невозможен. Процессинг и сплайсинг способны объединять структуры, удаленные друг от друга, в один ген, поэтому они имеют огромное эволюционное значение. Подобные процессы упрощают видообразование. Белки имеют блочную структуру. Например, фермент – ДНК-полимераза. Он представляет собой непрерывную полипептидную цепь. Он состоит из собственной ДНК-полимеразы и эндонуклеазы, которая расщепляет молекулу ДНК с конца. Фермент состоит из 2 доменов, которые образуют 2 независимые компактные частицы, связанные полипептидным мостиком. На границе между 2мя генами ферментов находится интрон. Когда-то домены были раздельными генами, а затем – сблизились. Нарушения подобной структуры гена приводит к генным болезням. Нарушение строения интрона фенотипически незаметно, нарушение в экзонной последовательности приводят к мутации (мутации глобиновых генов).

10-15% РНК в клетке - транспортная РНК. Есть комплементарные участки. Есть специальный триплет – антикодон, триплет, не имеющий комплементарных нуклеотидов – ГГЦ. Взаимодействие 2 субъединиц рибосомы и и-РНК приводит к инициации. Имеются 2 участка – пектидильный и аминоацильный. Они соответствуют аминокислотам. Синтез полипептида происходит пошагово. Элонгация – процесс построения полипептидной цепи продолжается пока не дойдет до бессмысленного кодона, тогда происходит терминация. Оканчивается синтез полипептида, который затем поступает в каналы ЭПР. Субъединицы расходятся. В клетке синтезируются различные количества белка.

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

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

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

Устранение ошибок ДНК-полимеразой

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

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

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

Репарационные механизмы

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

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

Эксцизионная репарация

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

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

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

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

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

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

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

Пострепликативная репарация

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

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

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

SOS-система

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

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

Размер: px

Начинать показ со страницы:

Транскрипт

1 РЕПАРАЦИЯ ДНК 1 Системы репарации 1 Прямая репарация. Примеры 2 Эксцизионная репарация. Примеры и виды 3 Репарация ошибок репликации ДНК 4 Рекомбинантная (пострепликативная) репарация у бактерий 5 SOS-репарация Системы репарации ДНК достаточно консервативны в эволюции от бактерий до человека и наиболее изучены у Е. coli. Известны два типа репарации: прямая и эксцизионная (от англ. excision - вырезание). Прямая репарация Прямая репарация - наиболее простой путь устранения повреждений в ДНК, в котором обычно задействованы специфические ферменты, способные быстро (как правило, в одну стадию) устранять соответствующее повреждение, восстанавливая исходную структуру нуклеотидов. О6-метилгуанин-ДНК-метилтрансфераза 1. Так действует, например, О6-метилгуанин-ДНК-метилтрансфераза (фермент самоубийца), которая снимает метильную группу с азотистого основания на один из собственных остатков цистеина У Е. coli может в 1 мин синтезироваться до 100 молекул этого белка. Аналогичный по функциям белок высших эукариот, очевидно, играет важную роль в защите от рака, вызываемого внутренними и внешними алкилирующими факторами. ДНК-инсертаза 2. АР-сайты могут репарироваться путем прямой вставки пуринов при участии ферментов, называемых ДНК-инсертазами (от англ. insert- вставлять). фотолиаза 3. Тиминовые димеры "расшиваются" путем прямой репарацци при участии фотолиаз, осуществляющих соответствующее фотохимическое превращение. ДНК-фотолиазы представляют собой группу ферментов, активируемых светом, с длиной волны нм (видимая область), для чего в их структуре имеется особый светочувствительный центр. Они широко распространены в природе и обнаружены у бактерий, дрожжей, насекомых, рептилий, земноводных и человека. Эти ферменты нуждаются в разнообразных кофакторах (FADH, тетрагидрофолиевая кислота и др.), участвующих в фотохимической активации фермента. Фотолиаза Е. coli

2 представляет собой белок с молекулярной массой 35 кда, прочно связанный с олигорибонуклеотидом длиной нуклеотидов, необходимым для активности фермента. Примеры прямой репарации 1. Метилированное основание O6-mG диметилируется ферментом метилтрансфераза О6-метилгуанин-ДНК-метилтрансфераза (фермент самоубийца), которая переносит метильную группу на один из своих остатков цистеина 2. АР-сайты могут репарироваться путем прямой вставки пуринов при участии ферментов, называемых ДНК-инсертазами (от англ. insert- вставлять). СХЕМА ПРИМЕРА ПРЯМОЙ РЕПАРАЦИИ ПОВРЕЖДЕНИЙ В ДНК метилированное основание O6-mG демитилируется ферментом метилтрансферазой, который переносит метильную группу на один из своих остатков аминокислоты цистеина Фотолиаза присоединяется к тиминовому димеру и после облучения этого комплекса видимым светом (нм) димер расшивается СХЕМА ПРИМЕРА ПРЯМОЙ РЕПАРАЦИИ ПОВРЕЖДЕНИЙ В ДНК Фотолиаза присоединяется к тиминовому димеру и после облучения видимым спектром света этот димер расшивается Эксцизионная репарация (от англ. excision - вырезание). ОПРЕДЕЛЕНИЕ Эксцизионная репарация включает удаление поврежденных азотистых оснований из ДНК и последующее восстановление нормальной структуры молекулы.

