DNA-reparation

Allmän information

DNA-skadande medel

Strålning

1. joniserande strålning (gammastrålar, röntgenstrålar)

2. Ultraviolett strålning (särskilt ~260 nm, det är i denna region som maximal absorption av DNA sker)

Reaktiva syreradikaler bildas under normal cellandning i olika biokemiska vägar.
Miljökemikalier.

Många kolväten.

Kemikalier som används i antitumörkemoterapi.

Typer av DNA-skador

1. Alla fyra baserna i DNA (A, T, C, G) kan modifieras kovalent i olika positioner.
Det vanligaste är förlusten av en aminogrupp (deaminering) - i det här fallet förvandlas C till U.
Felaktig inkorporering av baser uppstår på grund av fel i driften av DNA-polymeraser under replikering.
Den vanligaste inneslutningen är uracil istället för tymin.
Brott mot strukturen.
Avbrott kan förekomma i DNA. Avbrotten kan vara enkelsträngade eller båda DNA-strängarna kan brytas.

Joniserande strålning kan vara en vanlig orsak till sådana bristningar.
En kovalent bindning kan bildas mellan intilliggande baser, och bindningen kan bildas mellan intilliggande baser på samma sträng eller mellan två DNA-strängar.
typer av DNA-skador
byte av en bas
apurinisering
ersätter C med Y
ersätter A med hypoxantin
basalkylering
insättning eller deletion av en nukleotid
bädda in en liknande bas
byte av två baser
bildning av tymindimerer
tvärbindning med ett bifunktionellt alkyleringsmedel
kedjebrott
joniserande strålning
radioaktiv förstörelse av kärnelement
tvärbindningar
mellan basen av en tråd eller två parallella trådar
mellan DNA och proteinmolekyler, såsom histoner

Reparation av skadade baser

Skadade fundament kan repareras på olika sätt:
Direkt kemisk reparation av skador.

Excisionsreparation (ER), där den skadade basen tas bort och ersätts med en ny. Det finns tre modeller av excision reparation, var och en med sin egen uppsättning enzymer.
Basexcisionsreparation (BER).
Nukleotidexcisionsreparation (NER).
Mismatch reparation (MMR).

Direkt skadereparation.

Den vanligaste orsaken till punktmutationer hos människor är spontan tillsats av en metylgrupp, en typ av alkylering. Sådana modifieringar korrigeras av enzymer som kallas glykosylaser, som korrigerar felet utan att förstöra DNA-strängen.

Vissa läkemedel som används i kemoterapi skadar också DNA genom alkylering.
Problemet med reparation är att med en begränsad uppsättning enzymer och mekanismer måste cellen klara av många skador orsakade av en mängd olika kemiska och fysikaliska ämnen.

Basexcisionsreparation (BER)

Huvudsakliga händelser:

1. Avlägsnande av den skadade basen (förekommer ~20 000 gånger om dagen i varje cell i människokroppen) DNA-glykosylamin. Människor har minst 8 gener som kodar för olika DNA-glykosylaser, som var och en känner igen en annan uppsättning av basskador.
2. Avlägsnande av deoxiribofosfat resulterar i bildandet av ett tomrum i DNA:t.
3. Ersättning med rätt nukleotid. Denna funktion hos människor utförs av DNA-polymeras beta.
4. Ligering av kedjebrottet. Det finns två enzymer, båda kräver ATP.

Nukleotidexcisionsreparation (NER)

NER skiljer sig från BER på flera sätt.
Använder olika enzymsystem.
Även om felet finns i en nukleotid, tas många nukleotider i skadeområdet bort på en gång.

De viktigaste händelserna i NER:
1. Skador identifieras av en eller flera faktorer som är associerade med skadeplatsen.
2. DNA lindas upp vid skadeplatsen. Denna process innebär
olika transkriptionsfaktorer IIH, TFIIH, (som också fungerar under normal transkription).
3. DNA:t skärs vid 3" och 5" ändarna av skadan, som ett resultat av vilket DNA-fragmentet som innehåller den skadade nukleotiden avlägsnas.
4. En ny DNA-kedja färdigställs med användning av mallen för en oskadad DNA-kedja med delta- eller epsilon-polymeraser.
5. Ligaser tvärbinder den nyligen syntetiserade änden av kedjan.

Xeroderma pigmentosum (XP)
XP är en sällsynt ärftlig mänsklig sjukdom som visar sig i hudskador när den utsätts för ljus, vilket i slutändan leder till utveckling av hudcancer och patientens död.
Sjukdomen uppstår på grund av mutationer i gener som är involverade i NER-reparation. Till exempel:
XPA kodar för ett protein som binder till platsen för skadan och hjälper till vid monteringen av reparationskomplexet.
XPB och XPD, som är delar av transkriptionsfaktorn TFIIH. Vissa mutationer i XPB och XPD kan också orsaka för tidigt åldrande.
XPF skär DNA-strängen från 5"-änden av skadan.

XPG skär kedjan från 3"-änden.

Mismatch reparation (MMR)

Felmatchningsreparation korrigerar felaktiga intakta baser som inte bildar en normal Watson-Crick-parning (AT, C G). Sådana fel uppstår under driften av DNA-polymeras under replikering.
Felmatchningsreparation involverar enzymer involverade i både BER- och NER-reparation, såväl som specialiserade enzymer.
DNA-syntes under felmatchningsreparation utförs av DNA-polymeraser delta eller epsilon.
Felmatchningsreparationssystemet är involverat i att öka noggrannheten av rekombination under meios.

Reparation av DNA-brott

Joniserande strålning och vissa kemikalier kan bryta en eller två DNA-strängar.
Enkelsträngsbrott (SSB)
Avbrott i en av DNA-strängarna repareras ofta av enzymer som är involverade i BER-reparation.
Dubbelsträngsbrott (DSB)
Det finns två mekanismer som kan eliminera dubbelsträngade DNA-brott:
Direkt anslutning av trasiga ändar. Denna process kräver speciell
enzymer som känner igen och binder trasiga ändar och sedan syr ihop dem. Om det trasiga DNA:t har trubbiga ändar och sammanfogningen av två DNA-fragment sker slumpmässigt, kallas denna reparation NHEJ. Ku-proteinet krävs för NHEJ. Ku är en heterodimer subenhet som består av två proteiner Ku70 och Ku80.
Fel som uppstår under direkt anslutning kan orsaka translokationer.
Polynukleotidligas- återställd enda krets DNA går sönder

Homolog rekombination

Homolog rekombination är kapabel att reparera trasiga ändar av kromosomer med hjälp av DNA från en oskadad systerkromatid tillgänglig efter kromosomduplicering.
De gener som krävs för homolog rekombination är BRCA-1 och BRCA-2.

Genomvandling
Den nya gendonatorn kan vara:
homolog kromosom (under meios)
systerkromatid (även under meios)
en duplicerad gen på samma kromosom (under mitos)

Korrigering av fel på grund av 3'-5' exonukleasaktivitet hos polymeraset under replikation (endast i prokaryoter) (mutation E. coli mutD-mutator-ändring - subenhet av DNA-pol.III)
Tymindimerer, fotolyasenzym gen-phr (i lägre eukaryoter)
Avlägsnande av fästa alkyl- och metylgrupper - O-6-metylguanintransferas (ada-gen) - tar bort O-6-metylguanin
excisional r. baser [E.coli] [mänskliga | skadeerkännande XPA-protein i samband med RPA | f-r transcr är inblandad. TFIIH (P52, P34, P44, P62, XPB-XPD-helikasaktivitet) | ERCC1-XPF, XPG – nukleaser, skär DNA på båda sidor av skadan. | DNA-polymeras och hjälpmedel. RFC- och PCNA-proteiner täpper till gapet]
R. kvävehaltigt basiskt glykosylas tar bort basiskt.
AP-ställe (apurin, apyrimidin) | AP-endonukleas känner igen gapet, snittet. 5' DNA
postreplikativ r. (PRR)
SOS-r. proteiner anslutning. med DNA-polymeras, doc. DNA byggs mittemot skadan. DNA

Förkortningar.
BER - Base Excision Repair

NER - Nukleotidexcisionsreparation
MMR - Mismatch Repair
NHEJ - Nonhomologous End-Joining

Felaktig skadestånd

Under replikationsprocessen, som ett resultat av polymerasfel, kan icke-komplementära nukleotider infogas, vilket kan leda till mutationer i dotterns DNA-sträng. Oparade baser känns igen av felparningsreparationsenzymer och ersätter felparade nukleotider.

