Информация

7.4: Ремонт ДНК - Биология

7.4: Ремонт ДНК - Биология


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Источник: BiochemFFA_7_3.pdf. Весь учебник доступен бесплатно у авторов по адресу http://biochem.science.oregonstate.edu/content/biochemistry-free-and-easy.

Сохранение генома

В последнем разделе мы рассмотрели способы, которыми клетки справляются с проблемами, связанными с репликацией их ДНК, жизненно важным процессом для всех клеток. Очевидно, что если ДНК является главной копией инструкций для организма, то важно не делать ошибок при копировании ДНК для передачи новым клеткам. Хотя проверка ДНК-полимеразами значительно повышает точность репликации, в клетках есть дополнительные механизмы, которые дополнительно гарантируют, что вновь реплицированная ДНК является точной копией оригинала, а также для восстановления повреждений ДНК в течение нормальной жизни клетки.

Повреждение ДНК

Вся ДНК со временем страдает от повреждений в результате воздействия ультрафиолетового и другого излучения, а также различных химических веществ в окружающей среде (рис. 7.34 и 7.35). Даже химические реакции, происходящие в клетках естественным образом, могут привести к образованию соединений, которые могут повредить ДНК. Как вы уже знаете, даже незначительные изменения в последовательности ДНК, например точечные мутации, иногда могут иметь далеко идущие последствия. Точно так же непоправимые повреждения, вызванные радиацией, химическими веществами окружающей среды или даже нормальным химическим составом клеток, могут помешать точной передаче информации в ДНК. Сохранение целостности «плана» клетки имеет жизненно важное значение, и это отражается в многочисленных механизмах, которые существуют для исправления ошибок и повреждений ДНК.

Пострепликативное восстановление несоответствия

Ранее мы обсуждали корректуру ДНК-полимеразами во время репликации. Хотя корректура значительно снижает количество ошибок, не все ошибки мгновенно исправляются ДНК-полимеразами.

Какие существуют механизмы для исправления ошибок репликации, которые пропускаются функцией корректуры ДНК-полимераз? Ошибки, которые ускользают из-за корректуры во время репликации, могут быть исправлены с помощью механизма, называемого исправлением несоответствия. Хотя частота ошибок репликации ДНК составляет примерно один из 107 нуклеотидов в отсутствие репарации ошибочного спаривания, она дополнительно снижается в сто раз до одного из 109 нуклеотидов, когда репарация ошибочного спаривания является функциональной.

С какими задачами сталкивается система устранения несоответствий?

Он должен:

  • Сканируйте вновь созданную ДНК, чтобы увидеть, есть ли какие-либо неверно спаренные основания (например, G, соединенная с T)
  • Определите и удалите область несоответствия.
  • Правильно заполните пробел, образовавшийся в результате иссечения области несовпадения.

Отличительные пряди

Важно отметить, что система репарации несовпадений должна иметь средства, позволяющие отличать только что созданную цепь ДНК от цепи матрицы, если ошибки репликации должны быть исправлены правильно. Другими словами, когда система исправления несоответствия обнаруживает, например, неправильную пару A-G, она должна знать, следует ли удалить A и заменить на C или G следует удалить и заменить на T.

Но как система восстановления несовпадений различает исходную и новую нити ДНК? У бактерий существование системы, которая метилирует ДНК в последовательностях GATC, является решением этой проблемы. E.coli содержит фермент ДНК-аденинметилаза (Dam), который добавляет метильные группы к аденинам в последовательностях GATC в ДНК (рис. 7.36). Вновь реплицированная ДНК еще не подверглась метилированию и, таким образом, ее можно отличить от цепи матрицы, которая метилирована.

Белки репарации ошибочного спаривания выборочно заменяют цепь, лишенную метилирования, тем самым гарантируя, что ошибки во вновь созданной цепи будут удалены и заменены. Поскольку метилирование является критерием, который позволяет системе репарации ошибочного спаривания выбирать цепь, которая восстанавливается, бактериальная система репарации ошибочного спаривания описывается как метил-направленная.

Рисунок 7.36 - Дам-метилаза добавляет метильные группы в последовательности GATC.

Гены восстановления несоответствия

Восстановление несоответствия хорошо изучено у бактерий, и вовлеченные белки идентифицированы. В E.coli белки репарации ошибочного спаривания кодируются группой генов, вместе известных как гены mut. Важными компонентами механизма восстановления несоответствия являются белки MutS, MutL и MutH (рис. 7.37).

MutS действует, чтобы распознавать несоответствие, в то время как MutL и MutH рекрутируются на сайт несовпадения путем связывания MutS. MutH - это эндонуклеаза, которая разрезает недавно синтезированную и пока еще неметилированную цепь ДНК на GATC. Это активирует ДНК-геликазу и экзонуклеазу, которые помогают раскрутить и удалить область, содержащую несоответствие. ДНК-полимераза III заполняет пробел, используя противоположную цепь в качестве матрицы, а лигаза соединяет концы, чтобы восстановить непрерывную цепь.

У эукариот также есть система исправления несоответствия, которая исправляет не только несоответствия отдельных оснований, но также вставки и делеции. Гомологи E. coli MutS и MutL были идентифицированы у других организмов, включая человека: hMSH1 и hMSH2 (человеческие гомологи MutS 1 и 2) гомологичны MutS, а hMLH 1 гомологичны MutL. Они вместе с дополнительными белками осуществляют репарацию несовпадений в эукариотических клетках.

Метилирование ДНК не используется эукариотическими клетками как способ отличить новую цепь от матрицы, и еще не до конца понятно, как система репарации ошибочного спаривания у эукариот «знает», какую цепь отремонтировать. Есть свидетельства того, что вновь созданная ДНК может быть распознана по тому факту, что она рваная или прерывистая. Это предполагает, что нарушение непрерывности, возникающее из-за фрагментов Окадзаки, которые еще не были соединены вместе, может позволить отличить новую цепь от старой непрерывной цепи-матрицы.

Восстановление повреждений ДНК

В предыдущем разделе мы рассмотрели ошибки, допущенные при копировании ДНК, когда неправильное основание вставлено во время синтеза новой цепи. Но даже ДНК, которая не реплицируется, может быть повреждена или мутирована. Подобные повреждения не связаны с репликацией ДНК, скорее, они могут произойти в любое время.

Что вызывает повреждение ДНК?
Некоторые основные причины повреждения ДНК:
а. Излучение (например, УФ-лучи при солнечном свете и в солярии или ионизирующее излучение)
б. Воздействие вредных химических веществ, таких как нитрозамины или полициклические ароматические углеводороды, в окружающей среде (см. Рисунок 7.38)
c. Химические реакции внутри клетки (например, дезаминирование цитозина с образованием урацила или метилирование гуанина с образованием метилгуанина).

Это означает, что ДНК в ваших клетках уязвима для повреждения просто в результате обычных действий, таких как прогулки на свежем воздухе, нахождение в пробке, или в результате химических превращений, происходящих в каждой клетке в рамках ее повседневной деятельности. (Естественно, ущерб намного больше в ситуациях, когда воздействие радиации или повреждающих химикатов больше, например, когда люди регулярно пользуются соляриями или курят.)

Виды повреждений

Какой ущерб наносят эти агенты? Радиация может вызывать различные повреждения ДНК.

Иногда, как и в случае с большей частью повреждений, нанесенных УФ-лучами, два соседних пиримидиновых основания в ДНК будут сшиваться с образованием димеров циклобутан-пиримидина или CPD (см. Рис. 7.39). Обратите внимание, что это два соседних пиримидиновых основания на одной цепи ДНК. УФ-облучение также может привести к образованию другого типа поражения, известного как фотопродукт (6-4) или 6-4PP (рис. 7.39). Ионизирующее излучение может вызвать разрывы в основной цепи ДНК, в одной или обеих цепях.

Рисунок 7.39 - Возможные химические структуры димера пиримидина - 6-4PP (слева) и CPD (справа) - Википедия

Такие молекулы, как бензопирен, присутствующие в выхлопных газах автомобилей, могут присоединяться к основаниям, образуя объемные аддукты ДНК, в которых большие химические группы связаны с основаниями в ДНК. Повреждения, такие как димеры пиримидина, 6-4PP или химические аддукты, могут физически исказить спираль ДНК, вызывая остановку ДНК и РНК-полимеразы, когда они пытаются скопировать эти области ДНК (рис. 7.40).

Химические реакции, происходящие в клетках, могут вызывать дезаминирование цитозинов в ДНК до урацила. Другие виды повреждений в этой категории включают образование окисленных оснований, таких как 8-оксогуанин, или алкилированных оснований, таких как O6-метилгуанин. На самом деле они не изменяют физическую структуру спирали ДНК, но могут вызвать проблемы, поскольку пары урацила и 8-оксогуанина имеют основания, отличные от оснований исходного цитозина или гуанина, что приводит к мутациям в следующем раунде репликации. Аналогичным образом O6-метилгуанин может образовывать пары оснований с тимином вместо цитозина.

Удаление повреждений

У клеток есть несколько способов устранить повреждения, описанные выше. Первый из них описывается как прямой разворот. Многие организмы (хотя, к сожалению для нас, а не люди) могут восстанавливать УФ-повреждения, такие как CPD и 6-4PP, потому что они обладают ферментами, называемыми фотолиазами (фото = свет; лиаза = фермент разложения - рис. 7.41). Фотолиазы работают через процесс, называемый фотореактивацией, и используют энергию синего света, чтобы катализировать фотохимическую реакцию, которая разрывает аберрантные связи в поврежденной ДНК и возвращает ДНК в исходное состояние.

Самоубийственный фермент

O6-метилгуанин из ДНК также может быть удален прямым обращением с помощью фермента O6-метилгуанинметилтрансферазы. Это очень необычный фермент, который удаляет метильную группу из гуанина и переносит ее на остаток цистеина в ферменте. Добавление метильной группы к цистеину делает фермент нефункциональным.