3 МЕХАНИЗМ В эксцизионной репарации обычно принимают участие несколько ферментов, а сам процесс затрагивает не только поврежденный, но и соседние с ним нуклеотиды. УСЛОВИЯ Для эксцизионной репарации необходима вторая (комплементарная) цепь ДНК. Общая упрощенная схема эксцизионной репарации представлена на рис ЭТАПЫ Первым этапом эксцизионной репарации является вырезание аномальных азотистых оснований. Его катализируют группа ДНК-N-гликозилаз - ферменты, расщепляющие гликозидную связь между дезоксирибозой и азотистым основанием. ВАЖНОЕ ЗАМЕЧАНИЕ: 3 У человека ДНК-N-гликозилазы обладают высокой субстратной специфичностью: разные ферменты этого семейства распознают и вырезают различные аномальные основания (8-оксогуанин, урацил, метилпурины и др.). У бактерий ДНК-N-гликозилазы такой субстратной специфичностью не обладает ОБЩИЕ ФЕРМЕНТЫ ЭКСЦИЗИОННОЙ РЕПАРАЦИИ НАЗВАНИЕ ФУНКЦИЯ МЕХАНИЗМ ДНК-N-гликозилазы вырезание аномальных азотистых оснований расщепляет гликозидную связь между дезоксирибозой АР-эндонуклеаза экзонуклеаза создает условия для работы следующего фермента - экзонуклеазы выщепляет несколько нуклеотидов и азотистым основанием разрывает сахарофосфатный остов молекулы ДНК в АР-сайте последовательно отщепляет несколько нуклеотидов от поврежденного участка одной цепи ДНК КОНКРЕТНЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ ШАГИ ЭТОГО МЕХАНИЗА: В результате действия ДНК-N-гликозилаз образуется АР-сайт, который атакуется ферментом АР-эндонуклеазой. Она разрывает сахаро-фосфатный остов молекулы ДНК в АР-сайте и тем самым создает условия для работы следующего фермента - экзонуклеазы, которая последовательно отщепляет несколько нуклеотидов от поврежденного участка одной цепи ДНК.

4 ЧТО ПРОИСХОДИТ ДАЛЕЕ: 4 В клетках бактерий освобожденное место заполняется соответствующими нуклеотидами при участии ДНК-полимеразы I, ориентирующейся на вторую (комплементарную) цепь ДНК. Поскольку ДНК-полимераза I способна удлинять З"-конец одной из цепей в месте разрыва в двуцепочечной ДНК и удалять нуклеотиды с 5"-конца того же разрыва, т.е. осуществлять ник-трансляцию, этот фермент играет ключевую роль в репарации ДНК. Окончательное сшивание репарированных участков осуществляет ДНК-лигаза. В клетках эукариот (млекопитающих) Эксцизионная репарация ДНК в клетках млекопитающих сопровождается резким всплеском активности еще одного фермента поли АDР-рибозополимеразы. При этом происходит ADP-рибозилирование белков хроматина (гистонов и негистоновых белков), что ведет к ослаблению их связи с ДНК и открывает доступ ферментам репарации. Донором ADP-рибозы в этих реакциях выступает NAD+, запасы которого сильно истощаются при эксцизионной репарации повреждений, вызываемых рентгеновским облучением: Отрицательно заряженные остатки ADP-рибозы из внутреннего состава молекулы NAD+ присоединяются через радикал глутаминовой кислоты или фосфосерина к белкам хроматина, что ведет к нейтрализации положительных зарядов этих белков и ослаблению их контакта с ДНК. ЧТО ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ ГРУППА ФЕРМЕНТОВ ДНК гликозилазы расщепляет гликозидную связь между дезоксирибозой и азотистым основанием