Enzymer i detta system säkerställer homolog rekombination, såväl som cellcykelstopp som svar på DNA-skada.
E. coli-felmatchningsreparationssystemet, som använder MutHLS-proteinerna, känner igen och reparerar alla icke-komplementära baspar utom C–C. Dessutom reparerar detta system små insertioner i en av DNA-strängarna till följd av replikationsfel, vars längd inte överstiger fyra nukleotider.
Typiskt har E. coli metylerat DNA Dam metylas per webbplats GATC. Efter att replikeringen är avslutad förblir dock dotter-DNA-strängen ometylerad under en tid.
Detta system kan rekonstitueras in vitro med användning av
DNA med en metylerad sträng som substrat, till vilket renade proteiner MutH, MutL, MutS, UvrD (helikas II), DNA-polymeras III-holoenzym, DNA-ligas, SSB-protein och ett av exonukleaserna: ExoI, ExoVII eller RecJ tillsätts . Reparationsprocessen initieras genom att införa ett enkelsträngsbrott i den ometylerade strängen nära det delvis metylerade GATC-stället, följt av hydrolys av DNA-strängen och fyllning av det resulterande enkelsträngade gapet. I det här fallet binder MutS-proteinet till felaktigt parade nukleotider. MutL-proteinet har ingen enzymatisk aktivitet, även om det interagerar med MutS och är nödvändigt för aktiveringen av MutH, ett endonukleas som utför enkelsträngade DNA-brytningar. Sålunda stimulerar MutS–MutL-komplexet, monterat på ett DNA-ställe med en felparad nukleotid, MutHs endonukleas (nickas)aktivitet. Det cellfria systemet kräver inte närvaro av MutH i närvaro av ett enkelsträngsbrott i DNA-substratet. MutHLS-reparationssystemet kan
använda delvis metylerade GATC-sekvenser belägna uppströms och nedströms om den skadade DNA-regionen. Samtidigt, i
Förutom helikas II involverar excisionen av en felaktigt inkluderad nukleotid en av exonukleaserna: ExoI (3'-exo), ExoVII (3'- och 5'-exo) eller RecJ (5'-exo), beroende på lokalisering av GATC-stället i förhållande till den korrigerade nukleotiden. Efter nukleotidexcision fylls det resulterande enkelsträngade gapet av DNA-polymeras III-holoenzym i närvaro av SSB-protein och DNA-ligas. Det bör betonas att användningen av MutH-proteinet och Dam-metylas för att känna igen dottersträngen av replikerat DNA är en unik egenskap hos gramnegativa bakterier. Gram-positiva bakterier metylerar inte DNA-strängar i märkningssyfte. Om GATC-ställena är helt metylerade, modifierar E. coli MutHLS-reparationssystemet felmatchade nukleotider på båda DNA-strängarna med samma effektivitet.
E. coli har minst två andra specifika
vägar för reparation av felaktiga nukleotider. VSP-systemet (very short patch repair pathway) reparerar icke-komplementära G–T-par och ersätter dem med G–C. Man tror att sådana par bildas som ett resultat av deaminering av 5-metylcytosin vid ställen där C-rester metyleras med Dcm-metylas. Med lägre effektivitet ersätter samma system G–U-par med G–C. Ett annat MutY-beroende reparationssystem eliminerar specifikt konsekvenserna av oxidativ skada på guanin. Om dGTP oxideras för att bilda 8-oxo-dGTP, klyver MutT-proteinet det senare, vilket förhindrar dess inkorporering i DNA. Om det ändå ingår mittemot C-resten, tar Fpg-glykosylas (MutM) bort denna modifierade bas. I det fall då 8-oxo-G finns kvar i DNA:t, parar det sig i nästa replikeringsrunda med A, och som ett resultat kan transversionen G–C>T–A inträffa. I det här fallet fungerar MutY-proteinet som ett DNA-glykosylas, tar bort A-resten från ett felaktigt par, och som ett AP-lyas, vilket introducerar en enkelsträngad
lucka intill AP-webbplatsen. Detta följs av de processer som redan diskuterats ovan i samband med BER-reparationssystemets funktion. Reaktionssekvensen som involverar MutY reparerar också icke-komplementära A–G- och A–C-par för att bilda C–G- respektive G–C-par. Reparation av felaktiga baser i eukaryoter sker när
deltagandet av ett komplex av proteiner som liknar det bakteriella MutHLS-systemet. Det humana GTBP-proteinet är en homolog av det bakteriella MutS-proteinet, och i jäst spelar Msh6-proteinet en motsvarande roll. Igenkänning av felmatchade nukleotider hos människor utförs av MSH2-GTBP-heterodimeren. MutL-homologer i S. cerevisiae-celler är MLH1- och PMS2-proteinerna, som också existerar som heterodimera komplex. Mutationer i generna som kodar för dessa proteiner hos människor åtföljs av bildandet av en mutatorfenotyp och utvecklingen av ärftlig nonpolypos koloncancer (HNPCC-syndrom).

Direkt reparation

Det finns två huvudvägar för reparation av alkylerade baser: basexcisionsreparation (BER) och direkt basexcisionsreparation. I BER klyver DNA-glykosylaser cytotoxiska alkylerade baser i DNA i det första steget med bildandet av ett AP-ställe och dess efterföljande bearbetning. Vid direkt reparation implementeras två metoder: reparation genom alkyltransferaser eller oxidation av alkylgruppen, i båda fallen sker regenerering av intakta baser. Om reparation sker av alkyltransferaser (hos däggdjur repareras endast O 6 -alkylguanin via denna väg), så överför O 6 -alkylguanintransferas (AGT) en metyl- eller etylgrupp från O 6 -alkylguanin till en av sina egna cysteinrester . Ett protein alkylerat som ett resultat av sin egen aktivitet inaktiveras, men kan fungera som en regulator av aktiviteten hos dess gen och flera andra. I motsats till självmordsbenägna O 6 -metylguanintransferaser, som specifikt demetylerar mycket mutagena och toxiska
O6-metylguaninskada, AlkB från E. coli och dess humana motsvarigheter hABH2 och hABH3 oxiderar metylgrupperna av 1-metyladenin (1-meA) och 3-metylcytosin (3-meC) i DNA för att regenerera de omodifierade baserna adenin och cytosin.

06-alkylguanintransferas

O6-alkylguanintransferasaktivitet finns i de flesta organismer och stör den mutagena effekten av O6-alkylguanin. AGT omvandlar O6-alkylguanin till guanin genom att överföra en alkylgrupp från DNA till en reaktiv cysteinrest i proteinet i en irreversibel reaktion.

Denna kovalenta addition av en alkylgrupp till en cysteinrest inaktiverar enzymet. Därför är AGT ett självmordsenzym som genomgår proteolytisk nedbrytning efter ett
transalkyleringsreaktioner. Strukturella studier visar att det aktiva centret av AGT är beläget inom huvuddelen av enzymet på något avstånd från DNA-bindningsstället. Enzymet tros "verka" genom en "nukleotidvändningsmekanism" för att bringa substratbasen och det nukleofila aktiva stället för AGT nära varandra.

