kvm-mtv.ru → Путешествия

Репарация днк механизм и ферменты. Системы репарации ДНК: общие сведения. Как устроена система репарации

Высокая стабильность ДНК обеспечивается не только консервативностью её структуры и высокой точностью репликации, но и наличием в клетках всех живых организмов специальных систем репарации , устраняющих из ДНК возникающие в ней повреждения.

Действие различных химических веществ, ионизирующей радиации а также ультрафиолетового излучения может вызвать следующие нарушения структуры ДНК:

· повреждения одиночных оснований (дезаминирование, ведущее к превращению цитозина в урацил, аденина в гипоксантин; алкилирование оснований; включение аналогов оснований, инсерции и делеции нуклеотидов);

· повреждение пары оснований (образование тиминовых димеров);

· разрывы цепей (одиночные и двойные);

· образование перекрестных связей между основаниями, а также сшивок ДНК-белок.

Некоторые из указанных нарушений могут возникать и спонтанно, т.е. без участия каких-либо повреждающих факторов.

Любой тип повреждений ведет к нарушению вторичной структуры ДНК, что является причиной частичного или полного блокирования репликации. Такие нарушения конформации и служат мишенью для систем репарации. Процесс восстановления структуры ДНК основан на том, что генетическая информация представлена в ДНК двумя копиями – по одной в каждой из цепей двойной спирали. Благодаря этому повреждение в одной из цепей может быть удалено репарационным ферментом, а данный участок цепи ресинтезирован в своем нормальном виде за счет информации, содержащейся в неповрежденной цепи.

В настоящее время выявлены три основных механизма репарации ДНК: фотореактивация, эксцизионная и пострепликативнаярепарация. Последние два типа называются также темновой репарацией.

Фотореактивация заключается в расщеплении ферментом фотолиазой , активируемой видимым светом, тиминовых димеров, возникающих в ДНК под действием ультрафиолетового излучения.

Эксцизионная репарация заключается в узнавании повреждения ДНК, вырезании поврежденного участка, ресинтезе ДНК по матрице интактной цепочки с восстановлением непрерывности цепи ДНК. Такой способ называют также репарацией по типу выщепления – замещения, или более образно механизм «режь – латай». Эксцизионная репарация представляет собой многоэтапный процесс и заключается в:

1) «узнавании» повреждения;

2) надрезании одной цепи ДНК вблизи повреждения (инцизии);

3) удалении поврежденного участка (эксцизии);

4) ресинтезе ДНК на месте удаленного участка;

5) восстановлении непрерывности репарируемой цепи за счет образования фосфодиэфирных связей между нуклеотидами
(Рис 6.2)

Рис. 6.2 Схема эксцизионной репарации

Репарация начинается с присоединения ДНК-N-гликозилазы к поврежденному основанию. Существует множество ДНК-N-гликозилаз, специфичных к разным модифицированным основаниям. Ферменты гидролитически расщепляют N-гликозидную связь между измененным основанием и дезоксирибозой, это приводит к образованию АП (апуринового-апиримидинового) сайта в цепи ДНК (первый этап). Репарация АП-сайта может происходить при участии только ДНК-инсертазы , которая присоединяет к дезоксирибозе основание в соответствии с правилом комплементарности. В этом случае нет необходимости разрезать цепь ДНК, вырезать неправильный нуклеотид и репарировать разрыв. При более сложных нарушениях структуры ДНК необходимо участие всего комплекса ферментов, участвующих в репарации (Рис. 6.2.): АП-эндонуклеаза распознает АП-сайт и разрезает возле него цепь ДНК (II этап). Как только в цепи возникает разрыв, в работу вступает АП-экзонуклеаза , которая удаляет фрагмент ДНК, содержащий ошибку (III этап). ДНК-полимераза b застраивает возникшую брешь по принципу комплементарности (IV этап). ДНК-лигаза соединяет 3¢-конец вновь синтезированного фрагмента с основной цепью и завершает репарацию повреждения (V этап).

Пострепликативная репарация включается в тех случаях, когда эксцизионная не справляется с устранением всех повреждений ДНК до её репликации. В этом случае воспроизведение поврежденных молекул приводит к появлению ДНК с однонитевыми пробелами, а нативная структура восстанавливается при рекомбинации.

Врожденные дефекты системы репарации являются причиной таких наследственных заболеваний, как пигментная ксеродерма, атаксия-телеангиэктазия, трихотиодистрофия, прогерия.

