Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 92
Текст из файла (страница 92)
Механизм удвоения хромосом позволяет передавать дочерним хромосомам родительские схемы модификации гастонов, тем самым обеспечивая зпигенетическое наследование. Эукариоты решают проблему репликации концов своих линейных хромосом при помощи специализированной концевой структуры — теломеры, — поддерживаемой специальным полимеризующим нуклеотиды ферментом, названным теломеразой. Теломераза продолжает одну из нитей ДНК на конце хромосомы„используя матрицу РНК, которая является неотьемлемой частью самого фермента, и синтезирует многократно повторяющуюся последовательность ДНК, которая обычно простирается на тысячи пар нуклеотидов на каждом конце хромосомы.
5.4. Репарация ДНК Поддержание генетической стабильности, необходимой организму для выживания, требует ие только чрезвычайно точного механизма репликации ДНК, но также и механизмов исправления многих случайных повреждений, которые непрестанно происходят в ДНК. В большинстве своем такие самопроизвольные изменения в ДНК кратковременны, потому что они незамедлительно исправляются набором процессов, которые в совокупности называют репарацией ДНК. Из тысяч случайных изменений, возникающих каждый день в ДНК клетки человека— в силу воздействия высокой температуры, нарушений обмена веществ, излучений различной природы и действия веществ из окружающей среды, — лишь немногие накапливаются в виде мутаций в последовательности ДНК.
Так, теперь мы знаем, что менее одного из 1000 случайных изменений нуклеотидов в ДНК заканчивается постоянной мутацией; все остальные с необыкновенной эффективностью устраняются службой репарации ДНК. Значение механизма репарации ДНК огромно, судя по одному только объему вложений, которые клетки пускают на ферменты «ремонта» ДНК. Например, анализ геномов бактерий и дрожжей показал, *по несколько процентов кодирующего объема этих организмов отведены исключительно функциям репарации ДНК. О важности этих механизмов свидетельствует также повышающаяся частота мутаций, которая следует за инактивацией генов репарации ДНК.
Многие белки репарации ДНК и гены, что их кодируют, — которые, как мы теперь знаем, работают в самых разных организмах, включая и человека, — были первоначально идентифицированы у бактерий при выделении и исследовании мутантов, которые показывали повышенную частоту мутаций или возросшую чувствительность к ДНК-повреждающим агентам. Недавно проведенные исследования по выяснению последствий сниженной способности к репарации ДНК у людей позволили связать многие болезни человека именно с этой проблемой (таблица 5.2). Так, до этого мы уже говорили, что дефекты в гене, который обычно работает на устранение ошибок спаривания, возникающих при репликации ДНК, у человека могут привести к наследственной предрасположенности к некоторым видам рака, причина чему — повышенная частота мутаций.
В случае другой болезни человека, 45Гт ':;, "(Г(Жйк(ЕЛ)ййтаа)НГЯа увйа)5(агйтй()аЕАВЕ)()5((йуйй()ГГС ! Рис. 5.46. Наиболее распространенный случай тиминового ! димера. Повреждения данного типа происходят в ДНК клеток, О Н подвергшихся ультрафиолетовому облучению (например, от О М солнечного света). Подобный димер образуется между любыми "мя' " ""~"б;Ф~ двумя соседними пиримидиновыми основаниями (остатки с )( ~.
или Т) в ДНК. М ., ':.,':.':-' -,-,-::-: '.С=О по следующим поколениям клеток. Такая высокая .'С ''ЪАб" частота случайных изменений в последовательно Ф О О,. „-Ррь) Онз сти ДНК имела бы катастрофические последствия для организма. й 5.4.2. Двойнал спираль ДНК легко О г. М рЕСтаарИруЕтСЯ М "'- =О Н .': —,': ' " ''" 'з,'Р=О устроенная в виде двойной спирали структу Н ра ДИК идеально подходит для восстановления Ф в первоначальном виде, потому что несет в себе две отдельные копии всей генетической информации— по одной в каждой из двух цепей.
