РЕПАРАЦИЯ ДНК

Репарация ДНК: введение

Системы репарации ДНК обеспечивают точность воспроизведения и сохранения генетической информации .

Репаративные механизмы, которые использует клетка для поддержания стабильности информации, заложенной в ДНК универсальны - функциональная, а иногда и структурная гомология элементов, образующих эти механизмы, прослеживается от бактерий до человека.

Чем сложнее клетка, тем большее количество структурных и регуляторных генов и их продуктов участвуют в процессах репарации ДНК, хотя принципиальная схема конкретного процесса, как правило, остается неизменной.

Репаративные механизмы образуют сложную сеть, сплетенную функциональными связями или заимствованиями структурных элементов, которая обеспечивает баланс между стабильностью информации в ДНК и ее эволюционной изменчивостью.

Обратимся к схеме, представленной на рис. 2 (http://humbio.ru/humbio/reparation/x0001070.htm) . Точность воспроизведения ДНК и передачи информации, в ней заложенной, обеспечивается двумя матричными процессами - репликацией и транскрипцией ДНК.

Хотя ДНК-полимераза обладает корректирующей активностью, репликация не абсолютно точна, и, если возникают неспаренные основания, то системы коррекции оснований исправляют ошибку.

Если в ДНК появляются одно- и двунитевые разрывы, то в действие вступает гомологичная рекомбинация , которая за счет сестринских обменов точно восстанавливает целостность ДНК. Однако рекомбинация - это "тяжелая артиллерия", и предназначена она более всего для изменчивости . При поступлении в клетку ДНК, которая лишь частично гомологична ДНК клетки, вероятна ее интеграция в геном с помощью гомологичной рекомбинации. На страже точности этого процесса стоит система корекции неспаренных оснований с длинным ресентезируемым участком (ДКНО), которая прерывает рекомбинацию, если гомология взаимодействующих молекул ДНК излишне несовершенна. Более того, ДКНО ликвидирует большинство рекомбинационных застроек на уровне онДНК, если они нарушают комплементарность спаривания нуклеотидов. Тем самым ДКНО снижает частоту рекомбинационных обменов в ДНК. Так система ДКНО отстаивает стабильность генома и его видоспецифичность. Наследственные нарушения клеточных репаративных систем у человека приводят к тяжелым врожденным аномалиям и/или предрасположенности к развитию раковых заболеваний.

Репарация днк: основные механизмы

Два типа нарушений структуры ДНК приводят к мутациям. Это, во-первых, включение нормальных нуклеотидов в аномальное окружение из последовательностей нуклеотидов, приводящих к образованию неправильно спаренных оснований и петель разных размеров. Во-вторых, появление повреждений ДНК в виде аномальных нуклеотидов в правильных последовательностях ДНК. В этом случае речь идет о различных химических модификациях нуклеотидов, включая их разрушение и образование поперечных сшивок. Повреждения ДНК могут приводить к задержке и блокированию репликации и транскрипции.

При исследовании механизмов репарации ДНК важные результаты были получены на клетках, облученных УФ-светом с длинами волн 240-280 нм. УФ-облучение клеток часто сопровождается их гибелью, образованием мутаций и злокачественной трансформацией. Среди первичных повреждений наиболее часто встречаются биспиримидиновые фотопродукты: пиримидиновые димеры циклобутанового типа, соединенные связью 6-4 ( рис. I.56 - http://humbio.ru/humbio/genexp/001af310.htm ). Как про-, так и эукариоты имеют несколько ферментных систем, которые разделяют пиримидиновые димеры или восстанавливают исходную структуру азотистых оснований. К таким репаративным системам относится, прежде всего, система эксцизионной репарации ДНК (NER) , осуществляющая вырезание поврежденных нуклеотидов ( NER - nucleotide excision repair ) или азотистых оснований ( BER - base excision repair ). Система ферментативной фотореактивации ДНК ( PHR - photoreactivation ), основным компонентом которой является ДНК- фотолиаза, разделяет пиримидиновые димеры, превращая их в нормальные пиримидиновые основания. Кроме того, поврежденные УФ- светом молекулы ДНК могут репарироваться с участием систем рекомбинации и в процессе пострепликативного синтеза ДНК. Действие систем репарации поврежденной ДНК распространяется не только на фотопродукты, но и на другие модифицированные основания, образующиеся под действием химических мутагенов. Отдельно следует упомянуть систему, распознающую неправильно спаренные основания в двойной спирали ДНК, возникающие в результате ошибок репликации.