Как вы знаете, большинство ферментов являются катализаторами, которые остаются неизменными в ходе реакции, что позволяет одной молекуле фермента многократно катализировать реакцию. Поскольку O6-метилгуанинметилтрансфераза не подходит под это описание, иногда ее не рассматривают как настоящий фермент. Его также называют самоубийственным ферментом, потому что фермент «умирает» в результате своей собственной активности.

Иссечение

Удаление эксцизии - еще одна распространенная стратегия. Эксцизионная репарация - это общий термин для вырезания и повторного синтеза поврежденной области ДНК. Существует несколько различных видов эксцизионной репарации, но все они включают иссечение поврежденной части ДНК с последующим репарационным синтезом с использованием другой цепи в качестве матрицы и, наконец, лигирование для восстановления целостности восстановленной цепи. Клетки обладают несколькими различными видами эксцизионной репарации, каждый из которых направлен на определенные виды повреждений ДНК. Вместе с тем, эти системы репарации справляются с самыми разными повреждениями генома.

Эксцизионная репарация нуклеотидов

Эксцизионная репарация нуклеотидов (NER) устраняет такие повреждения, как образование химических аддуктов, а также УФ-повреждение. И химические аддукты, и образование CPD или 6,4 фотопродуктов могут вызвать значительное искажение спирали ДНК. Белки NER действуют, разрезая поврежденную нить по обе стороны от поражения. Затем удаляется короткая часть цепи ДНК, содержащая повреждение, и ДНК-полимераза заполняет промежуток соответствующими нуклеотидами. Эксцизионная репарация нуклеотидов широко изучалась у бактерий.

В E. coli распознавание и устранение повреждения осуществляется группой белков, кодируемых генами uvrABC и uvrD. Белковые продукты генов uvrA, uvrB и uvrC действуют вместе как так называемая эксинуклеаза UvrABC. Повреждение первоначально распознается и связывается комплексом белков UvrA и UvrB. Как только комплекс связывается, UvrA диссоциирует, оставляя UvrB прикрепленным к ДНК, где к нему затем присоединяется белок UvrC.

Обрывы пряди

Это комплекс, состоящий из UvrB и C, который действует, разрезая фосфодиэфирный остов по обе стороны от повреждения, создавая разрывы в цепи на расстоянии примерно 12-13 нуклеотидов друг от друга. Затем геликаза, кодируемая uvrD, раскручивает область, содержащую повреждение, смещая ее из двойной спирали вместе с UvrBC. Брешь в ДНК заполняется ДНК-полимеразой, которая копирует неповрежденную цепь, и разрыв запечатывается с помощью ДНК-лигазы.

Эксцизионная репарация нуклеотидов также является важным путем у эукариот. Это особенно важно при устранении УФ-повреждений у людей, учитывая, что у нас нет фотолиаз. Был идентифицирован ряд белков, которые функционируют аналогично белкам Uvr.

Важность этих белков очевидна из того факта, что мутации в кодирующих их генах могут привести к ряду генетических заболеваний, таких как Xeroderma pigmentosum или XP. Люди с XP чрезвычайно чувствительны к воздействию ультрафиолета, потому что причиненный им ущерб не может быть восстановлен, что подвергает их гораздо более высокому риску развития рака кожи.

Два режима ремонта

Эксцизионная репарация нуклеотидов работает в двух режимах, один из которых известен как глобальная геномная репарация, а другой - как репарация, связанная с транскрипцией. Хотя функция обоих заключается в удалении дестабилизирующих спираль повреждений, таких как димеры циклобутанового пиримидина или химические аддукты, способы обнаружения повреждений различаются.

При глобальной репарации генома повреждение идентифицируется путем наблюдения за всем геномом на предмет повреждений, искажающих спираль. В случае репарации, связанной с транскрипцией, остановка РНК-полимеразы на участке повреждения ДНК является индикатором, который активирует этот способ эксцизионной репарации нуклеотидов.

Базовая эксцизионная пластика

Базовая эксцизионная репарация (BER) - это механизм репарации, который имеет дело с такими ситуациями, как дезаминирование цитозина до урацила (рис. 7.43) или метилирование пуринового основания. Эти изменения обычно не искажают структуру спирали ДНК, в отличие от химических аддуктов или УФ-повреждения.

При эксцизионной репарации оснований одно поврежденное основание сначала удаляется из ДНК, а затем удаляется область ДНК, окружающая отсутствующее основание. Затем зазор устраняется.

Урацил-ДНК гликозилаза

Удаление урацила из ДНК осуществляется ферментом урацил-ДНК-гликозилаза, который может распознавать урацил в ДНК и разрывать гликозидную связь между урацилом и сахаром в нуклеотиде (рис. 7.44). Удаление основания оставляет промежуток, называемый апиримидиновым сайтом (AP-сайтом), потому что в этом случае был удален урацил, пиримидин. Важно помнить, что на этом этапе основа ДНК все еще не повреждена, и удаление единственного основания просто создает разрыв, похожий на выбитый зуб.

Образование AP-сайта запускает активность фермента, известного как AP-эндонуклеаза, которая разрезает 5 ’каркас ДНК до AP-сайта. На остальных этапах ДНК-полимераза связывается с ником, а затем, используя свою экзонуклеазную и полимеразную активности, заменяет последовательность в этой области. В зависимости от ситуации может быть заменен один нуклеотид (BER короткого участка) или отрезок из нескольких нуклеотидов может быть удален и заменен (BER длинного участка). Наконец, как всегда, ДНК-лигаза закрывает разрыв в ДНК.

Ремонт двунитных разрывов

Хотя все механизмы репарации, обсуждавшиеся до сих пор, фиксируют повреждение одной цепи ДНК с использованием другой, неповрежденной цепи в качестве матрицы, эти механизмы не могут восстановить повреждение обеих цепей. Что будет, если повредятся обе пряди? Ионизирующее излучение, воздействие определенных химикатов или активных форм кислорода, образующихся в клетке, могут привести к двухцепочечным разрывам (DSB) в ДНК.

DSB представляют собой потенциально смертельную форму повреждения, которая, помимо блокировки репликации и транскрипции, также может привести к хромосомным транслокациям, когда часть одной хромосомы прикрепляется к части другой хромосомы. Существуют два различных клеточных механизма, которые помогают восстанавливать DSB (рис. 7.45), гомологичная рекомбинация (HR) и негомологичное соединение концов (NHEJ).

Рисунок 7.45 - Негомологичное соединение концов (слева) в сравнении с гомологичной рекомбинацией (справа) - Википедия

Гомологичная рекомбинационная репарация обычно происходит в поздних фазах S и G2 клетки, когда реплицируется каждая хромосома и информация от сестринской хроматиды может использоваться в качестве шаблона для достижения безошибочной репарации. Обратите внимание, что в отличие от эксцизионной репарации, когда поврежденная цепь была удалена, а неповрежденная сестринская цепь служила шаблоном для заполнения поврежденной области, HR должен использовать информацию из другой молекулы ДНК, потому что обе цепи ДНК повреждены в DSB. .

Нуклеазное действие

Обнаружение двухцепочечного разрыва запускает нуклеазную активность, которая пережевывает одну нить на каждом конце разрыва. Это приводит к получению однониточных 3 ’выступов на каждом конце. Эти одноцепочечные концы связаны несколькими белками, создавая нуклеопротеиновую нить, которая затем может «искать» гомологичные (совпадающие) последовательности на сестринской хроматиде.

Когда такие последовательности обнаруживаются, нуклеопротеиновый филамент вторгается в неповрежденную сестринскую хроматиду, образуя кроссовер. Это создает гетеродуплексы, состоящие из нитей ДНК из разных хроматид. За инвазией цепи (рис. 7.47) следует миграция ветвей, во время которой соединение Холлидея перемещается вдоль ДНК, удлиняя гетеродуплекс от исходного сайта кроссовера (рис. 7.48). В E. coli миграция ветвей зависит от активности двух белков, RuvA и RuvB. Полученный промежуточный продукт рекомбинации может быть разделен с помощью RuvC для получения полных безошибочных цепей.

Негомологичное соединение концов

В отличие от гомологичной рекомбинации, негомологичное соединение концов (NHEJ) подвержено ошибкам. Он не использует и не требует гомологичного шаблона для копирования, а работает, просто пережевывая сломанные концы DSB и лигируя их вместе. Неудивительно, что в результате NHEJ вносит делеции в ДНК.

Транслезионный синтез ДНК

Как мы видели, у клеток есть множество механизмов, которые помогают защитить целостность информации в ДНК. Одной из крайних мер является трансфузионный синтез ДНК, также известный как обходной синтез. Синтез транслезии происходит, когда ДНК-полимераза сталкивается с повреждением ДНК на цепи-шаблоне, но вместо остановки или пропуска повреждения репликация переключается в режим, подверженный ошибкам, игнорируя шаблон и включая случайные нуклеотиды в новую цепь. В E.coli синтез трансфузии зависит от активности белков, кодируемых генами umuC и umuD. При соответствующих условиях (см. Ответ SOS ниже) UmuC и UmuD активируются, чтобы начать синтез обхода. Синтез трансфузии подвержен ошибкам и приводит к множеству мутаций.

SOS ответ

Термин «восстановление SOS», названный в честь стандартных сигналов бедствия SOS, относится к реакции клетки на повреждение ультрафиолетом. Когда бактериальные клетки сильно повреждают свою ДНК в результате воздействия ультрафиолета, они включают скоординированную экспрессию большого количества генов, необходимых для репарации ДНК. К ним относятся гены uvr, необходимые для эксцизионной репарации нуклеотидов, и recA, который участвует в гомологичной рекомбинации. В дополнение к этим механизмам, которые могут осуществлять безошибочную репарацию, SOS-ответ может также индуцировать экспрессию трансфузионных полимераз, кодируемых генами dinA, dinB и umuCD.

