УАУ, УАЦ АЦУ, АЦА, УУУ, УУЦ УГГ УГУ, УГЦ
АЦГ, АЦЦ
Нет аминокислоты (нонсенс- или стоп-кодон)
УАА, УАГ, УГА
Несущие информацию нуклеотидные последовательности генов одной хромосомы обычно размещены в одной и той же молекуле (цепи) биспирали ДНК, но есть исключения. Так, из 5 гистоновых генов плодовой мухи для двух генов информация записана в одной полинуклеотидной цепи ДНК (макромолекуле биспирали), а для трех других генов — в парной ей цепи биспирали ДНК. Таким образом, роль кодогенной, а также матричной макромолекулы (цепи) может выполнять любая из цепей ДНК (макромолекул) двойной спирали. Напомним, что в настоящее время нередко отдельные макромолекулы ДНК биспирали называют цепями ДНК.
Единицей информации в молекулах ДНК служит тройка нуклеотидов или триплет (кодон), то есть генетический код нуклеиновых кислот является триплетным. При этом 4 нуклеотида, строящие ДНК, образуют 64 триплета, из которых 61 кодирует 20 аминокислот (смысловые триплеты), а 3 не имеют кодируемых аминокислот и служат для обозначения пункта терминации (завершения) трансляции (бессмысленные или нонсенс-кодоны, стоп-кодоны). Генетический код является неперекрывающимся (отдельной аминокислоте соответствует самостоятельный триплет), непрерывным (триплеты для последовательности аминокислот в конкретном белке следуют друг за другом без «пробелов», но см. интроны, 2.4.5.5), универсальным (одни и те же триплеты используются для кодирования одних и тех же аминокислот у представителей практически всех групп живых существ — от вирусов и прокариот до млекопитающих, в том числе человека; известны однако исключения — см. здесь же ниже), вырожденным (для кодирования одной аминокислоты, кроме метионина и триптофана, используется от двух до шести триплетов.
В эукариотических клетках аминокислота метионин выполняет 2 функции: она может играть роль инициирующей (начинающей трансляцию) или же выполнять обычную биоинформационную роль, указывая положение аминокислоты метионина в полипептиде. Конкретная роль, выполняемая амнокислотой метионином, определяется используемой транспортной РНК, которых две). В прокариотических клетках роль инициирующей аминокислоты выполняет формилметионин.
Генетический код является специфичным: конкретному(ым) триплету(ам) соответствует одна аминокислота.
Если для аминокислоты существует от двух до четырех триплетов (аланин, валин, глицин, пролин, треонин), то различия между триплетами касаются исключительно последнего, третьего нуклеотида (нонсенс-кодоны не подпадают под это правило). В таком случае мутационное изменение третьего нуклеотида в триплете в 64% дает триплет-синоним, что служит повышению уровня сохранности информации в ДНК. Близкие по строению и/или химическим свойствам аминокислоты имеют триплеты с одним и тем же центральным (вторым) нуклеотидом. К примеру, триплеты гидрофобных аминокислот (фенилаланин, лейцин, изолейцин, метионин, валин) имеют в ДНК второй нуклеотид А, а в и(м)РНК — У. Эта особенность генетического кода создает «биоинформационный буфер», который сводит к минимуму влияние многих генных мутаций на функциональные характеристики соответствующих белков (гидрофобная аминокислота меняется на гидрофобную).
Есть примеры, не отвечающие принципу универсальности генетического кода. Так, в клетках распространенного возбудителя микозов (грипковые заболевания) человека Candida albicans кодон ЦУГ соответствует аминокислоте серину, а не лейцину, как в клетках почти всех других живых форм. В автономной белокобразующей системе митохондрий клеток млекопитающих триплет и(м)РНК АУА соответствует аминокислоте метионину, тогда как в цитоплазме этих же клеток — изолейцину. Триплеты ТЦГ и ТЦЦ митохондриальной ДНК - УЦГ и УЦЦ митохондриальной и(м)РНК некоторых видов организмов не кодируют аминокислот, являясь нонсенс-кодонами (кодонами-терминаторами). В приведенных примерах функционально-генетические особенности поименованных кодонов воспроизводятся на постоянной основе, что дает основания рассматривать эти особенности как следствие своеобразия эволюционного процесса.
