Тема 4: Репарация

Хотя ДНК является достаточно стабильной молекулой благодаря «сокрытию» реакционноспособных групп внутри двухцепочечной молекулы и вследствие стойкости дезоксирибозы по сравнению с рибозой, все же она подвергается изменениям под воздействием следующих факторов:

– спонтанные мутации (частота 10^-4–10^-11), происходящие под воздействием тепловой энергии, активных метаболитов, при ошибках в работе ДНК-полимераз;

– индуцированные мутации под воздействием УФЛ, ионизирующей радиации, многочисленных химических мутагенов;

– рекомбинативные процессы, осуществляемые при участии мобильных генетических элементов - МГЭ (плазмид, транспозонов, вирусов).

Важную роль в исправлении повреждений ДНК, вызванных мутациями и рекомбинациями, играет репаративная система клетки, включающая целый ряд разнообразных ферментов. Репаративные ферменты могут действовать точечно, исправляя локальные мутации (прямая репарация, фотореактивация), а могут и удалять достаточно крупные участки поврежденной ДНК (эксцизионная репарация, темновая репарация). Образовавшиеся при этом делеции застраиваются с использованием неповрежденной матричной цепи при участии репликативных ферментов. В случае особо мощного воздействия мутагенов включается SOS-индуцированная репарация, которая призвана сохранить ДНК любой ценой, даже допуская ошибочное встраивание нуклеотидов.

 

Классификация систем репарации

 

І. Система модификации и рестрикции у бактерий

ІІ. Репликационная репарация – коррекция ДНК с помощью ДНК-полимераз и др. ферментов по ходу репликации.

ІІІ. Пострепликационная репарация (в основном рекомбинационная) – исправления повреждений в уже синтезированной ДНК.

Рассмотрим эти типы репараций.

І. МR-система (система рестрикции-модификации)

МR-система у бактерий представлена двумя типами ферментов: метилазами и рестриктазами и направлена на уничтожение чужеродной ДНК, проникающей в клетку извне или же на ДНК, образующуюся в результате спонтанных внутренних мутаций.

Метилазы метят метильными группами аденин и цитозин в определенных участках собственной ДНК – «горячих точках» рестрикции. Горячими точками рестрикции являются обычно небольшие палиндромы – участки ДНК, в которых относительно условной точки симметрии в транс-положении имеются инвертированные повторы, т.е. одинаковые, но повернутые относительно друг друга на 180⁰, например:

А А Г Г Ц А Т Г Ц Ц Т Т

Т Т Ц Ц Г Т А Ц Г Г А А

 

Рис. 4.1. Пример палиндрома (стрелкой обозначена условная ось симметрии, относительно которой цепи повернуты на 180^О в транс-положении)

 

Рестриктазы в этих же сайтах («горячих точках» рестрикции) могут разрезать ДНК, если она не метилирована. Эта система защиты направлена прежде всего на проникающую в клетку чужеродную ДНК (в основном фаговую). Метилазная и рестриктазная активности могут принадлежать одному белку, а могут – двум разным белкам. Метилирование «своей» ДНК в специфических сайтах предотвращает ее от разрушения собственными рестриктазами. Действием метилаз можно объяснить появление в ДНК минорных азотистых оснований – 5-метилцитозина и 6-метиламинопурина. Они появляются сразу после репликации.

Сейчас известно более 400 микробных рестриктаз, которые распознают приблизительно 100 сайтов рестрикции. Рестриктазы могут разрезать ДНК с образованием «тупых» концов, т.е. с образованием равных фрагментов ДНК в месте гидролиза. Другие рестриктазы могут образовывать «липкие» концы, т.е. разрезают сайт рестрикции со смещением и образованием выступа в одной цепи разрыва и пробела – в другой цепи. Образованные липкие концы комплементарны друг другу. Это свойство рестриктаз широко используется в генной инженерии для встраивания генов в векторы – плазмиды, транспозоны, вирусы и др.