5 что приводит к вырезанию аномальных азотистых оснований 5 ДНК - гликозилазы, участвующие в устранении окислительных повреждений ДНК в клетках прокариот и эукариот, весьма разнообразны и отличаются по субстратной специфичности, пространственной структуре и способам взаимодействия с ДНК. К наиболее изученным ДНК-гликозилазам относятся: эндонуклеаза III (EndoIII), форм амидо пиримидин-днк-гликозилаза (Fpg), Mut T и Mut Y кишечной палочки. Эндонуклеаза III Е. coli "узнает" и специфически выщепляет из ДНК окисленные пиримидиновые основания. Этот фермент представляет собой мономерный глобулярный белок, состоящий из 211 аминокислотных остатков (мол. масса 23,4 кда). Ген, кодирующий Endo III, секвенирован, установлена его нуклеотидная последовательность. Endo III представляет собой железосерный белок [(4Fe-4S)2+-белок], обладающий элементом надвторичной структуры типа "греческий ключ" (спираль - шпилька - спираль), служащим для связывания с ДНК. Ферменты с аналогичной субстратной специфичностью и сходной аминокислотной последовательностью выделены также из клеток быка и человека. Форм амидо пиридин-днк-гликозилаза Е. coli "узнает" и выщепляет из ДНК окисленные гетероциклические основания пуринового ряда. СХЕМА ЭКЦИЗИОННОЙ РЕПАРАЦИИ СТАДИЯ 1 ДНК N гликозидаза удаляет поврежденное основание АР эндонуклеаза вносит разрыв в ДНК СХЕМА ЭКЦИЗИОННОЙ РЕПАРАЦИИ 1 ДНК N гликозидаза удаляет поврежденное основание АР эндонуклеаза вносит разрыв в ДНК 2 Экзонуклеаза удаляет ряд нуклеотидов

6 3 ДНК полимераза заполняет освободившийся участок комплементарными Мононуклеотидами ДНК лигаза сшивает репарированную цепь ДНК 6 Mut T - небольшой белок с молекулярной массой 15 кда, обладающий нуклеозидтрифосфатазной активностью, который преимущественно гидролизует dgtp до dgmp и пирофосфата. Биологическая роль Mut T заключается в предотвращении образования во время репликации неканонических пар А:G и А: 8-oxo-G. Такие пары могут появляться в том случае, когда окисленная форма dgtp (8-oxo-dGTP) становится субстратом ДНК-полимеразы. Mut T гидролизует 8-oxo-dGTP в 10 раз быстрее, чем dgtp. Это делает 8-oxo-dGTP наиболее предпочтительным субстратом Mut T и объясняет его функциональную роль. Mut Y представляет собой специфическую аденин-днк-гликозилазу, расщепляющую N-гликозидную связь между аденином и дезоксирибозой аденозина, образующего неканоническую пару с гуанином. Функциональная роль этого фермента заключается в предотвращении мутации T:A - G:A путем отщепления неповрежденного остатка аденина из пары оснований A: 8-oxo-G.

7 Нуклеотидная эксцизионная репарация (АТФ-зависимый механизм удаления повреждений из ДНК) В последнее время в эксцизионной репарации особое внимание уделяют АТРзависимому механизму удаления повреждений из ДНК. Этот вид эксцизионной репарации получил название нуклеотидная эксцизионная репарация (nucleotide excision repair; NER). Она включает в себя ДВА ЭТАПА: 1. удаление из ДНК олигонуклеотидных фрагментов, содержащих повреждение, и Эксинуклеаза фермент, удаляющий фрагменты ДНК 2. последующую реконструкцию цепи ДНК с участием комплекса ферментов (нуклеаз, ДНК-полимеразы, ДНК-лигазы и др.). Удаление фрагмента ДНК происходит по обе стороны поврежденного нуклеотида. Длина удаляемых олигонуклеотидных фрагментов отличается у прокариот и эукариот. Удаление фрагмента ДНК у прокариот Так, у Е. coli, В. subtilus, Micrococcus luteus вырезается фрагмент длиной нуклеотидов, Удаление фрагмента ДНК у эукариот а у дрожжей, земноводных и человека - фрагмент, состоящий из нуклеотидов. Эксинуклеаза фермент, удаляющий фрагменты ДНК Выщепление фрагмента ДНК осуществляется ферментом эксинуклеазой (excinuclease). У Е. coli этот фермент состоит из 3 различных протомеров uvra uvr В uvr С каждый из которых выполняет определенную функцию в ходе эксцизионного выщепления фрагмента ДНК. Название этих белков дано по первым буквам слов "ultra violet repair". Протомер uvr А обладает АТРазной активностью, связывается с ДНК в виде димера, осуществляя первичное распознавание повреждения и связывание uvr В Протомер uvr В обладает: 1. Латентной АТР-азной и латентной хеликазной активностью, необходимой для изменения конформаций и расплетания двойной спирали ДНК; 7

