7.6: Ремонт ДНК

Last updated
Save as PDF

Page ID: 3487

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Строго визначено, найпростіший механізм ремонту не використовує фермент. Деалкілювання або видалення алкільних груп (наприклад —CH ₃ або —C ₂ H ₅) передбачає лише перенесення алкільної групи з O6-метилгуаніну або O6-етилгуаніну на O6-алкілгуаніл-ДНК алкілтрансферазу. Незважаючи на назву, алкілтрансфераза насправді не є ферментом, оскільки вона постійно змінюється і інактивується реакцією і тому не відповідає визначенню каталізатора. Зауважте, що це не усуває алкілування на N7 або інших сайтах, лише на O6-пов'язаних.

Наступний найпростіший механізм ремонту - від'єднання піримідинових циклобутилдимерів. Це може бути досягнуто завдяки активності фотоліаз ДНК, також відомих як фотореактивуючі ферменти. Вони названі не тільки тому, що утворення піримідинових циклобутилдимерів зазвичай обумовлено впливом ультрафіолетового світла, а тому, що самі ремонтні ферменти вимагають впливу світла (300-500 нм, поблизу УФ до видимого синього кольору) для каталізації реакції, що розриває димер.

Більш конкретно, фотоліази ДНК (білок ~ 60kD), нековалентно пов'язані з хромофором (N ⁵, N ¹⁰ -метиленілтетрагідрофолат або 5-дезафлавін) і FADH—. Фотоліаза зв'язується з піримідиновим циклобутиловим димером одноцепочечной або дволанцюгової ДНК світлонезалежним і незалежним від послідовності способом. Однак він не каталізує будь-які зміни зв'язку до тих пір, поки світло не поглинається хромофором, який потім передає енергію FADH—, змушуючи її викидати і електрон до димера, тим самим розбиваючи його на частини.

Хоча деалкілювання та лізис димеру є відносно простими процесами, які вносять лише тонкі зміни в ДНК, механізми відновлення висічення є більш складними і вимагають декількох ферментативних кроків для завершення. Коли невелике (не стерильно громіздке) ураження обмежується однією базою, незалежно від того, чи відсутня від депуринації або неправильно сформована внаслідок дезамінації або дезінкорпорації, процес, відомий як ремонт висічення основи (BER), задіяний. Як показано на малюнку\(\PageIndex{20}\), якщо розпізнається нетрадиційна основа, вона потім видаляється відповідною ДНК-глікозилазою. В даний час (пошук Генбанку, липень 2009 р.) існує щонайменше 8 специфічних генів, що кодують ДНК глікозилази людини, хоча три кодують глікозилази, які розпізнають урацил в різних ситуаціях. Після того, як основа була видалена глікозилазою, ендонуклеаза зараховується для розриву фосфодіефірних зв'язків, ніж утримувати порожню фосфодезоксирибозу. Отримана щілина в ДНК заповнюється ДНК-полімеразою і, нарешті, нитка знову з'єднується ДНК-лігазою.

Знімок екрана 2018-12-24 в 3.40.18 PM.png — Малюнок\(\PageIndex{20}\). Висічення бази 1 Ремонт вимагає п'яти окремих етапів.

У разі громіздких уражень, які значно змінюють фізичне представлення ДНК полімеразами та іншими ферментами, що обробляють ДНК, задіяний інший тип процесу відновлення. Ремонт висічення нуклеотидів (NER), можливо, краще названий полінуклеотидним відновленням висічення, передбачає видалення ураження, а також деяких нуклеотидів у безпосередній близькості. Є два основних ініціатори NER: або нетранскрипційно активна частина ДНК сканується XPC (рис.\(\PageIndex{21}\) А), який розпізнає громіздке ураження і набирає ремонтний комплекс, або як ген транскрибується, РНК-полімераза потрапляє в ураження, а потім набирає ремонтний комплекс через CSA і ЦСБ (рис.\(\PageIndex{21}\) F і G). Якщо виявлення відбувається через XPC, одним із ранніх факторів відновлення, набраних на сайт, є фактор транскрипції IIH/XPB/XPD, який є спіраллю ДНК (рис.\(\PageIndex{21}\) B). Цей тип глобального виявлення геному неефективний і відносно повільний, але забезпечує базальний рівень перевірки помилок для всієї ДНК. У разі транскрибування ДНК комплекс РНК-полімерази вже включає TFIIH, до складу якого входять XPB та XPD. Це транскрипційно спрямоване виявлення є більш ефективним і націлене на ці частини ДНК, які найбільше використовуються в даній клітині. На наступному етапі (рис.\(\PageIndex{21}\) С) XPG, асоційований з BRCA1/2, і XPF, пов'язаний з ERCC1, видаляють частину ураженої пасма, включаючи, але не обмежуючись цим, саме ураження. ДНК-полімераза δ або ε може потім додати на вільний 3'OH до ll в зазорі на основі комплементарної послідовності ниток (рис.\(\PageIndex{21}\) D). Нарешті, ремонт з'єднується на його 3' кінці з рештою пасма ДНК лігазою (рис.\(\PageIndex{21}\) Е).

