Эксцизионная репарация оснований
Обычно все клетки живых организмов экспрессируют репарирующие ферменты определенного класса, называемые ДНК-гликозилазами, которые узнают наиболее общеизвестный тип повреждений ДНК связанный с процессом спонтанного дезаминирования цитозина (Cyt) или аденина (Ade) и удаляют измененное основание за счет расщепления N-гликозидной связи между дезаминированной формой основания и остатком дезоксирибозы. При этом фосфодиэфирные связи между этим остатком дезоксирибозы и соседними остатками дезоксисахаров сохраняются. Данный способ удаления измененных оснований создает, так называемые апуринизованные или апиримидинизованные сайты, которые обычно обозначают как АР-сайты. Установлено, что каждый вид ДНК-гликозилаз обладает высокой специфичностью к определенному типу повреждения. Так, например, урацил-ДНК-гликозилаза в высокой концентрации присутствует в тех клетках, в которых наиболее эффективно протекают процессы дезаминирования Cyt. Более того, клетки, утратившие данный фермент отличаются необычно высокой скоростью превращения пар G-C в пары А-Т. Характерная особенность урацил-ДНК-гликозилазы состоит в неспособности данного фермента удалять урацил (Ura) из РНК или тимин (Thy) из любой цепи ДНК. Вполне очевидно, что приобретенная клетками возможность отличать в составе ДНК Thy от продукта дезаминирования цитозина – Ura является необходимым условием не только селективного репарирования последнего, но и служит объяснением причины выбора эволюцией Thy в качестве одного из оснований ДНК вместо Ura.
Рис. 4 |
Эксцизионная репарация оснований. 1 – ДНК-гликозилаза расщепляет N-гликозидную связь между поврежденным основанием и соответствующим ему остатком дезоксирибозы. 2 – АР-эндонуклеаза расщепляет фосфодиэфирную связь сахарофосфатного остова вблизи появившегося АР-сайта. 3 – ДНК-полимераза I инициирует репарационный синтез ДНК, начиная его с 3/-ОН группы пробела, удаляя (за счет своей 5/3/ экзонуклеазной активности) часть поврежденной цепи и замещая ее неповрежденной. 4 – брешь зашивается ДНК-лигазой. |
В настоящее время установлено, что в бактериальных клетках присутствует только один вид урацил-ДНК-гликозилазы, в то время как клетки человека содержат, по меньшей мере, около четырех таких ферментов, обладающих различной специфичностью, что еще раз указывает на чрезвычайную значимость необходимости удаления урацилов из молекул ДНК. Наиболее широко распространенная урацил-ДНК-гликозилаза клеток человека, обозначаемая UNG, связана с реплисомой, в составе которой фермент удаляет случайно встроенные вместо Thy остатки Ura во время репликации. Установлено, что в одноцепочечных ДНК процесс дезаминирования Cyt протекает в 100 раз более эффективно, чем в двухцепочечных ДНК. Очевидно, по этой причине в клетках человека присутствует специфическая урацил-ДНК-гликозилаза hGMUG1, удаляющая все остатки Ura, которые могут случайно появиться в одноцепочечных участках ДНК во время репликации или транскрипции. Две другие урацил-ДНК-гликозилазы человека, TDG и MBD4, обеспечивают удаление остатков Ura или Thy образующихся в результате дезаминирования Cyt и 5mCyt, соответственно, и оказавшихся спаренными с Gua.
Кроме урацил-ДНК-гликозилаз в клетках присутствуют другие ДНК-гликозилазы, которые узнают и удаляют поврежденные основания появляющиеся в составе ДНК в результате иных отличных от дезаминирования процессов. Примерами могут служить появление формамидопиримидина и 8-гидроксигуанина (которые образуются в результате окисления пуринов), гипоксантина (образующегося путем дезаминирования Ade) или алкилированных оснований, таких как 3-метил-Ade или 7-метил-Gua. ДНК-гликозилазы определенного типа способны также идентифицировать повреждения особого вида, что связано с образованием под действием УФ-излучения внутрицепочечных пиримидиновых димеров в молекуле ДНК. Следует также помнить, что АР-сайты могут появляться в ДНК в результате естественного процесса называемого апуринизацией.
На следующей стадии, как только в результате апуринизации или под действием любой из ДНК-гликозилаз образовался АР-сайт, в процесс репарации включаются АР-эндонуклеазы. Участие этих ферментов определяется невозможностью простого встраивания правильного основания в АР-сайт с последующим восстановлением N-гликозидной связи. Вместо этого из сахарофосфатного остова цепи ДНК вырезается остаток дезоксирибозо-5/-фосфата и замещается новым нуклеотидом. Место расщепления цепи ДНК относительно положения АР-сайта (т.е. с 5/- или 3/-стороны) зависит от типа АР-эндонуклеазы. После расщепления происходит удаление сегмента ДНК содержащего АР-сайт, ДНК-полимераза I заполняет пробел и брешь сшивается ДНК-лигазой. Замены нуклеотидов в ДНК эукариот при этом виде репарации осуществляют специализированные ДНК-полимеразы (см. ниже).