В кодовых системах записи выделяют буквы (алфавит) и слова (словарь) текста. В кодовой системе нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) буквы — это нуклеотиды (4-буквенный алфавит), а слова — тройки нуклеотидов или триплеты, которым соответствуют отдельные аминокислоты (61-словный словарь, включая синонимы).
Изменения в нуклеотидных последовательностях (генетических текстах) ДНК приводят к искажению информации и носят название генных или истинных мутаций. Такие изменения состоят в замене одного смыслового триплета на другой или нонсенс-кодон, выпадении или вставках нуклеотидов, что приводит к сдвигу рамки считывания биоинформации. У людей известно несколько сотен (из 5 тыс. генных болезней, выявленных на 2004 г.) наследственных болезней, для которых обнаружен мутировавший ген и описан фенотипический эквивалент мутации. В эту группу входят ахондроплазия (характерный признак — непропорциональная карликовость), вызываемая заменой гуанилового нуклеотида на цитидиловый в гене рецептора гормона роста, серповидно-клеточная анемия (характерный признак — эритроциты серповидной формы в связи с понижением растворимости и повышением степени полимеризации гемоглобина), вызываемая заменой в гене b-глобина в 6-м положении триплета валина на триплет глутамина, a-талассемия (характерный признак — гемолитическая анемия в связи с аномальной структурой гемоглобина по a-глобину), вызываемая выпадением некоторого количества нуклеотидов в гене a-глобинового кластера, невосприимчивость людей к вирусу иммунодифицита человека (ВИЧ), обусловливаемая выпадением части нуклеотидов (ДНК-текста) в гене ccr5 (кодирует белок-рецептор для локальных, то есть местных регуляторов клеточной активности - b-цитокинов; мутантный белок лишен аминокислотной последовательности, необходимой для проникновения вируса в клетки).
2.4.5.3. Передача генетической информации в ряду клеточных поколений. Самокопирование или репликация ДНК
В современной земной жизни способом образования новых клеток является митотическое деление уже существующих. Этот процесс организован в форме митотического (пролиферативного) цикла, решающего важнейшую биоинформационно-генетическую задачу — обеспечение клеток дочерних поколений генетической информацией, полноценной в количественном и качественном (смысловом) отношении. Структура цикла и принципы его регуляции – см. 3.1.1 и 8.2.1. Здесь же речь идет о процессе самокопирования (самовоспроизведения) или репликации 1 ДНК в синтетическом (S) периоде интерфазы митотического цикла или же в гаметогенезе - согласно общепринятому мнению в синтетическом (S) периоде интерфазы первого деления мейоза. Ы Верстка! Подстраничное примечание. МС Ы
1Термин «репликация» обычно используют для обозначения самокопирования ДНК; термин «редупликация» чаще используют для обозначения удвоения хромосом.
Генетический материал эукариот имеет хромосомную организацию. В каждой хромосоме находится комплекс из двух взаимокомплементарных макромолекул (цепей) ДНК, закрученных в спираль. В ходе репликации вдоль каждой такой молекулы (цепи) «строится» комплементарная полинуклеотидная молекула (цепь). Репликация ДНК, таким образом, представляет собой симметричный процесс в том смысле, что обе молекулы биспирали выполняют роль матриц. Дезоксирибонуклеотиды выстраиваются в дочернюю молекулу в соответствие с правилом комплементарности: адениловый нуклеотид (А) встает в пару с тимидиловым (Т), а гуаниловый (Г) с цитидиловым (Ц) и наоборот. В итоге на основе одной биспирали ДНК возникает две, идентичные по информационному наполнению. Способ удвоения, при котором каждая возникающая вследствие репликации двойная спираль образована одной предсуществующей материнской молекулой (цепью) ДНК и одной заново образованной дочерней, называют полуконсервативным (рис. 2-25).