Как все эти гены скоординированно индуцируются после УФ-повреждения? Все гены, индуцируемые в ответе SOS, регулируются двумя компонентами. Первый - это наличие короткой последовательности ДНК перед их кодирующей областью, называемой SOS-боксом. Второй - это белок, репрессор LexA (рис. 7.49), который связывается с SOS-боксом и предотвращает транскрипцию нижележащих генов. Экспрессия генов требует удаления LexA из его сайта связывания. Как этого добиться?

Когда воздействие радиации приводит к разрывам ДНК, присутствие одноцепочечных областей запускает активацию и связывание белков RecA с одноцепочечной областью, создавая нуклеопротеиновый филамент. Взаимодействие RecA с репрессором LexA приводит к авторасщеплению репрессора, что позволяет экспрессировать нижележащий ген (ы) (рис. 7.50).

Гены, контролируемые репрессором LexA, как упоминалось ранее, кодируют белки, которые необходимы для точной репарации ДНК, а также для склонного к ошибкам синтеза трансфузии. Различные гены, участвующие в репарации ДНК, индуцируются в определенном порядке. На начальных стадиях дерепрессированные гены репарации предназначены для эксцизионной репарации нуклеотидов с последующей гомологичной рекомбинацией - оба безошибочных механизма репарации. Если повреждение слишком велико, чтобы его можно было устранить с помощью этих систем, в крайнем случае могут быть задействованы механизмы ремонта, подверженные ошибкам.

SOS-ответ и устойчивость к антибиотикам

Повышенная частота мутаций в ответе SOS может играть роль в приобретении устойчивости бактерий к антибиотикам (рис. 7.51).

Примером может служить развитие устойчивости к ядам топоизомеразы, таким как препараты семейства фторхинолонов. Фторхинолоны подавляют способность топоизомераз повторно образовывать концы своих субстратов после того, как они надрезают их, чтобы позволить перекрученной ДНК расслабиться. Это приводит к накоплению разрывов цепей, которые могут вызвать реакцию SOS. Как следствие склонного к ошибкам синтеза ДНК полимеразами с низкой точностью воспроизведения во время SOS-ответа, наблюдается значительное увеличение количества мутаций. Хотя некоторые мутации могут быть смертельными для бактерий, другие могут способствовать быстрому развитию лекарственной устойчивости у населения.


Резюме раздела

ДНК-полимераза может ошибаться при добавлении нуклеотидов. Он редактирует ДНК, проверяя каждую новую добавленную базу. Неправильные базы удаляются и заменяются правильной базой, а затем добавляется новая база. Большинство ошибок исправляется во время репликации, хотя, когда этого не происходит, используется механизм исправления несоответствия. Ферменты репарации несоответствия распознают ошибочно включенное основание и вырезают его из ДНК, заменяя правильным основанием. В еще одном типе репарации, эксцизионной репарации нуклеотидов, неправильное основание удаляется вместе с несколькими основаниями на концах 5 & # 8242 и 3 & # 8242, и они заменяются копированием матрицы с помощью ДНК-полимеразы. Концы вновь синтезированного фрагмента прикрепляются к остальной части ДНК с помощью ДНК-лигазы, которая создает фосфодиэфирную связь.

Большинство ошибок исправляются, и если они не исправлены, они могут привести к мутации, определяемой как постоянное изменение последовательности ДНК. Мутации могут быть многих типов, например замещения, делеции, вставки и транслокации. Мутации в генах восстановления могут привести к серьезным последствиям, таким как рак. Мутации могут быть вызваны или возникать спонтанно.


Недавно обнаруженный белок восстанавливает ДНК

Предоставлено: Pixabay / CC0 Public Domain.

Исследователи из Университета Севильи в сотрудничестве с коллегами из университетов Мурсии и Марбурга (Германия) определили новый белок, который позволяет восстанавливать ДНК. Рассматриваемый белок, называемый криптохромом, эволюционировал, чтобы приобрести эту и другие функции внутри клетки.

Ультрафиолетовое излучение может повредить ДНК, что приведет к мутациям, которые нарушают функцию клеток и могут привести к неконтролируемому росту раковых клеток. В наших клетках есть системы восстановления ДНК, которые защищают себя от такого рода повреждений. Одна из этих систем основана на протеине, фотолиазе, который использует синий свет для восстановления повреждений ДНК, прежде чем они приведут к мутациям.

В ходе эволюции гены фотолиазы дублировались и специализировались, создавая новые белки, криптохромы, которые отточили свою способность воспринимать синий свет и теперь выполняют другие функции в клетках. Например, криптохромы используют синий свет в качестве сигнала для регулирования роста растений и ритма, который контролирует повседневную активность (циркадный ритм) у грибов и животных.

Авторы этого исследования обнаружили, что у грибка Mucor circinelloides, патогенного человека, криптохромы являются белком, отвечающим за восстановление ДНК после воздействия ультрафиолетового излучения, функцию, которую должна выполнять фотолиаза. Они также предполагают, что криптохромы этого гриба приобрели свою способность восстанавливать ДНК во время эволюции от наследственного криптохрома, который не был способен восстанавливать ДНК. Это открытие показывает, как изменяются белки по мере развития их функций.


Что такое восстановление ДНК?

Фермент ДНК-полимераза иногда случайно вводит неправильные основания, что нарушает нормальное разделение оснований Уотсона-Крика ДНК. Есть также много возможностей повреждения ДНК во время генетической рекомбинации, происходящей во время гаметогенеза путем деления мейотических клеток. Если в соматических клетках не исправить повреждения или ошибки ДНК, это может привести к развитию рака или к потере функции генов. Более того, если повреждения ДНК в гаметах не исправлены, они будут переданы следующему поколению через потомство. Таким образом, повреждение генетического материала является серьезной угрозой для всех организмов. Чтобы противодействовать этим угрозам, клетки разработали множество методов для преодоления и исправления различных типов повреждений ДНК. Все эти методы в совокупности называются РЕМОНТ ДНК механизмы. Подобно репликации, транскрипции и трансляции ДНК, процесс репарации ДНК также является основным молекулярным событием в клетках, которое очень важно для окончательного выживания клеток, а также для выживания организма.

Ремонт ДНК и Нобелевская премия по химии (2015)

Шведская королевская академия наук присудила Нобелевскую премию по химии 2015 года за открытие и вклад в механизм репарации ДНК. Нобелевскую премию по химии в этом году разделили три ученых, а именно Томас Линдал, Пол Модрич и Азиз Санкар за их «Механистические исследования репарации ДНК». Детальный механизм репарации ДНК в клетках, который мы знаем сегодня, в первую очередь связан с их исследованиями. Профессор Томас Линдал продемонстрировал, что ДНК - нестабильная молекула, которая может быть повреждена даже в физиологических условиях. Он также идентифицировал совершенно новый фермент ДНК-гликозилазу и описал их роль в механизмах восстановления ДНК. Профессор Пол Модрич преобразовал область восстановления несоответствия в детальное биохимическое понимание сначала у бактерий, а затем у эукариот. Профессор Санкар объяснил механизм эксцизионной репарации нуклеотидов сначала у бактерий, а затем у эукариотических клеток. Он также объяснил молекулярные механизмы процесса фотореактивации, который является типом светозависимого механизма репарации ДНК. Все эти вклады помогли нам понять природу некоторых заболеваний, таких как рак, и они помогли разработать новые методы лечения многих заболеваний, включая рак.

Деструктивные силы, с которыми сталкивается ДНК в клетке

В клетках есть две категории деструктивных сил, которые могут повредить ДНК как структурно, так и химически. Они есть:

(1). Внутренние или внутренние факторы: они включают: -

Ø Промежуточные продукты метаболизма

(2). Внешние или внешние факторы: они включают: -

Ø излучения (рентгеновские лучи, ультрафиолетовые лучи, гамма-лучи)

Ø Канцерогены / интеркалирующие агенты ДНК

Как следует из названия, внутренние факторы возникают внутри самой клетки. Реактивные свободные радикалы и промежуточные продукты метаболизма или побочные продукты метаболизма могут серьезно повредить ДНК и вызвать спонтанные мутации. Например, окислительное дезаминирование нуклеотидов в клетках, которое приводит к превращению цитозина в урацил, вызывается промежуточными продуктами метаболизма. Ошибки происходят во время репликации ДНК, и рекомбинация также рассматривается как внутренние факторы.

Основные внешние факторы, которые могут повредить клеточную ДНК, подпадают под две подкатегории. Среди которых наиболее важны различные типы радианов. Такие излучения, как УФ-лучи, рентгеновские лучи и γ-лучи, могут серьезно нарушить структуру и химический состав ДНК, что приведет к множеству возможностей мутаций. Точно так же различные канцерогенные химические вещества, которые мы обычно называем интеркалирующими агентами ДНК, могут напрямую вступать в реакцию с ДНК и вызывать различные структурные и химические модификации ДНК.

Когда нормальная конформационная химия ДНК утрачивается из-за любого из этих внутренних или внешних факторов, мы можем сказать, что в ДНК есть повреждение. Как и на изображении, нормальная конформационная симметрия ДНК утрачивается из-за образования димера тимина УФ-светом, что создает выпуклость в одной цепи. Выпуклость, образованная димером тимина, может быть названа повреждением ДНК.

