Эйген, Шустер - Гиперцикл. Принципы самоорганизации макромолекул - 1983, страница 13

В частности, было охарактеризовано несколько полимерных комплексов (1, П, ШП, которые выполняют как полимеризующие функции, так и некоторые функции деградации. Здесь особенно интересна 3'- 5'-экзонуклеазная активность полимеразы-1. Она обеспечивает избирательное отщепление неспаренного нуклеотида на 3'-конце растущей цепи. Поскольку рост цепи идет только в направлении 5' — 3', эта экзонуклеазная функция позволяет корректировать новосинтезированные фрагменты. Ее максимальная активность составляет около 2е/з полимеразной активности. 3' - 5'-экзонуклеазу следует отличать от 5' - 3'-экзонуклеазы, которая также входит в состав комплекса ДНК-полимеразы-1 и, вероятно, участвует в репарации с выщеплением. Она действует только на 5'-конец и расщепляет фосфодиэфирную связь в спаренной области, по-видимому, на расстоянии до 10 нуклеотидов от 5'-конца, Эта экзонуклеаза, следовательно, может выщеплять олигонуклеотиды, тогда как корректирующий 3'- 5'-фермент удаляет только отдельные неспаренные нуклеотиды на конце растущей цепи.

Теперь мы можем понять, в чем состоит существенное различие между процессами репликации РНК и ДНК, которое выражается в различии средних факторов качества копирования символов для этих двух процессов. В случае репликацин РНК точность передачи информации должна обеспечиваться в непрерывном процессе полимеризации.

Как бы ни решала эту проблему РНК-репликаза, она достигает, по-вндимому, предельного значения в — между 0,9990 и 0,9999. Г1римерно та же точность могла бы достигаться любым непрерывным механизмом полимеризации ДНК. Исследование 1п чйго мутантных фаговых ДНК- полимераз, не обладающих 3'- 5'-экзонуклеазной активностью, показало, что эти ферменты сравнительно часто ошибаются — с частотой примерно 1 на каждую тысячу нуклеотидов.

Сходные результаты получены для очищенной ДНК-полимеразы из вируса птичьего лшелобластоза. Однако есть данные и о меньших вероятностях ошибок. Например, для низко- молекулярных эукариотических ДНК-полимераз, не обладающих корректирующей экзонуклеазной активностью, были получены значения на порядок меньшие, чем в случаях, приведенных выше (одна ошибка на каждые 5 — 1О тысяч нуклеотидов) [36 — 39].

Появление фрагмента ДНК длиной 1000 — 2000 нуклеотидов во время полимеризации ДНК (в прокариотических клетках) может быть прямо связано с ограниченной точностью полимеразной функции. По-видимому, полимераза не может легко удлинять произведенный ею неправильно спаренный конец ([10], стр. 88) — правда, это наблюдалось в отсутствие экзонуклеаз. В то же время 3' - 5'-экзонуклеаза, если она имеется, будет опознавать несоответствие и вырезать неверный нуклеотид.

Нет никаких оснований предполагать, что оптимальная разрешающая способность на этом этапе сильно отличается от той, которая характеризует процесс полимеризации. Итак, коррекция может снизить вероятность ошибки (в лучшем случае) еще на три порядка. Коррекция ошибок, с другой стороны, не может быть отложена до более поздней стадии, т. е. до завершения синтеза обеих цепей.

Хотя системы репарации, использующие 5' — 3'-нуклеазные активности, существуют, они не могут установить, которая из двух цепей содержит неправильный член в неправильной паре [36]. Были предложены [40] и проверены экспериментально [41, 42] более детальные механизмы кинетической коррекции (см. обзор [43]). Итак, можно сделать следующий вывод. Оптимальное среднее качество копирования символа для Две гомютогичные моленуп51 ДНЛ Крсцтшмжер с исправленными ларавш ~:3йР~й$3.* дбут! -иелимврази синтезирумп впкутстеующие учиипки 5))),'.

ЩЩДЦ~~~ЩйПф'. а р-д- д~~~~~~ 5 «уиледшиды от юной из тдчтбй е каисдой из дайс йюривание оснований дает длухтйепочечиый ре«омдннант, пределы атпапннютсе с помон!ею ДНН-полимеразы и лигазы Нелилуклеотидпигази аии(имп м)е (зепи с Ойюзоеанием двухиепочечной рек«мунка«юной ,нолей улы Две дэухценочечные рвномбинлюнные мате«усы Д Ч« Рвс. 15.