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

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 ДНК

Системы репарации

2 Эксцизионная репарация. Примеры и виды

3 Репарация ошибок репликации ДНК

4 Рекомбинантная (пострепликативная) репарация у бактерий

5 SOS-репарация

Системы репарации ДНК достаточно консервативны в эволюции от бактерий до человека и наиболее изучены у Е. coli.

Известны два типа репарации: прямая и эксцизионная

Прямая репарация

1. Так действует, например, О6-метилгуанин-ДНК-метилтрансфераза

(фермент – самоубийца), которая снимает метильную группу с азотистого основания на один из собственных остатков цистеина

У Е. coli может в 1 мин синтезироваться до 100 молекул этого белка. Аналогичный по функциям белок высших эукариот, очевидно, играет важную роль в защите от рака, вызываемого внутренними и внешними алкилирующими факторами.

ДНК-инсертаза

2. ДНК-инсертазами

фотолиаза

3. Тиминовые димеры "расшиваются" путем прямой репарацци при участии фотолиаз , осуществляющих соответствующее фотохимическое превращение . ДНК-фотолиазы представляют собой группу ферментов, активируемых светом, с длиной волны 300 - 600 нм (видимая область), для чего в их структуре имеется особый светочувствительный центр.

Они широко распространены в природе и обнаружены у бактерий, дрожжей, насекомых, рептилий, земноводных и человека. Эти ферменты нуждаются в разнообразных кофакторах (FADH, тетрагидрофолиевая кислота и др.), участвующих в фотохимической активации фермента. Фотолиаза Е. coli представляет собой белок с молекулярной массой 35 кДа, прочно связанный с олигорибонуклеотидом длиной 10-15 нуклеотидов , необходимым для активности фермента.

Примеры прямой репарации

1. Метилированное основание O 6- mG диметилируется ферментом метилтрансфераза О6-метилгуанин-ДНК-метилтрансфераза (фермент – самоубийца), которая переносит метильную группу на один из своих остатков

цистеина

2. АР-сайты могут репарироваться путем прямой вставки пуринов при участии ферментов, называемых ДНК-инсертазами (от англ. insert- вставлять).

СХЕМА ПРИМЕРА ПРЯМОЙ РЕПАРАЦИИ ПОВРЕЖДЕНИЙ В ДНК – метилированное основание O 6- mG демитилируется ферментом метилтрансферазой, который переносит метильную группу на один из своих остатков аминокислоты цистеина.

3. Фотолиаза присоединяется к тиминовому димеру и после облучения этого комплекса видимым светом (300-600 нм) димер расшивается

СХЕМА ПРИМЕРА ПРЯМОЙ РЕПАРАЦИИ ПОВРЕЖДЕНИЙ В ДНК – Фотолиаза

присоединяется к тиминовому димеру и после облучения видимым спектром света этот димер расшивается

Эксцизионная репарация

(от англ. excision - вырезание).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Эксцизионная репарация включает удаление поврежденных азотистых оснований из ДНК и последующее восстановление нормальной структуры молекулы.

МЕХАНИЗМ

В эксцизионной репарации обычно принимают участие несколько ферментов, а сам процесс затрагивает

не только поврежденный ,

но и соседние с ним нуклеотиды .

УСЛОВИЯ

Для эксцизионной репарации необходима вторая (комплементарная) цепь ДНК. Общая упрощенная схема эксцизионной репарации представлена на рис. 171.

ЭТАПЫ

Первым этапом эксцизионной репарации является вырезание аномальных азотистых оснований. Его катализируют группа ДНК- N -гликозилаз - ферменты, расщепляющие гликозидную связь между дезоксирибозой и азотистым основанием.

ВАЖНОЕ ЗАМЕЧАНИЕ:

У человека ДНК- N -гликозилазы обладают высокой субстратной специфичностью: разные ферменты этого семейства распознают и вырезают различные аномальные основания (8-оксогуанин, урацил, метилпурины и др.).

