Молекулярные механизмы и биологическая роль репарации ДНК.

Устойчивость всех живых организмов к различным повреждающим агентам (физической, химической и биологической природы) определяется их способностью к восстановлению поврежденных структур. Особая роль принадлежит процессу репарации ДНК на молекулярном уровне, которое приводит к восстановлению нормальной структуры нуклеиновых кислот.

 

Роль ДНК и РНК (САМОСТОЯТЕЛЬНО!!!!)

 

В ходе эволюции возникли восстановительные системы, которые направлены на исправление повреждений в молекуле ДНК.

 

В настоящее время выделяют:

Дорепликативная репарация –

· фотореактивация,

· эксцезионная или темновая репарация.

Фотореактивация – это явление открыто в 1949 году Кёльнером.

 

Фотореактивация относится к одноэтапным процессам и осуществляется с помощью фермента – фотолиаза. Сущность этого явления состоит в том, что видимый свет (λ = 300-400 нм) возбуждает фотореактивирующий фермент (ФРФ), который в свою очередь расщепляет пиримидиновые димеры.

Этот механизм устраняет только один вид повреждения (тиминовые димеры) осуществляется одним ферментом в одну стадию. В темноте фотолиаза присоединяется к димеру и под действием видимого света расщепляет димер с образованием исходных неповрежденных оснований, а фотолиаза высвобождается.

В 1971 году было установлено, что ФРФ обнаружен у всех видов живых организмов; фотореактивация была выявлена в лейкоцитах и фибробластах.

Необходимо отметить, что связывание фермента с содержащей димеры ДНК обратимо. Если этот комплекс не подвергается действию фотореактивирующего света, то происходит его диссоциация, а ДНК, которая несет измененные фрагменты может стать субстратом для действия ферментов темновой репарации.

Биологическая роль фотореактивации состоит в защите ДНК от УФ излучения.

Эксцезионная репарация. Темновая репарация и внеплановый синтез ДНК.

Наиболее общим способом исправления структур поврежденной ДНК является эксцезионнная репарация.

Механизм эксцезионной репарации был обнаружен в 1964 г. в клетках микроорганизмов, облученных УФ светом. Характерной особенностью была эксцезия (вырезание пиримидиновых димеров из УФ облученных ДНК).

Позднее оказалось, что этот механизм не ограничивается устранением УФ повреждений ДНК, а имеет универсальное значение системы элиминирующей любые химические повреждения первичной структуры ДНК.

Другой особенностью эксцезионной репарации является отсутствие потребности в энергии видимого или ближнего УФ света.

Эксцезионная репарация относится к многоэтапным процессам, происходит в 4 стадии с помощью мультиферментной системой и устраняет димеры, пиримидиновые основания и продукты радиолиза.

Стадии:

 

Ø инцезия (надрезание) – это ферментативный процесс, заключающийся в разрыве эндонуклеазами цепи ДНК рядом с повреждением. Считают, что этой стадии предшествует стадия распознавания дефектов ДНК.

Ø эксцезия – в ходе которой происходит выщепление димера и стоящих рядом нуклеотидов участвует фермент экзонуклеаза. Эксцезия начинается экзонуклеазной атакой поврежденной ДНК. При этом отщепляется пиримидиновый димер и происходит дальнейшее последовательное отщепление стоящих рядом нуклеотидов. Другой конец разрыва, содержащий на 3^/ - конце фосфатную группу, не может служить затравкой для экзонуклеазной активности ДНК – полимеразы 1, т.к. активность фермента, присоединяющегося к такому концу ингибируется, поэтому отщепление фосфата с 3^/ - конца вместе с нуклеотидом происходит под действием фермента эндонуклеазы 3. В результате образующийся 5^/ - конец является необходимым для завершения стадии репарации ДНК или ДНК – полимеразной реакции или для завершения репаративного синтеза. В качестве матрицы для репаративного синтеза ДНК используется комплементарная неповрежденная нить ДНК, которая обеспечивает точное воспроизведение первичной структуры ДНК, которая существует до воздействия мутагена.

Ø репаративный синтез, при котором образуются бреши, которые застраиваются короткими участками с помощью фермента ДНК – полимеразы.

Ø стадия сшивания -  сшивание 5^/ - конца с 3^/ - концом репарированной ДНК, участвует фермент лигаза. При действии радиации, когда происходит разрыв ДНК, лигаза может действовать как самостоятельный репаративный фермент, осуществляет сверхбыструю репарацию.

Т.о. фотореактивация и эксцезионная репарация протекает до того как поврежденные клетки вступят в фазу синтеза ДНК.

 

В отличии от фотореактивации и эксцезионной репарации пострепликативная репарация начинается после того как клетки приступают к репликации. При этом синтез ДНК идет в обход повреждения, но против них в дочерних нитях образуются бреши, которые заделываются путем рекомбинации или синтезом ДНК de novo.

Синтез ДНК de novo может быть двоякого рода:

· синтез аналогичный нормальной репликации, при которой азотистые основания включаются в ДНК в полном соответствии с правилами комплиментарности – это называется безошибочный путь репарации

· безматричный синтез, когда основания встраиваются наугад (склонный к ошибкам путь восстановления)

 

Все 3 типа репарации широко распространены в природе. У разных групп организмов тот или иной путь репарации может быть более активным или даже отсутствовать полностью, тогда это компенсируется другими репарирующими системами. Совместное действие разных восстановительных систем устраняет многие повреждения ДНК.

Это разнообразие дает основание предполагать, что репарации подвергаются любые стабильные изменения НК. Показано, что с помощью репарации можно избежать некоторые мутации, которые приводят к летальному исходу, злокачественным новообразованиям и т.д.

Болезни