Репарация ДНК

Содержание

Введение

   1. Понятие репарации

      1.1 История открытия

      1.2 Источники повреждения ДНК

      1.3 Основные типы повреждений

      1.4 Устройство системы репарации

   2. Типы репарации

      2.1 Прямая репарация

2.1.1 Фотореактивация

      2.2 Эксцизионная репарация

      2.3 Мисмэтч-репарация

      2.4 SOS-репарация

   3. Интересные факты

4. Генетические мутации

4.1. Генотипическая изменчивость

4.2. Комбинативная изменчивость

4.3. Мутационная изменчивость

4.3.1. Генные мутации

4.3.2. Хромосомные мутации

4.3.3. геномные мутации

4.3.4. Индуцированные мутации

Заключение 

Использованные источники

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Видимо, уже на ранних стадиях  эволюции ДНК заменила РНК в качестве носителя генетической информации. Этому  гипотетическому событию должны были способствовать большая химическая устойчивость ДНК, связанная с заменой  рибозы на дезоксирибозу, и двуцепочечное строение, «скрывающее» целый ряд реакционноспособных группировок. Но несмотря на свои «преимущества», ДНК постоянно подвергается химическим изменениям, как спонтанным, так и индуцируемым мутагенами и даже клеточными метаболитами. Еще одна обычная причина повреждений ДНК – радиация и ультрафиолетовое облучение. Большинство происходящих с ДНК изменений недопустимы: они либо приводят к вредным мутациям, либо блокирую репликацию ДНК и вызывают гибель клеток. Поэтому все клетки имеют специальные системы исправления повреждений, репарации ДНК. Нарушение этих систем губительно. Репарация УФ повреждений ДНК нарушена у людей, страдающих тяжелым наследственным заболеванием – пигментной ксеродермой. Такие больные не могут бывать на солнце и обычно умирают в раннем возрасте от какого-либо злокачественного заболевания.

Принципы репарации ДНК  у различных организмов сходны, поэтому  эти принципы рассматриваются на примере E. coli, у которой они хорошо изучены.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   1.  ПОНЯТИЕ РЕПАРАЦИИ

Репарация — особая функция клеток, заключающаяся в способности исправлять химические повреждения и разрывы в молекулах ДНК, повреждённой при нормальном биосинтезе ДНК в клетке или в результате воздействия физическими или химическими агентами. Осуществляется специальными ферментными системами клетки.

 

1.1 История открытия

Начало изучению репарации  было положено работами А. Келнера (США), который в 1948 обнаружил явление фотореактивации (ФР) — уменьшение повреждения биологических объектов, вызываемого ультрафиолетовыми (УФ) лучами, при последующем воздействии ярким видимым светом (световая репарация).

Р. Сетлоу, К. Руперт (США) и др. 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 облученных УФ-светом бактериальных клетокбыл предсказан А. П. Говард-Фландерсом и экспериментально подтвержден в 1964 Ф. Ханавальтом и Д. Петиджоном (США). Было показано, что у бактерий после облучения происходит вырезание поврежденных участков ДНК с измененными 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.

      1.2   Источники повреждения ДНК 

   * УФ излучение

   * Радиация

   * Химические вещества

   * Ошибки репликации  ДНК

   * Апуринизация — отщепление азотистых оснований от сахарофосфатного остова

   * Дезаминирование — отщепление аминогруппы от азотистого основания

 

                                                                                                                                   

      1.3  Основные типы повреждений ДНК

   * УФ излучение

   * Радиация

   * Химические вещества

   * Ошибки репликации  ДНК

   * Апуринизация — отщепление азотистых оснований от сахарофосфатного остова

   * Дезаминирование — отщепление аминогруппы от азотистого основания

    

1.4  Устройство системы репарации

 

Каждая из систем репарации  включает следующие компоненты:

   * фермент, "узнающий" химически изменённые участки  в цепи ДНК и осуществляющий  разрыв цепи вблизи от повреждения;

   * фермент, удаляющий  повреждённый участок

   * фермент (ДНК-полимераза), синтезирующий соответствующий участок цепи ДНК взамен удалённого;

   * фермент (ДНК-лигаза), замыкающий последнюю связь в полимерной цепи и тем самым восстанавливающий её непрерывность (см. рис. справа).

