Репарация ДНК

Общие сведения

Агенты повреждающие ДНК

Излучение

1. ионизирующая радиация (гамма лучи, рентгеновские лучи)

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

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

Многие углеводороды.

Химикаты используемые в противоопухолевой химотерапии.

Типы повреждений ДНК

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

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

Репарация поврежденных оснований

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

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

Прямое исправление повреждений.

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

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

Эксцизионная репарация оснований (BER)

Основные ключевые события:

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

Эксцизионная репарация нуклеотидов (NER)

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

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

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

XPG разрезает цепь с 3"-конца.

Мисмэтч репарация(MMR)

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

Репарация разрывов ДНК

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

Гомологичная рекомбинация

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

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

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

Сокращения.
BER - Base Excision Repair

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

Мисмэтч репарация

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

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

Прямая репарация

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

O 6 -алкилгуанинтрансфераза

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

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

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

Оксидоредуктазы AlkB, hABH2 и hABH3

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

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

Сокращения:

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

Литература:

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

Репарация разрывов ДНК

Фотореактивация

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

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

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

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

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

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

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

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

Литература:

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

История открытия

Однонитевое и двунитевое повреждения ДНК

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

Эксцизионная репарация

Пострепликативная репарация была открыта в клетках E.Coli , не способных выщеплять тиминовые димеры. Это единственный тип репарации, не имеющий этапа узнавания повреждения.

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Репарация ДНК" в других словарях:

Восстановление дефектов в ДНК, возникших в результате мутации или рекомбинации. Осуществляется системой репаративных ферментов, одни из к рых устанавливают место повреждения, др. его «вырезают», третьи синтезируют поврежденные участки, четвертые… … Словарь микробиологии

репарация днк - – исправление «ошибок» в первичной структуре ДНК в результате действия специальных репаративных ферментов … Краткий словарь биохимических терминов

репарация ДНК - — Тематики биотехнологии EN DNA repair … Справочник технического переводчика

репарация ДНК - DNR reparacija statusas T sritis augalininkystė apibrėžtis DNR struktūros atsikūrimas po pažeidimo. atitikmenys: angl. DNA repair rus. репарация ДНК … Žemės ūkio augalų selekcijos ir sėklininkystės terminų žodynas

РЕПАРАЦИЯ ДНК - Восстановление первоначальной структуры в молекуле ДНК, т.е. правильной последовательности нуклеотидов … Термины и определения, используемые в селекции, генетике и воспроизводстве сельскохозяйственных животных

ДНК репарация - * ДНК репарацыя * DNA repair ферментативная коррекция ошибок в нуклеотидной последовательности молекулы ДНК. Механизмы ДНК р. защищают генетическую информацию организма от повреждений, вызываемых мутагенами окружающей среды (напр., ультрафиолет,… …

ДНК-зависимая ДНК-полимераза ДНКполимераза - ДНК зависимая ДНК полимераза, ДНКполимераза * ДНК залежная ДНК полімераза, ДНК полімераза * DNA dependent DNA polymerase or DNA polymerase фермент, катализирующий полимеризацию (см.) дезоксирибонуклеозидных трифосфатов в полимерную… … Генетика. Энциклопедический словарь

- (от позднелат. reparatio восстановление), свойственное всем клеткам живых организмов восстановление первоначальной (нативной) структуры ДНК в случае ее нарушения. Повреждение структуры ДНК может привести к блокированию репликации ДНК (летальный… … Химическая энциклопедия

Репарация: Репарация ДНК способность клеток исправлять химические повреждения и разрывы в молекулах ДНК. Репарации форма материальной ответственности субъекта международного права за ущерб, причиненный в результате совершенного им международного… … Википедия

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

Книги

• Метилирование ДНК у растений. Механизмы и биологическая роль , Б. Ф. Ванюшин. Настоящее чтение одного из пионеров и известных мировых лидеров в изучении метилирования ДНК у разных организмов обстоятельно излагает сегодняшнее состояние общебиологической проблемы,…

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 ].

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.

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

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.

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