8 2. Эндонуклеазной активностью, расщепляя межнуклеотидную (фосфодиэфирную) связь со стороны З"-конца выщепляемого фрагмента. Протомер uvr С действует как эндонуклеаза, вносящая разрыв в репарируемую цепь ДНК с 5"-конца вырезаемого фрагмента. Таким образом, протомеры uvr A, uvr В, uvr С взаимодействуют с ДНК в определенной последовательности, осуществляя АТР-зависимую реакцию выщепления олигонуклеотидного фрагмента из репарируемой цепи ДНК. Образовавшаяся брешь в молекуле ДНК реставрируется при участии ДНКполимеразы I и ДНК-лигазы. Модель эксцизионной репарации с участием вышеперечисленных ферментов представлена на рис Эксцизионные репарации у человека Эксцизионные репарации у человека также имеют АТФ - зависимый характер и включают три основных этапа: узнавание повреждения, двойное разрезание цепи ДНК, восстановительный синтез и лигирование репарируемой цепи. Однако, в эксцизионной репарации ДНК человека принимают участие 25 различных полипептидов, 16 из которых участвуют в выщеплении олигонуклеотидного фрагмента, являясь протомерами эксинуклеазы, а остальные 9 осуществляют синтез репарируемого участка молекулы. В репарационной системе ДНК у человека весьма существенную роль выполняют белки транскрипции РНК-полимераза II и TF ПН - один из шести основных факторов транскрипции эукариот. Следует отметить, что эксцизионная репарация у прокариот, как и у эукариот, зависит от функционального состояния ДНК: транскрибируемая ДНК репарируется быстрее, чем транскрипционно неактивная. Этот феномен объясняется следующими факторами: структурой хроматина, гомологией цепей транскрибируемых участков ДНК, эффектом повреждения цепей и его влиянием на РНК-полимеразу. ВАЖНОЕ ЗАМЕЧАНИЕ: КОДИРУЮШАЯ ЦЕПЬ ДНК (цепь хранения информации) МАТРИЧНАЯ ЦЕПЬ ДНК (с неё происходит списывание информации) 8

9 Известно, что такие крупные повреждения, как образование тиминовых димеров, блокируют транскрипцию как у бактерий, так и у человека, если они происходят на матричной цепи ДНК (повреждения на кодирующей цепи не влияют на транскрипционный комплекс). РНК-полимераза останавливается в месте повреждения ДНК и блокирует работу транскрипционного комплекса. 9 Транскрипционно-репарационный фактор сцепления (TRCF). У Е. coli усиление репарации при транскрипции опосредуется одним специальным белком - транскрипционно-репарационным фактором сцепления (TRCF). Этот белок способствует: 1. отсоединению РНК-полимеразы от ДНК 2. одновременно стимулирует образование комплекса белков, осуществляющих репарацию поврежденного участка. По окончании репарации РНК-полимераза встает на место и транскрипция продолжается (см. рис.). Итак общая схема эксцизионной репарации 1. ДНК-N-гликозилаза удаляет поврежденное основание 2. АР эндонуклеаза вносит разрыв в цепь ДНК 3. Экзонуклеаза удаляет ряд нуклеотидов 4. ДНК-полимераза заполняет освободившийся участок комплементарными нуклеотидами 5. ДНК лигаза сшивает репарированную цепь ДНК Репарация ошибок репликации ДНК путем метилирования Ошибки спаривания азотистых оснований во время репликации ДНК происходят достаточно часто (у бактерий один раз на 10 тыс. нуклеотидов), в результате которых в дочернюю цепь ДНК включаются некомплементарные нуклеотидам материнской цепи нуклеотиды - мисмэтчи (англ. mismatch не соответствовать). Несмотря на то, что ДНК-полимераза I прокариот обладает способностью к самокоррекции, ее усилия по устранению ошибочно присоединенных нуклеотидов иногда оказываются недостаточны, и тогда в ДНК остаются некоторые неправильные (некомплементарные) пары. В этом случае репарация происходит с использованием определенной системы, связанной с метилированием ДНК. Действие этой системы репарации основано на том, что после репликации через определенное время (несколько минут) ДНК подвергается метилированию. У Е. coli метилируется в основном аденин с образованием N6-мeтил-аденина (N6-mA).

10 До этого момента вновь синтезированная (дочерняя) цепь остается неметилированной. Если в такой цепи есть неспаренные нуклеотиды, то она подвергается репарации: Таким образом метилирование метит ДНК и включает систему исправления ошибок репликации. В этой системе репарации узнаются особые структуры: последовательность G-N6-mA-T-С и следующая за ней деформация в двойной спирали в месте отсутствия комплементарности (рис. ниже). В устранении неспаренных нуклеотидов в полуметилированной молекуле ДНК принимает участие достаточно сложный комплекс ферментов репарации, который сканирует поверхность молекулы ДНК, вырезает участок дочерней цепи, прибегающей к мисмэтчам, а затем создает условия для застраивания его нужными (комплементарными) нуклеотидами. Различные компоненты этого комплекса обладают разными активностями нуклеазной, хеликазной, АТРазной, необходимыми для внесения разрывов в ДНК и выщепления нуклеотидов, расплетания двойной спирали ДНК и энергетического обеспечения движения комплекса вдоль репарируемой части молекулы. Сходный по структуре и функциям комплекс ферментов репарации выявлен и у человека. Рекомбинантная (пострепликативная) репарация 10 В тех случаях, когда по тем или иным причинам вышерассмотренные системы репарации оказываются нарушенными, в цепях ДНК могут образовываться бреши (недорепарированные участки), имеющие иногда весьма существенные размеры, что чревато нарушением системы репликации и может привести к гибели клеток. В этом случае клетка в состоянии использовать для репарации одной молекулы ДНК другую полученную после репликации молекулу ДНК, т. е. привлечь для этой цели механизм рекомбинации. У бактерий У бактерий в рекомбинантной репарации принимает участие белок Rec А. Он связывается с одноцепочечным участком ДНК и вовлекает его в рекомбинацию с гомологичными участками неповрежденных цепей другой молекулы ДНК. В результате и разорванная (содержащая бреши), и неповрежденная цепи репарируемой молекулы ДНК оказываются спаренными с неповрежденными