Vikten av AGT för att skydda däggdjur från de toxiska och mutagena effekterna av alkyleringsmedel har visats på möss. Transgena möss som överuttryckte AGT uppvisade signifikant lägre tumörinitieringshastigheter som svar på metyleringsmedlet N-metyl-N-nitrosourea, medan möss med brist på AGT var mycket mer mottagliga för tumörinitiering och toxiska effekter av detta medel jämfört med icke-mutanta möss. . AGT är ett viktigt enzym vid anticancerterapi eftersom det motverkar de cytotoxiska effekterna av klassen av anticancerläkemedel i klassen kloretylnitrosourea (CENU), t.ex.
BCNU (N,N-bis(2-kloretyl)N-nitrosourea) eller temozolomid. Det har visat sig att mängden AGT finns i tumörer till stor del avgör hur gynnsamt resultatet av antitumörbehandling med CENU kommer att bli. CENU reagerar initialt med O6-karbonylgruppen i guanin för att bilda föreningen 4 , som därefter omvandlas till N1,06-etanoguanin 5 . Förening 5 omgrupperas inom några timmar till fysiologiskt aktiv ICL 6 . AGT stör bildningen 6 när man interagerar med 4 eller 5 förnyelse av guanin eller bildande av en DNA-proteinaddukt 8 . Experimentell bekräftelse av adduktbildning erhölls 8 , men det isolerades i en för liten mängd för dess detaljerade beskrivning. Under en biokemisk studie av detta problem introducerades N1,O6-etanoxantin
9 som en stabil analog 5 i DNA. Etanoxantin 9 reagerar med AGT för att bilda en stabil DNA-proteinaddukt 7 . Detta tillvägagångssätt möjliggjorde bildandet av en kovalent kopplad AGT-DNA-addukt 10 i stora mängder, som kan användas för att bestämma strukturen av AGT bundet till DNA. Interaktionen mellan AGT och alkylerande terapi har lett till sökandet efter AGT-hämmare som kan användas i cancerterapi tillsammans med alkylerande medel. Hittills har inhibitorer skapats, främst guaninderivat med substituenter i O 6 -positionen. 06-bensylguanin 2 har visat sig vara den typiska AGT-hämmaren som nya molekyler jämförs med. Effektiviteten av O6-BzG för att öka cytotoxiciteten hos CENU har visats i djurmodeller. Den begränsande faktorn för detta terapeutiska tillvägagångssätt är toxicitet för friska organ, delvis för benmärgen. Några
En grupp forskare siktar på att kringgå detta problem genom att generera en ATG-variant som är resistent mot O 6 -BzG-hämning, som kan användas för att skydda benmärgen med hjälp av genöverföring.

AlkB, hABH2 och hABH3 oxidoreduktaser

Ett annat sätt för direkt reparation av alkylerade baser är oxidation av alkylgruppen med regenerering av en intakt kvävehaltig bas. AlkB-enzymet i Escherichia coli och två humana analoger hABH2 och hABH3 demetylerar specifikt 1-metyladenin och 3-metylcytosin i DNA. Men till skillnad från AGT har dessa enzymer substratspecificitet riktad mot ytan av G:C- och A:T-basparen. Skador på 1-alkyladenin
och 3-metylcytosin bildas när adenin och cytosin är i en enkelsträngad struktur (under replikation eller transkription) och är substrat för AlkB, hABH2 och hABH3. De oxiderar metylgrupperna av 1-metyladenin (1-meA) och 3-metylcytosin (3-meC) i DNA för att regenerera de kvävehaltiga baserna adenin och cytosin. AlkB har också visat sig skydda mot toxisk skada - addukt med en etylgrupp och omvandlar 1-etyladenin till adenin i DNA, vilket producerar acetaldehyd som ett resultat av reaktionen. På så sätt repareras skador på det kända mutagena och cancerframkallande ämnet etylenoxid, som bildas endogent under omsättningen av etylen och som även används i stor utsträckning som desinfektionsmedel för sterilisering. Hydroxietyladdukter genererade av etylenoxid finns i cell-DNA. Andra små alkylerande epoxider används också i stora mängder i kemisk produktion. AlkB har visat sig minska de toxiska effekterna av hydroxietylen-genererande DNA-skadande medel.
propyl- och hydroxipropyladdukter. AlkB reparerar alkylerade trifosfater med 1-me-dATP aktivt men ineffektivt. Det har föreslagits att denna förmåga kan minska nivån av inkorporering av alkylerade trifosfater under DNA-syntes; dessutom kan Klenow-fragmentet av DNA-polymeras I i E. coli använda 1-me-dATP som en prekursor för DNA-syntes in vitro. De humana enzymerna hABH2 och hABH3 demetylerade också 1-metyladeninrester i poly(dA), men var ineffektiva på korta substrat. Således hade hABH3 mycket låg aktivitet på d(Tpl-meApT)-trimeren, medan ingen aktivitet detekterades för hABH2.

AlkB och dess mänskliga motsvarigheter är en del av den β-ketoglutarat/Fe(II)-beroende superfamiljen av dioxygenaser, och reparationsprocessen involverar en kombination av dekarboxylering av β-ketoglutarat och oxidativ demetylering av den skadade basen. 1-meA och 3-meC lesioner bildas huvudsakligen i enkelsträngat DNA och förmodligen
förekommer vid replikationsgaffeln och i aktivt transkriberade gener där de kan blockera DNA- och RNA-polymeraser. Faktum är att AlkB, hABH2 och hABH3 reparerar dessa lesioner i enkelsträngat DNA, men reparation sker även på oligonukleotider som hybridiseras med den komplementära strängen efter alkylering. Effektiviteten av 1-metyladenin-reparation av AlkB beror inte på polynukleotidstrukturen, men närvaron av en nukleotid 5"-fosfatgrupp krävs. De humana enzymerna hABH2 och hABH3 demetylerade 1-metyladeninrester i poly(dA); de var ineffektiva på korta substrat. Dessutom reparerades lesioner som innehöll en positiv laddning (ribonukleosider 1-meA och 3-meC har pKa = 9,3 respektive 9,6) bättre än oladdade baser (1-meG och 3-meT). Men eftersom 1-meG (och i mindre utsträckning 3-meT) reparerades av AlkB, är den formella positiva laddningen av basen inte ett nödvändigt villkor för att AlkB ska fungera. Ur denna synvinkel
Det är oklart om detta resultat beror på att positivt laddade baser känns igen bättre genom elektrostatiska interaktioner med AlkB eller om positivt laddade baser helt enkelt gör DNA till en bättre lämnande grupp efter hydroxylering av metylgruppen.