Таким образом, когда одна цепь повреждается, комплементарная сохраняет неповрежденную копию той же самой информации, и эта копия обычно используется для восстановления правильных последовательностей нуклеотидов в поврежденной нити. (в)(птйввйвввзз())МК, старая цепь апуриниааципд. З новая цепь нуклвгпиднва пара , д';тудаденв жвжкгкьы ~м~к цю 'му)и(к)ввв(ве)вДИКг старая цепь деааминированный С е заменен '' РЕПЛИКАЦИЯ ч З к,г к б) ' яЬа)аай(рва(айя(йсз((йс; старая цепь : йвюмайиввгаяей д)й( Рис.
5.47. Как химические модификации нуклеотидов вызывают мутации. а) Дезаминирование цито- зина, если не будет исправлено, приводит к замене одного основания другим при репликации ДНК. Как показано на рис. 5 45, при дезаминировании цитозина получается урацил Урацил отличается от цитозина особенностями образования комплементарных пар и предпочтительно спаривается с аденином. Машины репликации ДНК поэтому вставляют в новую нить аденин, когда встречают урацил на матричной нити.
б) Апуринизация может привести к потере пары нуклеотидов. Когда репликацианные машины встречают на матричной нити отсутствующий пурин, они могут перескочить к следующему полноценному нуклеотиду, как показано на этом рисунке, и в новосинтезированной нити, таким образом, появляется дел еция. При реплика ции ДН К мутации возникают и вследствие многих других видов ДН К-повреждений (см. рис. 5.44), если те остались неисправленными.
5.4. Репарация ДНК 457 Признаком значимости двухцепочечной спирали для безопасного хранения генетической информации служит ее повсеместное использование всеми клетками; только отдельные маленькие вирусы используют в качестве своего генетического материала одноцепочечную ДНК или РНК. Процессы репарации, описанные в этом разделе, не могут работать с такими нуклеиновыми кислотами, и, будучи повреждены, одноцепочечные геномы, таким образом, имеют очень высокий шанс на появление измененного нуклеотида. Кажется, что только организмы с крошечными геномами (и поэтому крошечными мишенями для повреждения ДНК) могут позволить себе хранить свою генетическую информацию в молекуле, отличной ог двойной спирали ДНК.
5.4.3. Различные повреждения ДНК устраняются разными способами Клетки имеют многочисленные способы репарации своей ДНК, предполагающие использование разных ферментов, которые действуют на повреждения различных видов. На рис. 5.48 показано два из наиболее распространенных способа. В обоих случаях повреждение вырезается, первоначальная последовательность ДНК восстанавливается ДНК-полимеразой, которая использует неповрежденную нить в качестве матрицы, и остающийся разрыв в двойной спирали «заделывается» ДНК-лигазой (см, рис, 5.13). Эти два способа отличаются механизмами, используемыми для удаления, повреждения из ДНК.
Первый способ, названный репарацией вырезанием оснований, или эксцизионной репарацией оснований (Ьазе ехс(гйоп гера(г), вовлекает батарею ферментов, называемых ДНК-гликоэилаэами, каждый из которых может распознавать в ДНК определенный тип видоизмененного основания и катализировать его гидролитическое удаление. Существует по крайней мере шесть типов таких ферментов, в том числе те, что удаляют дезаминированные С, дезаминированные А, различные типы алкилированных или окисленных оснований, основания с открытыми кольцами и основания, в которых двойная углерод — углеродная связь была случайно преобразована в одинарную углерод — углеродную связь. Как видоизмененное основание обнаруживается в двойной спирали? Ключевой шаг — опосредствованное ферментом «выпячивание наружу» («111рр1пй оШ, ) видоизмененного нуклеотида из спирали, что позволяет ДНК-гликозилазе исследовать основание «со всех строп» на предмет повреждений (рис.
