Репарация ДНК

Основные виды повреждений генетического материала

Ежедневно структура генома подвергается атакам внешних и внутренних факторов, включая воздействие радиации, химических агентов и ультрафиолетового облучения (УФО). Это приводит к разнообразным дефектам, которые в норме устраняются специфическими ферментами.

Выделяют следующие типы нарушений в молекуле:

• Дезаминирование оснований: спонтанная потеря аминогруппы. Чаще всего цитозин превращается в урацил. Аденин может переходить в гипоксантин, а гуанин — в ксантин.
• Потеря азотистых оснований: гидролитический процесс депуринизации или депиримидинизации, когда основание отщепляется, оставляя пустой остаток дезоксирибозы.
• Пиримидиновые димеры: ковалентная сшивка соседних оснований в одной цепи под влиянием УФО.
• Разрывы нуклеотидных цепей и ошибки репликации.
• Ковалентные сшивки: между двумя комплементарными цепями ДНК или между ДНК и белками-гистонами.
• Алкилирование ДНК: присоединение алкильных групп под воздействием химических веществ (например, образование 3-метиладенина, 6-метилгуанина или 7-метилгуанина).

Как восстанавливается цепь при потере основания

Если происходит гидролитическое отщепление пуринового или пиримидинового основания, в цепи образуется специфический дефект. Для его ликвидации клетка может использовать два основных пути.

Первый путь — это прямое действие ДНК-инсертазы. Этот фермент способен самостоятельно присоединить недостающее азотистое основание к пустующей дезоксирибозе, строго соблюдая правило комплементарности.

Второй путь более сложный и называется эксцизионным. В этом случае действует фермент АП-эндонуклеаза (апуриновая/апиримидиновая). Он обнаруживает участок с дезоксирибозой без основания и осуществляет гидролиз 3', 5'-фосфодиэфирной связи, делая надрез в сахаро-фосфатном остове для последующей работы всего комплекса репарации.

Этапы эксцизионной репарации ДНК

Ликвидация поврежденных участков (эксцизия) у эукариот требует слаженной и строгой последовательности действий ферментного комплекса.

Иногда начальным этапом служит работа ДНК-N-гликозилазы, которая распознает химически модифицированное основание и гидролизует N-гликозидную связь, оставляя так называемый АП-сайт (apurinic/apyrimidinic site). Дальнейший процесс ликвидации «бреши» идет по четкому сценарию:

1. Определение места повреждения: эндонуклеаза находит дефект и гидролизует фосфодиэфирную связь, надрезая поврежденную цепь.
2. Эксцизия (удаление): экзонуклеаза находит место разрыва и аккуратно вырезает дефектные нуклеотиды из цепи.
3. Синтез (достройка): ДНК-полимераза $\beta$ присоединяется к 3'-концу образовавшейся бреши. Используя дезоксинуклеозидтрифосфаты (дНТФ) и строго ориентируясь на неповрежденную комплементарную цепь-матрицу, она синтезирует недостающий фрагмент. В ходе этой реакции выделяется неорганический пирофосфат ($PP_i$).
4. Лигирование: фермент ДНК-лигаза окончательно сшивает вновь синтезированный фрагмент с основным неповрежденным участком. Этот процесс требует затрат энергии, поэтому молекула АТФ расщепляется до АМФ и $PP_i$.

Биологическая основа надежности

Главный принцип, обеспечивающий возможность исправления ошибок — это наличие двух цепей в молекуле ДНК, что представляет собой две копии генетической информации. Вторая цепь всегда выступает надежной матрицей для восстановления дефекта.

Однако бывают критические ситуации, когда повреждаются одновременно оба нуклеотида в комплементарной паре. В этом случае исход зависит от типа клетки:

• В гаплоидных клетках репарация такого повреждения становится невозможной, так как отсутствует резервная копия информации для корректного синтеза.
• В диплоидных клетках система репарации способна восстановить структуру, используя идентичный неповрежденный ген, расположенный в гомологичной хромосоме.

Вопросы с занятий и экзамена

Что ещё разобрать по теме

• Химическая модификация алкилирующими агентами (образование 6-метилгуанина и 3-метиладенина)
• Механизмы образования пиримидиновых димеров под действием УФ-излучения
• Отличия репарации одновременных повреждений пар нуклеотидов в гаплоидных и диплоидных клетках
• Роль ДНК-N-гликозилаз в формировании АП-сайтов при BER-репарации

Другие темы раздела «Матричные биосинтезы»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.