О механизмах репарации ДНК в клетке

О механизмах репарации ДНК в клетке

Авторы публикации

Рубрика

Медицина

Журнал

Журнал «Научный лидер» выпуск # 4 (102), Февраль ‘23

Дата публикации 05.02.2023

Поделиться

В данной статье обоснована необходимость более детального изучения механизмов репарации ДНК в клетках для обоснования этиологии и возможных генно-инженерных методов лечения различных заболеваний.

Материал и методы: Был проведен поиск в базах данных Medline, Embase, Cochrane и Web of Science. Обмен нуклеотидов, в частности ДНК, является ключевым для нормальной жизнедеятельности клетки. Поэтому для поддержания гомеостаза клетки весьма необходима стабильная защита генома от спонтанных мутаций и случайных поломок.

Согласно имеющимся оценкам, в каждой клетке человеческого тела в сутки происходят десятки тысяч событий повреждений ДНК. Эндогенные повреждения в основном относятся к следующим категориям:

1) ошибочное включение в геном урацила или спонтанное деаминирование цитозина;

2) гидролиз или окисление любого из четырёх оснований активными формами кислорода, гормонами, активными формами азота, предшественниками гема или аминокислотами;

3) алкилирование пуринов и пиримидинов S-аденилметионином или другими агентами.

Также ежесуточно происходит спонтанное отщепление оснований, в количестве до 10 тысяч событий на весь объём генома. Сходные повреждения вызываются также экзогенными факторами, такими как ксенобиотики и радиация.

Молекулы ДНК являются для клетки настолько важными и уникальными, что в процессе эволюции в клетке выработалась сложная система репарации структуры ДНК, состоящая из нескольких механизмов и сотен белков, обеспечивающих процесс восстановления нормальной структуры ДНК. Основа всех репарационных механизмов — наличие в молекуле ДНК двух цепочек, таким образом, в клетке есть 2 копии генетической информации, поврежденный участок восстанавливается по второй комплементарной сохранной цепи; если же повреждение затрагивает обе цепи ДНК, то используется информация для восстановления из гомологичной хромосомы.

Прямая репарация — наиболее простой и быстрый вариант для клетки устранить дефект за одну стадию. Однако с помощью реакций этого типа может быть исправлено небольшое число повреждений. К реакциям прямой репарации относятся фотореактивация пиримидиновых димеров, репарация АР-сайтов прямой вставкой пуринов и прямая репарация однонитевых разрывов ДНК.

Фотореактивация пиримидиновых димеров реализуется за счёт группы ферментов ДНК-фотолиаз. Фотолиазы активируются светом, с длиной волны 300–600 нм (видимая область). Фермент связывается с поврежденным участком. Затем после активации фотолиазы видимым светом происходит разрыв связей, возникших между пиримидиновыми кольцами ДНК. Фотолиазы были найдены у бактерий, дрожжей, мушки дрозофилы, некоторых видов иглокожих. Наличие фотолиаз у высших млекопитающих, включая человека, пока не доказано.

Репарация АР –с айтов прямой вставкой пуринов реализуется при участии фермента ДНК - инсертаза. Инсертаза комплементарно присоединяет основание к дезоксирибозе и структура ДНК приобретает исходный вид. При этом типе репарации нет необходимости в разрезании цепи ДНК, вырезать неправильный нуклеотид и репарировать разрыв, однако данный механизм работает медленно и таким образом может быть исправлено небольшое число поломок.

Прямая репарация однонитевых разрывов ДНК осуществляется за счёт работы одного фермента — ДНК-лигазы. Данная группа ферментов катализирует ковалентное сшивание цепей ДНК в дуплексе при репликации, репарации и рекомбинации. Они образуют фосфодиэфирные мостики между 5’-фосфорильной и 3’-гидроксильной группами соседних дезоксинуклеотидов в местах разрыва ДНК. Реакция протекает с затратой энергии АТФ. Помимо прямой репарации, ДНК-лигазы играют важную роль в механизмах эксцизионной репарации.

