Генетический контроль и механизмы эксцизионной пострепликативной репарации, репарация неспаренных оснований, репаративный синтез ДНК

Восстановление повреждений в клетке получило название репарации. Эксцизионная – восстанавливает повреждения, возникающие под действием не только ультрафиолетовых лучей, но и ионизирующей радиации и химических мутагенов в темноте. Пострепликативная – происходящая после репликации. Эксцизионную репарацию, связанную с удалением поврежденного участка ДНК, называют также репарацией по типу выщепления-замещения. Происходит также нарушение процесса транскрипции, причем не только его блокирование, но и искажение «смысла» генетической информации. Эксцизионная репарация — многоэтапный процесс, заключающийся в узнавании димера, надрезании моноспирали ДНК вблизи димера — инцизии, удалении димера — эксцизии, ресинтезе ДНК;восстановлении непрерывности репарируемой цепи за счет образования ковалентных связей сахарофосфатного скелета молекулы. Узнавание повреждения в ДНК осуществляет фермент УФ-эндонуклеаза. Он распознает повреждения, возникающие после обработки химическими агентами, такими, как азотистый и серный иприты, нитрохинолиноксид. Эндонуклеаза ответственна и за инцизию, т.е. надрезание одной спирали ДНК непосредственно около димера с 5'-конца в поврежденной цепи. Эксцизию, или вырезание димера из молекулы ДНК, осуществляет другая эндонуклеаза или УФ-экзонуклеаза. Удаление димера происходит в составе короткого олигонуклеотида (3-5 оснований) и может сопровождаться дальнейшей деградацией поврежденной моноспирали. Ресинтез ДНК, в результате которого заполняются бреши, происходит с использованием интактной цепи в качестве матрицы. Основной фермент, ответственный за репаративный синтез ДНК — ДНК-полимераза I. Последний этап эксцизионной репарации заключается в восстановлении непрерывности спирали ДНК, которую осуществляет фермент полинуклеотидлигаза. Пострепликативная репарация. Пострепликативная репарация открыта в клетках мутантов Е. coli, не способных выщеплять тиминовые димеры. В таких клетках после ультрафиолетового облучения происходит редупликация ДНК, но медленнее, чем в клетках дикого типа. Механизм пострепликативной репарации наименее специфичен, так как не требует этапа узнавания повреждения. Рекомбинационная пострепликативная репарация - это быстрый способ восстановления нативной структуры, по крайней мере, у части дочерних молекул ДНК. При этом тиминовые димеры остаются в исходных родительских спиралях. Быстрая репарация, происходящая уже в первые минуты после облучения, зависит, скорее всего, от механизма, работающего конститутивно. Существует и другая разновидность - медленная пострепликативная репарация, которая требует для своего осуществления нескольких часов и зависит от нормального состояния Пострепликативная репарация существует не только у бактерий, но и в клетках эукариот. Она обнаружена и у млекопитающих, для которых получены данные о том, что заполнение пострепликативных брешей может происходить не за счет рекомбинации, а за счет синтеза ДНК. Нарушения процессов репарации ДНК обнаружены у людей, пораженных наследственным заболеванием — пигментной ксеродермой. Известно несколько типов этой болезни, общие симптомы которых — повышенная чувствительность к солнечному свету, приводящая к развитию рака кожи. Культура клеток больных чувствительна к ультрафиолетовому свету, но не к ионизирующим излучениям. У этих больных дефект эксцизионной репарации связан с отсутствием активности УФ-эндонуклеазы. Репаративный синтез ДНК. Одна из причин мутаций – возможность существования оснований ДНК в нескольких таутомерных формах. Если аденин находится в обычной аминной форме, он спаривается с тимином. Будучи в редкой иминоформе, аденин образует пары с цитозином. Этот таутомерный переход аденина при последующей репликации может обеспечивать транзиции ATGC. Редкий енольный таутомер тимина способен образовать пару с гуанином и это также приведет к замене пары нуклеотидов. В дальнейшем расчеты показали, что все транзиции и трансверсии можно объяснить некоторой неоднозначностью соответствия между отдельными нуклеотидами в комплементарных цепях ДНК. Прямым указанием на участие процесса репликации в мутагенезе было открытие мутагенного эффекта аналогов оснований ДНК: 5-бромурацила и 2-аминопурина, вызывающих мутации у бактериофагов и бактерий. 5-бромурацил включается в ДНК вместо тимина и образует пары с аденином. При этом возможно ошибочное спаривание с гуанином при репликации ДНК, уже включившей 5-бромурацил (ошибка репликации), а возможна ошибка при включении аналога в ДНК (ошибка включения). В первом случае в результате ошибки репликации происходят транзиции АТ — GC, а во втором — в результате ошибки включения — транзиции GC — AT. Аналогичны ошибки включения и ошибки репликации и при действии другого аналога оснований — 2-аминопурина. Необходима репликация и для мутаций, индуцированных азотистой кислотой, дезаминирующей аденин, цитозин и гуанин. Взаимодействие азотистой кислоты с первыми двумя основаниями приводит соответственно к транзициям АТ – GC и GC – AT. Продукт дезаминирования гуанина — ксантин образует пары так же, как гуанин с цитозином, поэтому мутации не возникают. Азотистая кислота – высокоэффективный мутаген для вирусов, бактерий и эукариот. Спонтанная мутабильность повышается в результате мутационного изменения генов, контролирующих репликацию ДНК.