Знімок екрана 2018-12-24 в 3.40.29 PM.png — Малюнок\(\PageIndex{21}\). Репарація висічення нуклеотидів в еукаріотичних системах

«ХР» в XPC, XPB, XPD та інших на малюнку\(\PageIndex{21}\) відноситься до пігментної ксеродермії, іншого аутосомно-рецесивного захворювання, первинною характеристикою якого є утворення карцином шкіри в молодому віці. Оскільки NER є основною формою відновлення піримідинового димеру (крім фотоліаз), його порушення мутаціями одного або декількох генів XP призводить до надзвичайної чутливості до уражень, індукованих УФ. Уражені особини повинні мінімізувати перебування на сонці. Назва захворювання походить від характерних пігментних уражень (кератозів), які часто утворюються на шкірі при впливі сонця.

CSA та CSB названі на честь синдрому Коккейна, аутосомно-рецесивного розладу старіння. Мутації в будь-якому гені можуть викликати розлад, який характеризується передчасним старінням, затримкою росту, світлочутливістю, вадами розвитку нервової системи. Імовірно, вибивання здатності відновлення ДНК CSA або CSB призводить до швидкого накопичення пошкоджень, нездатності транскрибувати необхідні гени і, зрештою, загибелі клітин.

Своєрідною варіацією NER є система ремонту невідповідності (MMR). Найкраще це розуміють у прокаріотів: у кишкової палички МУТ - це невеликий білок, який утворює гомодимери в місцях невідповідності. Димери MUT набирають два білки MUTL, кожен з яких взаємодіє з однією з одиниць MUT. Кожен комплекс Muts/MUTL проштовхує ДНК всередину, утворюючи петлю з невідповідністю в центрі петлі. Це триває до тих пір, поки один з комплексів Muts/MUTL не зіткнеться з геміметильованою послідовністю GATC. Це спричиняє набір MutH, вузькоспеціалізованої ендонуклеази, яка робить одножильний нік в хребті неметильованої нитки. Це забезпечує отвір для 3'-5' екзонуклеази I або 5'-3' екзонуклеази VII (або ReCJ), щоб деградувати пасмо від ніка до точки невідповідності. Це потім, як ви вже здогадалися, заповнюється ДНК-полімеразою і хребтом, з'єднаним лігазою. У еукаріотів було виявлено декілька гомологів до білків MUTs та MutL, і процес схожий, але ще не зрозумілий, оскільки гомологу до MutH ще не виявлено.

Нагадаємо, що в кишковій паличці Dam метилтрансферази з часом метилюють ДНК як метод захисту свого геному, але знову синтезована ДНК не метилюється. Таким чином, припущення полягає в тому, що метильована пасмо містить вихідне і правильне підставу, в той час як невідповідність обумовлено дезінкорпорацією в новішу пасмо.

Знімок екрана 2018-12-24 в 3.40.40 PM.png — Малюнок\(\PageIndex{22}\). Невідповідність системи ремонту. Неузгоджені нуклеотиди не мають нормальних Н-зв'язків, а викликають незначне порушення (А) в структурі ДНК. (B) MUT димеризується на місцях невідповідності, і кожен набирає білок MUTL. (C) Комплекс Muts/L проштовхує ДНК, утворюючи петлю з невідповідністю в центрі. Коли зустрічається метильований GATC, Muts/L припиняють рух ДНК і набирають ендонуклеазу MutH. Екзонуклеаза потім перетравлює нитку ДНК до невідповідності. (D) Нарешті, ДНК-полімераза заповнює відсутній сегмент, а хребет герметизується лігазою.

Ще однією прокаріотичною системою відновлення ДНК є реакція SOS. Як показано на малюнку\(\PageIndex{23}\) нижче, якщо немає пошкоджень, ReCa неактивний, тому білок LexA може пригнічувати вироблення більшої кількості відновлювальних білків SOS. Однак якщо є пошкодження, білки ReCa зв'язуються з одноцепочечной ДНК і активуються. Вони, в свою чергу, розщеплюють репресор LexA, що дозволяє виробляти з ряду генів відновлення ДНК.

Знімок екрана 2018-12-24 в 3.40.52 PM.png — Малюнок\(\PageIndex{23}\). Прокаріотичний SOS оперон. (А) репресований стан, коли немає пошкодження ДНК, і (B) активований стан, в якому було виявлено пошкодження ДНК.

Поки що ремонт грунтувався на припущенні, що ураження зачіпає тільки одну пасмо, а інша пасмо може забезпечити надійний шаблон для здійснення ремонту без втрати інформації. На жаль, це не завжди так, і деякі пошкодження і процеси відновлення обов'язково призводять до втрати послідовності. Коли відбувається двожильний обрив, можливо, як продукт іонізуючого випромінювання, найпоширеніший механізм ремонту відомий як негомологічне торцеве з'єднання (NHEJ). Дволанцюгові кінці вперше розпізнаються Ку, гетеродімерним циркулярним білком, який зв'язує кінці ДНК. Потім Ку набирає кіназу ДНК-ПК _КС. ДНК-ПК _CS діє як міст, щоб звести два кінці разом, і ДНК лігаза може потім з'єднати кінці разом. Якщо пасма були зламані в різних місцях, що призвело до додаткових одножильних звисів на кожному кінці (як ті, що породжені деякими обмеженнями ендонуклеаз), то ремонт часто ідеальний, оскільки комплементарні послідовності вирівнюють два кінці правильно у вихідних положеннях. Однак якщо на кінці пасом вже вплинули нуклеази і вже не є доповнюючими, то повторне приєднання кінців, швидше за все, призведе до втрати інформації. У деяких частинок ДНК це мало б ефекту, але якби це сталося всередині гена, мутований генний продукт може мати ненормальну або порушену функцію.