Репликация Мутации Ошибки репликации Постоянные повреждения ДНК Геномная нестабильность Старение Репарация ДНК Канцерогенез Повреждающие факторы

Повреждения в ДНК сводятся к минимуму благодаря существованию систем, которые узнают эти нарушения и исправляют их.

Репарация ДНК

Под повреждением понимают любое изменение ДНК, которое вызывает отклонение от обычной двухцепочечной структуры

Типы повреждений ДНК Отсутствие основания Некомплементарное основание Нарушенное основание Одноцепочечные разрывы Образование неспецифических связей между цепями (тиминовые димеры и поперечные сшивки) Двухцепочечные разрывы На уровне одного нуклеотида: Структурные:

Тип повреждения Причина Отсутствие основания Кислотная или тепловая апуринизация Неправильное основание Спонтанное или индуцированное дезаминирование Нарушенное основание Ионизирующая радиация, алкилирующие агенты ДимерыУФ-облучение Неспецифические связи Митомицин С Разрывы Ионизирующая радиация, перекиси, нуклеазы

Дезаминирование и апуринизация

Дезаминирование

Неверное основание в результате ошибки репликации при репликации на 10 млрд оснований происходит одна ошибка, т.е.около 3-х замен на гаплоидный геном (у млекопитающих)

Образование тимьяновых димеров

Разрывы в ДНК

Общая характеристика репарации Это процесс удаления поврежденного участка и восстановления правильной структуры ДНК Характерен только для ДНК и обусловлен особенностями ее структуры, а именно: комплементарностью и анти параллельностью цепей. Обеспечивает сохранение генетического материала. Происходит при участии специальных ферментов

Ферменты репарации Эндонуклеазы – расщепляют связи внутри ДНК. Экзонуклеазы – расщепляют связи с концов, могут быть специфичными для 5 и 3 концов ДНК. ДНК-полимераза – заполняет брешь, используя комплементарную цепь в виде матрицы. Лигаза – катализирует образование фосфорнодиэфирных связей, используя энергию гидролиза АТФ. ДНК-гликозилаза – расщепляет N-гликозидную связь. АР-эндонуклеаза – разрезает ДНК в апуриновых или апиримидиновых участках с образованием 5 концов.

По времени различают два типа репарации Репликативная Пострепликативная Для каждого из этих типов характерны определенные молекулярные механизмы.

Репликативная репарация неправильно встроенные в ходе репликации нуклеотиды узнаются и удаляются ДНК- полимеразой за счет ее экзонуклеазой ( 3-5) активности.

происходит в ходе репликации и обеспечивает исправление неверных спариваний, аномальных гетеродуплексов и палиндромов. Этапы: Узнавание и удаление неверных нуклеотидов эндонуклеазами; Заполнение бреши при помощи ДНК-полимеразы; Сшивание концов лигазами. Мismatch (MMR)-репарация

Механизмы пострепликативной репарации Прямая репарация Репарация путем удаления оснований Репарация больших фрагментов Репарация двухцепочечных разрывов путем гомологичной рекомбинации Репарация двухцепочечных разрывов путем соединения концов

Фотореактивация – прямая репарация,происходит у бактерий на свету при участии специального фермента – фото лиазы, - Фотолиаза активируется под действием света путем дестабилизации электронов и ослабления связи с пентозой, а освободившиеся основание заменяется но новое – правильное.

Путем фотореактивации удаляются тиминовыедимеры

Прямая репарация при участии MGMT Репарация при помощи MGMT – O6-метил- гуанил-ДНК-метилазы( у человека), которая восстанавливает повреждения в результате алкилирования Механизм заключается в переносе алкильной группы с ДНК на активный центр фермента. ! 20% раковых опухолей характеризуются недостаточной активностью фермента MGMT.

Репарация путем удаления оснований (BER) восстановление одного нуклеотида. Этапы: ДНК-гликозилаза удаляет неверное основание; Нуклеазы расщепляют участок, в котором не достает основания; ДНК-полимераза заполняет брешь; ДНК-лигаза сшивает концы.

Репарация путем удаления нуклеотидов - (NER) восстановление достаточно длинных фрагментов ДНК. Этапы: Белковый комплекс (XPA-PRA) распознает дефектный участок; Нуклеаза производит разрыв на расстоянии 5 пн от 3 конца и 8 пн от 5 конца; Образованная брешь заполняется при помощи ДНК- полимераз δ и ε; ДНК-лигаза сшивает концы.

Рекомбинативная репарация Репарация во время рекомбинации Заключается в удалении поврежденного фрагмента и замене его нормальным гомологичным участком

Репарация двухцепочечных повреждений Происходит при участии протеинкиназы Ku, Механизм заключается в следующем: протеинкиназа узнает разрыв и предотвращает действие эндонуклеаз, после чего катализирует соединение при участии лигазы.

SOS-репарация Механизм быстрого, но не всегда точного реагирования, на стресс. Обеспечивается специальными белками – LexA и RecA-протеазой. Механизм: - в ответ на повреждение происходит активация протеазной активности белка RecA, который расщепляет белок LexA, блокирующий гены ферментов репарации, - активированные гены транскрибируются и синтезируются ферменты репарации, которые исправляют повреждение.

Механизм SOS-репарации

Метилирование и его биологическая роль Присоединение метильной группы к цитозину и аденину Происходит при участии специального фермента метилтрансферазы Метилированные участки устойчивы к действию эндонуклеаз Биологическая роль: - у прокариот: защита собственной ДНК, - у эукариот: инактивация генов (в гетерохроматиновых участках много метилированных последовательностей ДНК)

Болезни человека, связанные с нарушениями процесса репарации Пигментная ксеродерма Атаксия Анемия Фанкони Синдром Блума Синдром Вернера

Пигментная ксеродерма Вызвана мутацией гена, участвующего в репарации тимьяновых димеров; У пациентов наблюдается повышенная чувствительность к УФ облучению и предрасположенность к раку кожи и меланомам; к 4-5 годам у больных детей развивается рак кожи, а в 20%-30% случаев наблюдается неврологическая дегенерация.

Атаксия повышенная чувствительность к ионизирующей радиации; как следствие, частота возникновения рака возрастает в 1200 раз (особенно лейкемий); болезнь проявляется в нарушениях двигательных функции, дегенеративных процессах на уровне мозга и тимуса.

Анемия Фанкони образование неспецифических связей между цепями ДНК; повышенная чувствительность к химическим факторам; болезнь проявляется в виде тяжелой формы анемии и сопровождается отставанием в росте и развитии, а также иммунодефицитом.

Синдром Блума Вызван мутацией в гене геликазы и связан с нарушениями рекомбинативной системы репарации; Наблюдается высокая частота хромосомных мутаций; Характеризуется повышенной чувствительностью к УФ лучам и проявляется в виде лейкемий.

Синдром Вернера Вызван мутацией гена Wrn, кодирующего белок с геликазными и эндонуклазными функциями. Проявляется в нарушениях в функция органов и организма, в целом, а также преждевременным старением.