Рис. 2-25. Полуконсервативный способ редупликации ДНК: I — материнская биспираль ДНК; II — достраивание комплементарных полинуклеотидных цепей; III — две дочерние биспирали ДНК.
ДНК эукариот удваивается не одним блоком от начала и до конца биспирали, а участками или репликонами со средним размером порядка 30 мкм (1600 тыс. нуклеотидов в лидирующей макромолекуле или цепи биспирали ДНК, см. здесь же ниже). В ДНК хромосом соматической клетки человека насчитывается до 50 тыс. репликонов. В некоторых репликонах удвоение ДНК происходит одновременно, в других — в разное время. Так, репликация ДНК гетерохроматиновых участков, будучи наиболее поздней, осуществляется в конце периода S. ДНК центромерных отделов хромосом удваивается даже не в периоде S интерфазы, а в начале анафазы предыдущего митоза непосредственно перед расхождением дочерних хромосом.
Самоудвоение происходит группами по 10–100 репликонов. Репликонный формат самокопирования ДНК дает выигрыш по времени. Если бы молекула ДНК эукариот реплицировалась одним репликоном, то при скорости синтеза у человека порядка 0,5 мкм/мин (в среднем 100 п.н./с у эукариот и 1500 п.н./с у прокариот) на удвоение хромосомы 1 (длина 8 см) потребовалось бы около 3 мес. Благодаря полирепликонной организации процесс самоудвоения всей ДНК в S периоде интерфазы занимает у млекопитающих, в среднем, 7–12 ч in vivo и 6–8 ч in vitro. Количество точек начала репликации (активируемых репликонов) и ее скорость меняется в зависимости от стадии индивидуального развития организма, типа клеток и стадии гистогенеза, на которой они находятся, условий их существования. Так, в сперматогониях на одну хромосому приходится в среднем порядка 40 точек начала репликации (продолжительность периода S 15 ч), а на более поздних стадиях сперматогенеза в сперматоцитах хромосомы имеют по 5–6 таких точек (продолжительность периода S 100 ч).
Для того чтобы пошла репликация, необходим пул субстратов (предшественников) в высоко энергизированном состоянии — дезоксирибонуклеозидтрифосфаты тимина, аденина, цитозина и гуанина.
В процессе репликации ДНК выделяют фазы инициации (начало, старт), элонгации (удлинение, приращение) и терминации (завершение, окончание).
Хотя сама репликация происходит в периоде S (синтетический) интерфазы митотического цикла, пререпликативный комплекс образуется в периоде G 1 (пресинтетический, постмитотический) интерфазы. Это сложный ферментный комплекс, включающий 15–20 белков, в частности, инициирующие («узнающие») белки, такие как ORS, Cdc 6 и Mcm. Названный комплекс, благодаря белкам ORS, связывается с ДНК в точках инициации (начала) репликации. Отличительная черта этих точек — богатство парами А-Т. В таких парах 2 (а не 3, как в парах Г-Ц) водородные связи, что облегчает местную (в точке инициации) денатурацию ДНК с расхождением макромолекул (цепей) двойной спирали. Образующиеся при этом одноцепочечные участки ДНК связываются дестабилизирующими белками комплекса (RPA — R eplication P rotein A эукариот или SSB — S ingle S trand B inding рroteins прокариот), молекулы которых выстраиваются вдоль полинуклеотидных цепей-матриц и «растягивают» их, делая азотистые основания доступными для присоединения нуклеотидов. Благодаря описанным событиям между соседними точками начала репликации образуется структура - «репликативный глаз», соответствующая участку ДНК с разошедшимися («открывшимися» для репликации) полинуклеотидными молекулами или цепями материнской биспирали. В точках начала репликации (точки ori) образуются репликативные (репликационные) вилки, начинающие процесс в двух взаимопротивоположных направлениях. С этого момента следует говорить не о пре-, а о репликативном (репликационном) комплексе (рис. 2-26). Такие комплексы являются мультигетеромакромолекулярными образованиями, участники которых — специальные белки, в том числе, ферменты — обеспечивают три функции: связь необходимых белков, включая ферменты, с точками начала репликации, раскручивание молекул ДНК и ее местную (в зоне репликации) денатурацию, непосредственно репликацию.
