Регуляция активности генов по типу репрессии
Репарация у эукариот
Процесс репарации характерен для всех живых существ. Это одно из основных свойств наследственного материала напрямую связанное с интенсивностью процессов старения, динамикой развития опухолевых заболеваний, формированием врождённых пороков развития, возникновением наследственной патологии и др. Мутации не подвергшиеся репарации сыграли (и играют) важную роль в эволюционном формировании новых адаптивных свойств живого.
Остановимся на трёх важны принципах характерных для процесса репарации.
1. Ферменты репарации определяют место большинства повреждений на молекуле ДНК по её локальной денутурации в месте повреждения.
Эффективность любой репарационной системы, в первую очередь, зависит от того, насколько быстро и точно ферменты обнаружат место повреждения ДНК. Поскольку, характер последних чрезвычайно разнообразен, то трудно представить существование многочисленных ферментов, опознающих «свои» специфические повреждения ДНК. В действительности всё оказалось проще. Любое нарушение первичной структуры ДНК приводит к одинаковым последствиям - сразу же возникает нарушение в структуре второго, третьего и т.д. порядка, т.е. в месте повреждения наступает «локальная денатурация ДНК». Возникшие в ДНК участки денатурации (в отличии от первичных повреждений) не специфичны. Это позволяет специальным ферментам быстро выявлять денатурированные участки ДНК и подключить для их восстановления специфические репарационные системы.
2. Повреждённый участок на одной нити ДНК восстанавливается в соответствии с неповреждённым оппозитным участком второй нити. При повреждении двух нитей в восстановлении повреждения участвуют сестринские нити хроматид.
Отмечена закономерность, что при воздействии на ДНК мутагенных факторов повреждения в основном касаются одной нити ДНК. Одновременное повреждение обоих нитей случается не часто и они, как правило, заканчиваются гибелью клетки. Восстановить повреждённый участок не трудно, если имеется план его первоначального (до повреждения) строения. Такой план всегда имеется – это последовательность нуклеотидов на второй, оппозитной цепочки ДНК, т.е. в нити ДНК противоположной месту повреждения. Здесь располагаются нуклеотиды, комплементарно отражающие последовательность нуклеотидов повреждённого участка. Поэтому многие репарационные системы «ремонтируют» повреждённый участок, застраивая его комплементарными нуклеотидами в соответствии с планом оппозитного участка.
Иное дело если повреждаются одновременно обе нити ДНК. Это бывает, когда молекула ДНК с повреждением вступает в период синтеза ДНК. В этом случае на дефектной ДНК происходит синтез дочерних нитей ДНК, причём на повреждённой нити синтезируется дефектная дочерняя нить. Но и в этом случае план повреждённых участков сохраняется в молекуле ДНК, которая сформировалась в результате репликации неповреждённой нити ДНК. При максимальном сближении сестринских хроматид в профазе мейоза и митоза происходит репарация повреждённых нитей ДНК, в соответствии с неповреждёнными участками молекулы ДНК сестринской хроматиды.
У диплоидных организмов, при репарации повреждённого участка ДНК возможно использование плана не повреждённого участка в ДНК гомологичной хромосоме.
3. Энергия на процесс репарации черпается в основном из АТФ. Но в некоторых случаях используется энергия фотона, который активирует ферменты репарации.
Репарация ДНК – энергозависимый процесс. В качестве поставщика энергии используются макроэргические соединения (например, АТФ). Однако, есть одно исключение – это фотореактивация (световая репарация). Фермент, осуществляющий эту реакцию, использует энергию солнечного света, а не аккумулированную в химических связей АТФ. Называется этот фермент – фотолиаза. Фермент репарирует повреждения связанные с образованием тиминовых димеров (см. далее).
Виды репарации.
Прежде всего, все виды репарации (или реакции) делятся на две большие группы – прямые и непрямые. Прямые реакции отличаются простотой и непосредственным действием на повреждённый объект. Никаких «предварительных работ» не проводится. Практически все они функционируют до периода синтеза ДНК. К ним относятся – фотореактивация. При непрямом типе репарации имеющееся повреждение ДНК вначале вырезается. В результате на одной из нитей формируется брешь, которая застраивается специальными ферментами в соответствии с планом расположения нуклеотидов на противоположной цепи. К этому типу репараций относятся эксцизионная репарация.
Прямой тип репарации
Фотореактивация.
Неоспоримым фактом является то, что ультрафиолетовый свет (УФ) повреждает уникальную молекулу ДНК. Повреждения в основном касаются пиримидиновых оснований – тимина и цитозина. Под влиянием УФ света происходит перераспределение валентностей в пиримидиновых основаниях, т.е. между находящимися рядом на одной нити двумя тиминами, двумя цитозинами или тимином и цитозином. Следствием этого является появление необычной химической связи между основаниями и возникновение димера (два нуклеотида) – тиминового (тимин-тимин), цитозинового (цитозин-цитозин) или тимин-цитозинового. Водородная связь между оппозитными нуклеотидами при этом разрушается (рис. 47). Есть данные о том, что пиримидиновые димеры способны активировать процессы приводящие к развитию опухолевых заболеваний.
Возникшая мутация репарируется несколькими системами репарации. Одна из них фотореактивация. Основной фермент этой реакции – белок фотолиаза имеет сложную белковую структуру. На одном участке молекулы находится светочувствительный центр воспринимающий фотоны синего света и активирующий фермент. Фермент в таком состоянии находит димеры в молекуле ДНК, разрывает образован-
ные УФ связи между тиминами и восстанавливает межнитевые водородные связи пиримидин – пурин. По завершению цикла фермент отходит от ДНК.
Следует отметить, что при этом типе репарации фермент непосредственно действует на повреждение, восстанавливая его. Это классический тип прямой репарация.
Не прямой тип репарации.
а. Эксцизионная репарация.
Тминовые димеры, могут быть в силу ряда причин не восстановлены системой фотореактивации. В этом случае активируются ферменты системы эксцизионной репарации. Этот тип репарации позволяет исправить до 95% спонтанных мутаций. Существует несколько типов реакций эксцизионной репарации. Их объединяет то, что повреждённое основание, нуклеотид или неправильно спаренное основание (мисмэтч) вначале полностью вырезается из цепи, а затем вставляется новый нуклеотид (или нуклеотиды) комплементарный нуклеотиду противоположной цепочки. Приведём в качестве примера эксцизионную репарацию нуклеотидов (тиминовых димеров). Реакция состоит из нескольких этапов. На первом этапе фермент эндонуклеаза находит повреждённую нить ДНК и делает надрез в месте повреждения. Другой фермент экзонуклеаза расширяет надрез, «откусывая» с обоих концов надреза нуклеотиды вместе с тиминовым димером. Образовавшаяся брешь застраивается с одного конца нити ДНК специальным ферментом
ДНК-полимеразой. При этом вставляемые нуклеотиды комплементарны нуклеотидами не повреждённой нити ДНК. Не застроенной остаётся небольшой разрыв, который сшивается ДНК-лигазой.