Генетическая рекомбниация поаволяет обнаруживать ошибки в завершенных лвухцепочечных ДНК. Эта модель первона. чзльно была предложена для объяснения механизма кроссинговера. Де можно испольэовать также длн анализа механизма коррек- Ф мии ошибок. Символ ° означает генетпчеспв правильный куклеотнд, самвел Π— ошибочный. соответственно символ ! всегда обо- ш Ф О ввзчает правильную комплементариую пару.

символ ~ — неправильную (иекомплементарную) пару. а симнол ( — комплемента)ь О иую. но ошибочную пару нуклсотнлов, независимо от того, какой из четырех нуклеотндов, злесь затронут. Предположим, что надрезание цепи иннцинруетсн наличием векомплемента~иой пары (этап Н). Тогда эт — ' 5г-экзонуклеаза исправит ошибку; в 50Ча Ф случаев образуется правильная комплемевтарная пара — ь ( (этап Н(), в то время кэк в кругих 5)Чь Случаев — неправилы ная комплемевтарная пара ~ — ь ~ .

Неправильная (хотя и комплемеитариая) пара. однако, ие фиксируется, как прк простом механнаме репарации, Рекомбииация с правильной копией (этапм 01, н)!) восстанавливает исходную ситуацию (этапы ! и чп(), при которой непрввильнмм нуклеотндом завито тельно одно нз четырех гомологичных положений. Следовательно, многократное повторевке этого процессе может вести к постоянному снижению доли ошибок, а ие к их 50«а-ной фнксапнн. Эта схема показывагц что коррекция ошибок в завершенимх цепях связана с кроссниговером. Данный механизм (нэ работы )аб!)может бмть реализован с помшцью известных функций ДНК-полимеразм, что ие исключает существовании других гипотетвческнх и даже еше более эффективных механизмов.

Длн полного понимания проблемы точности. связанной с необходимостью рассмотрения процессов вегетативного размножения, необходимы более детальные сведения о механизме, которые пока отсутствуют. йб~йшш~шй ййййй :1кшЩЗКаЯ '. :ййййй '. ,;$66$Г,=АЗ .' :йй Лйй:: у«дону«я«аз а делает надрез е одной т)епи «аждойма«м(учи, д' Зсзкзонуилеаза устраняет неверно спаренный контбевой кукпеотид ,,ДНН-пачимерауа аутдстютьчп 'синтез на одной стронг «аачдой разрезаиюи ттетг, вытесняя дуа сдиоиепочечйых хг(юта 2Ьти две таин« одноиепочечные оопасти являются амюл(мишам)т, Ояи могутп ассщииромитю с пбразованием яорюпкого двухтзюточечного мог«тика дндонунпеиза разрезает дроеие аетг содрааюатзем однои рекомйзнантпной молекулы и диде моленулярных 4Ра гментпов с перекрыеаюя(юммя концевыми логлаЭаитиюгнааю)ии Чаете А.

Воэникновение гикерцикла 72 73 !У. Порог ошибок и эволюция репликации ДНК достигает значения 0,999999 или несколько выше, что позволяет накапливать информацию вплоть до верхнего предела, эквивалентного 1 † миллионам нуклеотидов (в зависимости от вевеличины о ). Приятно отметить, что эта оценка совпадает с известными размерами геномов прокариотических клеток (например, Е.сой — 4 1О' пар оснований).

И опять размер геномов любого организма вовсе не обязан быть равным этой предельной величине. Действительные размеры генома могут лимитироваться другими факторами, связанными, например, с упаковкой молекулы в случае ДНК-содержащих фагов, и т. д. Таким образом, как и в случае РНК-содержащих фагов могут реализовзться любые размеры генома ниже порога. Для содержания генетической информации в прокариотической клетке существует верхний предел. Любой выход за пределы информационной емкости одноцепочечной молекулы (104 нуклеотидов) требует нового механизма репликации с участием двухцепочечных матриц и корректирующих ферментов.

Точно так же новыи предел (около 10' нуклеотидов), установленный механизмом репликации ДНК в прокариотической клетке, не мог быть превзойден, пока не появился новый механизм для дальнейшего уменьшения ошибок. Такой механизм, а именно генетическая рекомбинация, был изобретен природой на прокариотическом уровне. Однако потребовалось от двух до трех миллиардов (10э) лет, прежде чем он достиг совершенства, чтобы вызвать новое увеличение количества генетической информации отдельных индивидов. Процесс генетической рекомбинации, используемый всеми эукариотнческими клетками, требует, чтобы два аллеля в их гомологичных положениях были идентичны. Поскольку вероятность ошибки для ферментативной репликации ДНК составляет менее !Π— ', нескорректированные ошибки крайне редки, и в четырех эквивалентных сайтах двух аллелей не может встретиться более одной ошибки.