12. Перемещение мобильного элемента Sleeping Beauty
Хорошим примером негомологической рекомбинации может служить мобильный элемент Sleeping Beauty (SB), который перемещается по геному с помощью различных факторов, вовлеченных в процессы репарации ДНК, как это показано на рис. 35. Для эффективной транспозиции необходимы факторы NHEJ (системы негомологического воссоединения концов ДНК): Ku, DNA-PK, Xrcc4 и HR (гомологической рекомбинации): Xrcc3/Rad52C. Artemis также необходим для этого процесса, он расщепляет ДНК-шпильки в сайтах эксцизии. Ku физически взаимодействует с транспозазой, а DNA-PK является фактором, критичным для транспозиции. И, в отличие от процессов репарации, не использует свои киназные активности. АТМ вовлечена в репарацию сайта эксцизии и увеличивает уровень транспозиции. Таким образом, одни и те же белки участвуют в различных, но механистически сходных процессах, таких как транспозиция, рекомбинация, репарация и V(D)J рекомбинация.
Рисунок 35. Транспозиция мобильного элемента путем негомологической рекомбинации.
13. Пострепликативная репарация
Пострепликативной, как это следует из названия, принято называть репарацию, которая происходит в клетке после завершения процессов репликации. Очевидно, что это может быть не один, а несколько независимых процессов, происходящих в одно и то же время клеточного цикла. Естественно, что все эти процессы были открыты не одновременно, и долгое время под названием «пострепликативная репарация» подразумевался только процесс гомологической рекомбинации, инициируемый однонитевыми брешами, образовавшимися напротив неотрепарированных пиримидиновых димеров. С этого процесса мы и начнем изучение пострепликативной репарации ДНК.
13.1. Пострепликативная, или рекомбинационная, репарация
В 1968 году американцы У. Рапп и П. Ховард-Фландерс исследовали облученные УФ-светом бактерии, у которых был нарушен синтез эндонуклсаз, участвующих в эксцизионной репарации нуклеотидов. Опыты проводили в темноте для того, чтобы не мог осуществиться и процесс фотореактивации. Таким образом, после УФ-облучения в ДНК этих клеток оказывалось много невырезанных перимидиновых димеров. В тот момент, когда ДНК-полимераза, ведущая репликацию, доходила до первого из них, она на 10 секунд застывала на месте. Этот обнаруженный Раппом и Ховардом-Фландерсом факт задержки синтеза был неоднократно подтвержден другими исследователями. Необходимо сознавать, что задержка на 10 секунд весьма значительна, так как репликация у кишечной палочки идет со скоростью 1000 нуклеотидов в секунду. Затем ДНК полимераза каким-то образом ухитрялась перебраться за пиримидиновый димер и возобновить синтез позади повреждения. Тоже самое повторялось и перед следующим димером. Известно, что репликацию ДНК у E.coli осуществляет специальный комплекс из нескольких десятков белков. Каким образом весь этот белковый комплекс может перебраться через повреждение и возобновить реакцию репликации без помощи затравки (короткого участка РНК, без которого синтез ДНК невозможен) до сих пор до конца не ясно. В результате такого перемещения ДНК-полимеразного комплекса и последующего ресинтеза формируется дочерняя ДНК с брешами, то есть участок дочерней нити, иногда длиной в несколько генов, оказывается неудвоенным, причем в родительской нити напротив бреши так и остается нерепарированное повреждение ДНК.
Рисунок 36. Пострепликативная репарация у E. coli.
Такая ситуация может привести клетку к гибели, и чтобы этого избежать, в клетке включается специальный механизм, основанный на рекомбинации, в процессе которой белок RесА ведет гомологичное спаривание нитей. Из изначально свободной от дефектов комплементарной нити матричной ДНК, на которой процесс репликация ДНК был правильно завершен, вырезается участок ДНК, равный по длине участку бреши, и встраивается в брешь. Затем лигазы соединяют концы вставленного фрагмента с концами нормально синтезированного участка дочерней нити. После этого другие ферменты репарации устраняют дефект в исходно поврежденной нити. Одновременно брешь, оставшаяся после вырезания участка из родительской нити, застраивается ДНК полимеразой I. Эта модель, представленная на рис. 36, как мы уже говорили, описывает только один из механизмов пострепликативной репарации.
У эукариот процесс пострепликативной репарации существенно сложнее, причем репаративные реакции могут идти различными путями, один из которых приводит к появлению мутаций (является мутагенным) и, вероятно, связан с ДНК-полимеразами, способными вести синтез на поврежденной матрице. Этот механизм еще иногда называют «проходом» повреждения. В то же время накопленные экспериментальные данные показывают, что существует и механизм зашивания брешей без ошибок, причем преимущественным механизмом является безошибочный обход повреждения.
Очевидно, что есть момент «решения», каким именно путем будет идти пострепликативная репарация.
К настоящему времени сложилось представление, что ключевую роль в процессах пострепликативной репарации и выборе того или иного ее пути у эукариот играет убиквитинирование вовлеченных белков. Поэтому нам кажется необходимым сделать здесь небольшое отступление.