Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 94
Текст из файла (страница 94)
Прежде всего, резервным полимеразам недостает функции экзонуклеолитической коррекции; кроме того, многие из них гораздо менее разборчивы, чем репликационная полимераза, в плане выбора нуклеотида, который необходимо включить в первую очередь. Возможно, по этой причине молекуле каждой такой полимеразы дан шанс добавить только один или несколько нуклеотндов. Хотя подробности этих завораживающих реакций все еще в стадии изучения, они предоставляют нам изящное свидетельство трогательной заботы, с которой организмы поддерживают целостность своей ДНК.
НБГОМОПОГИЧНОБ СОБДИНБНИБ концов днк б) ГОМОЙОГИЧНАЙ РЕКОМБИНАЦИЯ случайный двухцепочечный разрыв ДНК потмвя нукпвотидов по причине деградации концов разрыва потеря нуклеотидов по причине деградации концов разрыва ! соединение концов цепей обработка концов разрыва и гомологичная рекомбинвция депеция участка ДНК безошибочное устранение повреждения ДНК при помощи информации от сестринской хроматиды Рис.
$51. Два разных способа устранения двухцепочечных разрывов. а) Негомологич ное соединение концов изменяет первоначальную последовательность ДНК при репарации разорванной хромосомы. Зги изменения могут быль или в форме деле ци й (как показано), или в виде коротких вставок, б) Устранение двухцепочечныхх разрывов гомологичной рекомбинацией осуществить сложнее, но при репарации данного типа воссоздается оригинальная последовательность ДН К. Такой механизм обычно имеет место после того, как ДНК была удвоена, но прежде, чем клетка разделится надвое. Подробно цепь реакций гомологичной рекомбинации будет обсуждаться позже (см.
рис. 5.61). 5.4.7. Репарация двухцепочечных разрывов проходит зффентивно Особенно опасны повреждения ДНК, при которых обе цепи двойной спира ли разрываются, не оставляя неповрежденной матричной нити, которая могла бы обеспечить точность репарации. Ионизируюшее излучение, ошибки репликации, окислители, а также иные продукты обмена веществ, производимые в самой клет ке, вызывают разрывы подобного рода. Если бы такие повреждения оставались неустраненными, то они вскоре привели бы к дроблению хромосом на фрагменты меньшей длины и к потере генов при делении клетки.
Однако в кузнице эволюции были выкованы два разных механизма, призванных исправлять повреждения такого рода (рис. 5.5О. Наиболее прост для понимания механизм негомологичное соединение концов (поп)зошо)одопа епс)-)ошшд), при котором концы разрыва попросту сводятся вместе и воссоединяются лигированием ДНК, обычно с потерей одного пли нескольких нуклеотидов на участке соединения (рис.
5.52). Такой механизм соединения концов, который можно было бы счесть сработанным ена скорую руку» решением для устранения двунитевых разрывов, весьма распространен в сомати ческих клетках млекопитающих. Хотя на участке поломки неизбежно появляется изменение в последовательности ДНК (мутация), благодаря тому что малая доля генома млекопитающих кодирует белки, этот механизм является, очевидно, прием двухцепочечный разрыв ДНК ° жхючяВ УЗНАВАНИЕ КОНЦОВ РАЗРЫВА ГЕТЕРОДИМЕРАМИ БЕЛКА Кц ПРОЦЕССИНГ КОНЦОВ РАЗРЫВА ДНК ОГРАНИЧЕННЫЙ РЕПАРАЦИОННЫЙ СИНТЕЗ ~ ЛИГИРОВАНИЕ восстановленная ДНК, как правило, утрачивает нуклеотиды в) Рис.5.52. Негомологичное соединение концов. а) Главную раль играет белок Ка — гетер<щимер, который зажимает концы разорванной хромосомы. Вспомогательные белки, показанные здесь, необходимы для удержания разорванных концов в непосредственной близости, покуда они процессируются и в конечном итоге соединяются ковалентно.
б) Трехмерная структура гетеродимера Ка, связанного с концом двухцепочечного фрагмента ДНК. Белок Ка необходим также для реанжировки У(0)) — специфического процесса рекомбинации, посредствам которого в развивающихся В- и Т-клетках создается разнообразие антител и рецепюров Т клеток (абсуждаета< в главе 25). Механизмы реанжировки Н(0)3 и неюмологичнога юединения концов имеют мною общею, но первый основан на специфических двунитевых разрывах, преднамеренно производимых клеткой.
(Изображение б заимствовано из< и. УУайег, а.А. Сага<па апЮ. Бомьегв, иаюге 412: Бот-бтв, 2001. С великодушною дозволения издательства Мастйап РаЫЬЬегз (М.) лемым решением проблемы воссоединения разорванных хромосом. К тому времени, когда человек достигает возраста 70 лет, типичная соматическая клетка содержит более 2000 таких *шрамовь, рассеянных по всему ее геному и показывающих ме ста, в которых ДНК была не совсем точно репарирована путем негомологичного соединения концов. Как было сказано ранее, специализированная структура теломер предотвращает ошибочное распознавание естественных концов хромосом в качестве разорванной ДНК для дальнейшей репарации. В новореплицированной ДНК устранение двухцепочечных разрывов происходит намного более точно (рис.