Возможные структурные нарушения, которые могут произойти с ДНК:

(1). Образование димера тимина:

Наиболее частым структурным повреждением ДНК является образование димера пиримидина. Он образуется за счет образования ковалентной связи между двумя соседними остатками пиримидина, например, между двумя тимином или двумя цитозином или очень редко тимином и цитозином. Образование димера пиримидина вызывается ультрафиолетовым облучением ДНК. Среди трех типов димеров пиримидина образование димера тимина является наиболее распространенным. Когда ДНК поражается ультрафиолетовым светом, водородные связи между двумя цепями разрываются, и между двумя остатками тимина образуются две ковалентные связи. Две ковалентные связи образуются в результате разрыва двух двойных связей, присутствующих между C5 и C6 соседних остатков тимина. Димер тимина также называют фотодимером циклобутана или CPD, поскольку он структурно напоминает ядро ​​циклобутана. Если не исправить димер тимина в ДНК, это вызовет меланому, которая является разновидностью рака кожи.

(2). Самопроизвольная депуринизация ДНК

Это происходит из-за спонтанного удаления остатков аденина или гуанина из ДНК из-за разрыва N-гликозильной связи, которая соединяет азотистое основание с сахаром дезоксирибозы. Депуринизация приводит к образованию апуринового сайта (AP-сайта). Апуриновый сайт структурно нарушает нормальную конформацию ДНК. Если апуриновый участок не исправить, в ткани инициируются многие типы злокачественного роста.

(3). Самопроизвольное дезаминирование оснований в ДНК

Как следует из названия, это удаление аминогрупп из азотистых оснований ДНК. Дезаминирование обычно вызывается окислительным удалением аминогруппы из азотистых оснований. Дезаминирование дает неестественные основания или изменение последовательности оснований и приводит к точечной мутации в ДНК. Неестественные основания - это основания, отличные от аденина, гуанина, тимина, цитозина или урасила. Гипоксантин и ксантин - два неестественных основания, включенные в ДНК из-за спонтанного дезаминирования.

При дезаминировании аденина образуется гипоксантин. При дезаминировании гуанина образуется еще одно неестественное основание, называемое ксантином. При дезаминировании цитозина образуется урацил. Поскольку урацил не является основанием ДНК, он разрушает нормальное соединение оснований Уотсона-Крика в ДНК. Из-за отсутствия аминогруппы дезаминирование остатка тимина невозможно. Есть еще один вид дезаминирования, по сути, самый тяжелый и опасный. Как часть механизма регуляции ДНК, большая часть цитозина, находящегося в ДНК, будет метилирована в 5-м положении как 5-метилцитозин. При дезаминировании 5-метилцитозина образуется тимин и, таким образом, возникает точечная мутация.

(4). Ошибки репликации / рекомбинации ДНК

Это происходит из-за случайного включения неправильных оснований в ДНК ДНК-полимеразой во время репликации ДНК. ДНК-полимераза также обладает экзонуклеазной активностью, которая обычно удаляет неправильные основания и вставляет правильные основания с помощью процесса, называемого «проверочное считывание». Иногда метод корректуры не может обнаружить неправильное основание, и неправильное основание сохраняется в ДНК. Если эти ошибки не исправить, в следующем цикле репликации в ДНК происходит изменение основания и одна дочерняя ДНК мутирует.

Различные механизмы репарации ДНК в клетке:

В этом посте мы просто упомянем названия различных механизмов восстановления ДНК, у нас есть подробные сообщения с видеоуроками для каждого из этих механизмов восстановления.

На данный момент науке известно шесть различных типов механизмов восстановления ДНК.

(1). Фотореактивация: светозависимый механизм репарации ДНК, который удаляет димеры тимина

(2). Базовое иссечение (BER): только поврежденное основание удаляется или вырезается из цепи ДНК без удаления нормальных оснований

(3). Эксцизионная репарация нуклеотидов (NER): поврежденные основания вместе с коротким отрезком здоровой стойки удаляются и заполняются правильными основаниями

(4). Исправление несоответствия или MMR: Как следует из названия, он удаляет несовпадающие основания из ДНК и заполняет их правильными основаниями.

(5). Ремонт двуниточного разрыва: исправлены повреждения с двухрядным разрывом

(6). Ремонт, направленный на гомологию: здесь происходит долгая репарация ДНК путем согласования с последовательностью в гомологичной хромосоме.

Существует еще один тип стратегии репарации ДНК в клетках, называемый SOS-ответом, который на самом деле не является механизмом репарации ДНК. SOS-ответ инициируется в клетках после серьезного повреждения ДНК. SOS-ответы запускают многие молекулярные процессы в клетках, и репарация ДНК является одним из этих процессов.

Механизмы репарации, такие как фотореактивация, эксцизионная репарация оснований, эксцизионная репарация нуклеотидов и репарация ошибочного спаривания, репарируются только поврежденная цепь дуплекса ДНК, а неповрежденная цепь действует как матричная цепь. Однако при репарации двухцепочечных разрывов и гомологически направленной репарации репарируются обе нити дуплекса ДНК.


Конспект лекций

  • Эти особенности позволяют тРНК прикрепляться к сайтам связывания на рибосомах и к мРНК.
  • переменные особенности в каждом типе тРНК вызывают различные физические и химические свойства, что позволяет правильно связывать аминокислоты со специфическими тРНК
  • фермент, активирующий тРНК присоединяет определенную аминокислоту к 3’-концу тРНК
  • существует 20 различных ферментов, активирующих тРНК, по одному на каждую из 20 аминокислот
  • каждый из этих ферментов присоединяет одну конкретную аминокислоту ко всем молекулам тРНК, которые имеют антикодон, соответствующий этой аминокислоте
  • Гидролиз АТФ обеспечивает энергию для присоединения аминокислоты к тРНК, эта накопленная энергия также используется позже, чтобы связать аминокислоту с растущей полипептидной цепью во время трансляции

7.4.2 Обрисуйте структуру рибосом, включая:

  • белок (40% веса) и рРНК (60% от веса) состав:
  • большие и маленькие субъединицы
  • три сайта связывания тРНК: Электронный сайт, P-сайт, A-сайт
  • сайт связывания мРНК: на малой рибосомной субъединице

7.4.3 Укажите, что трансляция состоит из инициации, удлинения, транслокации и терминации.

7.4.4 Укажите, что перевод происходит в направлении 5 ’- & gt 3’

7.4.5 Нарисуйте и обозначьте диаграмму, показывающую структуру пептидной связи между двумя аминокислотами.

7.4.6 Объясните процесс трансляции, включая рибосомы, полисомы, стартовые и стоп-кодоны:

Щелкните, чтобы завершить две простые интерактивные анимации синтеза белка:

  • 5 ’конец мРНК связывается с малой субъединицей рибосомы
  • начальный кодон мРНК = AUG = стартовый кодон
  • тРНК с антикодон: UAC связывается с кодоном мРНК AUG путем комплементарного спаривания оснований, метионин присоединяется к 3 ’концу тРНК
  • связывает большую рибосомную субъединицу, завершая структуру рибосомы и создавая два сайта связывания рибосом: P сайт & amp Сайт

  • тРНК с антикодоном, комплементарным второму кодону мРНК, связывается с сайтом рибосомы A, с соответствующей аминокислотой, присоединенной к 3’-концу тРНК
  • ферменты в рибосомах катализируют образование пептидная связь между метионином и 2-й аминокислотой
  • ТРНК P сайта, теперь отделенная от метионина, выходит из рибосомы
  • рибосома перемещает один кодон (3 нуклеотида) к 3 ’концу мРНК, таким образом сдвигая предыдущую тРНК A-сайта на P-сайт и открывая A-сайт
  • тРНК с антикодоном, комплементарным кодону мРНК A-сайта, связывается с рибосомным A-сайтом, с соответствующей аминокислотой, присоединенной к 3 ’концу тРНК
  • ферменты в рибосомах катализируют образование пептидной связи между 2-й и 3-ей аминокислотами
  • ТРНК P сайта, теперь отделенная от своей аминокислоты, выходит из рибосомы
  • рибосома перемещает один кодон (3 нуклеотида) к 3 ’концу мРНК, таким образом сдвигая предыдущую тРНК A-сайта на P-сайт и открывая A-сайт
  • повторение процесса до достижения стоп-кодона
  • когда рибосомный A-сайт достигает стоп-кодон, ни одна тРНК не имеет комплементарного антикодона
  • белок фактора высвобождения связывается с рибосомным стоп-кодоном A-сайта
  • полипептид и мРНК высвобождаются
  • большие и маленькие рибосомные субъединицы разделяются

Д. полисомы: от нескольких ко многим рибосомам, транслирующим одну и ту же мРНК в белок, каждая движется в направлении от 5 ’к 3’

Э. стартовый кодон: триплетный кодон мРНК AUG универсально является стартовым кодоном, используемым для обозначения начала кодирующей последовательности гена, таким образом, тРНК с антикодоном UAC и несущая аминокислоту метионин всегда является первой тРНК, которая входит в P-сайт во время трансляции.

Ф. стоп-кодон: в генетическом коде три стоп-кодона, ни один из них не имеет соответствующей тРНК, вместо этого, когда рибосома встречает стоп-кодон, фактор высвобождения связывается со стоп-кодоном, который завершает трансляцию и позволяет разделить все ее компоненты


Резюме раздела

ДНК-полимераза может ошибаться при добавлении нуклеотидов. Он редактирует ДНК, проверяя каждую новую добавленную базу. Неправильные базы удаляются и заменяются правильной базой, а затем добавляется новая база. Большинство ошибок исправляется во время репликации, хотя, когда этого не происходит, используется механизм исправления несоответствия. Ферменты репарации несоответствия распознают ошибочно включенное основание и вырезают его из ДНК, заменяя правильным основанием. В еще одном типе репарации, эксцизионной репарации нуклеотидов, неправильное основание удаляется вместе с несколькими основаниями на концах 5 & # 8242 и 3 & # 8242, и они заменяются копированием матрицы с помощью ДНК-полимеразы. Концы вновь синтезированного фрагмента прикрепляются к остальной части ДНК с помощью ДНК-лигазы, которая создает фосфодиэфирную связь.