11 комплементарными участками ДНК, что открывает возможность репарации путем вышеохарактеризованных систем. При этом могут происходить вырезание определенного фрагмента и заполнение с его помощью бреши в дефектной цепи. Возникающие при этом пробелы и разрывы в цепях ДНК восполняются с участием ДНК-полимеразы I и ДНК-лигазы. SOS-репарация Существование этой системы впервые постулировал М. Радман в 1974 г. Он же дал название этому механизму, включив в него международный сигнал бедствия "SOS" (спасите наши души). И действительно, эта система включается тогда, когда повреждений в ДНК становится настолько много, что угрожает жизни клетки. В этом случае происходит индукция активности разнообразной группы генов, задействованных в различных клеточных процессах, сопряженных с репарацией ДНК. Включение тех или иных генов, определяемых количеством повреждений в ДНК, приводит к разным по значимости клеточным ответам (начиная со стандартной репарации поврежденных нуклеотидов и кончая подавлением клеточного деления). Наиболее изучена SOS-репарация у Е. coli, главными участниками которой являются белки, кодируемые генами Rec A и Lex А. Первый из них представляет собой полифункциональный белок Rec A, участвующий в рекомбинации ДНК, а также в регуляции транскрипции генов фага лямбда, поражающего Е. coli, а второй (белок Lex А) является репрессором транскрипции большой группы генов, предназначенных для репарации ДНК бактерий. При его ингибировании или разрешении репарация активируется. Связывание Rec А с Lex А приводит к расщеплению последнего и соответственно к активации генов репарации. В свою очередь, индукция SOS-системы бактерии служит для фага лямбда сигналом опасности и приводит к тому, что профаг переключается с пассивного на активный (литический) путь существования, вызывая тем самым гибель клеткихозяина. SOS-система репарации выявлена не только у бактерий, но и у животных, и человека. 11

12 12 Гены, задействованные в SOS-репарации повреждений ДНК Гены uvr А, В, С, D Rec А lex А rec N, ruv ssb umu С, D sul А Последствия активации гена Репарация повреждений вторичной структуры ДНК Пострепликативная репарация, индукции SOS-системы Выключение SOS-системы Репарация двунитевых разрывов Обеспечение рекомбинационной репарации Мутагенез, вызванный изменениями свойств ДНК-полимеразы Подавление клеточного деления Заключение Исправление повреждений в ДНК тесным образом связано с другими фундаментальными молекулярно-генетическими процессами: репликацией, транскрипцией и рекомбинацией. Все эти процессы оказываются переплетенными в общую систему взаимодействий, обслуживаемую большим числом разнообразных белков, многие из которых являются полифункциональными молекулами, задействованными в контроле реализации генетической информации в клетках про- и эукариот. В то же время очевидно, что природа "не скупится" на элементах контроля, создавая сложнейшие системы коррекции тех повреждений в ДНК, которые несут опасность для организма и особенно для его потомства. С другой стороны, в тех случаях, когда репарационных возможностей недостаточно для сохранения генетического статуса организма, наступает необходимость в программируемой клеточной смерти апоптозе.. МАТЕРИАЛ И ПРИВЕДЕННЫЕ ДАЛЕЕ СХЕМЫ ВЗЯТЫ ИЗ РУКОВОДСТВА Кирпичев А.С., Севастьянова Г.А. Молекулярная биология М. AKADEMA C.