5.51, 6). Здесь при репарации ДНК в качестве матрицы используется сестринская хроматида. Эта реакция являет собою пример гомоло гичиой )уехал<бина<(ии (Ьоиго(одоиз ГесотЬ(па(т<>п), и мы рассмотрим ее механизм позже ватой главе. Большинство организмов для устранения двунитевых разрывов в ДНК использует и негомапогичное соединение концов, и гомологичную рекомби 5.4.
Репарация ДНК 465 нацию. У человека преобладает негомологичное соединение концов; гомологичная рекомбинацня используется только во время репликации ДНК и вскоре после нее (в Я- и С -фазах), когда сестринские хроматиды могут служить матрицами. 5.4.8. Повреждение ДНК задерживает ход клеточного цикла Как мы только что убедились, клетки содержат многочисленные ферментные системы, которые способны распознавать и устранять повреждения ДНК многих типов.
Ввиду важности поддержания целостной, неповрежденной ДНК из поколения в поколение клетки эукариот имеют дополнительный механизм, который максимизирует эффективность имеющихся в их распоряжении ферментов репарации ДНК: он задерживает ход клеточного цикла, пока репарация ДНК не будет завершена. Как подробно описывается в главе 17, планомерный ход клеточного цикла поддерживается с помощью контрольных точек (с)геснрогп~ь), которые гарантируют строгую последовательность протекания очередных этапов без их взаимного наложения. В нескольких из таких контрольных точек клеточный цикл приостанавливается в случае обнаружения поврежденной ДНК.
Так, в клетках млекопитающих наличие повреждения ДНК может блокировать переход из О,— в Я-фазу, может замедлить Я-фазу после ее начала и может блокировать переход из 5-фазы в М-фазу. Такие задержки облегчают репарацию ДНК, предоставляя время, необходимое для полного завершения «ремонтных работ». Повреждение ДНК индуцирует также усиленный синтез некоторых ферментов репарации ДНК. Важность специальных сигнальных механизмов, которые реагируют на повреждение ДНК, становится очевидной при взгляде на фенотип людей, которые рождены с дефектами в гене, который кодирует белок АТМ. У этих индивидов развивается синдром Луи-Бар, нли атаксия-телеангиэктазия (АТ; а1ахга ~е1апдгесгазга), — заболевание, которое проявляется в атрофии нервной системы, предрасположенности к раку и нестабильности генома. Белок АТМ вЂ” крупная ки ваза, необходимая для выработки внутриклеточных сигналов, которые дают отклик на многие типы спонтанного повреждения ДНК, и поэтому индивиды с дефектами в этом белке страдают от последствий неустраненных повреждений ДНК.
Заключение Генетическая информация может сохраняться неизменной в последовательностях ДНК только потому, что богатый набор ферментов репарации ДНК непрерывно сканирует ДНК и заменяет любые поврежденные нуклеотиды. Репарация ДНК большинства типов зависит от наличия отдельной копии генетической информации в каждой из двух цепей двойной спирали ДНК. Поэтому спонтанное повреждение в одной из цепей может быть вырезано ферментом репарации, и исправленная нить будет повторно синтезирована с учетом информации, заключенной в неповрежденной нити.
Болыиинство повреждений в основаниях ДНК удаляется одним из двух основных способов репарации. При эксцизионной репарации оснований видоизмененное основание удаляется ферментом ДНК-гликозилазой, за чем следует вырезание оголенного сахарофосфата. При эксциэионной репарации нуклеотидов ,иаленьхий сегмент цепи ДНК, окружающий повреждение, удаляется из двойной спирали ДНК в виде олигонуклеотида. В обоих случаях разрыв, остающийся в спирали ДНК, заполняется последовательным действием ДНК-полимеразы и ДНК-лигазы, использующих в качестве матрицы неповрежденную нить ДНК.
466 Часть 2. Основные генетические механизмы Повреждения ДНК некоторых типов могут быть устранены при помощи иной стратегии — прямого химического исправления повреждения, которое осуществляется специализированными белками репарации. Другие критические системы репарации — основанные либо на негомологичном соединении концов, либо на гомологичной рекомбинации, — «сшивают» случайные двунитевые разрывы, которые появляются в спирали ДНК. В большинстве клеток повышенный уровень повреждений ДНК вызывает задержку клеточного цикла, в чем задействован механизм контрольных точек; такая задержка гарантирует, что повреждение ДНК будет устранено до начала деления клетки.
5.5. Гомологичная рекомбинация В двух предыдущих параграфах мы обсуждали механиамы, которые позволяют сохранять последовательности ДНК в клетках, от поколения к поколению, практически неизменными. В этом параграфе мы глубже исследуем один из таких механизмов — гомологичную рекомбинацию. Хотя гомологичная рекомбинация очень важна для точного устранения двунитевых разрывов (см.
Рис. 5.51, б) и повреждений ДНК других типов, она, как мы увидим, может также перестраивать последовательности ДНК. Такие перестройки часто видоизменяют конкретные варианты генов, присутствующие в отдельном геноме, равно как и хронометраж, и уровень их экспрессии. Для любой популяции генетическая изменчивость, обусловленная этим и другими типами генетической рекомбинации, — жизненно важный процесс, направленный на облегчение эволюции организмов в ответ на изменения в окружающей среде. 5.5.1. Гомологичная рекомбинация находит в клетке множество применений При гомологичной рекомбинации (известной также как общая рекомбинация) имеет место генетический обмен между парой гомологичных последовательностей ДНК, то есть последовательностей ДНК, подобных или идентичных по последовательности нуклеотидов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
