Репарация ДНК

Репарация (от лат. reparatio — восстановление) — особая функция клеток, заключающаяся в способности исправлять химические повреждения и разрывы в молекулах ДНК, повреждённых при нормальном биосинтезе ДНК в клетке или в результате воздействия физических или химических реагентов. Осуществляется специальными ферментными системами клетки. Ряд наследственных болезней (напр., пигментная ксеродерма) связан с нарушениями систем репарации.

Повреждённые хромосомы

История открытияПравить

Начало изучению репарации было положено работами Альберта Кельнера (США), который в 1948 году обнаружил явление фотореактивации — уменьшение повреждения биологических объектов, вызываемого ультрафиолетовыми (УФ) лучами, при последующем воздействии ярким видимым светом (световая репарация).

Р. Сетлоу, К. Руперт (США) и другие вскоре установили, что фотореактивация — фотохимический процесс, протекающий с участием специального фермента и приводящий к расщеплению димеров тимина, образовавшихся в ДНК при поглощении УФ-кванта.

Позднее при изучении генетического контроля чувствительности бактерий к УФ-свету и ионизирующим излучениям была обнаружена темновая репарация — свойство клеток ликвидировать повреждения в ДНК без участия видимого света. Механизм темновой репарации облучённых УФ-светом бактериальных клеток был предсказан А. П. Говард-Фландерсом и экспериментально подтверждён в 1964 году Ф. Ханавальтом и Д. Петиджоном (США). Было показано, что у бактерий после облучения происходит вырезание повреждённых участков ДНК с изменёнными нуклеотидами и ресинтез ДНК в образовавшихся пробелах.

Системы репарации существуют не только у микроорганизмов, но также в клетках животных и человека, у которых они изучаются на культурах тканей. Известен наследственный недуг человека — пигментная ксеродерма, при котором нарушена репарация.

Томас Линдаль, Азиз Шанкар и Пол Модрич получили Нобелевскую премию по химии 2015 года за исследования в области изучения методов репарации ДНК[1][2].

Источники повреждения ДНКПравить

Основные типы повреждения ДНКПравить

  • Повреждение одиночных нуклеотидов
  • Повреждение пары нуклеотидов
  • Двухцепочечные и одноцепочечные разрывы цепи ДНК
  • Образование поперечных сшивок между основаниями одной цепи или разных цепей ДНК
  • Образование тиминовых димеров
  • Кросслинкинг
 
ДНК-лигаза, осуществляющая репарацию ДНК

Устройство системы репарацииПравить

Каждая из систем репарации включает следующие компоненты:

  • ДНК-хеликаза — фермент, «узнающий» химически изменённые участки в цепи и осуществляющий разрыв цепи вблизи от повреждения;
  • ДНКаза (дезоксирибонуклеаза) — фермент, "разрезающий" 1 цепочку ДНК (последовательность нуклеотидов) по фосфодиэфирной связи и удаляющий повреждённый участок: экзонуклеаза работает на концевые нуклеотиды 3` или 5`, эндонуклеаза - на нуклеотиды, отличные от концевых;
  • ДНК-полимераза — фермент, синтезирующий соответствующий участок цепи ДНК взамен удалённого;
  • ДНК-лигаза — фермент, замыкающий последнюю связь в полимерной цепи и тем самым восстанавливающий её непрерывность.

Типы репарацииПравить

У бактерий имеются по крайней мере 3 ферментные системы, ведущие репарацию — прямая, эксцизионная и пострепликативная. У эукариот и бактерий также есть особые виды репарации Mismatch [3] и SOS-репарация (несмотря на название данный вид репарации немного различается у бактерий и эукариот [4].

Прямая репарацияПравить

Прямая репарация — 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. Так действует, например, O6-метилгуанин-ДНК-метилтрансфераза, которая снимает метильную группу с азотистого основания на один из собственных остатков цистеина.