Förkortningar:

• AGT - alkylguanintransferas
• BER - basexcisionsreparation
• DNA - deoxiribonukleinsyra
• RNA - ribonukleinsyra
• BCNU - N,N-bis(2-kloretyl)N-nitrosourea
• CENU - kloretylnitrosourea
• 06-BzG-06-bensylguanin
• 1-meA - 1-metyladenin
• 1-meG - 1-metylguanin
• 3-meC - 3-metylcytosin
• 3-meT - 3-metyltymin

Litteratur:

» Orlando D. Scharer (2003) Angew. Chem. Int. Ed. 42, 2946-2974
» James C. Delaney och John M. Essigmann Mutagenes, genotoxicitet och reparation av 1-metyladenin, 3-alkylcytosiner, 1-metylguanin och 3-metyltymin i alkB Escherichia coli
» Pertti Koivisto, Tod Duncan, Tomas Lindahl och Barbara Sedgwick Minimal Methylated Substrate and Extended Substrat 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. al. (2003) Nature 421, 859-863.
" Hollis, T., Lau, A. och Ellenberger, T. (2000) Mutat. Res. 460, 201-210
" Daniels, D.S. och Tainer, J.A. (2000) Mutat. Res. 460, 151-163
" Trewick, S. C., Henshaw, T. F., Hausinger, R. P., Lindahl, T. och Sedgwick, B. (2002) Nature 419, 174-178
» Falnes, P. O., Johansen, R. F. och Seeberg, E. (2002) Nature 419, 178-181
» Duncan, T., Trewick, S. C., Koivisto, P., Bates, P. A., Lindahl, T. och 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. och Krokan. H.E. (2003) Nature 421, 859-863
» Aravind, L. och Koonin, E. V. (2001) Genome Biology 2, 0007.1-0007.8
" Bodell, W. J. och Singer, B. (1979) Biochemistry 18, 2860-2863
» Boiteux, S. och Laval, J. (1982) Biochimie (Paris) 64, 637-641
» Larson, K., Sahm, J., Shenkar, R. och Strauss, B. (1985) Mutat. Res. 150, 77-84
» Dinglay, S., Trewick, S. C., Lindahl, T. och Sedgwick, B. (2000) Genes Dev. 14, 2097-2105

Reparation av DNA-brott

Fotoreaktivering

Absorption av UV-strålningsenergi av DNA-molekyler leder till bildandet av olika typer av skador. Även om enkel- och dubbelsträngsbrott och tvärbindningar av DNA-proteiner kan förekomma, beror majoriteten av UV-inducerade skador på modifiering av kvävehaltiga baser, med bildning av cyklobutan-pyrimidindimerer (CPD) och pyrimidin-pyrimidon-fotoprodukter (6 -4PP) är de vanligaste typerna av fotoskador.

Pyrimidindimerer är hämmare av både replikation och transkription, vilket bromsar tillväxten och leder till mutagenes under DNA-replikation om sådan skada förblir oreparerad.

För att avlägsna ljusinducerad DNA-skada använder många organismer enzymer som specifikt binder till CPD (CPD-fotolyas) eller 6-4PP (6-4PP-fotolyas) och korrigerar dessa skador. CPD-fotolyaser finns i bakterier, svampar, växter, ryggradslösa djur och många ryggradsdjur; 6-4PP-fotolyaser finns än så länge endast i Drosophila, silkesmaskar, Xenopus laevis och skallerormar, men inte i Escherichia coli eller jäst. Fotolyaser har inte påvisats hos människor. Fotolyaser innehåller FAD som en katalytisk kofaktor och en ytterligare kromofor som en ljusskördande antenn.

Ytterligare kromoforer är antingen 5,10-metenyltetrahydrofolat (MTHF) eller 8-hydroxi-5-deazoriboflavin (8-HDF), med absorptionsmaxima vid våglängder på 380 respektive 440 nm. Kristallstrukturer av CPD-fotolyaser från E. coli och Anacystis nidulans tyder på att enzymerna för att binda DNA roterar pyrimidindimeren från duplexet till en brunn som innehåller den katalytiska kofaktorn. Cyklobutanringen klyvs sedan genom ljusinducerad elektronöverföring. CPD-fotolyaser känner selektivt igen CPD, liknande DNA-bindande proteiner. Vitt ljus eller UV-B-strålning inducerar uttrycket av CPD-fotolyaser. Till skillnad från CPD-fotolyaser uttrycks 6-4PP-fotolyaser stabilt och regleras inte av varken vitt ljus eller UV-B-strålning.

Schematisk representation av fotoreaktivering i kromatin. Gitone-oktamerer är blå, DNA är svart. Fotolyas binder till cyklobutan-pyrimidin-dimerer (CPD), roterar pyrimidin-dimeren och regenererar naturliga pyrimidiner i en ljusberoende reaktion. Fotolyas reparerar företrädesvis CPD i länk-DNA. Reparation i nukleosomer är långsam och underlättas förmodligen av de dynamiska egenskaperna hos nukleosomer som flyttar DNA-skada till länk-DNA-regionen.

En klass av CDP-specifika fotolyaser från mikroorganismer, definierade som klass I fotolyaser, var den första karaktäriserade medlemmen av fotolyasfamiljen. En närbesläktad klass av 6-4 fotoproduktspecifika fotolyaser har nyligen upptäckts; medlemmar av denna familj har hittats i Drosophila melanogaster, Xenopus laevis och Arabidopsis thaliana. Kryptokromer, som är fotoreceptorer för den violetta delen av ljusspektrumet som finns i växter och andra organismer, är också nära besläktade med klass I fotolyaser.

En mer avlägsen familj av CPD-fotolyaser, kallade klass II-fotolyaser, har identifierats i ett antal arter, inklusive djur, Archaebacterium, Eubacterium och högre växter. Alla karakteriserade fotolyaser har visat sig innehålla reducerad FAD och de flesta innehåller sekundära kromoforer, beroende på arten, av antingen MTHF eller 8-HDF. En liknande reaktionsmekanism har föreslagits för båda klasserna av CPD-fotolyaser. MTHF- eller 8-HDF-kromoforen är som en antenn som absorberar violett ljus och använder den absorberade energin för att regenerera FADH-.

Sammansättningen av växtfotolyas-kofaktorn är inte helt klarlagd, även om det nyligen visades att CPD-fotolyaser från Arabidopsis innehållande endast FADH hade enzymatisk aktivitet.

Litteratur:

» Fritz Thoma, Ljus och mörker vid kromatinreparation: reparation av UV-inducerade DNA-lesioner genom fotolyas- och nukleotidexcisionsreparation, Institut fur Zellbiologie, ETH-Zürich, Honggerberg, CH-8093 Zürich, Schweiz
» Karakterisering av Arabidopsis fotolyasenzymer och analys av deras roll i skydd mot ultraviolett B-strålning, Wanda M. Waterworth 1, Qing Jiang, Christopher E. West, M. Nikaido och Clifford M. Bray

Upptäcktshistoria

Enkelsträngad och dubbelsträngad DNA-skada

Studien av reparation började med arbetet av A. Kelner (USA), som upptäckte fenomenet fotoreaktivering (PR) - en minskning av skador på biologiska objekt orsakade av ultravioletta (UV) strålar med efterföljande exponering för starkt synligt ljus ( lätt reparation).

Excision reparation

Post-replikativ reparation upptäcktes i celler E coli oförmögen att klyva tymindimerer. Detta är den enda typen av reparation som inte har ett skadeidentifieringsstadium.

Anteckningar

Wikimedia Foundation. 2010.

Se vad "DNA-reparation" är i andra ordböcker:

Reparera defekter i DNA som härrör från mutation eller rekombination. Det utförs av ett system av reparativa enzymer, av vilka några fastställer platsen för skadan, andra "klipper ut den", andra syntetiserar de skadade områdena och andra ... ... Ordbok för mikrobiologi

DNA-reparation- - korrigering av "fel" i den primära strukturen av DNA som ett resultat av verkan av speciella reparationsenzymer ... En kort ordbok över biokemiska termer

DNA-reparation- - Bioteknikämnen EN DNA-reparation ... Teknisk översättarguide

DNA-reparation- DNR reparacija statusas T sritis augalininkystė apibrėžtis DNR struktūros atsikūrimas po pažeidimo. atitikmenys: engl. DNA reparation rus. DNA reparation... Žemės ūkio augalų selekcijos ir sėklininkystės terminų žodynas

DNA REPARATION- Återställande av den ursprungliga strukturen i DNA-molekylen, d.v.s. korrekt nukleotidsekvens... Termer och definitioner som används vid avel, genetik och reproduktion av husdjur

DNA-reparation- * DNA-reparation * DNA-reparation enzymatisk korrigering av fel i nukleotidsekvensen för en DNA-molekyl. Mekanismer för DNA sid. skydda kroppens genetiska information från skador orsakade av miljömutagener (t.ex. ultraviolett,... ...