Большинство ошибок исправляются, и если они не исправлены, они могут привести к мутации, определяемой как постоянное изменение последовательности ДНК. Мутации могут быть многих типов, например замещения, делеции, вставки и транслокации. Мутации в генах восстановления могут привести к серьезным последствиям, таким как рак. Мутации могут быть вызваны или возникать спонтанно.


СОДЕРЖАНИЕ

Повреждение ДНК из-за факторов окружающей среды и нормальных метаболических процессов внутри клетки происходит со скоростью от 10 000 до 1 000 000 молекулярных повреждений на клетку в день.[2] Хотя это составляет только 0,000165% от примерно 6 миллиардов оснований человеческого генома, не восстановленные повреждения в критических генах (таких как гены-супрессоры опухолей) могут препятствовать способности клетки выполнять свою функцию и значительно увеличивать вероятность образования опухоли и вносить свой вклад. к неоднородности опухоли.

Подавляющее большинство повреждений ДНК затрагивает первичную структуру двойной спирали, то есть сами основания химически модифицированы. Эти модификации могут, в свою очередь, нарушить регулярную спиральную структуру молекул за счет введения ненативных химических связей или объемных аддуктов, которые не помещаются в стандартную двойную спираль. В отличие от белков и РНК, ДНК обычно не имеет третичной структуры, и поэтому на этом уровне не происходит повреждений или нарушений. Однако ДНК сверхспирается и наматывается на «упаковочные» белки, называемые гистонами (у эукариот), и обе надстройки уязвимы для эффектов повреждения ДНК.

Источники Править

Повреждения ДНК можно разделить на два основных типа:

    повреждение, такое как атака реактивными формами кислорода, образующимися из нормальных побочных продуктов метаболизма (спонтанная мутация), особенно процесс окислительного дезаминирования
    1. также включает ошибки репликации
    1. ультрафиолетовое [УФ 200–400 нм] излучение солнца или других искусственных источников света
    2. другие частоты излучения, включая рентгеновское и гамма-излучение или тепловое нарушение
    3. некоторые токсины растений
    4. антропогенные мутагенные химические вещества, особенно ароматические соединения, которые действуют как интеркалирующие агенты ДНК [8]

    Репликация поврежденной ДНК до деления клетки может привести к включению неправильных оснований в противоположность поврежденным. Дочерние клетки, унаследовавшие эти неправильные основания, несут мутации, из которых исходная последовательность ДНК не может быть восстановлена ​​(за исключением редких случаев обратной мутации, например, в результате преобразования гена).

    Типы Править

    Существует несколько типов повреждений ДНК из-за эндогенных клеточных процессов:

    1. окисление баз [например, 8-оксо-7,8-дигидрогуанин (8-oxoG)] и образование разрывов цепи ДНК из активных форм кислорода,
    2. алкилирование оснований (обычно метилирование), таких как образование 7-метилгуанозина, 1-метиладенина, 6-O-метилгуанина
    3. гидролиз оснований, таких как дезаминирование, депуринизация и депиримидинация. (например, аддукт бензо [a] пирендиол эпоксид-dG, аддукт аристолактама I-dA)
    4. несоответствие оснований из-за ошибок в репликации ДНК, при которых неправильное основание ДНК вставлено на место во вновь формирующейся цепи ДНК, или основание ДНК пропускается или вставляется по ошибке.
    5. Повреждение моноаддукта, вызванное изменением единственного азотистого основания ДНК
    6. Повреждение диаддукта

    Повреждения, вызванные экзогенными агентами, могут иметь разные формы. Вот несколько примеров:

    1. УФ-B свет вызывает сшивание между соседними основаниями цитозина и тимина, создавая димеры пиримидина. Это называется прямым повреждением ДНК.
    2. УФ-свет создает в основном свободные радикалы. Повреждение, вызванное свободными радикалами, называется непрямым повреждением ДНК.
    3. Ионизирующее излучение например, созданный радиоактивным распадом или в космические лучи вызывает разрывы в цепях ДНК. Ионизирующее излучение промежуточного уровня может вызвать непоправимое повреждение ДНК (что приведет к ошибкам репликации и транскрипции, необходимым для неоплазии, или может вызвать вирусные взаимодействия), что приведет к преждевременному старению и раку.
    4. Термическое нарушение при повышенной температуре увеличивается скорость депуринации (потеря пуриновых оснований из основной цепи ДНК) и однонитевых разрывов. Например, гидролитическое депуринирование наблюдается у термофильных бактерий, которые растут в горячих источниках при 40–80 ° C. [9] [10] Скорость депуринизации (300 пуриновых остатков на геном на поколение) у этих видов слишком высока, чтобы ее можно было отремонтировать с помощью нормального репаративного механизма, следовательно, нельзя исключать возможность адаптивного ответа.
    5. Промышленная химия такие как винилхлорид и перекись водорода, а также химические вещества окружающей среды, такие как полициклические ароматические углеводороды, содержащиеся в дыме, саже и смоле, создают огромное разнообразие аддуктов ДНК - этеновых оснований, окисленных оснований, алкилированных фосфотриэфиров и сшивания ДНК, и это лишь некоторые из них.

    УФ-повреждение, алкилирование / метилирование, рентгеновское повреждение и окислительное повреждение являются примерами индуцированного повреждения. Спонтанное повреждение может включать потерю основы, дезаминирование, сморщивание сахарного кольца и таутомерный сдвиг. Конститутивное (спонтанное) повреждение ДНК, вызванное эндогенными оксидантами, можно определить по низкому уровню фосфорилирования гистона H2AX в необработанных клетках. [11]

    Ядерное против митохондриального Править

    В клетках человека и эукариотических клетках в целом ДНК находится в двух клеточных местах - внутри ядра и внутри митохондрий. Ядерная ДНК (яДНК) существует в виде хроматина на нерепликативных стадиях клеточного цикла и конденсируется в агрегатные структуры, известные как хромосомы, во время деления клетки. В любом состоянии ДНК сильно уплотнена и свернута вокруг бусинчатых белков, называемых гистонами. Всякий раз, когда клетке необходимо выразить генетическую информацию, закодированную в ее яДНК, необходимая хромосомная область раскрывается, гены, расположенные в ней, экспрессируются, а затем область конденсируется обратно до ее конформации покоя. Митохондриальная ДНК (мтДНК) расположена внутри митохондриальных органелл, существует в нескольких копиях, а также тесно связана с рядом белков, образуя комплекс, известный как нуклеоид. Внутри митохондрий реактивные формы кислорода (АФК) или свободные радикалы, побочные продукты постоянного производства аденозинтрифосфата (АТФ) посредством окислительного фосфорилирования, создают высокоокислительную среду, которая, как известно, повреждает мтДНК. Решающим ферментом в противодействии токсичности этих видов является супероксиддисмутаза, которая присутствует как в митохондриях, так и в цитоплазме эукариотических клеток.

    Старение и апоптоз Править

    Старение, необратимый процесс, при котором клетка больше не делится, является защитной реакцией на укорочение концов хромосом. Теломеры - это длинные области повторяющейся некодирующей ДНК, которые закрывают хромосомы и подвергаются частичной деградации каждый раз, когда клетка подвергается делению (см. Предел Хейфлика). [12] Напротив, покой - это обратимое состояние клеточного покоя, которое не связано с повреждением генома (см. Клеточный цикл). Старение клеток может служить функциональной альтернативой апоптозу в тех случаях, когда физическое присутствие клетки по пространственным причинам требуется организму [13], что служит механизмом «последней надежды» для предотвращения репликации клетки с поврежденной ДНК. неуместно в отсутствие клеточной передачи сигналов, способствующих росту. Нерегулируемое деление клеток может привести к образованию опухоли (см. Рак), которая потенциально опасна для организма. Следовательно, индукция старения и апоптоза считается частью стратегии защиты от рака. [14]

    Мутация Править

    Важно различать повреждение ДНК и мутацию - два основных типа ошибок в ДНК. Повреждение ДНК и мутация принципиально разные. Повреждение приводит к физическим аномалиям в ДНК, таким как одно- и двухцепочечные разрывы, остатки 8-гидроксидезоксигуанозина и аддукты полициклических ароматических углеводородов. Повреждение ДНК может быть распознано ферментами и, таким образом, может быть правильно восстановлено, если избыточная информация, такая как неповрежденная последовательность в комплементарной цепи ДНК или в гомологичной хромосоме, доступна для копирования. Если клетка сохраняет повреждение ДНК, транскрипция гена может быть предотвращена, и, таким образом, трансляция в белок также будет заблокирована. Репликация также может быть заблокирована или клетка может погибнуть.

    В отличие от повреждения ДНК, мутация - это изменение последовательности оснований ДНК. Мутация не может быть распознана ферментами, если изменение основания присутствует в обеих цепях ДНК, и, таким образом, мутация не может быть исправлена. На клеточном уровне мутации могут вызывать изменения в функции и регуляции белков. Мутации воспроизводятся при репликации клетки. В популяции клеток частота мутантных клеток будет увеличиваться или уменьшаться в зависимости от влияния мутации на способность клетки выживать и воспроизводиться.

    Хотя повреждения ДНК и мутации явно отличаются друг от друга, они связаны, поскольку повреждение ДНК часто вызывает ошибки синтеза ДНК во время репликации или восстановления, эти ошибки являются основным источником мутаций.