Рис. 2-26. Репликационный комплекс (репликационная вилка): главные участники процесса самокопирования ДНК (схема).
Разделение закрученных в биспираль полинуклеотидных цепей (макромолекул) ДНК осуществляется ферментом г (х) еликазой при участии дестабилизирующих белков RPA (см. здесь же выше). Местное разделение полинуклеотидных цепей при сохранении двуцепочечной структуры на остальном протяжении биспирали должно было бы приводить к образованию супервитков перед репликационной вилкой. Для снятия напряжения, с необходимостью возникавшего бы в такой ситуации, и создания условий для поступательного продвижения репликационной вилки вся материнская биспираль должна была бы быстро вращаться вокруг своей оси. Это высоко энергозатратный процесс. Эволюция нашла выход: ферменты ДНК топоизомеразы I и II, разрывая, соответственно, одну или обе цепи (макромолекулы) биспирали ДНК, создают возможность для локального вращения относительно коротких фрагментов ДНК, что ослабляет напряжение и препятствует образованию супервитков.
Ферментом, катализирующим образование дочерних полинуклеотидных цепей (макромолекул), является ДНК-полимераза, представляющая собой сложный мультимакромолекулярный комплекс. В репликативном образовании ДНК эукариот на отдельных этапах участвуют разные ферменты с функцией ДНК-полимеразы. На старте процесса функционирует комплекс из ферментов a ДНК-полимеразы и праймазы (ферменту праймазе принадлежит роль РНК-полимеразы, что необходимо для синтеза РНК-праймера, см. здесь же ниже). Указанный комплекс, будучи вытесненным с 3'-конца начавшей рост полинуклеотидной цепи, уступает место d ДНК-полимеразе. В клетках эукариот присутствуют также b, e ДНК-полимеразы, участвующие в процессах репарации молекулярных повреждений ДНК, и g ДНК-полимераза, катализирующая репликацию ДНК митохондрий.
ДНК-полимеразы не способны начать синтез полинуклеотида самостоятельно путем соединения дезоксирибонуклеозидтрифосфатов. Они лишь присоединяют при помощи фосфодиэфирной связи трифосфонуклеотид-предшественник к уже имеющейся нуклеотидной цепи на 3'-конце. В связи с этим инициация репликации ДНК требует предварительного образования затравки или праймера — короткого фрагмента РНК, образующегося при участии репликационного белка RPA (R eplication P rotein A, см. здесь же выше) и ферментного комплекса «a ДНК-полимераза–праймаза» (рис. 2-27). Из схемы следует, что матрицей для репликации может служить только молекула ДНК, несущая спаренный с ней РНК-овый праймер, который имеет свободный 3'-ОН-конец.
Рис. 2-27. Образование РНК-затравки, катализируемое РНК-праймазой, в дебюте репликации ДНК (схема).
Построение одной из дочерних полинуклеотидных макромолекул или цепей (лидирующая) на материнской матрице опережает построение второй (запаздывающая). Элонгацию обеих полинуклеотидных макромолекул (цепей) ДНК катализирует фермент d ДНК-полимераза. Кроме собственно фермента, в репликативный комплекс входят белки RFC — R eplication F actor C и PCNA — P roliferating C ell N uclear A ntigen. Первый блокирует наращивание РНК-праймера на 3´-конце сверх требуемой длины. Второй играет роль «прищепки» или зажима, крепящего d ДНК-полимеразу к реплицируемой полинуклеотидной цепи. Участки ДНК лидирующей цепи синтезируются в пределах репликонов как непрерывные достаточно длинные фрагменты, тогда как ДНК запаздывающей цепи образуется короткими (у эукариот 1000–2000 нуклеотидов) участками — фрагменты Оказаки. Смысл образования запаздывающей цепи фрагментами Оказаки заключается в том, что в пределах такого фрагмента наращивание молекулы происходит как обычно на 3´ конце в направлении от 5' к 3'-концу (по типу шитья «назад иголкой»), т. к. по-иному ДНК-полимераза не работает.
