5.2: Ремонт ДНК
- Page ID
- 4256
Підтримка цілісності інформації про клітину: відновлення ДНК
В останньому розділі ми розглянули способи, якими клітини справляються з проблемами, пов'язаними з реплікацією їх ДНК, життєво важливим процесом для всіх клітин. Очевидно, що якщо ДНК є майстерною копією інструкції для організму, то важливо не помилитися при копіюванні ДНК, щоб перейти на нові клітини. Хоча коректура ДНК-полімеразами значно підвищує точність реплікації, в клітині існують додаткові механізми для подальшого забезпечення того, що знову реплікована ДНК є вірною копією оригіналу, а також для відновлення пошкодження ДНК протягом нормального життя клітини.
Вся ДНК зазнає пошкоджень з часом, від впливу ультрафіолету та іншого випромінювання, а також від різних хімічних речовин в навколишньому середовищі. Навіть хімічні реакції, що відбуваються в природі всередині клітин, можуть викликати сполуки, які можуть пошкодити ДНК. Як ви вже знаєте, навіть незначні зміни послідовності ДНК, такі як точкові мутації, іноді можуть мати далекосяжні наслідки. Так само невідновлені пошкодження, спричинені радіацією, хімічними речовинами навколишнього середовища або навіть звичайною клітинною хімією, можуть перешкоджати точній передачі інформації в ДНК. Підтримка цілісності «плану» клітини має життєво важливе значення, і це відображається в численних механізмах, які існують для виправлення помилок та пошкоджень ДНК.
Пост-реплікативний невідповідність відновлення
Раніше ми обговорювали коректуру ДНК-полімеразами при реплікації. Чи усуває коректура всі помилки, допущені під час реплікації. Ні. У той час як коректура значно знижує частоту помилок, не всі помилки фіксуються на льоту ДНК-полімеразами. Які існують механізми виправлення помилок реплікації, які пропускаються функцією коректури ДНК-полімераз.
Помилки, які проскакують коректурою під час реплікації, можуть бути виправлені механізмом, який називається невідповідністю ремонту. Хоча частота помилок реплікації ДНК становить близько одиниці в\(10^7\) нуклеотидах за відсутності репарації невідповідності, це додатково зменшується в сто разів до одного в\) 10 ^ 9\) нуклеотидів, коли відновлення невідповідності функціонально.
З якими завданнями стоїть невідповідність ремонтної системи. Він повинен:
- Скануйте новоспечену ДНК, щоб побачити, чи є якісь помилкові основи (наприклад, G, парний до T)
- Визначте і виріжте область розбіжності.
- Правильно заповнити прогалину, створену висіченням області розбіжності.
Важливо, що система ремонту невідповідності повинна мати засоби, щоб відрізнити новоспечену нитку ДНК від шаблонної нитки, якщо помилки реплікації повинні бути виправлені правильно. Іншими словами, коли система ремонту невідповідності стикається з помилкою A-G, наприклад, вона повинна знати, чи слід видалити та замінити A на C або якщо G слід видалити та замінити на T.
Репарація невідповідності добре вивчена у бактерій, а білки, що беруть участь, були виявлені. Еукаріоти мають невідповідність системи ремонту, яка ремонтує не тільки поодинокі невідповідності бази, але також вставки і видалення. У бактерій невідповідність ремонтних білків кодуються групою генів, спільно відомих як гени муту. Деякі з найважливіших компонентів невідповідності ремонтних машин є білки MUT, L і H. MUT діє, щоб розпізнати невідповідність, тоді як MutL і MutH набираються на місце невідповідності шляхом зв'язування Mut S, щоб допомогти вирізати область, що містить невідповідність. А ДНК-полімераза і лігаза заповнюють щілину і з'єднують кінці відповідно.
Але як система відновлення невідповідності відрізняє оригінальні та нові нитки ДНК? У бактерій існування системи, яка метилює ДНК в послідовностях ГАТК, є рішенням цієї проблеми. E.coli має фермент, який додає метильні групи на аденини в послідовності ГАТК. Нещодавно реплікованої ДНК не вистачає цьогометилювання і, таким чином, можна відрізнити від шаблонної нитки, яка є метильованою. На малюнку шаблонна нитка\(\PageIndex{2}\), показана жовтим кольором, метилюється при послідовностях GATC. Невідповідність протеїнів відновлення вибірково замінюють пасмо, що не вистачає метилювання, показане синім кольором на малюнку, тим самим гарантуючи, що це помилки в щойно зробленої пасма, які видаляються і замінюються. Оскільки метилювання є критерієм, який дозволяє системі ремонту невідповідності вибрати пасмо, яка ремонтується, бактеріальна система відновлення невідповідності описується як метил-спрямована.
Еукаріотичні клітини не використовують цей механізм, щоб відрізнити нову пасмо від шаблону, і поки не зрозуміло, як система відновлення невідповідності у еукаріот «знає», яку пасмо відремонтувати.