    Учитывая эти свойства повреждения ДНК и мутации, можно видеть, что повреждение ДНК представляет собой особую проблему для неделящихся или медленно делящихся клеток, где не восстановленные повреждения будут накапливаться с течением времени. С другой стороны, в быстро делящихся клетках невосстановленное повреждение ДНК, которое не убивает клетку путем блокирования репликации, будет иметь тенденцию вызывать ошибки репликации и, следовательно, мутации. Подавляющее большинство мутаций, которые не являются нейтральными по своему действию, вредны для выживания клетки. Таким образом, в популяции клеток, составляющих ткань с реплицирующимися клетками, мутантные клетки будут иметь тенденцию к потере. Однако редкие мутации, обеспечивающие преимущество в выживании, будут иметь тенденцию к клональному разрастанию за счет соседних клеток в ткани. Это преимущество клетки невыгодно для всего организма, поскольку такие мутантные клетки могут вызывать рак. Таким образом, повреждение ДНК в часто делящихся клетках, поскольку оно вызывает мутации, является основной причиной рака. Напротив, повреждение ДНК в редко делящихся клетках, вероятно, является основной причиной старения. [15]

    Клетки не могут функционировать, если повреждение ДНК нарушает целостность и доступность важной информации в геноме (но клетки остаются внешне функциональными, когда несущественные гены отсутствуют или повреждены). В зависимости от типа повреждения, нанесенного двойной спиральной структуре ДНК, для восстановления утраченной информации было разработано множество стратегий восстановления. Если возможно, клетки используют немодифицированную комплементарную цепь ДНК или сестринскую хроматиду в качестве матрицы для восстановления исходной информации. Без доступа к шаблону клетки в крайнем случае используют подверженный ошибкам механизм восстановления, известный как синтез трансформации.

    Повреждение ДНК изменяет пространственную конфигурацию спирали, и такие изменения могут быть обнаружены клеткой. Как только повреждение локализовано, определенные молекулы репарации ДНК связываются в месте повреждения или рядом с ним, побуждая другие молекулы связываться и образовывать комплекс, который делает возможным фактическое восстановление.

    Прямой разворот Править

    Известно, что клетки устраняют три типа повреждений своей ДНК, химически обращая их вспять. Эти механизмы не требуют шаблона, поскольку типы повреждений, которым они противодействуют, могут возникать только на одной из четырех баз. Такие механизмы прямого обращения специфичны для типа нанесенного повреждения и не включают разрушение фосфодиэфирного остова. Образование димеров пиримидина при облучении УФ-светом приводит к аномальной ковалентной связи между соседними пиримидиновыми основаниями. Процесс фотореактивации полностью устраняет это повреждение под действием фермента фотолиазы, активация которого обязательно зависит от энергии, поглощенной синим / УФ-светом (длина волны 300–500 нм), что способствует катализу. [16] Фотолиаза, старый фермент, присутствующий в бактериях, грибах и большинстве животных, больше не функционирует у людей [17], которые вместо этого используют эксцизионную репарацию нуклеотидов для восстановления повреждений от УФ-излучения. Другой тип повреждения, метилирование гуаниновых оснований, напрямую устраняется протеин-метилгуанин-метилтрансферазой (MGMT), бактериальный эквивалент которой называется ogt. Это дорогостоящий процесс, потому что каждую молекулу MGMT можно использовать только один раз, то есть реакция является стехиометрической, а не каталитической. [18] Обобщенный ответ на метилирующие агенты у бактерий известен как адаптивный ответ и придает уровень устойчивости к алкилирующим агентам при длительном воздействии за счет активации ферментов репарации алкилирования. [19] Третий тип повреждений ДНК, обращаемых клетками, - это определенное метилирование оснований цитозина и аденина.

    Одноцепочечное повреждение Править

    Когда только одна из двух нитей двойной спирали имеет дефект, другую прядь можно использовать в качестве шаблона для коррекции поврежденной пряди. Чтобы восстановить повреждение одной из двух парных молекул ДНК, существует ряд механизмов эксцизионной репарации, которые удаляют поврежденный нуклеотид и заменяют его неповрежденным нуклеотидом, комплементарным тому, который находится в неповрежденной цепи ДНК. [18]

      (BER): поврежденные отдельные основания или нуклеотиды чаще всего восстанавливаются путем удаления соответствующего основания или нуклеотида и последующей вставки правильного основания или нуклеотида. При эксцизионной репарации оснований фермент гликозилаза [20] удаляет поврежденное основание из ДНК, разрывая связь между основанием и дезоксирибозой. Эти ферменты удаляют одно основание, чтобы создать апуриновый или апиримидиновый сайт (AP-сайт). [20] Ферменты, называемые AP-эндонуклеазами, проникают в поврежденный каркас ДНК в AP-сайте. Затем ДНК-полимераза удаляет поврежденную область, используя свою 5’-3 ’экзонуклеазную активность, и правильно синтезирует новую цепь, используя комплементарную цепь в качестве матрицы. [20] Брешь закрывается ферментом ДНК-лигазой. [21] (NER): объемные, искажающие спираль повреждения, такие как димеризация пиримидина, вызванная УФ-светом, обычно восстанавливаются с помощью трехэтапного процесса. Сначала обнаруживается повреждение, затем цепи ДНК длиной от 12 до 24 нуклеотидов удаляются эндонуклеазами как выше, так и ниже участка повреждения, а затем удаленная область ДНК повторно синтезируется. [22] NER - это эволюционно консервативный механизм репарации, который используется почти во всех эукариотических и прокариотических клетках. [22] У прокариот NER опосредуется белками Uvr. [22] У эукариот задействовано гораздо больше белков, хотя общая стратегия остается той же. [22] системы присутствуют практически во всех ячейках для исправления ошибок, которые не исправляются корректурой. Эти системы состоят как минимум из двух белков. Один обнаруживает несоответствие, а другой привлекает эндонуклеазу, которая расщепляет вновь синтезированную цепь ДНК вблизи области повреждения. В Кишечная палочка , задействованными белками являются белки класса Mut: MutS, MutL и MutH. У большинства эукариот аналогом MutS является MSH, а аналогом MutL - MLH. MutH присутствует только в бактериях. Затем следует удаление поврежденной области экзонуклеазой, ресинтез ДНК-полимеразой и запечатывание разрывов ДНК-лигазой. [23]

    Двухниточные разрывы Править

    Двухцепочечные разрывы, при которых обе цепи двойной спирали разрываются, особенно опасны для клетки, поскольку они могут привести к перестройке генома. Фактически, когда двухцепочечный разрыв сопровождается перекрестным связыванием двух цепей в одной и той же точке, ни одна из цепей не может использоваться в качестве матрицы для механизмов репарации, так что клетка не сможет завершить митоз, когда Затем он делится и либо умирает, либо, в редких случаях, подвергается мутации. [3] [4] Существуют три механизма восстановления двухцепочечных разрывов (DSB): негомологичное соединение концов (NHEJ), микрогомологическое соединение концов (MMEJ) и гомологичная рекомбинация (HR). [18] [24] В in vitro system, MMEJ встречается в клетках млекопитающих на уровнях 10-20% HR, когда также доступны механизмы HR и NHEJ. [25]

    В NHEJ ДНК-лигаза IV, специализированная ДНК-лигаза, которая образует комплекс с кофактором XRCC4, непосредственно соединяет два конца. [26] Чтобы управлять точной репарацией, NHEJ полагается на короткие гомологичные последовательности, называемые микрогомологиями, присутствующими на однонитевых хвостах соединяемых концов ДНК. Если эти выступы совместимы, ремонт обычно выполняется аккуратно. [27] [28] [29] [30] NHEJ также может вносить мутации во время репарации. Потеря поврежденных нуклеотидов в месте разрыва может привести к делециям, а присоединение несовпадающих концов формирует вставки или транслокации. NHEJ особенно важен до того, как клетка реплицирует свою ДНК, поскольку нет матрицы, доступной для восстановления путем гомологичной рекомбинации. У высших эукариот есть «резервные» пути NHEJ. [31] Помимо своей роли в качестве хранителя генома, NHEJ необходим для соединения двухцепочечных разрывов, покрытых шпилькой, индуцированных во время рекомбинации V (D) J, процесса, который генерирует разнообразие В-клеточных и Т-клеточных рецепторов у позвоночных. система. [32]

    Гомологичная рекомбинация требует наличия идентичной или почти идентичной последовательности, используемой в качестве матрицы для репарации разрыва. Ферментативный механизм, ответственный за этот процесс восстановления, почти идентичен механизму, отвечающему за кроссовер хромосом во время мейоза. Этот путь позволяет восстановить поврежденную хромосому с использованием сестринской хроматиды (доступной в G2 после репликации ДНК) или гомологичной хромосомы в качестве матрицы. DSB, вызванные механизмом репликации, пытающимся синтезироваться через однонитевой разрыв или нерепарированное повреждение, вызывают коллапс репликационной вилки и обычно восстанавливаются путем рекомбинации.

    MMEJ начинается с резекции ближнего конца нуклеазой MRE11 по обе стороны от двухцепочечного разрыва для выявления участков микрогомологии. [25] На дальнейших этапах [33] поли (АДФ-рибоза) полимераза 1 (PARP1) требуется и может быть ранним этапом в MMEJ. Происходит спаривание участков микрогомологии с последующим привлечением эндонуклеазы 1, специфичной для структуры лоскута (FEN1), для удаления выступающих лоскутов. За этим следует рекрутирование XRCC1 – LIG3 в сайт для лигирования концов ДНК, что приводит к интактной ДНК. MMEJ всегда сопровождается делецией, так что MMEJ является мутагенным путем репарации ДНК. [34]

    Экстремофил Дейнококк радиодуранс обладает замечательной способностью выдерживать повреждение ДНК ионизирующим излучением и другими источниками. По крайней мере, две копии генома со случайными разрывами ДНК могут образовывать фрагменты ДНК посредством отжига. Частично перекрывающиеся фрагменты затем используются для синтеза гомологичных областей через движущуюся D-петлю, которая может продолжать удлинение до тех пор, пока не обнаружит комплементарные партнерские цепи. На последнем этапе происходит кроссовер посредством RecA-зависимой гомологичной рекомбинации. [35]

    Топоизомеразы вносят как одно-, так и двухцепочечные разрывы в процессе изменения состояния суперспирализации ДНК, что особенно часто встречается в областях рядом с открытой репликационной вилкой. Такие разрывы не считаются повреждением ДНК, потому что они являются естественным промежуточным звеном в биохимическом механизме топоизомеразы и немедленно восстанавливаются ферментами, которые их создали.