Эксцизионная репарацияПравить

Эксцизионная репарация (англ. excision — вырезание) включает удаление повреждённых азотистых оснований из ДНК и последующее восстановление нормальной структуры молекулы по комплементарной цепи. Ферментативная система удаляет короткую однонитевую последовательность двунитевой ДНК, содержащей ошибочно спаренные или поврежденные основания, и замещает их путём синтеза последовательности, комплементарной оставшейся нити.

Эксцизионная репарация является наиболее распространённым способом репарации модифицированных оснований ДНК. Она базируется на распознавании модифицированного основания различными гликозилазами, расщепляющими N-гликозидную связь этого основания с сахарофосфатным остовом молекулы ДНК. При этом существуют гликозилазы, специфически распознающие присутствие в ДНК определенных модифицированных оснований (оксиметилурацила, гипоксантина, 5-метилурацила, 3-метиладенина, 7-метилгуанина и т. д.). Для многих гликозилаз к настоящему времени описан полиморфизм, связанный с заменой одного из нуклеотидов в кодирующей последовательности гена. Для ряда изоформ этих ферментов была установлена ассоциация с повышенным риском возникновения онкологических заболеваний [ Chen, 2003 ].

Другой тип эксцизионной репарации — эксцизионная репарация нуклеотидов, предназначенная для более крупных повреждений, таких как образование пиримидиновых димеров.

Пострепликативная репарацияПравить

Tип репарации, имеющей место в тех случаях, когда процесс эксцизионной репарации недостаточен для полного исправления повреждения: после репликации с образованием ДНК, содержащей повреждённые участки, образуются одноцепочечные бреши, заполняемые в процессе гомологичной рекомбинации при помощи белка RecA[5].

Пострепликативная репарация была открыта в клетках E. coli, не способных выщеплять тиминовые димеры. Это единственный тип репарации, не имеющий этапа узнавания повреждения.

Интересные фактыПравить

  • Полагают, что от 80 % до 90 % всех раковых заболеваний связаны с отсутствием репарации ДНК[6].
  • Повреждение ДНК под воздействием факторов окружающей среды, а также нормальных метаболических процессов, происходящих в клетке, происходит с частотой от нескольких сотен до 1000 случаев в каждой клетке, каждый час[7].
  • По сути ошибки в репарации происходят так же часто как и в репликации, а при некоторых условиях даже чаще.
  • В половых клетках сложная репарация, связанная с гомологичной рекомбинацией не происходит из-за гаплоидности генома этих клеток[8].

ПримечанияПравить

  1. Нобелевская премия по химии присуждена за починку ДНК // Lenta.Ru. Дата обращения: 7 октября 2015. Архивировано 7 октября 2015 года.
  2. Кирилл Стасевич. Как клетка чинит свою ДНК // Наука и жизнь. — 2015. — № 11. — С. 30—38.
  3. Kenji Fukui. DNA mismatch repair in eukaryotes and bacteria // Journal of Nucleic Acids. — 2010-07-27. — Т. 2010. — С. 260512. — ISSN 2090-021X. — doi:10.4061/2010/260512. Архивировано 24 ноября 2021 года.
  4. Mark S. Eller, Adam Asarch, Barbara A. Gilchrest. Photoprotection in Human Skin—A Multifaceted SOS Response† (англ.) // Photochemistry and Photobiology. — 2008. — Vol. 84, iss. 2. — P. 339–349. — ISSN 1751-1097. — doi:10.1111/j.1751-1097.2007.00264.x. Архивировано 24 ноября 2021 года.
  5. С. Г. Инге-Вечтомов. Генетика с основами селекции. — Москва: Высшая школа, 1989
  6. А. С. Коничев, Г. А. Севастьянова. Молекулярная биология. — М.: Академия, 2003. — ISBN 5-7695-0783-7.
  7. Vilenchik M. M., Knudson A. G. Inverse radiation dose-rate effects on somatic and germ-line mutations and DNA damage rates (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 2000. — 2 May (vol. 97, no. 10). — P. 5381—5386. — ISSN 0027-8424. — doi:10.1073/pnas.090099497. — PMID 10792040. [исправить]
  8. Б. Льюин. Гены.

См. такжеПравить