Завершение репликации (терминация) состоит в удалении РНК-праймеров, заполнении нуклеотидами образующихся при этом «брешей», «сшивании» фрагментов ДНК для восстановления целостности макромолекулы (цепи) ДНК. В этой фазе процесса участвует группа ферментов: РНК-аза Н или просто нуклеаза Н (удаляет праймер, разрушая РНК в гибридных РНК/ДНК-комплексах; предположительно у эукариот эту функцию выполняет d ДНК-полимераза), b ДНК-полимераза (заполняет «бреши»), ДНК-лигаза («пришивает» фрагмент ДНК, заменивший РНК-праймер, к дочерней цепи). У эукариот репликационный синтез ДНК прекращается при встрече репликационных вилок соседних репликонов.
Полирепликонный формат построения лидирующей макромолекулы (цепи) и образование запаздывающей макромолекулы (цепи) фрагментами Оказаки приводит к тому, что по завершении процесса дочерние полинуклеотиды ДНК представлены отдельными участками. Целостность (непрерывность) макромолекул или цепей ДНК восстанавливается благодаря активности фермента ДНК-лигазы, катализирующего, как и ДНК-полимераза, образование межнуклеотидной фосфодиэфирной связи. Особенность действия названного фермента в том, что он «сшивает конец в конец» только такие одноцепочечные участки, которые находятся в составе двухцепочечной ДНК.
Самокопирование вирусных и бактериальных ДНК имеет особенности. У прокариот ДНК реплицируется не прерываясь (как один репликон) с одной точки начала репликации и с образованием двух репликационных вилок (как в каждом отдельно взятом репликоне эукариот). Так как у прокариот реплицирующаяся хромосома (ДНК, нуклеоид) исходно кольцевой формы по конфигурации напоминает греческую букву q (тета), то весь процесс получил название q-репликации. У ряда вирусов — бактериофаг l — наблюдается репликация по типу «катящегося кольца» или s-репликация. Ключевой фермент репликации ДНК прокариот — ДНК-полимераза III. Функционируя в комплексе примерно с 20 белками, названный фермент строит единым блоком лидирующую и запаздывающую (фрагменты Оказаки) полинуклеотидные макромолекулы (цепи). Завершение процесса в запаздывающей цепи требует подключения ДНК-полимеразы I, которая заполняет дезоксирибонуклеотидами участки, образующиеся на месте удаляемых праймеров. ДНК-полимераза I в рассматриваемом процессе выполняет три функции. Наряду с катализом образования ДНК на месте РНК-праймеров (ДНК-полимеразная активность), она обеспечивает удаление этих праймеров в запаздывающей цепи («передняя» или «от 5' к 3'» экзонуклеазная активность), а также редактирование ДНК-текста путем удаления ошибочно встроившихся неспаренных нуклеотидов на растущем конце цепи («задняя» или «от 3' к 5'» экзонуклеазная активность). ДНК-полимераза I прокариот является, по-видимому, функциональным аналогом одновременно нуклеазы Н, b ДНК-полимеразы и d ДНК-полимеразы эукариот. ДНК-полимераза III (функциональный аналог a и d ДНК-полимераз эукариот) лишена «передней» экзонуклеазной активности. ДНК-полимераза III участвует в процессе молекулярной репарации повреждений бактериальной ДНК.
Завершение (терминация) репликации у прокариот характеризуется своими особенностями. В ДНК прокариот присутствует участок из нескольких коротких (23 п.н.) последовательностей — сайты ter. Репликация завершается по достижении репликационной вилкой указанного участка в том случае, если с вышеназванными сайтами связывается продукт гена tus.