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

14 2. ТРАНСКРИПЦИОННО ЗАВИСИМЫЙ МЕХАНИЗМ 14

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

16 СХЕМА РЕПАРАЦИИ, СВЯЗАННАЯ С МЕТИЛИРОВАНИЕМ ДНК 16


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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Репарация генетическая - процесс устранения генетических повреждений и восстановления наследственного аппарата, протекающий в клетках живых организмов под действием специальных ферментов. Способность клеток к репарации генетических повреждений впервые была обнаружена в 1949 году американским генетиком А.Кельнером. В дальнейшем были исследованы многообразные механизмы удаления поврежденных участков наследственного материала, обнаружено, что реперация генетическая присуща всем живым организмам. По-видимому, способность к репарации генетической повреждений появилась на ранних этапах развития жизни на Земле и совершенствовалась по мере эволюции живых существ: ферменты репарации имеются у древнейших представителей растительного и животного мира. К настоящему времени обнаружено большое количество специализированных репарирующих ферментов, а также гены (см. Ген), контролирующие их синтез в клетках. Доказано, что изменения в этих генах повышают чувствительность организма к неблагоприятным и повреждающим факторам, способствуют возрастанию наследственных изменений - мутаций (см. Мутагенез), возникновению болезней и преждевременному старению. Установлено, что некоторые наследственные болезни человека развиваются в связи с нарушениями синтеза репарирующих ферментов. Детально изучены две формы репапрации генетической - фотореактивация и темновая репарация.

Фотореактивация , или световое восстановление, была обнаружена в 1949 г. А. Кельнер, изучая биологическое действие радиации в экспериментах на микроскопичских грибах и бактериях, обнаружил, что клетки, подвергшиеся одинаковой дозе ультрафиолетового облучения, выживают значительно лучше, если после облучения в темноте их поместить в условия обычного естественного освещения. Исходя из этого, было высказано предположение, что на свету происходит устранение части поврелсдений генетических структур клеток, возникающих под действием ультрафиолетового облучения.

Понадобилось почти два десятилетия, чтобы расшифровать открытый А. Кельнером эффект фотореактивации. Оказалось, что ультрафиолетовое облучение обладает способностью нарушать структуру молекул дезоксирибонуклеиновой кислотыты (сокращенно ДНК - см. Нуклеиновые кислоты), несущих генетическую информацию. Молекула ДНК содержит четыре типа так называемых азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин и тимин - и состоит из двух нитей, закрученных в спираль. Нередко в одной нити одинаковые основания располагаются рядом. Под действием ультрафиолетового облучения в части азотистых оснований разрываются химические связи и, если это происходит, например, в расположенных рядом тиминовых основаниях, то они соединяются друг с другом, образуя так называемый димер тимина. Димеры тимина резко нарушают структуру двойной спирали ДНК, в результате чего изменяется смысл генетической записи, что приводит либо к наследственным дефектам, передающимся в дальнейшем потомкам, либо к гибели клетки. Для «лечения», устранения этих повреждений в некоторых клетках имеются специальные ферменты, названные фотореактивирующими. Эти ферменты способны «узнавать» в ДНК поврежденные ультрафиолетовым облучением участки, присоединяться к ним и разрушать возникшие между двумя тиминами связи, восстанавливая исходную (нормальную) структуру ДНК. Однако «лечебный эффект» фотореактивирующих ферментов - расщепление сцепленных участков молекулы ДНК и восстановление ее исходной нормальной структуры - проявляется только при участии световой энергии. Тогда отсюдова, свет играет в этих процессах роль активирующего фактора, запускающего реакцию фотореактивации. До сих пор это остается единственным примером биохимических реакций, в которых активатором выступает световая энергия.



Первоначально способность к фотореактивации была обнаружена у микроорганизмов, в дальнейшем фотореактивирующие ферменты были найдены в клетках некоторых рыб, птиц, амфибии, насекомых, высших растений и водорослей. Длительное время этот вид репарации не удавалось обнаружить у млекопитающих и человека. Только в 1969 году было доказано, что способностью к фотореактивации обладают клетки сумчатых животных. Объясняли этот факт особенностями биологии этих древнейших обитателей Земли: полагали, что наличие фотореактивирующего фермента у сумчатых животных имеет исключительную важность, так как только у них (среди других млекопитающих) зародыш подвергается действию солнечного света (в том числе и ультрафиолетового облучения) в процессе переноса его в сумку матери. Исследования последних лет указывают на возможность наличия фотореактивирующего фермента в клетках кожи человека; может быть, поэтому массивное ультрафиолетовое облучение, например при загаре, не вызывает повреждений генетического аппарата человека.

