В.Н. Сойфер - Репарация генетических повреждений (статья) (1117846), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Существуют болеесложные реакции восстановления, напоминающиехирургические вмешательства в структуру ДНК,когда поврежденные участки вырезаются из цепиДНК (отсюда происходит и термин “эксцизионнаярепарация”, от англ. excision – вырезание), а затемобразовавшиеся бреши заполняются неповрежденным материалом.А. Вырезание поврежденных оснований гликозилазами и застройка АП-сайтов. К настоящему времениописано много типов ферментов-гликозилаз, каждый из которых узнает разнообразные поврежденные основания (такие, как метилированные, окисленные, восстановленные, дезаминированные основания, основания, связанные с формамиднымигруппировками, и т.п., табл.
1). Гликозилазы присоединяются к ним, рвут гликозидные связи междумодифицированным основанием и сахаром дезоксирибозой, за счет чего образуются АП-сайты. АПсайт распознается теперь другим ферментом, АПэндонуклеазой1. Последние найдены у бактерий,растений, животных, включая человека. Как тольков нити ДНК возникает разрыв, в работу вступает ещеодин фермент – фосфодиэстераза: он отщепляет отДНК ту сахарофосфатную группу, к которой теперьне присоединено основание.
Появляется брешь в одной цепи ДНК размером в один нуклеотид. Напротив бреши в противоположной нити ДНК расположен неповрежденный нуклеотид, и следующий фермент – ДНК полимераза I вставляет в брешькомплементарный ему нуклеотид, присоединяя егок свободному 3'ОН-концу. Чтобы соединить два свободных конца (3'ОН-конец вставленного нуклеотида и 5'-конец, ранее образовавшийся при разрывенити ДНК АП-эндонуклеазой), вступает в действиееще один фермент – полинуклеотидлигаза. Теперьвся структура ДНК полностью восстановлена: неправильное основание удалено, сахарофосфат, к которому это основание было прикреплено, вырезаниз нити ДНК, брешь заполнена правильным нуклеотидом, и все однонитевые разрывы залечены. Поскольку последовательность реакций запущена вдействие путем расщепления гликозидной связи,этот вид репарации получил название “вырезаниеоснований с помощью гликозилаз”.Б.
Вырезание нуклеотидов. Другим типом эксцизионной репарации является более сложная иэнергетически более дорогая реакция вырезания непросто поврежденного основания, а значительногоучастка цепи ДНК перед и позади повреждения(рис. 1). Эту реакцию в клетках E. coli выполняетмультиферментный комплекс, содержащий эндонуклеазы, кодируемые тремя генами: uvrA, uvrB и1Нуклеазами называют ферменты, способные расщеплятьсахарофосфатную цепь.
Они могут рвать эту цепь внутриполимерной молекулы ДНК или РНК, и тогда их называют эндонуклеазами, или же с концов полимеров, и тогдаих называют экзонуклеазами.ëéêéëéÇëäàâ éÅêÄáéÇÄíÖãúçõâ ÜìêçÄã, ‹8, 1997Таблица 1. Основные типы обнаруженных к настоящему времени гликозилаз*ФерментСубстратПродукт реакцииUra-ДНК гликозилазаДНК, содержащая урацилУрацил + АП-сайтHmu-ДНК гликозилазаДНК, содержащая оксиметилурацилОксиметилурацил +АП-сайт5-mC-ДНК гликозилазаДНК, содержащая 5-метилцитозин5-метилурацил + АП-сайтHx-ДНК гликозилазаДНК, содержащая гипоксантинГипоксантин + АП-сайтДНК гликозилаза тиминового ДНК, содержащая ошибочную пару осно- Тимин + АП-сайтмисмэтчаваний Г–Т (Г–Т-мисмэтч)MutY-ДНК гликозилазаДНК, содержащая ошибочную пару осно- Аденин + АП-сайтваний Г–А (Г–А-мисмэтч)3-mA-ДНК гликозилаза IДНК, содержащая 3-метиладенин3-метиладенин + АП-сайт3-mA-ДНК гликозилаза IIДНК, содержащая 3-метиладенин, 7-метилгуанин или 3-метилгуанин3-метиладенин, 7-метилгуанин или 3-метилгуанин+ АП-сайтFaPy-ДНК гликозилазаДНК, содержащая остатки формамидопиримидинов или 8-оксигуанин2,6-диамино-4-окси-5-N-метилформамидопиримидин или 8-оксигуанин + АП-сайт5,6-НТ-ДНК гликозилаза (эн- ДНК, содержащая 5,6-гидратированныедонуклеаза III)остатки тимина5,6-дигидроксигидротимин или 5,6-дигидротиминPD-ДНК гликозилазаПиримидиновые димеры с гидролизованными 5'-гликозидными связями + АП-сайтыДНК, содержащая димеры пиримидинов* Из кн.: Friedberg E., Walker G., Siede W.
DNA Repair and Mutagenesis. Wash. (D.C.): ASM Press, 1995. Печатается с разрешения авторов.uvrC (названия генов даны по первым буквам словultra violet repair). Комплекс получил название “эксинуклеаза”.Процесс был обнаружен в клетках человека влаборатории Р. Сетлоу в США и в моей группе(В. Сойфер, Н. Яковлева-Сойфер и А. Мустафина) в1970 году. Поиск эксцизионной репарации у растений оказался более трудным. Сначала американцыДж.