Известны примеры, когда механизм репликации, не будучи связанным с клеточным размножением, решает другие задачи. Это происходит, в частности, при амплификации (увеличение числа ДНК-копий путем многократного самокопирования) генов рРНК в профазе первого деления мейоза при образовании яйцеклеток у амфибий (см. 2.4.3.4-а). В описанном случае используется вариант s- репликации.
Самокопирование митохондриальной ДНК осуществляется с участием фермента g ДНК-полимеразы.
Репликация ДНК — сложный процесс. У человека, например, за процесс репликации и контроль клеточного (митотического) цикла ответственно более 400 генов. Некоторые из них активны на стадии инициации, другие — на стадии элонгации. Далеко не все детали организации и функционирования «репликационной машины» в достаточной мере ясны.
2.4.5.3-а. Защита и/или минимизация искажения генетической информации на уровне ДНК
Важным фактором сохранения биоинформации во времени (в ряду поколений клеток и организмов) является химическая инертность ДНК (см. 2.4.5.1). Одного этого, однако, недостаточно. Изменения в нуклеотидных последовательностях ДНК, искажающие смысл генетической (наследственной, биологической) информации, происходят в силу неизбежных ошибок, например, репликации, рекомбинации, репарации ДНК, а также под воздействием агрессивных внутренних (активные формы кислорода или свободные радикалы, температурные колебания) или внешних (кванты космической энергии, УФ и инфракрасное, ионизирующие излучения, определенные химические соединения) агентов.
Механизм репликации ДНК характеризуется исключительной (1 ошибка на 109–1010 спариваний комплементарных нуклеотидов), но не абсолютной точностью. В обеспечении высокой надежности репликации важную роль играет фермент ДНК-полимераза, к функциям которого относится выбор «правильного» нуклеотида из пула нуклеотидтрифосфатов (АТФ, ТТФ, ГТФ и ЦТФ) и точное присоединение его по длине матричной материнской цепи ДНК, т.е. его включение в строящиеся дочерние макромолекулы или цепи (лидирующую и запаздывающую) в надлежащем месте.
Ошибки спаривания (включение ошибочных нуклеотидов), тем не менее, имеют место. Нередко они зависят от образования в клетке химически измененных (таутомерных, возникают с частотой 1 на 104–105 «правильных») форм азотистых оснований. Таутомерная форма, например, цитозина образует пару не с гуанином, а с аденином. Таутомерные основания существуют, как правило, недолго. При их переходе в обычную форму в растущей дочерней цепи ДНК в соответствующих парах нуклеотидов нарушается правило комплементарности, что ведет к появлению неспаренных нуклеотидов. Включающийся механизм самокоррекции или редактирования (англ., proofreading) ДНК-текста отщепляет «неправильный» нуклеотид. Функцию молекулярного редактирования выполняет фермент ДНК-полимераза, проявляя в данном случае каталитическую активность нуклеазы. «Редакторская» функция ДНК-полимеразы состоит также в том, что после того, как очередной дезоксирибонуклеотидтрифосфат-предшественник занял место по длине молекулы-матрицы, но до присоединения его к растущей дочерней макромолекуле (цепи), фермент изменяет свою трехмерную структуру (конформацию) и, если нуклеотид ошибочен, присоединения, скорее всего, не происходит.
По завершении акта редактирования ДНК-полимераза, выполняя свою прямую функцию, продолжает нуклеотид за нуклеотидом наращивать дочернюю макромолекулу или цепь ДНК (рис. 2-28). Следствием редактирования (самокоррекции) является снижение частоты ошибок репликации на порядок или в 10 раз — с 10–5 до 10–6.
Рис. 2-28. Самокоррекция или молекулярное редактирование ДНК-текста в процессе репликации.
