2. Фотореактивация

Если микроорганизмы облучить ультрафиолетовым (УФ) светом в очень большой дозе – они погибнут. Происходит это из-за того, что в результате УФ-облучения в ДНК происходят химические изменения тиминов, расположенных рядом. Они образуют друг с другом 4 ковалентные связи, формируя димеры. В результате этого нарушается считывание информации с ДНК и её репликация.

В 1949 г. было обнаружено, что освещение актиномицетов, бактериофага и парамеций видимым светом восстанавливает их жизнеспособность после УФ-облучения в летальных дозах. Это явление было названо фотореактивацией. Тиминовые димеры, возникшие в результате УФ-облучения, под действием видимого света разрушаются, и тимины возвращаются к своей исходной форме.

Фотореактивацию катализирует фермент фотолиаза. Этот фермент активируется фотоном света и расщепляет димер на исходные составляющие. Однако не все тиминовые димеры могут быть фотореактивированы; их исправляют другие репарационные механизмы Фотолиаза обнаружена у прокариот и у низших эукариот. У человека фотолиаза не найдена.

3. Репарация алкилирующих повреждений

Присоединение к нуклеотидам алкильных или метильных групп приводит к химическим изменениям нуклеотидов и, следовательно, генетическим повреждениям ДНК. Такие повреждения репарируются путём удаления этих групп специфическими ферментами. Следует заметить, что в этой репарирующей системе модифицированное основание не удаляется из ДНК. В подобных случаях фермент распознает метилированное азтистое основание в ДНК и удаляет метильную группу, превращая основание в исходную форму.

4. Репарация полинуклеотидлигазой

Многие факторы, например, ионизирующее излучение, могут вызывать однонитевые разрывы ДНК. Эти разрывы устраняются прямой репарацией другого типа – с помощью фермента ДНК-полинуклеотидлигазы. Этот фермент осуществляет прямое воссоединение разорванных концов в молекуле ДНК.

II Механизмы репарации, связанные с эксцизией пар оснований

1. Эксцизия единичных нуклеотидов

Единичные измененные азотистые основания репарируются путём их вырезания. Клетки содержат фермент гликозилазу, которая обнаруживает ненормальное основание и катализирует его отделение от дезоксирибозы. В результате в том месте, где удалено основание ДНК возникает брешь. Эта брешь называется АП-сайтом (апуриновым, если нет А или Г, или апиримидиновым, если отсутствуют Ц или Т). Фермент АП-эндонуклеаза опознает наличие бреши и разрезает нить ДНК с 5'-конца от поврежденного основания. Затем удаляется фосфат на 5'-конце надрезанной нити с помощью фосфодиэстеразной активности ДНК-полимеразы β. Образовавшаяся брешь из одного нуклеотида заполняется ДНК-полимеразой β и запечатывается ДНК-лигазой.

2. Эксцизия нуклеотидных последовательностей

Существуют процессы восстановления правильной структуры ДНК, когда достаточно протяжённые поврежденные участки вырезаются из цепи ДНК, а затем образовавшиеся бреши заполняются неповрежденным материалом. Нарушение опознается эндонуклеазой. Этот фермент делает надрез в поврежденной цепи через 8 нуклеотидов в 5'-сторону от димера и второй надрез – через 4 нуклеотида с 3'-стороны. Затем нуклеотидная цепь, содержащая повреждение, удаляется, брешь заполняется с помощью 5'-3'-полимеризующей активности ДНК-полимеразы I и запечатывается ДНК-лигазой. Эксцизионная репарирующая система найдена у большинства изученных организмов.

3. Репарация неспаренных оснований. Довольно часто (у E. coli с частотой 10^–5, а у эукариот – ещё чаще) во время репликации ДНК происходят ошибки спаривания. В результате этого вместо комплементарной пары нуклеотидов А-Т или G-C в дочернюю цепь ДНК оказываются включенными нуклеотиды, не комплементарные нуклеотидам в материнской нити. Их называют мисмэтчами – (от англ.: mismatch – несоответствие; ошибочный выбор). Такие ошибки корректируются с помощью мисмэтч-системы репарации.

Неправильное спаривание (ошибка репликации) может затронуть только дочернюю нить ДНК, т.к. матричная нить в процессе репликации остается неизменной. Следовательно, система репарации мисмэтчей должна действовать на дочерней цепи и производить замену некомплементарных оснований только в ней. Как клетка распознаёт материнскую цепь (матрицу) и как отличает от неё дочернюю цепь. Оказывается, что после окончания репликации специальные ферменты – метилазы присоединяют метильные группы к аденинам в последовательностях GATC. Поэтому во время следующего раунда репликации нити ДНК оказываются различимыми: материнская нить несет метилированные аденины, а в дочерней их модификация начнется только по окончании репликации. Пока они остаются неметилированными, клетки должны успеть выполнить репарацию мисмэтчей.

Процесс начинается с того, что к некомплементарной паре мисмэтча присоединяется белок MutS. С ним тут же связываются белок MutL и две молекулы белка MutH. Белок MutH способен распознать участок GATC и обладает эндонуклеазной активностью. Благодаря этим свойствам белок MutH разрезает нить ДНК вблизи аденина в неметилированной (т.е. дочерней) нити. Мультимолекулярный комплекс, составленный из этих белков, массивен и связывает длинный фрагмент ДНК. Этот фрагмент ДНК протягивается через комплекс до тех пор, пока два участка GATC, расположенные по обе стороны от мисмэтча, удерживаемого белком MutS, не окажутся захваченными молекулами белка MutH. Иногда расстояние между участками GATC может превышать несколько тысяч нуклеотидов. Благодаря своей эндонуклеазной активности MutH разрезает дочернюю нить. Затем бреши застраиваются ДНК-полимеразой, а концы воссоединены с помощью лигаз. Разумеется, для высвобождения концов нитей после внесения первичных разрезов молекула ДНК должна быть расплетена (требуется белок геликаза), нужны также источники энергии в виде АТР, а для застройки брешей – дезоксирибонуклеозидтрифосфаты. Такой процесс репарации обнаружен в клетках человека, дрожжей и некоторых других организмов.