Большинство исследованных организмов обладают системами репарации ДНК в различных комбинациях. Так, клетки E. coli для удаления фотопродуктов используют системы NER и PHR, тогда как у человека пиримидиновые димеры циклобутанового типа удаляются исключительно системой NER.

КОРРЕКЦИЯ НЕСПАРЕННЫХ ОСНОВАНИЙ ДНК

Коррекция неспаренных оснований (КНО) в ДНК: введение

Неспаренные основания в ДНК могут возникать в результате трех событий:

1) прямого повреждения оснований ДНК или их предшественников продуктами клеточного метаболизма;

2) ошибочной подстановки некомплементарного основания ДНК-полимеразой в ходе репликации

3) рекомбинационной интеграции однонитевого участка ДНК в неабсолютно идентичную ДНК, партнера по рекомбинации.

Все события приведут к образованию гетеродуплексной ДНК , которая и становится субстратом для ферментов, корректирующих неправильные пары оснований.

Процесс репарации ДНК при обнаружении ферментами неканонической пары в дуплексе ДНК проходит через ряд реакций.

Обычно такая цепь реакций начинается с обнаружения и удаления одного из нуклеиновых оснований неканонической пары в ДНК, катализируемого соответствующим ферментом группы AP-эндонуклеаз типа II (апуриновых/апиримидиновых эндонуклеаз) [ Kornberg ea 1982 , Краевский ea 1986 ].

Затем происходит гидролитическое расщепление 3'-фосфоэфирной связи, причем фосфат остается в 5'-положении уходящей цепи ДНК. Далее с 3'-концом в месте расщепления цепи связывается ДНК-полимераза бета , приводящая к образованию шиффа между ферментом и 3'-цепью ДНК (реакция А, Рис. 8 - http://humbio.ru/humbio/reparation/x0028a4d.htm ), катализирующая гидролитическое удаление дезоксирибозилфосфатного остатка (реакция В), таким образом освобождая 3'-конец для включения соответствующего канонической паре нуклеотида.

Химический механизм реакции гидролитического удаления включает образование основания Шиффа между остатком Lys72 и альдегидной группой 3'-гликозидного остатка. Далее, после включения в освободившееся положение соответствующего нуклеотидного остатка, ДНК-лигаза воссоединяет непрерывную цепь ДНК.

Наряду с описанным вариантом репарации известны и репараионные процессы, восстанавливающие повреждения одной из цепей ДНК, возникающие в результате мутагенного, лучевого и других воздействий. При этом, по-видимому, во всех случаях заключительные стадии заполнения малых брешей катализируются ДНК-полимеразой бета.

Рентгеноструктурный анализ комплексов [дДНК + ДНК-полимераза] и [дДНК + ДНК-полимераза+dNTP] показывает, что конформация ДНК-полимеразы бета в них сильно различается [ Beard ea 1998 ]. При этом стадией, лимитирующей скорость процесса элонгации является конформационное изменение, превращающее непродуктивный комплекс в продуктивный. Более того, такое превращение эффективно проходит лишь при образовании канонической комплементарной пары, вызывающей конформационное изменение за счет аллостерического влияния. Именно этот механизм главным образом обеспечивает точность синтеза, катализируемого ДНК-полимеразой бета.