Наряду с ошибками спаривания, причинами нарушения первичной структуры (последовательности нуклеотидов) ДНК и, следовательно, искажения биоинформации могут быть самопроизвольная (спонтанная) потеря полимером пуриновых азотистых оснований аденина и гуанина (апуринизация; в среднем за сутки диплоидная клетка теряет 5´104 пуринов, что, к примеру, за 70 лет — средняя продолжительность жизни человека в экономически развитых странах — в отсутствие процессов репарации привело бы к утрате ДНК порядка 25% соответствующих нуклеотидов), химическая модификация азотистых оснований путем присоединения метильных или этильных групп, дезаминирование цитозина, превращающегося при этом в урацил, сшивки соседних тиминовых оснований под действием УФ облучения, одноцепочечные разрывы молекул ДНК под воздействием рентгеновых лучей или двухцепочечные под воздействием жесткого a-излучения. Большая часть изменений такого рода устраняется благодаря механизмам молекулярной репарации (восстановления).
Различают дорепликативную (сопровождающую репликацию ДНК) и пост (после) репликативную (затрагивающую уже образованные дочерние биспирали ДНК) репарацию.
В первом случае процесс начинается с идентификации заново образованной дочерней макромолекулы или цепи биспирали ДНК, которая несет ошибку. При этом вторая, исходно материнская макромолекула или цепь биспирали сохраняет «правильную» последовательность нуклеотидов. Это имеет принципиальное значение, так как после удаления фрагмента дочерней макромолекулы (цепи) ДНК, несущего ошибку, восстановление в названном фрагменте правильной последовательности нуклеотидов возможно потому, что это восстановление идет в соответствии с принципом комплементарности относительно материнской макромолекулы (цепи). Разграничение в биспиралях материнской и дочерней макромолекул или цепей ДНК возможно в части случаев потому, что дочерние макромолекулы (цепи) ДНК отличаются от материнских сравнительно низким уровнем метилирования. В других случаях основанием для разграничения являются разрывы по ходу дочерней макромолекулы (цепи), в том числе (у высших организмов) по границам смежных репликонов. Следующий этап состоит в обнаружении места ошибки и его «обозначении». Нередко такое «обозначение» состоит в разрыве в точке повреждения фосфодиэфирной связи (например, при утрате пуриновых оснований, для чего необходим фермент эндонуклеаза). Затем включается фермент экзонуклеаза. На этой стадии измененный (и «помеченный») участок полимера вместе с примыкающими к нему нуклеотидами «вырезается» и удаляется. На его месте ДНК-полимераза, используя в качестве матрицы «нормальную» материнскую макромолекулу (цепь), достраивает отсутствующий фрагмент с соблюдением правила комплементарности нуклеотидов (рис. 2-29). Далее происходит восстановление непрерывности молекулы ДНК (фермент ДНК-лигаза).
При химической модификации азотистых оснований путем дезаминирования, алкилирования и др. в репарации ДНК задействованы ферменты ДНК-гликозилазы числом около 20, распознающие соответствующие повреждения, которые удаляются с восстановлением требуемой нуклеотидной последовательности.
Рис.2-29. Дорепликативная или эксцизионная репарация ДНК (схема).
Если структурное нарушение молекулы ДНК состоит в образовании тиминовых димеров «-Т-Т-», удалению подлежит достаточно протяженный участок цепи (макромолекулы) ДНК, содержащей ошибку. Восстановление участка на месте «вырезанного» фрагмента происходит с использованием ферментов дорепликативной репарации, как это описано выше. «Брешь» заполняется «правильными» нуклеотидами с соблюдением правила комплементарности и целостность дезоксирибополинуклеотида восстанавливается.
Механизмы молекулярной репарации ДНК разнообразны. Они отражают характер и условия возникновения молекулярных «дефектов». Механизмы, включающие момент «вырезания» измененных участков, объединены под общим названием эксцизионной репарации. Этими механизмами обеспечивается макромолекулярная репарация ДНК в буквальном смысле, т.к. «вырезанию» (эксцизия) подвержены измененные фрагменты биоинформационной молекулы, что в функционально-генетическом плане равнозначно удалению ошибки.
