19. Sos репарация

SOS-репарация используется, когда повреждений в ДНК становиться настолько много, что клетка может погибнуть. Степень индукции данного типа репарации пропорциональна количеству повреждений в ДНК. При небольшом числе повреждений увеличивается число репаративных белков, при большем числе повреждений приостанавливается деление клетки и индуцируется синтез еще большего числа репаративных белков. При еще большем числе повреждений в клетке синтезируются белки, которые способствуют ДНК-полимеразе осуществлять синтез дочерней цепи ДНК, используя в качестве матрицы дефектные звенья материнской цепи. В связи с этим в дочерней цепи ДНК появляется много ошибок. Благодаря SOS-репарации происходит удвоение ДНК и клетка может разделиться. Дочерние клетки выживут, если жизненно важные функции, закодированные в ДНК, сохраняться, если же нет – погибнут.

20. Мобильные генетические элементы и их типы про- и эукариот (транспозиция)

Мобильные генетические элементы (МГЭ) – особые последовательности ДНК, способные перемещаться внутри генома живых организмов. Они обнаружены практически во всех изученных организмах. В настоящее время известно несколько типов МГЭ. Различные

МГЭ отличаются друг от друга своей организацией и функциями, выполняемые в клетках.

Мобильные генетические элементы прокариот.

У прокариот выявлено несколько различных МГЭ: IS-элементы, транспозоны, плазмиды, а также некоторые бактериофаги.

IS-элементы (insertion sequences)

IS-элементы их еще называют инсерционные последовательности чаще состоят из 700 – 1500 пар нуклеотидов. На их концах располагаются инвертированные повторы, необходимые для перемещения, и содержащие обычно 10-40 пар нуклеотидов. В составе IS-элементов содержится один или несколько генов ответственных за их перемещение (транспозицию) по геному. Продуктом этих генов является транспозаза – белок, обеспечивающий перемещение IS-элемента. Транспозиция IS-элементов может происходить двумя способами. При транспозиции IS-элемента по первому способу происходит его удвоение, при этом одна из его копий остается на прежнем месте, а вторая встраивается в новый участок ДНК. Встраивание IS-элемента сопряжено также и с удвоением сайта-мишени, имеющего определенную длину (обычно 5 – 10 пар нуклеотидов) для каждого элемента. Обычно IS-элементы могут интегрировать в различные участки генома бактерий. В тоже время некоторые последовательности ДНК могут оказаться более предпочтительными, чем другие. При втором способе перемещения

происходит вырезание IS-элемента и последующее его встраивание в другой участок генома. IS-элементы при транспозиции могут попасть в регуляторную или кодирующую части гена и вследствие этого его инактивировать, или нарушить его нормальную регуляцию. IS-элементы могут влиять и на экспрессию генов расположенных с ними поблизости.

Транспозоны

Транспозоны (Tn-элементы) обладают теми же характеристиками, что и IS-элементы, но несут дополнительные гены, несвязанные с транспозицией. Такими генами могут быть:

а) гены устойчивости к антибиотикам, позволяющие бактериальной клетке выживать в присутствии соответствующих антибиотиков;

б) гены устойчивости к тяжелым металлам и другим ядам, позволяющие бактерии выживать при их наличии в среде обитания;

в) гены токсинов, снижающие жизнеспособность хозяев;

г) гены, позволяющие бактериям использовать нетрадиционные субстраты;

д) другие гены.

Транспозон может быть организован, так же, как и IS-элемент.

Но в отличие от IS-элементов транспозоны еще несут дополнительные гены, несвязанные с транспозицией. Как и IS-элементы транспозоны ограничены короткими прямыми повторами, возникшими в результате дупликации при его интеграции в геном.

Механизм перемещения Tn-элементов сходен с таковым IS-элементов. Встраивание транспозонов, как и IS-элементов, может происходить в различные районы генома. Однако они могут предпочитать определенные области хромосом для интеграции. Транспозоны способны передавать заключенные в них гены от одних бактерий другим, что может играть важную роль при адаптации бактерий к антибиотикам или продуцирования ими новых токсинов.

Плазмиды

В бактериальных клетках присутствуют внехромосомные факторы наследственности – плазмиды. Они способны переносить генетическую информацию от одной бактерии в другую. Существуют плазмиды, способные обратимо интегрировать в хромосому. Их называют – эписомы. Эписомы, обычно, содержат IS- или Tn-элементы, благодаря которым они могут включаться в состав хромосомы. Размер ДНК плазмид составляет 0,1 – 5 % размера хромосомы. Плазмиды в большинстве случаев кольцевые, ковалентнозамкнутые, суперсперализованные молекулы ДНК. Однако, существуют и линейные плазмиды, у таких плазмид концы защищены белками или соединены ковалентно. Плазмиды несут гены, необязательные для бактерий: гены устойчивости к антибиотикам; гены устойчивости к тяжелым металлам и другим ядам; гены токсинов; гены, позволяющие бактериям использовать нетрадиционные субстраты; другие гены.