В качестве другого примера ДНК-полимераз следует назвать обратные транскриптазы ретровирусов и, вероятно, вируса гепатита В.

Принято различать 2 системы КНО : с длинным ресинтезируемым трактом ( ДКНО , LPMR , long patch mismatch repair ) и очень коротким трактом ( ОККНО , VSPMR , very short patch mismatch repair ).

ЭКСЦИЗИОННАЯ РЕПАРАЦИЯ НУКЛЕОТИДОВ (ЭРН, NER)

Эксцизионная репарация нуклеотидов: введение

ЭР - эксцизионная репарация ДНК; ЭР-комплекс включает ПАРП , XRCC1 , ДНК-лигазу III и ДНК-полимеразу бета .

Эксцизионная репарация нуклеотидов (ЭРН, NER) может осуществляться двумя путями. В первом случае происходит гидролиз фосфодиэфирной связи по 3'- или 5'- концу на некотором расстоянии от ошибочно спаренного (поврежденного) нуклеотида, который далее целиком удаляется под действием 5'->3'- (или 3'->5'-) экзонуклеазы, гидролизующей цепь ДНК нуклеотид за нуклеотидом в соответствующем направлении от первоначального одноцепочечного разрыва в репарируемой ДНК. Образующаяся брешь далее заполняется ДНК-полимеразой. Такой механизм репарации реализуется у E. coli и человека для вырезания неповрежденных (немодифицированных) ошибочно спаренных нуклеотидов. Механизм последовательного эндо- и экзонуклеазного расщепления ДНК не используется для удаления поврежденных (измененных) нуклеотидов. Это связано, по-видимому, с тем, что такие нуклеотиды (например, возникшие в результате образования аддуктов с мутагенами) часто являются ингибиторами экзонуклеаз.

Второй механизм функционирует у всех исследованных видов организмов и заключается в использовании ферментной системы, которая вносит одноцепочечные разрывы по обе стороны от поврежденного нуклеотида на некотором расстоянии от него с последующим удалением одноцепочечного фрагмента ДНК, содержащего измененный нуклеотид.

В универсальном механизме эксцизионной репарации как прокариоты, так и эукариоты гидролизуют 3-5-ю фосфодиэфирную связь с 3'-конца от повреждения ( рис. I.56 - http://humbio.ru/humbio/genexp/001af310.htm ). При этом прокариоты гидролизуют также 8-ю связь от 5'-конца измененного нуклеотида, тогда как у эукариотических организмов происходит одноцепочечный разрыв на расстоянии 21-25 нуклеотидов от повреждения со стороны его 5'-конца. Таким образом, прокариоты удаляют измененный нуклеотид в составе 12-13-членных олигомеров, тогда как эукариоты - в составе одноцепочечных фрагментов ДНК длиной в 27-29 нуклеотидов. Ферментная система, вносящая такие двойные одноцепочечные разрывы, получила название эксцизионной нуклеазы (эксцинуклеазы) . Образующаяся в молекуле репарируемой ДНК одноцепочечная брешь далее заполняется с помощью ДНК-полимеразы, а фосфодиэфирная связь в остающемся одноцепочечном разрыве восстанавливается ДНК-лигазой.

В отличие от ЭРО и прямых реверсий, которые специфичны к достаточно узкому кругу повреждений ДНК, система ЭРН, хотя и с разной эффективностью, удаляет все возможные повреждения, и потому роль ее в поддержании стабильности генома велика. ЭРН детально изучена у E. coli и активно изучается в клетках дрожжей и человека, причем в последних благодаря раскрытию генетической природы таких заболеваний, как пигментная ксеродерма ( ХР ), синдром Кокейна ( СS ) и заболевания трихотиодистрофия ( ТТD ) [ Lehmann A.R., 1995 , Friedberg E.C., Walker G.C., ea., 1991 ].