5.49). Предполагается, что эти ферменты путешествуют по ДНК, выставляя основания из спирали, — чтобы оценить их статус. Как только фермент находит и распознает поврежденное основание, он отщепляет его от сахара. «Недостающий зуб» (или «дырка»), созданный действием ДНК-гликозилазы, опознается ферментом, названный АР-эндонуклеазой (аббревиатура АР означает апуриновая или апирцмидиновая, приставка энда показывает, что данная нуклеаза расщепляет внутренние, а не концевые звенья полинуклеотидной цепи). Этот фермент расщепляет фосфодиэфирную связь в сахарофосфатном осто ве, после чего повреждение удаляется и получившаяся прореха заделывается (см. рис. 5А8, а).
Депуринизация, наиболее частый тип повреждений ДНК, также лишает основания сахар дезоксирибозу. Депуринизация начинается прямо с действия с Ар-эндонуклеазы, за чем следуют процессы, представленные в нижней части схемы на рис. 5А8, а. Второй основной путь называют репарацией вырезанием нуклеотидов, или эксцизионной репарацией нуклеотидов (пце!ео6де ехс(з(оп гера)г), а иногда , 'РЕт)АРАЦИЙ Вырезйнибй) иуВЙютид()В пиримипннавый линер с т л с о о т с т л с т л т о а пары оснований, ) свяаанныв ] водородными а лт а с с л а л т а л та с с связями ..' РЕР)А))зф(ИЯ а) ВЬ)ргВЗАЙИВМ ОСИС)ВАН)4Й дезвминироввнный С остобгсс В, пары оснований, ] свяаанныв з водородными связями салотлоо В ко)~ИАВИОгННАЯ ! стА% аотстлстлтотта аст лтсс ,и ДР(К утратившая одно иа оснований с о л о та а о саатстлстлта ДАВКЕ))ЙКФЗА В) ФЛЯКП' ОМР(чйзоЮФАТ ест лтсс стл спираль ДНК с брешью в 12 нукпвотидов ДНК;ПЗВПИМВРДВАДОВАВДВВт ~ НОВ)йВ НУВПВО~~.
астслтсс стлсаатстлстлтаа солотлаа просто эксцизией. Этот механизм может устранять повреждения, обусловленные почти любым существенным изменением в структуре двойной спирали Д) (К. К та ким «массивным повреждениям» относятся ковзлентные связи, образовавшиеся Рис. 5.48. Сравнение двух основнык способов репарации ДНК. о) Эксцаэионная репарация оснований Этот путь начинается с ДНК-гликозилазы. Здесь фермент урацил-ДНК-гликозилаза удаляет спонтанно дезаминированный цитозин из ДНК.
После действия этой гликозилазы (или иной ДНК-гликозилазы, которая распознает иной вид повреждения) сахарофосфат с отсутствующим основанием вырезается последовательным действием АР-эндонуклеа вы и фосфоди зете разы. (Те же самые ферменты начинают тутже восстановлениедепуринизированныхучастков.) Затем брешь единственного нуклеатида заделывается ДНК-полимеразой и ДНК-лигазой.
В конечном итоге на место О, который появился в результате спонтанного деза минирования, обратно становится С. АР-энда ну«лев за так названа потому, что она узнает любой участок в спирали ДНК, который содержит сахар дезоксирибозу с отсутствующим основанием; такие участки могут возникнуть либо в силу потери пурина (апуриновые участки), либо вследствие потери пиримидина (апиримидиновые участки). 6) Эксцизионная репарация нуклеогпидов, У бактерий, после того как мультиферментный комплекс распознает повреждение типа пиримндинового днмера (ои.
Рис 5 46), с двух сторон от повреждения производится разрез, и ассоциированная с комплексом ДНК-хеликаза удаляет вырезанную часть поврежденной нити. «Машина эксцизионной репарацииь у бактерий оставляет после себя брешь из 12 нуклеотидов, что показано на рисунке. У человека, как только поврежденная ДНК опознана, хеликаза рекрутируется для локального раскручивания двойной спирали ДНК. Затем эксцизионная нуклеаза входит в зону действия и расщепляет связи по обе стороны повреждения, оставляя после себя брешь приблизительна из ЗО нуклеотидов. Машины эксцизионной репарации ну«пептидов и у бактерий, и у человека могут распознавать и репарировать множество различных видов ДНК- повреждений. а) Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