DNA-beroende DNA-polymeras DNA-polymeras- DNA-beroende DNA-polymeras, DNA-polymeras * DNA-beroende DNA-polymeras, DNA-polymeras * DNA-beroende DNA-polymeras eller DNA-polymeras ett enzym som katalyserar polymerisationen (se) av deoxiribonukleosidtrifosfater till en polymer... ... Genetik. encyklopedisk ordbok

- (från Late Lat. reparatio restaurering), karakteristisk för alla celler i levande organismer, återställande av den ursprungliga (native) DNA-strukturen i händelse av överträdelse. Skador på DNA-strukturen kan leda till blockering av DNA-replikation (dödlig... ... Kemiskt uppslagsverk

Reparation: DNA-reparation är cellernas förmåga att reparera kemiska skador och brott i DNA-molekyler. Ersättningar är en form av ekonomiskt ansvar för ett folkrättssubjekt för skada som orsakats till följd av en internationell... ... Wikipedia

Ett system för att upptäcka och reparera insättningar, utelämnanden och felparningar av nukleotider som inträffar under processen för DNA-replikation och rekombination, såväl som som ett resultat av vissa typer av DNA-skador. Själva faktumet att felparning tillåter inte... ... Wikipedia

Böcker

• DNA-metylering i växter. Mekanismer och biologisk roll, B. F. Vanyushin. Denna läsning av en av pionjärerna och kända världsledare inom studiet av DNA-metylering i olika organismer beskriver i detalj det aktuella läget för det allmänna biologiska problemet...

Skadad under normal DNA-biosyntes i cellen eller som ett resultat av exponering för fysiska eller kemiska reagenser. Det utförs av speciella enzymsystem i cellen. Ett antal ärftliga sjukdomar (t.ex. xeroderma pigmentosum) är förknippade med störningar i reparationssystem.

Upptäcktshistoria

Studien av reparation började med arbetet av Albert Kellner (USA), som 1948 upptäckte fenomenet fotoreaktivering - en minskning av skador på biologiska objekt orsakade av ultravioletta (UV) strålar vid efterföljande exponering för starkt synligt ljus ( lätt reparation).

R. Setlow, K. Rupert (USA) och andra fastställde snart att fotoreaktivering är en fotokemisk process som sker med deltagande av ett speciellt enzym och leder till spjälkning av tymindimerer som bildas i DNA under absorptionen av ett UV-kvantum.

Senare, när man studerade den genetiska kontrollen av bakteriers känslighet för UV-ljus och joniserande strålning, upptäcktes det mörk reparation- cellernas förmåga att eliminera skador på DNA utan deltagande av synligt ljus. Mekanismen för mörkreparation av bakterieceller bestrålade med UV-ljus förutspåddes av A.P. Howard-Flanders och bekräftades experimentellt 1964 av F. Hanawalt och D. Petitjohn (USA). Det har visat sig att i bakterier, efter bestrålning, skärs skadade DNA-sektioner med förändrade nukleotider ut och DNA återsyntetiseras i de resulterande luckorna.

Reparationssystem finns inte bara i mikroorganismer, utan också i djur- och mänskliga celler, där de studeras i vävnadskulturer. Det finns en känd ärftlig mänsklig sjukdom - xeroderma pigmentosum, där reparationen är försämrad.

Källor till DNA-skador

Huvudtyper av DNA-skador

Uppbyggnaden av skadeståndssystemet

Varje reparationssystem innehåller följande komponenter:

• DNA-helikas är ett enzym som "känner igen" kemiskt förändrade platser i en kedja och bryter kedjan nära skadan;
• DNas (deoxiribonukleas) är ett enzym som "klipper" 1 DNA-kedja (nukleotidsekvens) vid en fosfodiesterbindning och tar bort den skadade delen: exonukleas verkar på terminala nukleotider 3` eller 5`, endonukleas - på andra nukleotider än de terminala;
• DNA-polymeras är ett enzym som syntetiserar motsvarande sektion av DNA-kedjan för att ersätta den avlägsnade;
• DNA-ligas är ett enzym som stänger den sista bindningen i en polymerkedja och därigenom återställer dess kontinuitet.

Typer av reparationer

Direkt reparation

Direkt reparation är det enklaste sättet att eliminera skador i DNA, vilket vanligtvis involverar specifika enzymer som snabbt (vanligtvis i ett steg) kan eliminera motsvarande skada och återställa nukleotidernas ursprungliga struktur. Detta är till exempel fallet med O6-metylguanin-DNA-metyltransferas, som tar bort en metylgrupp från en kvävebas till en av sina egna cysteinrester.

Excision reparation

Excisionsreparation (eng. excision - cutting) innebär avlägsnande av skadade kvävehaltiga baser från DNA och efterföljande återställande av molekylens normala struktur längs den komplementära kedjan. Det enzymatiska systemet tar bort en kort enkelsträngad sekvens av dubbelsträngat DNA som innehåller felmatchade eller skadade baser och ersätter dem genom att syntetisera en sekvens som är komplementär till den återstående strängen.

Excisionsreparation är den vanligaste metoden för att reparera modifierade DNA-baser. Den är baserad på igenkännandet av en modifierad bas av olika glykosylaser, som klyver N-glykosidbindningen av denna bas med sockerfosfatryggraden i DNA-molekylen. Samtidigt finns det glykosylaser som specifikt känner igen närvaron av vissa modifierade baser i DNA (hydroximetyluracil, hypoxantin, 5-metyluracil, 3-metyladenin, 7-metylguanin, etc.). För många glykosylaser har polymorfism associerad med ersättning av en av nukleotiderna i genens kodande sekvens nu beskrivits. Ett antal isoformer av dessa enzymer har associerats med en ökad risk för cancer [Chen, 2003].

Den höga stabiliteten hos DNA säkerställs inte bara genom bevarandet av dess struktur och hög replikationsnoggrannhet, utan också genom närvaron av speciella system i cellerna hos alla levande organismer skadestånd, vilket eliminerar DNA-skador som uppstår i den.

Verkan av olika kemikalier, joniserande strålning och ultraviolett strålning kan orsaka följande skador på DNA-strukturen:

· skada på enkla baser (deaminering som leder till omvandling av cytosin till uracil, adenin till hypoxantin; alkylering av baser; inkludering av basanaloger, insättning och deletion av nukleotider);

· skada på baspar (bildning av tymindimerer);

· kretsavbrott (enkla och dubbla);

· bildning av tvärbindningar mellan baser, såväl som DNA-protein tvärbindningar.

Vissa av dessa störningar kan också uppstå spontant, d.v.s. utan medverkan av några skadliga faktorer.

Alla typer av skador leder till störningar av den sekundära strukturen av DNA, vilket orsakar partiell eller fullständig blockering av replikationen. Sådana konformationsstörningar tjänar som mål för reparationssystem. Processen att återställa DNA-strukturen är baserad på det faktum att genetisk information representeras i DNA i två kopior - en i var och en av strängarna i dubbelhelixen. Tack vare detta kan skador i en av kedjorna avlägsnas av ett reparationsenzym, och denna del av kedjan återsyntetiseras i sin normala form på grund av informationen i den oskadade kedjan.

För närvarande har tre huvudmekanismer för DNA-reparation identifierats: fotoreaktivering, excision och postreplikativ reparation. De två sista typerna kallas också för mörk reparation.

Fotoreaktivering består av nedbrytning av ett enzym fotolyas, aktiverad av synligt ljus, tymindimerer som uppträder i DNA under påverkan av ultraviolett strålning.