    Синтез транслезии Править

    Синтез трансформации (TLS) - это процесс толерантности к повреждению ДНК, который позволяет аппарату репликации ДНК реплицировать прошлые повреждения ДНК, такие как димеры тимина или AP-сайты. [36] Это включает замену обычных ДНК-полимераз специализированными трансмезионными полимеразами (т.е. ДНК-полимеразой IV или V из семейства Y-полимераз), часто с более крупными активными сайтами, которые могут облегчить вставку оснований напротив поврежденных нуклеотидов. Полагают, что переключение полимеразы опосредуется, среди других факторов, посттрансляционной модификацией фактора процессивности репликации PCNA. Полимеразы транслезионного синтеза часто имеют низкую точность воспроизведения (высокая склонность к вставке неправильных оснований) на неповрежденные матрицы по сравнению с обычными полимеразами.Однако многие из них чрезвычайно эффективны при установке правильных баз против определенных типов повреждений. Например, Pol η обеспечивает безошибочный обход повреждений, вызванных УФ-облучением, тогда как Pol ι вносит мутации в эти участки. Известно, что Pol η добавляет первый аденин через фотодимер T ^ T с использованием спаривания оснований Уотсона-Крика, а второй аденин будет добавлен в его син-конформации с использованием спаривания оснований Хугстина. С клеточной точки зрения риск появления точечных мутаций во время синтеза трансфузии может быть предпочтительнее обращения к более радикальным механизмам репарации ДНК, которые могут вызвать грубые хромосомные аберрации или гибель клеток. Короче говоря, этот процесс включает в себя специализированные полимеразы, которые либо обходят, либо восстанавливают повреждения в местах остановки репликации ДНК. Например, ДНК-полимераза человека эта может обходить сложные повреждения ДНК, такие как внутрицепочечное сшивание гуанин-тимин, G [8,5-Me] T, хотя она может вызывать целевые и полунацеленные мутации. [37] Паромита Рейчаудхури и Ашис Басу [38] изучали токсичность и мутагенез одного и того же поражения у кишечная палочка путем репликации G [8,5-Me] T-модифицированной плазмиды в Кишечная палочка со специфическими нокаутами ДНК-полимеразы. Жизнеспособность штамма, лишенного pol II, pol IV и pol V, трех SOS-индуцибельных ДНК-полимераз была очень низкой, что указывает на то, что синтез трансфузии осуществляется в основном этими специализированными ДНК-полимеразами. Платформа для обхода этих полимераз обеспечивается ядерным антигеном пролиферирующих клеток (PCNA). В нормальных условиях PCNA, связанная с полимеразами, реплицирует ДНК. В месте поражения PCNA убиквитинируется или модифицируется белками RAD6 / RAD18, чтобы предоставить специализированным полимеразам платформу для обхода поражения и возобновления репликации ДНК. [39] [40] После синтеза трансфузии требуется удлинение. Это удлинение может быть выполнено репликативной полимеразой, если TLS не содержит ошибок, как в случае Pol η, но если TLS приводит к несоответствию, необходима специализированная полимераза, чтобы расширить его Pol ζ. Pol ζ уникален тем, что он может расширять концевые несоответствия, тогда как более процессивные полимеразы не могут. Таким образом, при обнаружении поражения репликационная вилка остановится, PCNA переключится с процессивной полимеразы на TLS-полимеразу, такую ​​как Pol ι, чтобы исправить поражение, затем PCNA может переключиться на Pol ζ, чтобы увеличить несоответствие, и последняя PCNA переключится. к процессивной полимеразе для продолжения репликации.

    Клетки, подвергшиеся воздействию ионизирующего излучения, ультрафиолета или химических веществ, склонны к образованию множества участков объемных повреждений ДНК и двухцепочечных разрывов. Более того, агенты, повреждающие ДНК, могут повредить другие биомолекулы, такие как белки, углеводы, липиды и РНК. Накопление повреждений, а именно двухцепочечные разрывы или аддукты, останавливающие репликационные вилки, являются одними из известных сигналов стимуляции для глобального ответа на повреждение ДНК. [41] Глобальный ответ на повреждение - это действие, направленное на сохранение самих клеток, и запускает множество путей макромолекулярного восстановления, обхода поражения, толерантности или апоптоза. Общими чертами глобального ответа являются индукция нескольких генов, остановка клеточного цикла и ингибирование клеточного деления.

    Первые шаги Править

    Упаковка эукариотической ДНК в хроматин представляет собой барьер для всех основанных на ДНК процессов, которые требуют привлечения ферментов к участкам их действия. Чтобы позволить репарацию ДНК, хроматин должен быть реконструирован. У эукариот АТФ-зависимые комплексы ремоделирования хроматина и модифицирующие гистоны ферменты являются двумя преобладающими факторами, используемыми для осуществления этого процесса ремоделирования. [42]

    Релаксация хроматина происходит быстро в месте повреждения ДНК. [43] [44] На одном из самых ранних этапов стресс-активируемая протеинкиназа, N-концевая киназа c-Jun (JNK), фосфорилирует SIRT6 по серину 10 в ответ на двухцепочечные разрывы или другие повреждения ДНК. [45] Эта посттрансляционная модификация облегчает мобилизацию SIRT6 на участки повреждения ДНК и необходима для эффективного рекрутирования поли (АДФ-рибоза) полимеразы 1 (PARP1) на участки разрыва ДНК и для эффективной репарации DSB. [45] Белок PARP1 начинает появляться в местах повреждения ДНК менее чем за секунду, с половиной максимального накопления в течение 1,6 секунды после повреждения. [46] PARP1 сам синтезирует полимерные цепи аденозиндифосфат-рибозы (поли (АДФ-рибоза) или PAR). Затем ремоделирующий хроматин ALC1 быстро присоединяется к продукту действия PARP1, цепи поли-АДФ-рибозы, и ALC1 завершает прибытие к повреждению ДНК в течение 10 секунд после возникновения повреждения. [44] Примерно половина максимальной релаксации хроматина, предположительно из-за действия ALC1, происходит через 10 секунд. [44] Это затем позволяет задействовать фермент репарации ДНК MRE11, чтобы инициировать репарацию ДНК в течение 13 секунд. [46]

    γH2AX, фосфорилированная форма H2AX, также участвует в ранних стадиях, ведущих к деконденсации хроматина после двухцепочечных разрывов ДНК. Вариант гистона H2AX составляет около 10% гистонов H2A в хроматине человека. [47] γH2AX (H2AX, фосфорилированный по серину 139) может быть обнаружен уже через 20 секунд после облучения клеток (с образованием двухцепочечного разрыва ДНК), а половина максимального накопления γH2AX происходит за одну минуту. [47] Размер хроматина с фосфорилированным γH2AX составляет около двух миллионов пар оснований в месте двухцепочечного разрыва ДНК. [47] γH2AX сам по себе не вызывает деконденсацию хроматина, но в течение 30 секунд после облучения белок RNF8 может быть обнаружен в ассоциации с γH2AX. [48] ​​RNF8 обеспечивает обширную деконденсацию хроматина посредством его последующего взаимодействия с CHD4, [49] компонентом ремоделирования нуклеосом и деацетилазного комплекса NuRD.

    DDB2 находится в гетеродимерном комплексе с DDB1. Этот комплекс дополнительно образует комплекс с убиквитинлигазным белком CUL4A [50] и с PARP1. [51] Этот более крупный комплекс быстро связывается с УФ-индуцированным повреждением хроматина, причем полумаксимальная связь завершается за 40 секунд. [50] Белок PARP1, присоединенный как к DDB1, так и к DDB2, затем PARylates (создает цепь рибозы поли-АДФ) на DDB2, который привлекает белок ремоделирования ДНК ALC1. [51] Действие ALC1 расслабляет хроматин в месте повреждения ДНК ультрафиолетом. Эта релаксация позволяет другим белкам в пути эксцизионной репарации нуклеотидов проникать в хроматин и восстанавливать вызванные УФ-излучением повреждения димера циклобутан-пиримидина.

    После быстрого ремоделирования хроматина активируются контрольные точки клеточного цикла, что позволяет репарации ДНК происходить до того, как клеточный цикл прогрессирует. Во-первых, две киназы, ATM и ATR, активируются в течение 5 или 6 минут после повреждения ДНК. За этим следует фосфорилирование белка контрольной точки клеточного цикла Chk1, запускающего его функцию, примерно через 10 минут после повреждения ДНК. [52]

    Контрольные точки повреждения ДНК Править

    После повреждения ДНК активируются контрольные точки клеточного цикла. Активация контрольной точки приостанавливает клеточный цикл и дает клетке время на восстановление повреждений, прежде чем продолжить деление. Контрольные точки повреждения ДНК встречаются на границах G1 / S и G2 / M. Также существует контрольно-пропускной пункт внутри S. Активация контрольной точки контролируется двумя главными киназами, ATM и ATR. ATM отвечает на двухцепочечные разрывы ДНК и нарушения структуры хроматина [53], тогда как ATR в первую очередь отвечает на застопорившиеся репликационные вилки. Эти киназы фосфорилируют нижестоящие мишени в каскаде передачи сигнала, что в конечном итоге приводит к остановке клеточного цикла. Также был идентифицирован класс белков-посредников контрольных точек, включая BRCA1, MDC1 и 53BP1. [54] Эти белки, по-видимому, необходимы для передачи сигнала активации контрольной точки нижестоящим белкам.

    Контрольная точка повреждения ДНК представляет собой путь передачи сигнала, который блокирует развитие клеточного цикла в G1, G2 и метафазе и замедляет скорость прогрессирования S-фазы при повреждении ДНК. Это приводит к паузе в клеточном цикле, позволяя клетке время отремонтировать повреждение, прежде чем продолжить деление.