У бактерий ДНК- N -гликозилазы такой субстратной специфичностью не обладает

ОБЩИЕ ФЕРМЕНТЫ ЭКСЦИЗИОННОЙ РЕПАРАЦИИ

НАЗВАНИЕ	ФУНКЦИЯ	МЕХАНИЗМ
ДНК- N -гликозилазы	вырезание аномальных азотистых оснований	расщепляет гликозидную связь между дезоксирибозой и азотистым основанием
АР-эндонуклеаза	создает условия для работы следующего фермента - экзонуклеазы	разрывает сахаро-фосфатный остов молекулы ДНК в АР-сайте
экзонуклеаза	выщепляет несколько нуклеотидов	последовательно отщепляет несколько нуклеотидов от поврежденного участка одной цепи ДНК

КОНКРЕТНЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ ШАГИ ЭТОГО МЕХАНИЗА:

В результате действия ДНК- N -гликозилаз образуется АР-сайт, который атакуется ферментом АР-эндонуклеазой . Она разрывает сахаро-фосфатный остов молекулы ДНК в АР-сайте и тем самым создает условия для работы следующего фермента - экзонуклеазы , которая последовательно отщепляет несколько нуклеотидов от поврежденного участка одной цепи ДНК.

В клетках бактерий освобожденное место заполняется соответствующими нуклеотидами при участии ДНК-полимеразы I , ориентирующейся на вторую (комплементарную) цепь ДНК.

Поскольку ДНК-полимераза I способна удлинять З"-конец одной из цепей в месте разрыва в двуцепочечной ДНК и удалять нуклеотиды с 5"-конца того же разрыва,

т.е. осуществлять “ник-трансляцию” , этот фермент играет ключевую роль в репарации ДНК. Окончательное сшивание репарированных участков осуществляет ДНК-лигаза .

В клетках эукариот (млекопитающих)

Эксцизионная репарация ДНК в клетках млекопитающих сопровождается резким всплеском активности еще одного фермента – поли А D Р-рибозо-полимеразы . При этом происходит ADP-рибозилирование белков хроматина (гистонов и негистоновых белков), что ведет к ослаблению их связи с ДНК и открывает доступ ферментам репарации.

Донором ADP-рибозы в этих реакциях выступает NAD+ , запасы которого сильно истощаются при эксцизионной репарации повреждений, вызываемых рентгеновским облучением:

Отрицательно заряженные остатки ADP-рибозы из внутреннего состава молекулы NAD+ присоединяются через радикал глутаминовой кислоты или фосфосерина к белкам хроматина, что ведет к нейтрализации положительных зарядов этих белков и ослаблению их контакта с ДНК.

ЧТО ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ ГРУППА ФЕРМЕНТОВ

ДНК – гликозилазы

расщепляет гликозидную связь между дезоксирибозой и азотистым основанием

что приводит к вырезанию аномальных азотистых оснований

ДНК - гликозилазы , участвующие в устранении окислительных повреждений ДНК в клетках прокариот и эукариот , весьма разнообразны и отличаются по субстратной специфичности, пространственной структуре и способам взаимодействия с ДНК.

К наиболее изученным ДНК-гликозилазам относятся:

эндонуклеаза III (EndoIII),

форм амидо пиримидин-ДНК-гликозилаза (Fpg),

Mut T и

Mut Y кишечной палочки.

Эндонуклеаза III Е. coli "узнает" и специфически выщепляет из ДНК окисленные пиримидиновые основания.

Этот фермент представляет собой мономерный глобулярный белок, состоящий из 211 аминокислотных остатков (мол. масса 23,4 кДа). Ген, кодирующий Endo III, секвенирован, установлена его нуклеотидная последовательность. Endo III представляет собой железосерный белок [(4 Fe -4 S )2+-белок], обладающий элементом надвторичной структуры типа "греческий ключ" (спираль - шпилька - спираль), служащим для связывания с ДНК . Ферменты с аналогичной субстратной специфичностью и сходной аминокислотной последовательностью выделены также из клеток быка и человека .

Форм амидо пиридин-ДНК-гликозилаза Е. coli "узнает" и выщепляет из ДНК окисленные гетероциклические основания пуринового ряда .

СХЕМА ЭКЦИЗИОННОЙ РЕПАРАЦИИ СТАДИЯ 1

ДНК N

СХЕМА ЭКЦИЗИОННОЙ РЕПАРАЦИИ

1 ДНК N гликозидаза удаляет поврежденное основание

АР эндонуклеаза вносит разрыв в ДНК

2 Экзонуклеаза удаляет ряд нуклеотидов

3 ДНК полимераза заполняет освободившийся участок комплементарными

Мононуклеотидами

ДНК лигаза сшивает репарированную цепь ДНК

Mut T - небольшой белок с молекулярной массой 15 кДа, обладающий нуклеозидтрифосфатазной активностью, который преимущественно гидролизует dGTP до dGMP и пирофосфата.