Плазмиды для своей репликации используют клеточный репликативный аппарат. Каждая плазмида представляет собой репликон, репликация которого находится под контролем, поэтому каждая плазмида в клетке бактерии представлена определенным числом копий. Различают:

а) однокопийные плазмиды – представлены в клетке одной копией на клетку;

б) мультикопийные плазмиды, присутствуют в клетке обычно в 10 – 20 копиях;

в) плазмиды с ослабленным контролем репликации, они могут накапливаться в клетке до 1000 копий.

Плазмиды могут передаваться от одной бактерии к другой при конъюгации. В связи с этим различают трансмиссивные плазмиды. Эти плазмиды содержат tra-гены.

Плазмиды могут иметь широкий круг хозяев. Их называют космополитными плазмидами. Существуют плазмиды, способныет существовать в клетках грамположительных и грамотрицательных бактерий. Существуют плазмиды, способные существовать как в

прокариотических клетках, так и в клетках дрожжей.

Мобильные генетические элементы эукариот

МГЭ эукариот составляют около 10 – 30 % генома. Они рассеяны по геному, но иногда могут концентрироваться в определенных участках хромосомы. МГЭ перемещаются как внутри хромосомы, так и между ними. При этом транспозиции МГЭ происходят очень

редко, одно перемещение часто приходится на многие тысячи особей. МГЭ ответственны за ряд генетических явлений. У эукариот различают несколько классов МГЭ: транспозоны, ретропозоны, ретротранспозоны.

Транспозоны

Транспозоны эукариот сходны по организации с МГЭ прокариот. Они с флангов ограничены инвертированными повторами, необходимыми для их транспозиции. Наиболее хорошо изученные транспозоны эукариот – Р-элемент дрозофилы и Ас-элемент кукурузы Они представлены в геномах в 30 – 50 копиях, содержат ген транспозазы. Этот ген имеет прерывистое строение – состоит из экзонов и интронов. РНК, считанная с него, подвергается сплайсингу. Сплайсированная иРНК служит матрицей для синтеза транспозазы – белка, обеспечивающего перемещение элементов из одного участка генома в другой. При интеграции транспозонов в новый участок ДНК происходит дупликация сайта-мишени. Р-элемент при транспозиции обычно встраивается в определенный сайт с канонической последовательностью: ГГЦЦАГАС.

Ретротранспозоны с длинными концевыми повторами (ДКП)

Ретранспозоны с ДКП состоят из центральной части, называемой «тело», и имеющей размер 5000 – 8000 п.н. На их флангах располагаются прямые ДКН, состоящие обычно из 300 – 400 п.н. В составе ДКП содержатся участки, ответственные за инициацию транскрипции и полиаденилирование. Ограничивают ретротранспозон короткие прямые повторы, возникшие в результате дупликации сайта-мишени при его встраивании. Число копий ретротранспозонов, принадлежащих к одному семейству, в геноме варьирует от

нескольких до сотен тысяч.

Ретротранспозоны без ДКП

Данный тип МГЭ на флангах не содержит ДКП, в связи с этим они и получили свое название – ретротранспозоны без ДКП. В их перемещении участвуют ферменты обратная транскриптаза и интеграза. В связи с этим не трудно догадаться, что механизм перемещения ретротранспозонов без ДКП включает обратную транскрипцию. На начальном этапе транспозиции происходит транскрипция ретротранспозона. Образовавшаяся РНК служит матрицей для синтеза белков, участвующих в перемещении ретротранспозона без ДКП. В тоже время РНК-копия ретротранспозона, связываясь в

области разрыва ДНК с одной из ее цепей, выступает в качестве матрицы для синтеза комплементарной цепи ДНК при участии обратной транскриптазы. После завершения синтеза этой цепи ДНК РНК удаляется и достраивается вторая цепь ДНК.

Ретропозоны

Ретропозоны представляют собой интегрированные в геном ДНК-копии, синтезированные на различных РНК. Они ограничены короткими прямыми повторами. Существование ретропозонов свидетельствует о том, что возможен поток информации от РНК к ДНК.

Ретропозоны широко распространены среди эукариот. Они обнаружены в геномах млекопитающих, птиц, амфибий, насекомых. У млекопитающих ретропозоны составляют более 10 % от всей ДНК. Некоторые ретропозоны являются псевдогенами. Последние в

отличии от нормальных генов не экспрессируются с образованием функционально активного продукта.