Excision reparation består av att känna igen DNA-skada, excision av det skadade området, återsyntes av DNA med hjälp av mallen för den intakta kedjan, återställa kontinuiteten i DNA-kedjan. Denna metod kallas också reparation av typen av excision-ersättning, eller mer bildligt, "cut-patch"-mekanismen. Excisionsreparation är en process i flera steg och består av:

1) "erkännande" av skada;

2) skära av en DNA-sträng nära skadan (snittet);

3) avlägsnande av det skadade området (excision);

4) DNA-resyntes vid stället för det deleterade stället;

5) återställande av kontinuiteten i den reparerade kedjan på grund av bildandet av fosfodiesterbindningar mellan nukleotider
(Figur 6.2)

Ris. 6.2 System för reparation av excision

Reparation börjar med annektering DNA-N-glykosylaser till den skadade basen. Det finns många DNA-N-glykosylaser specifika för olika modifierade baser. Enzymer klyver hydrolytiskt N-glykosidbindningen mellan den modifierade basen och deoxiribos, vilket leder till bildandet av ett AP-ställe (apurin-apyrimidin) i DNA-strängen (första steget). Reparation av AP-plats kan endast ske med deltagande av DNA-insättningar, som lägger till en bas till deoxiribos enligt komplementaritetsregeln. I det här fallet finns det inget behov av att skära av DNA-strängen, skära ut den felaktiga nukleotiden och reparera brottet. För mer komplex skada på DNA-strukturen är deltagandet av hela komplexet av enzymer som är involverade i reparationen nödvändigt (Fig. 6.2.): AP endonukleas känner igen AP-stället och skär DNA-strängen nära den (steg II). Så snart ett avbrott inträffar i kretsen, AP exonukleas, som tar bort DNA-fragmentet som innehåller felet (steg III). DNA-polymeras b fyller den lucka som har uppstått enligt komplementaritetsprincipen (steg IV). DNA-ligas kopplar 3¢-änden av det nysyntetiserade fragmentet till huvudkedjan och fullbordar skadereparation (steg V).

Post-replikativ reparation aktiveras i de fall där excisionsreparation inte klarar av att eliminera all DNA-skada innan dess replikering. I detta fall leder reproduktionen av skadade molekyler till uppkomsten av DNA med enkelsträngade luckor, och den naturliga strukturen återställs under rekombination.

Medfödda defekter i reparationssystemet är orsaken till sådana ärftliga sjukdomar som xeroderma pigmentosum, ataxi-telangiectasia, trichothiodystrophy, progeria.

DNA REPARATION

Reparationssystem

2 Excisionsreparation. Exempel och typer

3 Reparation av DNA-replikationsfel

4 Rekombinant (postreplikativ) reparation i bakterier

5 SOS reparation

DNA-reparationssystem är ganska konservativa i evolutionen från bakterier till människor och studeras mest i E. coli.

Två typer av reparationer är kända:direkt och excisional

Direkt reparation

Direkt reparation är det enklaste sättet att eliminera skador i DNA, vilket vanligtvis involverar specifika enzymer som snabbt (vanligtvis i ett steg) kan eliminera motsvarande skada och återställa nukleotidernas ursprungliga struktur.

1. Detta fungerar t.ex.O6-metylguanin-DNA-metyltransferas

(självmordsenzym), som tar bort en metylgrupp från en kvävebas till en av sina egna cysteinrester

I E. coli kan upp till 100 molekyler av detta protein syntetiseras på 1 minut. Ett protein som i sin funktion liknar högre eukaryoter spelar tydligen en viktig roll i skyddet mot cancer orsakad av inre och yttre alkylerande faktorer.

DNA-insertas

2. DNA-insättningar

fotolyas

3. Tymindimerer är "bortkopplade" av direkt skadestånd huvudrollenfotolyas25 och utför motsvarande fotokemiska transformation. DNA-fotolyaser är en grupp ljusaktiverade enzymer med en våglängd på 300 - 600 nm (synlig region), för vilka de har ett speciellt ljuskänsligt centrum i sin struktur.

De är utbredda i naturen och finns i bakterier, jäst, insekter, reptiler, amfibier och människor. Dessa enzymer kräver en mängd olika kofaktorer (FADH, tetrahydrofolsyra, etc.) involverade i den fotokemiska aktiveringen av enzymet. E. coli fotolyas är ett protein med en molekylvikt på 35 kDa, tätt associerat med oligoribonukleotid 10-15 nukleotider lång nödvändig för enzymaktivitet.

Exempel på direkt upprättelse

1. Metylerad bas O 6-mG dimetyleras av enzymet metyltransferasO6-metylguanin-DNA-metyltransferas (självmordsenzym), som överför en metylgrupp till en av dess rester

cystein

2. AP-ställen kan repareras genom direkt införande av puriner med deltagande av enzymer som kallasDNA-insättningar(från engelska insert - insert).

DIAGRAM PÅ ETT EXEMPEL PÅ DIREKT SKADAREPARATION I DNA – metylerad bas O6- mGdemetyleras av enzymet metyltransferas, som överför en metylgrupp till en av dess cysteinaminosyrarester.

3. Fotolyas fäster vid tymindimeren och efter bestrålning av detta komplex med synligt ljus (300-600 nm) lösgörs dimeren

DIAGRAM PÅ ETT EXEMPEL PÅ DIREKT REPARATION AV SKADA I DNA – Fotolyas

fäster vid tymindimeren och efter bestrålning med det synliga ljusspektrumet lösgörs denna dimer

Excision reparation

(från engelska excision - cutting).

DEFINITION

Excisionsreparation inkluderar radering skadade kvävehaltiga baser från DNA och efterföljande återhämtning normal molekylstruktur.

MEKANISM

Excisionsreparation involverar vanligtvis flera enzymer, och själva processen involverar

inte bara skadad ,

men även nukleotiderna intill den .

BETINGELSER

Excisionsreparation kräver en andra (komplementär) DNA-sträng. Ett allmänt förenklat diagram över excisionsreparation visas i fig. 171.

STEG

Det första steget i excisionsreparation är avlägsnandet av onormala kvävehaltiga baser. Det katalyseras av gruppenDNA-N-glykosylas- enzymer som klyver glykosidbindningen mellan deoxiribos och en kvävebas.

VIKTIGT MEDDELANDE:

UpersonDNA-N-glykosylaserhar hög substratspecificitet: olika enzymer i denna familj känner igen och skär olika anomala skäl(8-oxoguanin, uracil, metylpuriner, etc.).

UbakterieDNA-N-glykosylaserhar inte sådan substratspecificitet

VANLIGA ENZYMER FÖR REPARATION AV EXCISION

NAMN	FUNGERA	MEKANISM
DNA-N-glykosylaser	excision av onormala kvävehaltiga baser	klyver glykosidbindningen mellan deoxiribos och kvävehaltig bas
AP endonukleas	skapar förutsättningar för nästa enzym att fungera - exonukleaser	bryter sockerfosfatryggraden i DNA-molekylen vid AP-stället
exonukleas	frisätter flera nukleotider	sekventiellt klyver flera nukleotider från en skadad del av en DNA-sträng

SPECIFIKA FÖLJDSTEG I DENNA MEKANISMEN:

Som ett resultat av åtgärden DNA- N-glykosylasett AP-ställe bildas, som angrips av enzymet AP endonukleas. Det bryter socker-fosfatryggraden i DNA-molekylen vid AP-stället och skapar därmed förutsättningar för nästa enzyms arbete - exonukleaser, som sekventiellt klyver bort flera nukleotider från den skadade delen av en DNA-sträng.

I bakterieceller det lediga utrymmet fylls med motsvarande nukleotider med deltagande DNA-polymeras I, orienterad mot den andra (komplementära) DNA-strängen.

Eftersom DNA-polymeras I kan förlänga 3"-änden av en av strängarna vid platsen för ett brott i dubbelsträngat DNA och ta bort nukleotider från 5"-änden av samma brott,

de där. inse "nick broadcast" , spelar detta enzym en nyckelroll i DNA-reparation. Den sista syningen av de reparerade områdena utförs DNA-ligas.