 

   2. ТИПЫ РЕПАРАЦИИ

По отношению к процессу репликации различают два типа репарации ДНК:

   1. Дорепликативную (включающую фотореактивационную и эксцизионную формы, направленные на вырезание поврежденных участков ДНК);

   2. Пострепликативную (осуществляемую с помощью механизмов, участвующих в процессах рекомбинации и репликации ДНК).

Репарация может осуществляться как конститутивно с помощью специфического набора ферментов, постоянно присутствующих в нормально функционирующих клетках (фотореактивационная, эксцизионная и пострепликативная), так и в ответ на повреждение ДНК или прекращение ее синтеза (путем активации группы генов, контролирующих различные клеточные функции, так называемая SOS-репарация).

У бактерий имеются по крайней мере 2 ферментные системы, ведущие репарацию — прямая и эксцизионная.

Типы репарации ДНК:

   * Прямое исправление  повреждений

Наиболее частая причина  точечных мутаций у человека: это  спонтанное добавление метильной группы — один из типов алкилирования. Такие модификации исправляются без разрушения цепи ДНК ферментами — гликозилазами. Фермент О-6-метилгуанин-ДНК-метилтрансфераз (MGMT) защищает клетку от токсических эффектов, производимых алкилирующими агентами, переводя для этого метильную группу из О-6-метилгуанин-ДНК в цистеиновый остаток в MGMT.

   * Починка путем  вырезания основания (эксцизионной репарации основания — BER)

Главные способы, посредством  которых происходит починка оснований  ДНК, включают устранение поврежденного  основания, которое осуществляют ферменты нуклеазы. Возникающая лакуна может  быть заполнена ДНК-полимеразой, что  сопровождается лигацией с родительской ДНК. Окислительные повреждения, как основные, так и индуцированные, являются важными причинами для починки оснований ДНК.

   * Починка путем  вырезания нуклеотида (эксцизионной репарации нуклеотида — NER)

Система NER обеспечивает способность  клетки устранять объемные повреждения  в ДНК. NER удаляет содержащий повреждение олигонуклеотид из ДНК посредством распознавания повреждения, разреза, вырезания, нового повторного синтеза и лигации. ДНК-полимеразы (у эукариот их известно более 15) различаются по ряду признаков, в том числе по количеству нуклеотидов, которые они могут встроить в растущую цепь за один акт связывания с дуплексом ДНК. присоединяют один нуклеотид, а при участии белка l и bДНК-полимеразы   —e иdPCNA (proliferating cell nuclear antigen) ДНК-полимеразы  способны вставить фрагмент необходимой длины. Повреждения ДНК в активно транскрибирующих генах, особенно в транскрибирующей спирали, чинятся в первую очередь и потому быстрее, чем повреждения ДНК в остальной части генома. Так клетка защищает целостность процесса транскрипции.

   * Репарация ошибок  спаривания — мисмэтч репарация (mismatch — MMR)

Этот метод исправляет ошибочно встроенные неповрежденные основания, которые не образуют нормальное Уотсон-Криковское спаривание (A • T, C • G). Такие ошибки иногда происходят при репликации с помощью ДНК- полимеразы. В MMR участвуют ферменты, вовлеченные в BER и NER, а также специализированные ферменты. Синтез ДНК при MMR осуществляется ДНК-полимеразами

   * Гомологичная рекомбинация

У эукариот существует два основных способа устранить двухцепочечные разрывы: гомологичная рекомбинация (рекомбинационная репарация) и соединение негомологичных концов. Прямое соединение сломанных концов требует специальных ферментов, которые узнают и связывают разорванные концы с последующим их сшиванием. Починка разрывов двойной спирали (и разрывов одной спирали) обычно включает в себя продуцирование трехконечного односпирального хвоста с помощью экзонуклеаз или геликаз. Посредством инвазии спирали, при которой односпиральный хвост вторгается в неповрежденную гомологичную молекулу ДНК, синтезируется ДНК. Одновременно образуется так называемое холлидеевское сочленение в комплексе ДНК. Через промежуток этого сочленения проводятся две молекулы ДНК (как со структуральным перекрестом, так и без него), каждая из которых более не содержит разрывов.

   * Негомологичное  соединение концов—NHEJ (Nonhomologous End-Joining)

Если разорванная ДНК  имеет тупые концы, и соединение двух фрагментов ДНК происходит случайно, то такая репарация называется NHEJ. Главным компонентом NHEJ восстановительного комплекса является зависящий от ДНК белок киназа (DNA-PK), или белок Ku — гетеродимерная субъединица, состоящая из двух белков Ku70 и Ku80. Этот белок служит для выравнивания концов разорванной ДНК, чтобы упростить процесс их склеивания или выступает в качестве сигнальной молекулы для мобилизации других восстанавливающих белков.