Стратегия ЭРН во всех случаях, от бактерии до человека, оказалась одинаковой, хотя по мере усложнения объекта количество задействованных в реакции генов и их продуктов возрастает от 6-8 у E. coli до 30 у человека [ Lehmann A.R., 1995 ].

Интересной особенностью ЭРН явилось также наличие особой сопряженной с транскрипцией ее ветви, которая осуществляет репарацию в наиболее важных для клетки транскрибируемых районах генома. Действительно, если повреждение в транскрибируемой (матричной) нити ДНК задерживает продвижение РНК-полимеразы, то специальный белковый фактор TRCF ( transcription-repair coupling factor ) сталкивает РНК-полимеразу и связывает с этим местом комплекс ферментов репарации. См. Сопряжение транскрипции и репарации ДНК у E/coli. Действуют ли все ферменты cистемы ЭРН в составе единой "репаросомы" или ЭРН - это координированный ансамбль отдельных репарационных ферментов, пока не ясно, однако несомненно существование сложного ферментного комплекса, который принято называть " эксцинуклеазой " и который осуществляет первые три из четырех основных стадий процесса ЭРН.

В системе эксцизионной репарации ДНК путем удаления нуклеотидов поврежденные азотистые основания вырезаются в составе олигонуклеотидов.

NER: механизм

Процесс NER можно разделить на четыре этапа: а) распознавание поврежденного участка ДНК; б) двойное надрезание (инцизия) цепи ДНК по обеим сторонам поврежденного участка и его удаление (эксцизия); в) заполнение бреши в процессе репаративного синтеза; г) лигирование оставшегося одноцепочечного разрыва ДНК.

BER (эксцизионная репарация удалением поврежденных оснований)

Эксцизионная репарация ДНК путем удаления поврежденных азотистых оснований (BER) вызывает защиту геномной ДНК от повреждений алкилирующими агентами и эндогенными генотоксическими соединениями. Биологическая функция ЭРО заключается в восстановлении исходной структуры модифицированных оснований ДНК. Эта система высокоспецифична [ Lindahl T., 1993 , Lindahl T., ea, 1997 ].

BER начинает функционировать с отщепления ошибочно включенных или модифицированных оснований от дезоксирибозы под действием ключевого фермента - ДНК-гликозилазы, обладающего способностью отщеплять большое число модифицированных оснований ДНК ( рис. I.57 ). В состав системы (BER) входят специализированные ДНК-гликозилазы, которые опознают и удаляют поврежденные основания; АР-эндонуклеазы или АР-лиазы , которые, соответственно, расщепляют нить ДНК с 5'- или 3'-конца апуринового или апиримидинового (АР) сайта; фосфодиэстераз (соответственно 5'или 3'), которые выщепляют дезоксирибофосфатный остаток, и, наконец, ДНК-полимеразы и ДНК-лигазы. В процессе BER может происходить удаление и других производных, образующихся под действием химических мутагенов и вырезание этонопуриновых производных оснований, образующихся под действием винилхлорида, а также С8-аддуктов аминофлуорена с остатками гуанина.

RAD50: РЕПАРАЦИЯ ДВУНИТЕВОГО РАЗРЫВА ДНК (DSBR)

ДНК: двунитевые разрывы (DSB)

Двунитевые разрывы ДНК (DSB) представляют угрозу для стабильности генома и их репарация ( DSBR ) является существенной для выживания клетки и предотвращения рака ( Game, 1993 ; Zdzienicka, 1996 ; Petrini и др., 1997 ; Camey и др., 1998 ; Varon и др., 1998 ; Luo и др., 1999 ; Stewart и др., 1999 ).

DSB индуцируются внеклеточными агентами, такими, как ионизирующая радиация и генотоксичные химические продукты , спонтанно возникают в процессе репликации ДНК и образуются на непродолжительное время в процессе мейоза или рекомбинации V(D)J в иммунной системе ( Ward, 1988 ; Bieme и др., 1997 ; Gellert, 1997 ; Michel и др.. 1997 ).