Биологическая роль Mut T заключается в предотвращении образования во время репликации неканонических пар А:G и А: 8-oxo-G .

Такие пары могут появляться в том случае, когда окисленная форма

dGTP (8-oxo-dGTP) становится субстратом ДНК-полимеразы.

Mut T гидролизует 8-oxo-dGTP в 10 раз быстрее, чем dGTP.

Это делает 8-oxo-dGTP наиболее предпочтительным субстратом Mut T и объясняет его функциональную роль.

Mut Y представляет собой специфическую аденин-ДНК-гликозилазу, расщепляющую N-гликозидную связь между аденином и дезоксирибозой аденозина, образующего неканоническую пару с гуанином.

Функциональная роль этого фермента заключается в предотвращении мутации

T:A - G:A путем отщепления неповрежденного остатка аденина из пары оснований A: 8-oxo-G.

Нуклеотидная эксцизионная репарация

(АТФ-зависимый механизм удаления повреждений из ДНК)

В последнее время в эксцизионной репарации особое внимание уделяют АТР-зависимому механизму удаления повреждений из ДНК. Этот вид эксцизионной репарации получил название нуклеотидная эксцизионная репарация (nucleotide excision repair; NER).

Она включает в себя ДВА ЭТАПА :

1. удаление из ДНК олигонуклеотидных фрагментов , содержащих повреждение, и

Эксинуклеаза

2. последующую реконструкцию цепи ДНК с участием комплекса ферментов (нуклеаз, ДНК-полимеразы, ДНК-лигазы и др.).

Удаление фрагмента ДНК происходит по обе стороны поврежденного нуклеотида. Длина удаляемых олигонуклеотидных фрагментов отличается у прокариот и эукариот.

Удаление фрагмента ДНК у прокариот

Так, у Е. coli, В. subtilus, Micrococcus luteus вырезается фрагмент длиной 12-13 нуклеотидов,

Удаление фрагмента ДНК у эукариот

а у дрожжей, земноводных и человека - фрагмент, состоящий из 24-32 нуклеотидов.

Эксинуклеаза – фермент, удаляющий фрагменты ДНК

Выщепление фрагмента ДНК осуществляется ферментом эксинуклеазой (excinuclease). У Е. coli этот фермент состоит из 3 различных протомеров –

uvrA

uvr В

uvr С

каждый из которых выполняет определенную функцию в ходе эксцизионного выщепления фрагмента ДНК. Название этих белков дано по первым буквам слов "ultra violet repair".

Протомер uvr А обладает АТРазной активностью, связывается с ДНК в виде димера, осуществляя

первичное распознавание повреждения и

связывание uvr В

Протомер uvr В обладает:

1 . Латентной АТР-азной и латентной хеликазной активностью, необходимой для изменения конформаций и расплетания двойной спирали ДНК;

2. Эндонуклеазной активностью, расщепляя межнуклеотидную (фосфодиэфирную) связь со стороны З"-конца выщепляемого фрагмента.

Протомер uvr С действует как эндонуклеаза , вносящая разрыв в репарируемую цепь ДНК с 5"-конца вырезаемого фрагмента.

Таким образом, протомеры uvr A, uvr В, uvr С взаимодействуют с ДНК в определенной последовательности, осуществляя АТР-зависимую реакцию выщепления олигонуклеотидного фрагмента из репарируемой цепи ДНК.

Образовавшаяся брешь в молекуле ДНК реставрируется при участии ДНК-полимеразы I и ДНК-лигазы. Модель эксцизионной репарации с участием вышеперечисленных ферментов представлена на рис. 172.

Эксцизионные репарации у человека

Эксцизионные репарации у человека также имеют АТФ - зависимый характер и включают три основных этапа :

узнавание повреждения,

двойное разрезание цепи ДНК,

восстановительный синтез и

лигирование репарируемой цепи.

Однако, в эксцизионной репарации ДНК человека принимают участие

25 различных полипептидов ,

16 из которых участвуют в выщеплении олигонуклеотидного фрагмента, являясь протомерами эксинуклеазы ,

а остальные 9 осуществляют синтез репарируемого участка молекулы.

В репарационной системе ДНК у человека весьма существенную роль выполняют белки транскрипции –

РНК-полимераза II и

TF ПН - один из шести основных факторов транскрипции эукариот .

