Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 93
Текст из файла (страница 93)
Э.аэ. Узнавание необычного нунлеотида в ДНК в ходе в выпячивания оснований» (Ьазе4йрргпб). Ферменты из семейства ДНК-глихозилаз специфически узнают основания в показанной конформации. Каждый из этих ферментов расщепляет глихозидную связь, которая соединяет специфичесхи узнаваемое основание (желлюе) с сахаром основной цепи, и удаляет это основание из ДНК. о) Стержневая модель; б) объемная модель.
в основаниях ДНК в результате нх взаимодействия с крупными углеводородами (например, канцерогенным соединением бензопиреном), а также друг с другом: пиримидиновые основания под действием солнечного света могут образовывать ди меры Т вЂ” Т, Т вЂ” С и С вЂ” С. При этом способе репарации крупный мультиферментный комплекс просматривает Д! (К на предмет всякого искажения в двойной спирали, а не какого либо специфического видоизменения основания. Как только объемное повреждение найдено, он расщепляет фосфодиэфнрную связь в сахарофосфатном остове «неправильной» нити по обе стороны от искажения, и ДНК-хеликаза удаляет однонитевой олигонуклеотид, содержащий обнаруженное повреждение.
Затем эта большая брешь, образовавшаяся в спирали ДНК, заделываегся ДНК полимеразой и ДНК лигазой (рис. 5.48, 6). Лльтернативой процессам репарации путем вырезания оснований и нуклео гидов выступает прямое химическое исправление повреждения ДНК, и эта стра тегия используется для быстрого удаления некоторых особо мутагенных или цитотоксичсских повреждений. Например, поврежденный продукт алкилирования О"-метилгуанин исправляется путем удаления его метильной группы прямым пере носом ее на остаток цистеина в самом репарирующем белке, который разрушается в ходе реакции.
В другом примере метильные группы в продуктах алкилирования: 1- метиладенине и 3 метил цитозине — ч выжигаются» железозависи мой деметилазой с высвобождением формальдегида из метилированной ДНК и восстановлением нативного основания. 460 Часть 2. Основные генетические механизмы 5.4,4, Сопряжение процесса репарации ДНК с транскрипцией гарантирует исправность наиболее значимой для клетки части ДНК Вся содержащаяся в клетке ДНК находится под постоянным контролем на предмет наличия повреждений, и механизмы репарации, которые мы описали, несут свое «дежурство» во всех частях генома. Однако клетки имеют способ направлять процессы репарации ДНК к тем последовательностям, которые особенно срочно востребованы.
Они делают это, связывая РНК-полимеразу — фермент, который транскрибирует ДНК в РНК на первом этапе экспрессии генов, — с исправлением поврежденной ДНК. РНК-полимераза застопоривается в местах повреждения ДНК и с помощью сопряженных с ней белков направляет машины репарации к таким участкам. У бактерий, гены которых относительно коротки, застопоренная РНК-полимераза отделяется от ДНК, ДНК репарируется и ген транскрибируется снова — с самого начала. У эукариот, гены которых могут быть чрезвычайно длинными, используется более сложная реакция, призванная «придержать» РНК-полимеразу, отремонтировать повреждение и затем повторно запустить полимеразу.
Сопряженная с транскрипцией репарация работает по механизмам эксцизии оснований и нуклеотидов и прочими репарирующими машинами, чтобы, случись повреждение, незамедлительно направить все необходимое к самым важным последовательностям ДНК клетки, а именно к тем, которые экспрессируются в данный момент. Что примечательно, репарация данного типа — процесс, специфичный к матричной цепи транскрибируемой ДНК; другая цепь исправляегся с той же скоростью и эффективностью, что и ДНК, которая вообще не транскрнбируется.
Сопряженная с транскрипцией репарация особенно важна для человека, потому что в каждый момент времени транскрибируется лишь малая доля нашего генома. Важность этого механизма можно проследить на индивидах с синдромом Кокейна — заболевания, которое вызвано дефектом сопряженной с транскрипцией репарации. Эти больные страдают замедлением роста, отклонениями в строении скелета, прогрессирующей атрофией нервной системы и повышенной чувствительностью к солнечному свету. Большинство этих проблем, как думают, является результатом остановки (застопоривания) молекул РНК-полимеразы — раз и навсегда — на участках повреждений ДНК, которые расположены в областях жизненно важных генов.