I eukaryota (däggdjurs) celler

DNA-excisionsreparation i däggdjursceller åtföljs av en kraftig ökning av aktiviteten hos ett annat enzym -poly ADR-ribospolymeras . Det händer ADP-ribosylering av kromatinproteiner(histoner och icke-histonproteiner), vilket leder till en försvagning av deras koppling till DNA och öppnar tillgång till reparationsenzymer.

Givare ADP-ribosverkar i dessa reaktionerNAD+, vars reserver är mycket uttömda under excision reparation av skador orsakade av röntgenbestrålning:

Negativt laddade rester ADP-ribos från molekylens inre sammansättning NAD+ lägga till via radikalglutamin syra eller fosfoserintill kromatinproteiner, vilket leder till neutralisering av de positiva laddningarna av dessa proteiner och försvagning av deras kontakt med DNA.

VAD ÄR EN GRUPP ENZYMER

DNA-glykosylaser

klyver glykosidbindningen mellan deoxiribos och kvävebasen

vilket resulterar i excision av onormala kvävehaltiga baser

DNA-glykosylaser involverad i eliminering av oxidativ DNA-skada i celler prokaryoter och eukaryoter, är mycket olika och skiljer sig i substratspecificitet, rumslig struktur och metoder för interaktion med DNA.

De mest studerade DNA-glykosylaserna inkluderar:

endonukleas III(EndoIII),

bildar amidopyrimidin-DNA-glykosylas (Fpg),

Mut T Och

Mut Ycoli.

Endonukleas IIIE. coli "känner igen" och klyver specifikt från DNA oxiderad pyrimidinbaser.

Detta enzym är ett monomert globulärt protein som består av 211 aminosyror rester (molmassa 23,4 kDa). Genen som kodar för Endo III har sekvenserats och dess nukleotidsekvens har bestämts. Endo III är järn svavelprotein [(4 Fe-4S )2+ protein] som har elementet suprasekundär struktur Typ "grekisk nyckel" (spiral - hårnål - spiral), tjänar till att binda till DNA. Enzymer med liknande substratspecificitet och liknande aminosyrasekvenser har också isolerats från nötkreatur och mänskliga celler.

Bildar amido-pyridin-DNA-glykosylas E. coli "känner igen" och klyver oxiderade heterocykliska föreningar från DNA purinbaser .

SCHEMA FÖR REPARATION AV EXCISION 1

DNAN

REPARATIONSPROGRAM FÖR EXCISION

1 DNANglykosidas tar bort skadad bas

AP-endonukleas bryter DNA

2 Exonukleas tar bort ett antal nukleotider

3 DNA-polymeras fyller det lediga området med komplementärt

Mononukleotider

DNA-ligas syr ihop den reparerade DNA-strängen

Mut T- ett litet protein med en molekylvikt på 15 kDa med nukleosidtrifosfatasaktivitet, som övervägande är hydrolyserar dGTP till dGMP och pyrofosfat.

Mut Ts biologiska roll är att förhindra bildandet av icke-kanoniska par under replikeringA:G Och A: 8-oxo-G.

Sådana par kan dyka upp när oxiderad form

dGTP (8-oxo-dGTP) blir substrat DNA-polymeraser.

Mut T hydrolyserar 8-oxo-dGTP10 gånger snabbare än dGTP.

Det gör det 8-oxo-dGTPdet mest föredragna substratetMutToch förklarar dess funktionella roll.

Mut Yär ett specifikt adenin-DNA-glykosylas som klyver N-glykosidbindningen mellan adenin och deoxiribos adenosin, bildar ett icke-kanoniskt par med guanin.

Den funktionella rollen för detta enzym är att förhindra mutation

T:A - G:A av klyvning av den intakta återstoden adeninfrån baspar A: 8-oxo-G.

Nukleotidexcisionsreparation

(ATP-beroende mekanism för borttagning av DNA-skador)

Nyligen, i excision reparation, har särskild uppmärksamhet ägnats åt den ATP-beroende mekanismen för att ta bort skada från DNA. Denna typ av excisionsreparation kallas nukleotidexcisionsreparation (NER).

Den innehåller TVÅ STEG :

1. avlägsnande från DNAoligonukleotidfragment som innehåller skador och

Exinuclease

2. efterföljande rekonstruktion av DNA-kedjan med deltagande av ett komplex av enzymer (nukleaser, DNA-polymeraser, DNA-ligaser, etc.).

Borttagning av ett DNA-fragment sker på båda sidor om den skadade nukleotid. Längden på de avlägsnade oligonukleotidfragmenten skiljer sig mellan prokaryoter och eukaryoter.

Ta bort ett DNA-fragment från prokaryoter

Således, i E. coli, B. subtilus, Micrococcus luteus, en fragmentlängd 12-13 nukleotider,

Ta bort ett DNA-fragment i eukaryoter

och hos jäst, amfibier och människor - ett fragment bestående av 24-32 nukleotider.

Exinuclease– ett enzym som tar bort DNA-fragment

Klyvningen av ett DNA-fragment utförs av ett enzymexinukleas(excinuclease). I E. coli består detta enzym av 3 olika protomerer -

uvrA

uvr B

uvr C

som var och en utför en specifik funktion under excisionsklyvning av ett DNA-fragment. Namnen på dessa proteiner ges av de första bokstäverna i orden"ultraviolett reparation".

Protomer uvr Ahar ATPas-aktivitet, binder till DNA i form av en dimer, utför

initialt erkännande av skada och

bindauvr B

Protomer uvr B har:

1 . Latent ATPas och latent helikasaktivitet, nödvändig för att ändra konformationer och avveckla DNA-dubbelhelixen;

2. Endonukleas aktivitet, klyvning av internukleotid (fosfodiester) bindningen frånZ"-ändenavhugget fragment.

Protomer uvr Cbeter sig som endonukleas, vilket introducerar ett brott i DNA-strängen som repareras med5" slutarskär ut fragment.

Alltså protomersuvr A, uvr B, uvr Cinteragerar med DNA i en specifik sekvens och utför en ATP-beroende reaktionklyvning av ett oligonukleotidfragment från DNA-strängen som repareras.

Det resulterande gapet i DNA-molekylen återställs med deltagande av DNA-polymeras I och DNA-ligas. En modell av excisionsreparation som involverar ovanstående enzymer visas i fig. 172.

Excisionsreparationer hos människor

Excisionsreparationer hos människor är också ATP-beroende och inkluderartre huvudstadier :

erkännande av skada,

dubbel DNA-strängskärning

reduktiv syntes och

ligering av den reparerade strängen.

Men human DNA-excisionsreparation involverar

25 olika polypeptider ,

16 av vilka deltar i klyvningen av oligonukleotidfragmentet, som är protomererexinukleaser,

och resten 9 utföra syntesen av den reparerade delen av molekylen.

I DNA-reparationssystemet hos människor spelar transkriptionsproteiner en mycket viktig roll -

RNA-polymeras II Och

TF mån- en av de sex huvudsakliga transkriptionsfaktorerna eukaryoter.

Det bör noteras att excision reparation i prokaryoter, som i eukaryoter, beror på det funktionella tillståndet av DNA:

Transkriberat DNA repareras snabbare

än transkriptionellt inaktiv.

Detta fenomen förklaras av följande faktorer:

kromatinstruktur,

homologi av kedjorna av transkriberade DNA-sektioner,

effekten av strängskada och dess inverkan på RNA-polymeras.

VIKTIGT MEDDELANDE:

DNA-kodningskedja (informationslagringskedja)

DNA MATRIX KEDJA (informationen är kopierad från den)

Det är känt att så stora skador som bildning av tymindimerer, blockerar transkription hos både bakterier och människor om de inträffar på matriskrets DNA (skada på kodning kedjor påverkar inte till transkriptionskomplexet). RNA-polymeras stannar vid platsen för DNA-skada och blockerar transkriptionskomplexets funktion.