Темновая репарация , в отличие от фотореактивации, универсальна. Она устраняет различные структурные повреждения ДНК, появляющиеся в результате разнообразных радиационных и химических воздействий. Способность к темновой репарации обнаружена у всех клеточных систем и организмов. Способность клеток микроорганизмов восстанавливать генетические повреждения в темноте была обнаружена в 1955 году, но детали этого процесса стали выясняться только начиная с 1964 года. Оказалось, что механизмы темновой репарации принципиально отличны от механизма фотореактивации. Первое отличие заключается в том, что если во время реакции на свету фотореактивирующий фермент расщепляет сцепленные ультрафиолетовым облучением участки молекулы ДНК, то в ходе темновой репарации поврежденные участки удаляются из молекулы ДНК. Второе отличие связано с числом «вылечиваемых» повреждений. Фотореактивирующий фермент активен в отношении только одного типа повреждений ДНК - образования димеров тимина под действием ультрафиолетового облучения. Ферменты же, осуществляющие темновую репарацию, способны устранять различные структурные нарушения ДНК, появляющиеся вследствие всевозможных воздействий на клетки - и химических, и радиационных. В результате темновой репарации осуществляется своеобразное молекулярное «хирургическое» вмешательство: поврежденные участки «вырезаются», а образовавшиеся «бреши» заполняются путем локального (местного) синтеза или обмена участками между поврежденной и неповрежденной нитями ДНК, в результате чего и восстанавливается ее исходная нормальная структура. Темновая репарация осуществляется под контролем большого числа ферментов, каждый из которых отвечает за определенный этап этого сложного процесса. Детально изучены два типа темновой репарации - эксцизионная и пострепликативная. При эксцизионной репарации поврежденный участок ДНК вырезается и замещается до начала очередного цикла размножения клетки, точнее до начала удвоения (репликации) молекул ДНК. Биологический смысл этого процесса состоит в том, чтобы предупредить закрепление у потомства наследственных изменений (мутаций) и последующее размножение измененных форм. Эксцизионная репарация - наиболее экономичная и эффективная форма репарации генетической. установлено, что при ее нормальном функционировании у микроорганизмов до начала репликации ДНК удаляется до 90% имеющихся генетических повреждений, из клеток высших организмов - до 70%. Эксцизионная репарация осуществляется в несколько этапов.

Сначала специальный фермент «надрезает» одну из нитей ДНК, вблизи от поврежденного участка, затем поврежденный участок удаляется полностью, а образовавшуюся «брешь» заполняют специальные ферменты (ДНК-поли-меразы), которые поставляют недостающие звенья, заимствуя их из неповрежденной нити. Способность к эксцизионной репарации установлена у клеток микроорганизмов, высших растений и животных, а также у человека.

Пострепликативная репарация - последняя возможность для клетки устранить имеющиеся генетические повреждения, защитить потомство от изменения наследственных признаков. Если в ДНК возникает так много повреждений, что в ходе эксцизионной репарации клетка не успевает их полностью устранить, или если повреждены гены, определяющие возможность эксцизионной репарации, то в процессе размножения (удвоения, репликации) ДНК в дочерних нитях на месте повреждений, имеющихся в материнской нити,образуются «бреши». Это происходит в силу того, что фермент, ведущий репликацию ДНК (синтез дочерней нити на материнской нити ДНК), не может «прочесть» искаженную информацию в поврежденной точке материнской нити. Поэтому, доходя до поврежденного места, оставшегося неисправленным во время эксцизионной репарации, этот фермент останавливается, затем медленно (со скоростью в сотни раз меньшей, чем обычно) проходит через зону повреждения и возобновляет нормальный синтез дочерней нити, отступя от этого места. Так происходит во всех точках, где материнская нить ДНК остается поврежденной к началу репликации. Конечно, если число повреждений слишком велико, репликация останавливается полностью и клетка погибает. Но и существовать с молекулами ДНК, несущими бреши, клетка долго не может. Поэтому после репликации, но перед делением клетки начинается процесс пострепликативной репарации. Перед делением клетки в ней образуются две двунитевые молекулы ДНК. Если одна из них несет в какой-либо точке повреждение в одной нити и брешь в противоположной нити, то в другой двунитевой молекуле ДНК обе нити в данной точке будут нормальными. В этом случае может произойти обмен участками ДНК - рекомбинация (см. Ген, обмен генами): неповрежденный участок будет вырезан из нормальной молекулы ДНК и вставлен на место поврежденного участка в другой молекуле, благодаря чему поврежденный генетический материал будет заменен нормальным. Вслед за этим спец. ферменты (ДНК-полимеразы) заделают «бреши» (теперь они смогут это сделать, т. к. в обеих молекулах в данном месте повреждения будут отсутствовать), вновь синтезированные и старые нити будут соединены друг с другом, и исходная структура ДНК будет в результате этого полностью восстановлена. В соответствии с природой процесса, связанного с осуществлением рекомбинации, этот тип пострепликативной репарации называют также рекомбинационным.

По-видимому, изложенный механизм - не единственный путь восстановления нормальной структуры ДНК после ее удвоения (репликации). Во всяком случае известен механизм, при котором в бреши вставляются звенья, не соответствующие исходной структуре репарируемой ДНК, т. е. возникают мутации. Не исключено, что это происходит в тех случаях, когда клетка по тем или иным причинам не может репарировать свою ДНК ни одним из описанных выше способов и ей остается последний шанс - или выжить ценой появления мутаций, или погибнуть. Пока еще недостаточно изучено взаимодействие различных систем репарации, регуляция их активности в клетке и точное время работы. Обнаружено, что в некоторых случаях в клетке происходит координированное действие ферментов эксцизионной и постреплика-тивной репарации. Например, если две нити ДНК соединяются между собой (сшиваются), что происходит при действии многих ядов (например, отравляющего вещества иприта), то сначала реакцию репарации начинает фермент эксцизионной репарации, надрезающий одну нить ДНК, а затем в действие вступают ферменты пострепликативной репарации, завершающие процесс.