Троско и Э. Мансур не смогли ее обнаружить и в1969–1973 годах заявили, что высшие растения либоне получили в ходе эволюции этот важный механизм, либо в ходе той же эволюции утеряли его. Однако в 1973–1978 годах в моей лаборатории, когда яеще работал в Москве, эксцизионная репарация урастений была найдена, а затем изучены процессыповреждения ДНК растений облучением и алкилированием. Было показано, что подавление репарации ведет к резкому увеличению числа мутаций хромосом, замедлению роста и развития растений и кдругим нежелательным последствиям. В последниегоды эксцизионную репарацию интенсивно исследовали ученые многих стран мира. В частности, было показано, что человеку требуется в среднем в четыре раза больше ферментов репарации, чембактериям (эксинуклеаза состоит по крайней мереиз 17 белков, застройка бреши идет с участием ДНКполимераз σ или ε), а вырезаемый из поврежденнойДНК кусок имеет длину не 12, а 29 нуклеотидов и т.д.Репарация неспаренных оснований.
Довольно часто (у E. coli один раз на 10 тыс. пар нуклеотидов, у эукариотов еще чаще) во время репликации ДНК происходят ошибки спаривания, в результате которыхëéâîÖê Ç.ç. êÖèÄêÄñàü ÉÖçÖíàóÖëäàï èéÇêÖÜÑÖçàâвместо комплементарной пары нуклеотидов А + Тили Г + Ц в дочернюю цепь ДНК оказываютсявключенными нуклеотиды, некомплементарныенуклеотидам в материнской нити (их называют мисмэтчами – от англ. mismatch). Однако ДНК полимеразы обладают следующим свойством: после подстановки очередного нуклеотида в растущую нитьДНК (полимеразный комплекс движется в направлении от 5'-конца синтезируемой нити к 3'-OHконцу) делать шаг назад (в направлении от 3' к 5') ивырезать последний нуклеотид, если он некомплементарен нуклеотиду в матричной нити ДНК1. Этотпроцесс исправления ошибок спаривания, или коррекции, иногда не срабатывает, и тогда в ДНК поокончании репликации остаются невырезанныминекоторые неправильные пары, остаются мисмэтчи.Для их устранения клетки живых организмов обладают специально созданной Природой системой репарации.При неправильном спаривании, в отличие отвсех описанных выше случаев репарации модифицированных или поврежденных оснований и нуклеотидов, в структуре ДНК не появляется необычныхоснований, неправилен лишь характер спаривания.Как же клетка в таком случае ухитряется распознатьнеправильность и начать репарацию? Ясно, что неправильное спаривание (ошибка репликации) можетзатронуть только дочернюю нить ДНК; матричная1См.
статью О.О. Фаворовой “Сохранение ДНК в рядупоколений: репликация ДНК” (Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 4. С. 11–17).7Димер тимина5'3'5'3'1 Белковые ножницы,A ABсодержащие две копиибелка uvr A и одну копиюбелка uvr В, узнаютповрежденный участок иприсоединяются к нему5'3'A AB3'5'2 Энергия АТФ используется,чтобы изогнуть молекулуДНК и изменить конформацию белка uvr В; димерuvr А отсоединяетсяДействиеэксинуклеазыАТФАДФ + ФA A5'3'❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙B❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙3 Белок uvr С5'-надрез3'❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙ ❙C❙❙❙❙❙❙3'-надрез❙❙❙❙❙❙❙B❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙❙3'5'4 Uvr D хеликазаCотсоединяет вырезанныйолигомер+5'5'присоединяется к комплексу uvr В – ДНК; белокuvr В делает 3'-надрез иuvr С вносит 5'-надрезвблизи поврежденияC5'3'❙❙АТФАДФ + Ф12-мер3'3'B5'5 ДНК полимераза Iзамещает uvr В белок изастраивает образовавшуюся брешь комплементарно противоположнойнитиB5'3'ПОЛ I3'5'6 ДНК лигаза соединяетсвободные концы (nicks),оставленные полимеразой5'123'5'Рис.
1. Репарация ДНК по механизму вырезаниянуклеотидов (эксцизионная репарация нуклеотидов): 1 – распознавание повреждений белками,кодируемыми генами UvrA и UvrB; 2 – изгиб молекулы ДНК и изменение конформации белка uvrB;3 – внесение двух однонитевых надрезов ДНК собеих сторон от повреждения с помощью белковuvrB и uvrC; 4 – расплетание ДНК в участке междудвумя надрезами с помощью белка uvrD (хеликазы), отсоединение содержащего дефект фрагмента длиной 12 нуклеотидов (12-мер) с образованием бреши; при этом расходуется энергия еще одной молекулы АТФ; 5 – застройка образованнойбреши с помощью ДНК полимеразы; 6 – соединение свободных концов сахарофосфатного остоваДНК с помощью ДНК лигазы83'нить в процессе репликации остается неизменной(если в матричной нити появилось повреждение ине было исправлено с помощью репарации, то это иесть мутация, и она будет воспроизводиться прирепликации во всех последующих поколениях).Следовательно, система репарации мисмэтчей должна оперировать на дочерней нити и производитьзамену некомплементарных оснований только вней.
Клетки при этом используют важное различие вструктуре матричной и дочерней нитей, найденное в70-х годах. Оказалось, что вскоре после окончаниярепликации специальные ферменты – метилазыприсоединяют метильные группы к аденинам в последовательностях ГАТЦ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