Transcription-Repair Linkage Factor (TRCF) .

I E. coli förmedlas ökad transkriptionell reparation av ett speciellt protein -transcription-repair linkage factor (TRCF) .

Detta protein främjar :

1. lösgöring av RNA-polymeras från DNA

2. stimulerar samtidigt bildandet av ett proteinkomplex,

Utför reparation av det skadade området.

När reparationen är klar återgår RNA-polymeraset till sin ursprungliga position och transkriptionen fortsätter (se figur).

Så det allmänna systemet för excision reparation

1. DNA-N -glykosylas tar bort den skadade basen

2. AP-endonukleas bryter DNA-kedjan

3. Exonukleas tar bort ett antal nukleotider

4. DNA-polymeras fyller det lediga området

Komplementära nukleotider

5. DNA-ligas syr ihop den reparerade DNA-strängen

Reparation av DNA-replikationsfel

genom metylering

Fel i parning av kvävehaltiga baser under DNA-replikation förekommer ganska ofta (i bakterier, en gång per 10 tusen nukleotider), som ett resultat av vilkettill dottersträngen av DNA nukleotider som inte är komplementära till nukleotiderna i moderkedjan ingår -felmatchningar(eng. mismatch n e motsvarar).

FastänDNA-polymeras Iprokaryoter har förmågan att självkorrigera sina ansträngningar att eliminera felaktigt fästa nukleotider ibland räcker de inte till, och sedan finns några felaktiga (icke-komplementära) par kvar i DNA:t.

I det här fallet sker reparation med ett specifikt system som är associerat medDNA-metylering . Åtgärden hos detta reparationssystem är baserad på det faktum att efter replikering, efter en viss tid (flera minuter), genomgår DNA metylering.

I E. coli metylerad för det mesta adenin med utbildning

N6-metyl-adenin (N6-mA).

Fram till denna punkt, nysyntetiserad(dotterföretag)kedjan förblir ometylerad.

Om en sådan kedja innehåller oparade nukleotider, så genomgår den reparation: Alltsåmetylering markerar DNA och

inkluderar felkorrigeringssystem replikering.

I detta reparationssystem erkänns speciella strukturer:

efterföljandeG-N6-mA-T-COch Nästa bakom det finns deformation

i dubbelhelixen där det inte finns någon komplementaritet (Fig. nedan).

Vid eliminering av oparade nukleotider i halvmetylerad DNA-molekylen involverar ett ganska komplext komplex av reparationsenzymer, som skannar ytan på DNA-molekylen,skär en del av en barnkedja tillgripa missmatcham, och skapar då förutsättningar för utveckling

dess nödvändiga (komplementära) nukleotider.

Olika komponenter i detta komplex har olika aktiviteternukleas,

helicase,

ATPas,

nödvändiga för att införa brytningar i DNA och klyvning av nukleotider, linda upp DNA-dubbelhelixen och tillhandahålla energi för komplexets rörelse längs den reparerade delen av molekylen.

Ett komplex av reparationsenzymer liknande struktur och funktion har identifierats hos människor.

Rekombinant (postreplikativ) reparation

I de fall av en eller annan anledning de ovan nämnda reparationssystemen störs kan luckor (underreparerade sektioner) bildas i DNA-kedjorna, som har ibland ganska betydande storlekar, som är fyllt med störningar av replikationssystemet och kan leda till celldöd.

I det här fallet kan cellen använda en annan DNA-molekyl som erhållits efter replikering för att reparera en DNA-molekyl, d.v.s. attrahera en mekanism för detta ändamålrekombination.

I bakterier

Hos bakterier deltar den i rekombinant reparation.protein Rec A. Den binder till en enkelsträngad region av DNA och involverar den i rekombination medhomologa regioner av intakta strängar av en annan DNA-molekyl .

Som ett resultat blir både de trasiga (innehållande luckorna) och intakta strängar av DNA-molekylen som repareras parat med intakta komplementära DNA-regioner, vilket öppnar upp för möjligheten till reparation genom de ovan beskrivna systemen.

I det här fallet kan det finnas skärande ett visst fragment och

fyllningmed dess hjälp, luckor i den defekta kretsen.

De luckor och avbrott som uppstår i DNA-kedjorna fylls med deltagandetDNA-polymeras I och DNA-ligas .

SOS reparation

Existensen av detta system postulerades först av M. Radman 1974. Han gav också namnet till denna mekanism genom att inkludera den internationella nödsignalen "SOS" (rädda våra själar).

Det här systemet slås faktiskt på när DNA-skadorna blir så stora att de hotar cellens liv. I detta fall inträffar induktionen av aktiviteten hos en mångfaldig grupp gener involverade i olika cellulära processer associerade med DNA-reparation.

Inkluderandet av vissa gener, bestämt av mängden skada i DNA, leder till cellulära svar av olika betydelse (med början från standarden reparation av skadade nukleotider och slut undertryckande celldelning).

De flesta studeradeSOS reparationi E. coli, vars huvuddeltagare är proteiner som kodas gener Rec AOchLex A.

Den första av dem är en multifunktionellRec A protein, deltar

V DNA-rekombination, och

V reglering av gentranskription fag lambda, som påverkar E. coli,

och andra (Lex A-protein)är repressor transkription av en stor grupp gener avsedda för DNA-reparation bakterie. När hämmad eller löst reparation är aktiverad.

Bindande Rec A med Lex Aleder till splittringen av den senare och i enlighet därmed aktivering av reparationsgener.

I sin tur tjänar induktionen av det bakteriella SOS-systemet tillfag lambda farosignal och får profeten att byta från passiv till aktiv (lytisk) väg existens, och därigenom orsaka värdcellsdöd.

SOS-reparationssystemet har identifierats inte bara hos bakterier, utan även hos djur och människor.

Gener involverade i reparation av SOS DNA-skador

Gener	Konsekvenser av genaktivering
uvr A, B, C, D	Reparation av skador på sekundär DNA-struktur
Rec A	Post-replikativ reparation, induktion av SOS-systemet
lex A	Stänger av SOS-systemet
rec N,ruv	Reparation av dubbeltrådiga brott
	Säkerställer rekombinationsreparation
umu C, D	Mutagenes orsakad av förändringar i egenskaperna hos DNA-polymeras
sul A	Undertryckande av celldelning

Slutsats

Att reparera DNA-skador är nära besläktat med andra grundläggande molekylärgenetiska processer: replikering, transkription och rekombination. Alla dessa processer visar sig vara sammanflätade in i ett allmänt system av interaktioner, betjänat av ett stort antal olika proteiner, av vilka många är multifunktionella molekyler involverade i kontroll över implementeringen av genetisk information i pro- och eukaryota celler. Samtidigt är det uppenbart att naturen "snålar inte" på kontrollelement, skapa mycket komplexa system för att korrigera de skadorna i DNA som är farliga för kroppen och speciellt för dess avkomma. Å andra sidan, i de fall där reparationsförmågan inte är tillräcklig för att bevara organismens genetiska status, uppstår behovet av programmerad celldöd -apoptos..

SCHEMA FÖR REPARATION AV NUKLEOTIDEXCISION E. COLIMED DELTAGANDE AV EXINUCLEASE

1. TRANSKRIPTIONSOBROENDE MEKANISM

2. TRANSKRIPTIONBEROENDE MEKANISM

3. ALLMÄNT REPARATIONSSTAD

LEGEND

A - proteinuvr A

B - proteinuvr I

C - proteinuvr MED

liten svart triangel - tecknet indikerar platsen för skadan

REPARATIONSSCHEMA FÖRENAT MED DNA METYLERING