Эксцизионная репарация — более сложный механизм восстановления структуры ДНК, при котором поврежденные участки извлекаются из цепи ДНК; при этом могут удаляться даже соседние с повреждёнными участками нуклеотиды. В образовавшийся промежуток вставляется недостающий участок. Для эксцизионной репарации необходима комплементарная цепь ДНК. Несмотря на разнообразие типов эксцизионной репарации и белков, участвующих в ней, можно выделить общие этапы:

1) распознавание повреждения с помощью ДНК - гликозилазы;

2) разрезание нити ДНК с помощью эндонуклеаз;

3) удаление повреждённого участка посредством различных экзонуклеаз;

4) репаративный синтез на неповрежденной матрице при участии ДНК-полимераз.

Для Е.coli был описан особый вид репарации — SOS- репарация. Это целая система белков, активирующихся при угрозе гибели клетки. Система несовершенна, так как происходит вставка некомплементарных нуклеотидов. Однако этот механизм необходим для осуществления митоза и проведения репликации даже при значительных повреждениях ДНК.

В части процессов репарации в клетке также участвует и рекомбинация. Этот механизм восстановления ДНК является приоритетным при возникновении двунитевых разрывов и из-за обширности требует более детального рассмотрения.

У млекопитающих найдено несколько различных видов ДНК-лигаз:

– ДНК-лигаза I связывает фрагменты Оказаки в ходе репликации ДНК и вносит свою лепту в реакции эксцизионной репарации.

– ДНК-лигаза II — недостаточно изучена; имеются две теории образования этого фермента, связанные с лигазой III и альтернативным сплайсингом.

– ДНК-лигаза III также задействована в реакциях эксцизионной репарации и в рекомбинации.

– ДНК-лигаза IV — катализатор для конечного этапа non-homologous end joining — NHEJ двухнитевых разрывов ДНК. Также это тип ферментов принимает участие в рекомбинации генов иммуноглобулинов.

Основные структуры, осуществляющие репарацию — это различные группы ферментов. У разных биологических видов обнаружены разные типы ферментов в пределах одной группы. Некоторые ферменты образуют большие комплексы с различными видами ферментной активности.

Вывод: Как мы видим, все разнообразие механизмов связано с огромным множеством ферментов, вносящих свой вклад в реакции репарации. С учетом развития молекулярной диагностики и генной терапии более детальное изучение механизмов репарации ДНК и структур, участвующих в них, является весьма приоритетным и многообещающим как для научного обоснования этиологии различных генетических и онкологических заболеваний, так и для практического применения в качестве мишеней для лекарственных препаратов.

Список литературы

  1. Ушаков В. Ю.SOS-система репарации ДНК у бактерий (обзор) // Вестник Пермского университета.— 2010.— Вып. 2.— С. 19–30.
  2. Bartkova J., Horejsi Z., Koed К., et al. DNA damage response as a candidate anti-cancer barrier in early human tu- morigenesis // Nature.— 2005.— Vol. 434.— Р.864–870.
  3. Caldecott K.W. Single-strand break repair and genetic disease // Nat. Rev. Genet.— 2008.— Vol. 9.— Р.619– 631.
  4. Flaherty D. M., Martha М. М., Hunninghake G. W. AP Endonucleases and the Many Functions of Ref-1 // Amer- ican Journal of Respiratory Cell and Molecular Biology.— 2001.— Vol. 25. No 6.— Р.664–667.
  5. Scharer O. D., Jiricny J. Recent progress in the biology, chemistry and structural biology of DNA glycosylases // Bioessays.— 2001.— Vol. 23.— P. 270–281.
  6. Основы биохимии Ленинджера: в 3 т. Т. 3: Пути передачи информации / Д. Нельсон, М. Кокс; пер. с англ.— 3-е изд., испр.— М.: Лаборатория знаний, 2017.— 448 с.— с. 66–79.
  7. Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Роберте К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд., перераб. М75 и доп. Т. 1. Пер. с англ.—М. Мир, 1994.—517 c
  8. Клаг, Уильям С. Основы генетики / У. С. Клаг, М. Р. Каммингс.— М.: Техносфера, 2007.— 896. с
  9. Коничев С. А. Молекулярная биология / С. А. Коничев, Г. А. Севастьянова.— М.: Академия, 2005.— 400 с.
  10. Разани С. В. Хроматин: упакованный геном / С. В. Разин, А. А. Быстрицкий.— М.: Бином. Лаборатория знаний, 2009.— 176 с.
Справка о публикации и препринт статьи
предоставляется сразу после оплаты
Прием материалов
c по
Остался последний день
Размещение электронной версии
Загрузка материалов в elibrary