Репарация генетического материала

ДНК постоянно подвергается химическим изменениям в результате воздействия как спонтанных, так и индуцированных факторов среды: УФ-облучение, ионизирующая радиация, химические мутагены, температура и др.

К спонтанным повреждениям относятся:

1. Ошибки репликации (в результате появляются некомплементарные пары нуклеотидов - мисмэтчи);

2. Апуринизация - гидролитическое выщепление азотистых (преимущественно пуриновых) оснований из полинуклеотидной цепи ДНК - приводит к образованию так называемых АР-сайтов, что связано с термолабильностью N-гликозидной связи пуриновых нуклеотидов.

3. Дезаминирование (отщепление аминогруппы от азотистого основания). Спонтанное (или индуцированное повышением температуры) дезаминирование азотистых оснований может изменять структуру ДНК, превращая цитозин в урацил - азотистое основание, не свойственное ДНК и распознаваемое системой репарации.

4. Метилирование (алкилирование). Алкилирование ДНК происходит при участии алкилирующих реагентов (мутагенов), большинство из которых являются канцерогенами. Один из продуктов такой модификации - О⁶-метилгуанин. К числу наиболее мощных алкилирующих реагентов относится иприт и его производные. Производные иприта способны вызывать многочисленные поперечные сшивки в молекуле ДНК, которые ведут к летальному исходу.

5. Окисление. Окисление азотистых оснований в ДНК вызывается различными активными формами кислорода (АФК). Среди них наиболее выраженными окислительными свойствами обладают супероксиданион-радикал (О₂˙) и гидроскильный радикал (˙ ОН). Оба эти соединения могут вызывать окислительные повреждения в ДНК: размыкание пуринового кольца,. с образованием 8-оксогуанина (8-oxo-G) - производное гуанина, которое является мутагеном и способно образовывать водородные связи не с цитозином, а с аденином и таким образом приводит к образованию мутации (трансверсии) в процессе репликации ДНК.

К индуцируемым повреждениям принято относить:

1. Димеризацию (сшивание соседних пиримидиновых оснований с образованием димера). Тиминовые димеры возникают в ДНК за счет образования ковалентных связей между соседними тиминами, расположенными в одной цепи ДНК. Этот процесс вызывается УФ-облучением.

2. Размыкание пуринового кольца (окисление свободными радикалами);

3. Однонитевые и двунитевые разрывы в ДНК (ионизирующая радиация и др.);

4. Сшивки между цепями ДНК (химические агенты).

В ходе эволюции выработалась система, позволяющая исправлять нарушения в ДНК, вызванные ошибками репликации или повреждающими агентами внешней среды, - система репарации ДНК. В результате ее активности на 1000 повреждений в ДНК только одно приводит к мутации. Впервые возможность репарации молекулы ДНК была установлена в 1948 г. американским генетиком А. Кельнером и соавторами.

Системы репарации:

1. Прямая репарация. Это наиболее простой путь устранения повреждений в ДНК, в котором обычно задействованы специфические ферменты, способные быстро (как правило, в одну стадию) устранять соответствующее повреждение, восстанавливая исходную структуру нуклеотидов.

Ферменты:

- О⁶-метилгуанин-ДНК-метилтрансфераза - снимает метильную группу с азотистого основания на один из собственных остатков цистеина.

- ДНК-инсертаза – производит репарирование АР-сайтов путем прямой вставки пуринов.

-ДНК–фотолиазы – «расшивают» тиминовые димеры, которые осуществляют соответствующее фотохимическое превращение. Это группа ферментов, активируемых светом, с длиной волны 300 - 600 нм (видимая область), для чего в их структуре имеется особый светочувствительный центр. Они широко распространены в природе и обнаружены у бактерий, дрожжей, насекомых, рептилий, земноводных и человека. Эти ферменты нуждаются в разнообразных коферментах (ФАДН₂, тетрагидрофолиевая кислота и др.), участвующих в фотохимической активации фермента.

Эксцизионная репарация.

Эксцизионная репарация включает удаление поврежденных азотистых оснований из ДНК и последующее восстановление нормальной структуры молекулы. Здесь принимают участие несколько ферментов, а сам процесс затрагивает не только поврежденный, но и соседние с ним нуклеотиды. Для эксцизионной репарации необходима вторая (комплементарная) цепь ДНК.

Первым этапом эксцизионной репарации является вырезание аномальных азотистых оснований. Его катализируют группа ДНК-N-гликозилаз - ферменты, расщепляющие гликозидную связь между дезоксирибозой и азотистым основанием. В результате действия ДНК-N-гликозилаз образуется АР-сайт, который атакуется ферментом АР-эндонуклеазой. Она разрывает сахаро-фосфатный остов молекулы ДНК в АР-сайте и тем самым создает условия для работы следующего фермента - экзонуклеазы, которая последовательно отщепляет несколько нуклеотидов от поврежденного участка одной цепи ДНК. Далее восвобожденное место заполняется соответствующими нуклеотидами при участии ДНК-полимеразы, ориентирующейся на вторую (комплементарную) цепь ДНК. Окончательное сшивание репарированных участков осуществляет ДНК-лигаза.