Системи для відновлення пошкоджень ДНК
У попередньому розділі ми обговорювали помилки, допущені при копіюванні ДНК, куди при синтезі нової нитки вставляється неправильна основа. Але навіть ДНК, яка не реплікується, може пошкодитися або мутувати. Такі пошкодження не пов'язані з реплікацією ДНК, скоріше вони можуть виникнути в будь-який час.
Що спричиняє пошкодження ДНК? Деякі основні причини пошкодження ДНК:
- Випромінювання (наприклад, УФ-промені в сонячному світлі, в соляріях)
- Вплив шкідливих хімічних речовин (таких як бензопірен у вихлопних газах автомобіля та сигаретний дим)
- Хімічні реакції всередині клітини (такі як дезамінація цитозину для отримання урацилу).
Це означає, що ДНК ваших клітин вразлива до пошкоджень просто від звичайних видів дій, таких як прогулянки на свіжому повітрі, перебування в пробці або від хімічних перетворень, що відбуваються в кожній клітині як частина її повсякденної діяльності. (Природно, шкода набагато гірша в ситуаціях, коли вплив радіації або шкідливих хімічних речовин більше, наприклад, коли люди неодноразово використовують солярії або дим.)
Яку шкоду завдають ці агенти? Випромінювання може викликати різного роду пошкодження ДНК. Іноді, як і при більшій частині пошкоджень, завданих УФ-променями, дві сусідні піримідинові основи в ДНК будуть зшиті з утворенням піримідинових димерів (зверніть увагу, що мова йде про дві сусідні піримідинові основи на одній нитці ДНК). Це проілюстровано на малюнку на попередній сторінці, де два сусідніх тиміну на одній нитці ДНК зшиті, утворюючи тиміновий димер. Випромінювання також може викликати розриви в хребті ДНК.
Такі хімічні речовини, як бензопірен, можуть приєднуватися до основ, утворюючи об'ємні аддукти ДНК, в яких великі хімічні групи пов'язані з основами в ДНК. Утворення хімічних аддуктів може фізично спотворити спіраль ДНК, ускладнюючи ДНК та РНК-полімерази копіювати ці ділянки ДНК.
Хімічні реакції, що відбуваються всередині клітин, можуть призвести до того, що цитозини в ДНК будуть дезінфіковані до урацилу, як показано на малюнку\(\PageIndex{3}\).
Інші види пошкоджень цієї категорії включають утворення окислених підстав на кшталт 8-оксо-гуаніна. Вони насправді не змінюють фізичну структуру спіралі ДНК, але вони можуть спричинити проблеми, оскільки урацил та 8-оксо-гуанін пари з різними основами, ніж вихідний цитозин або гуанін, що призводить до мутацій на наступному раунді реплікації.
Як клітини відновлюють такі пошкодження? Клітини мають кілька способів видалення видів пошкоджень, описаних вище, при цьому відновлення висічення є загальною стратегією. Видалення - загальний термін для вирізання і повторного синтезу пошкодженої ділянки ДНК. Існує пара різновидів висічення ремонту:
Ремонт висічення нуклеотидів (NER)
Ця система фіксує пошкодження хімічними речовинами, а також пошкодження ультрафіолетом. Як показано на малюнку на попередній сторінці, при відновленні висічення нуклеотидів пошкодження розпізнається, і розріз робиться по обидва боки від пошкодженої області ферментом, який називається ексцинуклеазою (показано зеленим кольором). Потім видаляється коротка частина ланцюга ДНК, що містить пошкодження, і ДНК-полімераза заповнює щілину відповідними нуклеотидами. Нещодавно зроблена ДНК приєднується до решти кісткової ДНК ферментом ДНК лігазою. У кишкової палички NER здійснюється групою білків, кодованих генами UvRaBC. Як бачите, NER схожий, в принципі, на невідповідність ремонту. Однак в NER спотворення спіралі, викликане пошкодженням ДНК, чітко вказує, яку нитку ДНК потрібно видалити і замінити.
Ремонт базового висічення (BER)
BER займається ситуаціями, такими як дослідження цитозину до урацилу. Як зазначалося раніше, цитозини в ДНК іноді піддаються дезамінації з утворенням основи урацилу.
Оскільки цитозини пари з гуанінами та урацилами парою з аденіном, перетворення цитозину в урацил в ДНК призведе до введення А в щойно репліковану нитку замість G, яка повинна була перейти поперек від С. Щоб цього не сталося, урацили видаляються з ДНК за базою висічення ремонту.
При відновленні висічення основи спочатку видаляється одна основа з ДНК, а потім видаляється область ДНК, що оточує відсутню основу. Потім зазор ремонтують.
Видалення урацилу з ДНК здійснюється ферментом урацил ДНК-глікозилазою, яка розриває зв'язок між урацилом і цукром в нуклеотиді.
Видалення урацилової основи створює щілину, звану апіримідинной ділянкою (ділянкою АП). Наявність сайту AP запускає активність ендонуклеази AP, яка розрізає кістяк ДНК.
Коротка область ДНК, що оточує ділянку оригінального урацилу, потім видаляється і замінюється.