Следует отметить, что эксцизионная репарация у прокариот, как и у эукариот, зависит от функционального состояния ДНК:

транскрибируемая ДНК репарируется быстрее,

чем транскрипционно неактивная.

Этот феномен объясняется следующими факторами:

структурой хроматина,

гомологией цепей транскрибируемых участков ДНК,

эффектом повреждения цепей и его влиянием на РНК-полимеразу.

ВАЖНОЕ ЗАМЕЧАНИЕ:

КОДИРУЮШАЯ ЦЕПЬ ДНК (цепь хранения информации)

МАТРИЧНАЯ ЦЕПЬ ДНК (с неё происходит списывание информации)

Известно, что такие крупные повреждения, как образование тиминовых димеров , блокируют транскрипцию как у бактерий, так и у человека, если они происходят на матричной цепи ДНК (повреждения на кодирующей цепи не влияют на транскрипционный комплекс). РНК-полимераза останавливается в месте повреждения ДНК и блокирует работу транскрипционного комплекса.

Транскрипционно-репарационный фактор сцепления (TRCF) .

У Е. coli усиление репарации при транскрипции опосредуется одним специальным белком - транскрипционно-репарационным фактором сцепления (TRCF) .

Этот белок способствует :

1. отсоединению РНК-полимеразы от ДНК

2. одновременно стимулирует образование комплекса белков,

Осуществляющих репарацию поврежденного участка.

По окончании репарации РНК-полимераза встает на место и транскрипция продолжается (см. рис.).

Итак общая схема эксцизионной репарации

1. ДНК- N -гликозилаза удаляет поврежденное основание

2. АР –эндонуклеаза вносит разрыв в цепь ДНК

3. Экзонуклеаза удаляет ряд нуклеотидов

4. ДНК-полимераза заполняет освободившийся участок

Комплементарными нуклеотидами

5. ДНК лигаза сшивает репарированную цепь ДНК

Репарация ошибок репликации ДНК

путем метилирования

Ошибки спаривания азотистых оснований во время репликации ДНК происходят достаточно часто (у бактерий один раз на 10 тыс. нуклеотидов), в результате которых в дочернюю цепь ДНК включаются некомплементарные нуклеотидам материнской цепи нуклеотиды - мисмэтчи (англ. mismatch н е соответствовать ).

Несмотря на то, что ДНК-полимераза I прокариот обладает способностью к самокоррекции, ее усилия по устранению ошибочно присоединенных нуклеотидов иногда оказываются недостаточны , и тогда в ДНК остаются некоторые неправильные (некомплементарные) пары.

В этом случае репарация происходит с использованием определенной системы, связанной с метилированием ДНК . Действие этой системы репарации основано на том, что после репликации через определенное время (несколько минут) ДНК подвергается метилированию.

У Е. coli метилируется в основном аденин с образованием

N6-мeтил-аденина (N6-mA).

До этого момента вновь синтезированная (дочерняя) цепь остается неметилированной.

Если в такой цепи есть неспаренные нуклеотиды, то она подвергается репарации: Таким образом метилирование метит ДНК и

включает систему исправления ошибок репликации.

В этой системе репарации узнаются особые структуры:

последовательность G-N6-mA-T-С и следующая за ней деформация

в двойной спирали в месте отсутствия комплементарности (рис. ниже).

В устранении неспаренных нуклеотидов в полуметилированной молекуле ДНК принимает участие достаточно сложный комплекс ферментов репарации, который сканирует поверхность молекулы ДНК, вырезает участок дочерней цепи , прибегающей к мисмэтчам , а затем создает условия для застраивания

его нужными (комплементарными) нуклеотидами.

Различные компоненты этого комплекса обладают разными активностями нуклеазной,

хеликазной,

АТРазной,

необходимыми для внесения разрывов в ДНК и выщепления нуклеотидов, расплетания двойной спирали ДНК и энергетического обеспечения движения комплекса вдоль репарируемой части молекулы.

Сходный по структуре и функциям комплекс ферментов репарации выявлен и у человека.

Рекомбинантная (пострепликативная) репарация

В тех случаях, когда по тем или иным причинам вышерассмотренные системы репарации оказываются нарушенными, в цепях ДНК могут образовываться бреши (недорепарированные участки), имеющие иногда весьма существенные размеры , что чревато нарушением системы репликации и может привести к гибели клеток.

