О механизмах репарации ДНК в клетке

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.