Рассмотрим подробнее  некоторые из вышеперечисленных  типов.

2.1 Прямая репарация  ДНК

Прямая репарация ДНК обеспечивает прямое восстановление исходной структуры ДНК или удаление повреждения. Широко распространенная система репарации такого рода — фотореактивация пиримидиновых димеров. Кроме нее, к этому типу относятся: репарация ДНК за счет 3'-5'-экзонуклеазной активности ДНК-полимеразы, репарация одноцепочечных разрывов ДНК с помощью полинуклеотиллигазы, а также генетическая репарация повреждений, вызванных алкильными или метильными группами, путем удаления этих групп специфическими ферментами.

2.1.1 Фотореактивация

В 1949 г. А. Кельнер и в 1950 г. Р. Дульбекко установили, что жизнеспособность актиномицетов и бактерий, подвергнутых УФ-облучению в летальных дозах, восстанавливается, если затем воздействовать на них видимым светом. Явление было названо фотореактивацией. Эффективность ее зависит от уровня рН, температуры и физиологического состояния клетки. Восстановительный эффект при фотореактивации (рис.) связан с действием фермента — дезоксирибозидпиримидинфотолиазы, представляющего собой полипептид, ассоциированный для его активности с небольшой молекулой РНК (10-15 нуклеотидов).

Этот фермент расщепляет димеры двух соседних пиримидинов циклобутанового типа в одной цепи ДНК, образующиеся под влиянием УФ-лучей, действие которых подробнее рассмотрено в нашей статье. Каждый из димеров задерживает репликацию примерно на 10 секунд. Фермент присоединяется к ним и в темноте, и на свету, но реакция расщепления связей, объединяющих две молекулы пиримидинов, энергетически зависит от действия видимого света с большей длиной волны. На свету пиримидиновые димеры расщепляются, за счет разрыва ковалентных связей происходит мономеризация и таким образом восстанавливается нативная структура ДНК. К эффективному диапазону (365-490 нм) относятся наиболее длинноволновые УФ-лучи (365-390 нм) и примыкающие к ним видимые синие лучи (435—495 нм). Наибольшая эффективность фотореактивации отмечена для голубой части видимого спектра. Если же необходимо исключить возможность реактивации, то опыты следует проводить в более длинноволновой части спектра, начиная с желтого света (570-590 нм).

За 1 минуту молекула фотолиазы может расщепить 2,4 димера. У Е. coli система фотореактивации удаляет до 90% пиримидиновых димеров и контролируется одним геном - phr. Штаммы, несущие мутацию по этому гену, не способны к репарации ДНК.

Фотореактивации подвергаются только циклобутановые димеры. Надо отметить, что это пока почти единственная, известная ферментная реакция, в которой фактором активации служит не химическая энергия, а энергия видимого света. Дезоксирибозидпиримидинфотолиаза широко распространена у разных органических форм и представлена даже у таких примитивных микроорганизмов, как микоплазмы. Она есть у всех изученных бактерий, кроме Micrococcus radiodurans, которые чрезвычайно устойчивы к действию УФ-лучей и выдерживают дозы в 1 000 раз более высокие, чем те, что детальны для E.coli. Фотолиаза обнаружена в клетках многих растений и животных, в том числе и у человека. По-видимому, наибольшее значение фотореактивация имеет у растений.

 

2.2 Эксцизионная репарация

Существуют системы генетической репарации, работа которых напоминает «хирургическое» вмешательство в структуру ДНК: поврежденные участки вырезаются из цепи ДНК, отсюда происходит и термин «эксцизиониая репарация» (англ. excision -вырезание). Сам феномен известен еще с 1955 г., однако, молекулярный механизм эксцизионной репарации был раскрыт гораздо позже - в 1964 г., в результате работ нескольких групп исследователей налиниях мутантных бактерий, чувствительных к действию радиации. Оказалось, что данный тип генетической репарации обеспечивает вырезание неверного или поврежденного нуклеотида/участка ДНК, последующую синтез застройку бреши и лигирование. К этому типу относится несколько специализированных механизмов, например, гликозилазы удаляют лишь модифицированные основания, АР-эндонуклеазы — апуриновые сайты, и т.п. По-видимому, именно системы эксцизионной репарации восстанавливают большую часть повреждений ДНК в клетке.