В этом случае клетка в состоянии использовать для репарации одной молекулы ДНК другую полученную после репликации молекулу ДНК, т. е. привлечь для этой цели механизм рекомбинации .

У бактерий

У бактерий в рекомбинантной репарации принимает участие белок Rec А . Он связывается с одноцепочечным участком ДНК и вовлекает его в рекомбинацию с гомологичными участками неповрежденных цепей другой молекулы ДНК .

В результате и разорванная (содержащая бреши), и неповрежденная цепи репарируемой молекулы ДНК оказываются спаренными с неповрежденными комплементарными участками ДНК, что открывает возможность репарации путем вышеохарактеризованных систем.

При этом могут происходить вырезание определенного фрагмента и

заполнение с его помощью бреши в дефектной цепи.

Возникающие при этом пробелы и разрывы в цепях ДНК восполняются с участием ДНК-полимеразы I и ДНК-лигазы .

SOS-репарация

Существование этой системы впервые постулировал М. Радман в 1974 г. Он же дал название этому механизму, включив в него международный сигнал бедствия "SOS" (спасите наши души).

И действительно, эта система включается тогда, когда повреждений в ДНК становится настолько много, что угрожает жизни клетки . В этом случае происходит индукция активности разнообразной группы генов, задействованных в различных клеточных процессах, сопряженных с репарацией ДНК.

Включение тех или иных генов, определяемых количеством повреждений в ДНК, приводит к разным по значимости клеточным ответам (начиная со стандартной репарации поврежденных нуклеотидов и кончая подавлением клеточного деления).

Наиболее изучена SOS-репарация у Е. coli, главными участниками которой являются белки, кодируемые генами Rec A и Lex А .

Первый из них представляет собой полифункциональный белок Rec A , участвующий

в рекомбинации ДНК , а также

в регуляции транскрипции генов фага лямбда , поражающего Е. coli,

а второй (белок Lex А) является репрессором транскрипции большой группы генов, предназначенных для репарации ДНК бактерий. При его ингибировании или разрешении репарация активируется.

Связывание Rec А с Lex А приводит к расщеплению последнего и соответственно к активации генов репарации .

В свою очередь, индукция SOS-системы бактерии служит для фага лямбда сигналом опасности и приводит к тому, что профаг переключается с пассивного на активный (литический) путь существования, вызывая тем самым гибель клетки-хозяина .

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

Гены, задействованные в SOS-репарации повреждений ДНК

Гены	Последствия активации гена
uvr А, В, С, D	Репарация повреждений вторичной структуры ДНК
Rec А	Пострепликативная репарация, индукции SOS-системы
lex А	Выключение SOS-системы
rec N, ruv	Репарация двунитевых разрывов
	Обеспечение рекомбинационной репарации
umu С, D	Мутагенез, вызванный изменениями свойств ДНК-полимеразы
sul А	Подавление клеточного деления

Заключение

Исправление повреждений в ДНК тесным образом связано с другими фундаментальными молекулярно-генетическими процессами: репликацией, транскрипцией и рекомбинацией. Все эти процессы оказываются переплетенными в общую систему взаимодействий, обслуживаемую большим числом разнообразных белков, многие из которых являются полифункциональными молекулами, задействованными в контроле реализации генетической информации в клетках про- и эукариот. В то же время очевидно, что природа "не скупится" на элементах контроля, создавая сложнейшие системы коррекции тех повреждений в ДНК, которые несут опасность для организма и особенно для его потомства. С другой стороны, в тех случаях, когда репарационных возможностей недостаточно для сохранения генетического статуса организма, наступает необходимость в программируемой клеточной смерти – апоптозе. .

СХЕМА НУКЛЕОТИДНОЙ ЭКСЦИЗИОННОЙ РЕПАРАЦИИ У E . COLI С УЧАСТИЕМ ЭКСИНУКЛЕАЗЫ

1. ТРАНСКРИПЦИОННО НЕЗАВИСИМЫЙ МЕХАНИЗМ

2. ТРАНСКРИПЦИОННО ЗАВИСИМЫЙ МЕХАНИЗМ

3. ОБЩИЙ ЭТАП РЕПАРАЦИИ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

А - белок uvr А

Б - белок uvr В

С - белок uvr С

маленький черный треугольник – знак указывает на место повреждений

СХЕМА РЕПАРАЦИИ, СВЯЗАННАЯ С МЕТИЛИРОВАНИЕМ ДНК

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 ].