Репарация ДНК

Световая репарация (фотореактивация)

Световая репарация представляет собой механизм восстановления структуры ДНК, поврежденной воздействием ультрафиолетового (УФ) излучения. Под влиянием ультрафиолета в генетическом коде образуются патологические сшивки — димеры пиримидиновых оснований. К ним относятся тиминовые, цитозиновые и смешанные тимино-цитозиновые димеры.

Для устранения этих дефектов клетка использует специализированный фермент — фотолиазу. Процесс восстановления запускается исключительно при условии поглощения кванта видимого света. Механизм состоит из следующих этапов:

1. Фотолиаза распознает повреждение и присоединяется к области образовавшегося димера.
2. Активируясь светом, фермент расщепляет неправильные связи между соседними пиримидиновыми основаниями.
3. Пространственная структура молекулы ДНК возвращается в норму.

Эксцизионная репарация

Название процесса происходит от латинского слова excision, что переводится как «вырезание». Это сложный многоступенчатый механизм, суть которого заключается в физическом удалении поврежденного участка цепи. Выделяют два основных вида по времени протекания: дорепликативную репарацию (проходит в $G_1$-периоде клеточного цикла, до начала удвоения ДНК) и репликативную (происходит непосредственно в ходе репликации).

Механизм эксцизионного восстановления строго последователен:

• Узнавание и инцизия (разрезание). Специфические ферменты, главным образом эндонуклеаза, сканируют ДНК, распознают поврежденный фрагмент и аккуратно его вырезают.
• Ресинтез. В работу включается фермент ДНК-полимераза. Используя неповрежденную комплементарную нить в качестве матрицы, она синтезирует новые нуклеотиды и заполняет образовавшуюся брешь.
• Лигация (сшивание). Фермент лигаза соединяет (сшивает) концы заново синтезированного фрагмента с основной нитью молекулы, полностью восстанавливая ее целостность.

Отдельно рассматривается репликативная репарация, которая исправляет ошибки спаривания нуклеотидов прямо во время синтеза. Если в дочернюю цепь встраиваются некомплементарные основания (нарушается правило Чаргаффа: А=Т, Г=Ц), формируются неправильные пары. В биологии такие некомплементарные пары принято называть мисмэтчами (от английского mismatch — плохое сочетание).

Пострепликативная и SOS-репарация

Если повреждения не были ликвидированы до или во время удвоения генетического материала, клетка задействует резервные системы.

Пострепликативная репарация осуществляется в $G_2$-периоде клеточного цикла (уже после репликации). Ее механизм основан на процессе рекомбинации — обмене фрагментами между двумя новыми спиралями ДНК. Если в матричной цепи остается дефект (например, тиминовый димер), ДНК-полимераза не может через него пройти, и во вновь синтезируемой цепи образуется «пробел». Эта брешь заполняется участком из соответствующей цепи второй дочерней молекулы. Затем целостность первой дочерней цепи восстанавливается, а недостающий фрагмент во второй молекуле синтезируется на основе комплементарной матрицы.

SOS-репарация — это механизм экстренного спасения, открытый Мирославом Радманом в 1974 году. Он включается, когда клетке необходимо завершить репликацию, но в ДНК присутствуют множественные неустраненные дефекты. Главная цель — модифицировать поврежденный участок так, чтобы снять блок репликации. Для этого в клетке индуцируется синтез особого белка, который связывается с ДНК-полимеразой. Измененный фермент обретает способность достраивать дочернюю цепь даже напротив дефектных звеньев матрицы. В результате ДНК успешно удваивается, и клетка продолжает делиться, однако расплачивается за это огромным количеством мутаций (ошибок).

Клиническое значение: патологии систем репарации

Сбои в механизмах репарации напрямую связаны с развитием наследственных болезней и онкогенезом. Считается, что до 90% всех онкологических заболеваний могут быть обусловлены нарушениями в системах восстановления ДНК.

Ярким примером патологии, возникающей из-за дефекта репарирующих систем, является пигментная ксеродерма (Xeroderma pigmentosum). Этиологическая природа этого заболевания была доказана исследователем Джеймсом Кливером в 1968 году. В основе одной из форм ксеродермы лежит значительное снижение или полная потеря активности фермента УФ-эндонуклеазы.

Клиническая картина начинается с появления характерных красных пятен на коже при воздействии ультрафиолета. Со временем эти поражения переходят в нарастающую коросту и в конечном итоге трансформируются в злокачественную раковую опухоль. Данное заболевание является неизлечимым, так как клетка полностью теряет способность исправлять УФ-повреждения.

Вопросы с занятий и экзамена

Что ещё разобрать по теме

• Строение и функции фермента фотолиазы
• Механизм образования тиминовых димеров под действием УФ-излучения
• Процесс генетической рекомбинации в пострепликативной репарации
• Молекулярные основы патогенеза пигментной ксеродермы

Другие темы раздела «Молекулярная генетика»

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