Системы ферментов пострепликативной репарации обнаружены в клетках человека. Пока еще не выяснено окончательно, каковы точные ферментативные механизмы, обеспечивающие этот вид репарации в клетках человека, однако известно, что рекомбинация и случайное заполнение брешей с возникновением мутаций могут осуществляться в клетках человека. Не ясна также относительная эффективность известных процессов репарации генетической. Установлено, например, что облученные ультрафиолетовым светом клетки кишечной палочки, при условии нормального функционирования системы эксцизионной репарации, способны удалять из ДНК до 1000 повреждений. При появлении в ДНК большего числа повреждений клетка погибает. Если же система эксцизионной репарации выведена из строя, то за счет пострепликативной репарации может быть удалено лишь около 100 повреждений. Если же обе системы репарации отсутствуют, клетка погибает от единственного повреждения, возникающего в ДНК.

Репарация и мутации. После, в первых исследованиях репарации генетической была установлена тесная связь между устранением поврежденных участков и уменьшением частоты мутаций. Позже было доказано, что нарушения в активности ферментов репарации приводят к резкому возрастанию числа мутаций. Вместе с тем в настоящее время установлено, что мутации могут появляться и в ходе самих процессов репарации генетической из-за «ошибок» в работе репарирующих ферментов. Хотя наибольшее признание получила гипотеза о том, что репарационные процессы осуществляются преимущественно безошибочно и только та реакция пострепликативной репарации, в ходе которой в бреши застраиваются случайные основания, вызывает мутации, накапливается все большее число экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что даже относительно малое число ошибок репарации приводит к появлению значительного числа мутаций, выявляемых как в нормальных (естественных) условиях, так и в случае воздействия на клетки повреждающих факторов.

Репарация на разных этапах индивидуального развития организмов. Способность к осуществлению того или иного вида репараций генетических может изменяться на разных этапах развития организмов. Исследования показывают, что максимальная эффективность всех процессов репарации у млекопитающих (включая человека) проявляется в момент эмбрионального (внутриутробного) развития и на начальных этапах роста организма. Например,длительное время не удавалось найти реакцию эксцизионной репарации у грызунов (хомячок, крыса, мышь и другие) и лишь недавно было обнаружено, что этот вид репарации имеет место на эмбриональной стадии развития и прекращается на более поздних стадиях. Нередко осуществляется только в делящихся клетках, например в формирующихся нервных клетках зародыша. Если создать условия, при которых деление этих клеток подавлено, то устраняется и репарация однонитевых разрывов ДНК, вызванных, например, рентгеновским облучением.

Нарушения репарации и болезни человека. В 1968 г. английским ученым Д. Кливером было доказано, что наследственная болезнь человека - пигментная ксеродермия, признаками которой являются покраснение, образование наростов, нередко со злокачественным перерождением участков кожи на месте облучения солнечным светом, а также нарушения зрения, нервной системы и другие, обусловлена дефектом в активности ферментов эксцизионной репарации. В дальнейшем было установлено, что еще некоторые наследственные болезни человека обусловлены нарушениями процессов репарации генетической. К числу этих заболеваний относится синдром Хатчинсона, при котором развивается карликовость, преждевременное старение и прогрессирующее слабоумие. Повреждением генов, кодирующих ферменты репарации, обусловлено возникновение ряда форм такой относительно распространенной болезни, как системная красная волчанка и другие.

Изучение молекулярной природы этих заболеваний дает основание надеяться на относительно быструю разработку методов их лечения. Успехи в этом направлении зависят как от исследования деталей процессов репарации генетической и изучения возможности выделения из нормальных организмов (в особенности микробов) активно работающих ферментов с последующим введением их в организм больного, так и от методов замещения больных генов здоровыми (смотреть Инженерия генетическая). Если второй путь пока остается только в области гипотез, то в первом направлении начата экспериментальная работа. Так, японские исследователи К. Танака, М. Бекгучи и И. Окада в конце 1975 г. сообщили об успешном использовании одного из репарирующих ферментов, выделенных из клеток бактерий, зараженных бактериальным вирусом, для устранения дефекта в клетках, взятых от больного, страдающего пигментной ксеродермией. Для того чтобы этот фермент мог успешно проникнуть в клетки человека, культивировавшиеся в искусственных условиях, был использован убитый вирус Сендай. Однако до настоящего времени подобные работы не удается проводить на организме человека. Другое направление связано с разработкой способов ранней диагностики болезней, обусловленных дефектами репарирующих ферментов.