5.4.5. Как особенности структуры, так и химические свойства оснований ДНК облегчают выявление повреждений Двойная спираль ДНК, кажется, оптимально устроена для репарации. Как было отмечено выше, она содержит резервную копию всей генетической информации, Что не менее важно, самое естество четырех входящих в состав ДНК оснований обусловливает очень четкие различия между неповрежденными и поврежденными основаниями. Например, каждое возможное событие дезаминирования в ДНК дает «неестественное» основание, которое может быть непосредственно опознано и удалено специфической ДНК-гликозилазой. Гипоксантин, например, является простейшим пуриновым основанием, способным к специфическому спариванию с С, но гипоксантин есть прямой продукт дезаминирования А (рис. 5.50, а). Добавление второй аминогруппы к гипоксантину дает О, который не может образоваться из А путем самопроизвольного дезаминирования и продукт дезаминирования которого (ксантин) аналогичным образом уникален.
Н Н,О Н вЂ” ~~,,:,~ ..) ) гуан ни .Х„.~. и Н ч.,;:,')' ',.~ ) О квентин урвцип е) тимин Рис. 5.50. Дезаминирование нуклеотидов ДНК. В каждом случае атом кислорода, который присоединяется к основанию в ходе реакции с участием воды, окрашен красным. а) Продукты спонтанного дезаминирования нуклеотидов А и б в ДНК распознаются как неправильные и, таким образом, легко узнаются и исправляются. Дезаминирование С в 0 было представлено также на рис. 545; Т не имеет аминогруппы, которая могла бы быть удалена. б) Около 3 Зь нуклеотидов С в ДНК позвоночных метилировано, что необходимо для выполнения задачи регуляции экспрессии генов (обсудим в главе 7).
Когда такой нуклеотид, 5-метил-С, случайно дезаминируется, образуется естественный нуклеотид Т. Однако этот Т будет спарен с б на противоположной нити, а зто не будет соответствовать правильной, комплементарной, паре оснований. 462 Часть 2. Основные генетические механизмы Как будет рассказано в главе б, РНК, как думают, в эволюционном масштабе времени служила генетическим материалом еще до ДНК, и кажется весьма вероятным, что генетический код изначально закладывался в четырех нуклеотидах: А, С, О и 1). На этой почве возникает вопрос: почему 1) в РНК заменен в ДНК на Т (который есть не что иное, как 5-метил-1)). Как мы могли убедиться, спонтанное дезаминирование С преобразует его в 1), но это событие в достаточной мере обезвреживается урацил-ДНК-гликозилазой.
Однако, если бы ДНК содержала 11 в качестве естественного основания, то системе репарации было бы сложно отличать дезаминированный С от нативного 1). Особая ситуация возникает в ДНК позвоночных, где некоторые нуклеотиды С метилированы в специфических последовательностях С вЂ” О, ассоциированных с неактивными генами (обсуждаем в главе 7).
Спонтанное дезаминирование таких метилированных нуклеотидов С дает естественный нуклеотид Т (рис. 5.50, б), который, как получается, образует «неправильную» пару с О в противоположной нити ДНК. Чтобы помочь репарировать дезаминированные метилированные нуклеотиды С, специальная ДНК-гликозилаза распознает неправильную пару оснований Т вЂ” О и удаляет Т. Однако этот механизм репарации ДНК, должно быль, мало эффективен, потому что метилированные нуклеотиды С служат распространенной мишенью для мутаций в ДНК позвоночных. Поразительно, но при том что только около 3 1' нуклеотидов С в ДНК человека подвергается метилированию, мутации в таких метилированных нуклеотидах составляют приблизительно одну треть из числа всех единичных мутаций, которые выявлены у индивидов с наследственными болезнями. 5.4.6.
В критических ситуациях в репарации ДНК участвуют специальные ДНК-полимеразы Если ДНК клетки серьезно повреждена, то механизмы репарации, которые мы обсудили, зачастую оказываются недостаточно эффективными для того, чтобы справиться с нарушением. В таких случаях иная стратегия пускается в ход — и она сопряжена с определенным риском для клетки. Очень точные репликационные ДНК-полимеразы останавливаются, когда наталкиваются на поврежденную ДНК, и в критических ситуациях клетки используют многоцелевые, но менее точные резервные полимеразы для репликации поврежденной ДНК.
Клетки человека содержат более 10 таких ДНК-полимераз, некоторые из которых могут распознавать повреждения ДНК определенного типа и специфично добавлять нуклеотид, необходимый для восстановления изначальной последовательности. Остальные работают на уровне «верного предположения», особенно когда основание матрицы сильно повреждено. Эти ферменты не такие точные, как типич ные репликационные полимеразы, копирующие типичную последовательность ДН К.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