    Белки контрольной точки можно разделить на четыре группы: фосфатидилинозитол-3-киназа (PI3K) -подобная протеинкиназа, группа, подобная ядерному антигену пролиферирующих клеток (PCNA), две серин / треониновые (S / T) киназы и их адаптеры. Центральным во всех ответах контрольных точек, вызванных повреждением ДНК, является пара больших протеинкиназ, принадлежащих к первой группе PI3K-подобных протеинкиназ - ATM (мутированная атаксия телеангиэктазии) и ATR (атаксия- и Rad-связанные) киназы, последовательность и функции которых хорошо сохранились в эволюции. Для любой реакции на повреждение ДНК требуется либо ATM, либо ATR, потому что они обладают способностью связываться с хромосомами в месте повреждения ДНК вместе с дополнительными белками, которые являются платформами, на которых могут быть собраны компоненты ответа на повреждение ДНК и комплексы репарации ДНК.

    Важной нижестоящей мишенью для ATM и ATR является p53, поскольку он необходим для индукции апоптоза после повреждения ДНК. [55] Ингибитор циклин-зависимой киназы p21 индуцируется как p53-зависимым, так и p53-независимым механизмами и может останавливать клеточный цикл в контрольных точках G1 / S и G2 / M, дезактивируя циклин / циклин-зависимые киназные комплексы. [56]

    Прокариотический SOS-ответ Править

    Ответ SOS - это изменения экспрессии генов в кишечная палочка и другие бактерии в ответ на обширное повреждение ДНК. Система SOS прокариот регулируется двумя ключевыми белками: LexA и RecA. Гомодимер LexA представляет собой репрессор транскрипции, который связывается с операторными последовательностями, обычно называемыми SOS-боксами. В кишечная палочка известно, что LexA регулирует транскрипцию примерно 48 генов, включая гены lexA и recA. [57] Ответ SOS, как известно, широко распространен в домене Bacteria, но в большинстве случаев он отсутствует у некоторых бактериальных типов, таких как Spirochetes. [58] Наиболее распространенными клеточными сигналами, активирующими SOS-ответ, являются участки одноцепочечной ДНК (оцДНК), возникающие в результате остановки репликационных вилок или двухцепочечных разрывов, которые обрабатываются ДНК-геликазой для разделения двух цепей ДНК. [41] На стадии инициации белок RecA связывается с оцДНК в реакции, управляемой гидролизом АТФ, создавая филаменты RecA-оцДНК. Филаменты RecA – ssDNA активируют активность автопротеазы LexA, что в конечном итоге приводит к расщеплению димера LexA и последующей деградации LexA. Потеря репрессора LexA вызывает транскрипцию генов SOS и делает возможным дальнейшую индукцию сигнала, ингибирование деления клеток и повышение уровней белков, ответственных за обработку повреждений.

    В кишечная палочка, SOS-боксы представляют собой 20-нуклеотидные последовательности рядом с промоторами с палиндромной структурой и высокой степенью консервативности последовательности. В других классах и типах последовательность SOS-боксов значительно различается, с разной длиной и составом, но она всегда высококонсервативна и является одним из самых сильных коротких сигналов в геноме. [58] Высокое информационное содержание SOS-боксов позволяет дифференцированно связывать LexA с разными промоторами и позволяет рассчитывать время для SOS-ответа. Гены восстановления повреждений индуцируются в начале SOS-ответа. Подверженные ошибкам полимеразы трансфузии, например UmuCD'2 (также называемые ДНК-полимеразой V), индуцируются позже в качестве крайней меры. [59] После того, как повреждение ДНК репарируется или обходится с помощью полимераз или путем рекомбинации, количество одноцепочечной ДНК в клетках уменьшается, снижение количества нитей RecA снижает активность расщепления гомодимера LexA, который затем связывается с SOS-боксами рядом с промоторов и восстанавливает нормальную экспрессию генов.

    Транскрипционные ответы эукариот на повреждение ДНК Править

    Эукариотические клетки, подвергшиеся воздействию агентов, повреждающих ДНК, также активируют важные защитные пути, индуцируя множественные белки, участвующие в репарации ДНК, контроле контрольных точек клеточного цикла, перемещении и деградации белков. Такой общегеномный транскрипционный ответ очень сложен и жестко регулируется, что обеспечивает скоординированный глобальный ответ на повреждение. Воздействие дрожжей Saccharomyces cerevisiae к агентам, повреждающим ДНК, приводит к перекрывающимся, но различным профилям транскрипции. Сходство с ответом на шок окружающей среды указывает на то, что на уровне транскрипционной активации существует общий глобальный путь ответа на стресс. Напротив, разные типы клеток человека по-разному реагируют на повреждения, что указывает на отсутствие общего глобального ответа. Вероятное объяснение этой разницы между клетками дрожжей и человека может заключаться в гетерогенности клеток млекопитающих. У животного разные типы клеток распределены между разными органами, которые развили разную чувствительность к повреждению ДНК. [60]

    В целом глобальный ответ на повреждение ДНК включает экспрессию множества генов, ответственных за пострепликационную репарацию, гомологичную рекомбинацию, эксцизионную репарацию нуклеотидов, контрольную точку повреждения ДНК, глобальную активацию транскрипции, гены, контролирующие распад мРНК, и многие другие. При большом количестве повреждений клетке остается принять важное решение: подвергнуться апоптозу и умереть или выжить ценой жизни с измененным геномом. Повышение устойчивости к повреждениям может привести к увеличению выживаемости, что приведет к большему накоплению мутаций. Дрожжи Rev1 и человеческая полимераза η являются членами ДНК-полимераз транслезионной ДНК [Y-семейства, присутствующей во время глобального ответа на повреждение ДНК, и ответственны за усиленный мутагенез во время глобального ответа на повреждение ДНК у эукариот. [41]

    Патологические эффекты плохого восстановления ДНК Править

    Экспериментальные животные с генетическим дефицитом репарации ДНК часто демонстрируют сокращение продолжительности жизни и повышение заболеваемости раком. [15] Например, мыши с дефицитом доминирующего пути NHEJ и механизмов поддержания теломер чаще заболевают лимфомой и инфекциями и, как следствие, имеют более короткую продолжительность жизни, чем мыши дикого типа. [61] Аналогичным образом у мышей с дефицитом ключевого белка репарации и транскрипции, который раскручивает спирали ДНК, преждевременно начинаются заболевания, связанные со старением, и, как следствие, сокращается продолжительность жизни. [62] Однако не каждый дефицит репарации ДНК вызывает точно предсказанные эффекты: мыши с дефицитом пути NER демонстрируют сокращение продолжительности жизни без соответственно более высоких скоростей мутаций. [63]

    Если скорость повреждения ДНК превышает способность клетки восстанавливать ее, накопление ошибок может подавить клетку и привести к раннему старению, апоптозу или раку. Унаследованные заболевания, связанные с неправильным функционированием репарации ДНК, приводят к преждевременному старению [15], повышенной чувствительности к канцерогенным веществам и, соответственно, увеличению риска рака (см. Ниже). С другой стороны, организмы с улучшенными системами репарации ДНК, такими как Дейнококк радиодуранс, наиболее радиационно-устойчивый из известных организмов, демонстрирует замечательную устойчивость к двухцепочечным разрушающим эффектам радиоактивности, вероятно, из-за повышенной эффективности репарации ДНК и особенно NHEJ. [64]

    Продолжительность жизни и ограничение калорийности Править

    Было установлено, что ряд отдельных генов влияет на вариации продолжительности жизни в популяции организмов. Эффекты этих генов сильно зависят от окружающей среды, в частности, от диеты организма. Ограничение калорийности воспроизводимо приводит к увеличению продолжительности жизни у различных организмов, вероятно, за счет путей восприятия питательных веществ и снижения скорости метаболизма. Молекулярные механизмы, с помощью которых такое ограничение приводит к увеличению продолжительности жизни, пока неясны (см. Некоторые обсуждения в [65]), однако поведение многих генов, которые, как известно, участвуют в репарации ДНК, изменяется в условиях ограничения калорийности. Было показано, что несколько агентов, обладающих антивозрастными свойствами, ослабляют конститутивный уровень передачи сигналов mTOR, что свидетельствует о снижении метаболической активности, и одновременно снижают конститутивный уровень повреждения ДНК, вызванного эндогенно генерируемыми реактивными формами кислорода. [66]

    Например, увеличение дозировки гена SIR-2, который регулирует упаковку ДНК у нематодного червя. Caenorhabditis elegans, может значительно продлить срок службы. [67] Гомолог SIR-2 у млекопитающих, как известно, индуцирует нижестоящие факторы репарации ДНК, участвующие в NHEJ, активность, которая особенно усиливается в условиях ограничения калорийности. [68] Ограничение калорийности было тесно связано со скоростью эксцизионной репарации оснований в ядерной ДНК грызунов, [69] хотя подобные эффекты не наблюдались в митохондриальной ДНК. [70]

    В C. elegans Ген AGE-1, вышестоящий эффектор путей репарации ДНК, значительно увеличивает продолжительность жизни в условиях свободного кормления, но приводит к снижению репродуктивной способности в условиях ограничения калорийности. [71] Это наблюдение поддерживает теорию плейотропии биологического происхождения старения, которая предполагает, что гены, дающие большое преимущество выживания в раннем возрасте, будут отбираться, даже если они несут соответствующий недостаток в конце жизни.

    Наследственные нарушения восстановления ДНК Править

    Дефекты в механизме NER являются причиной нескольких генетических нарушений, в том числе:

      : гиперчувствительность к солнечному свету / ультрафиолетовому излучению, что приводит к увеличению заболеваемости раком кожи и преждевременному старению: гиперчувствительность к ультрафиолетовому излучению и химическим веществам: чувствительная кожа, ломкие волосы и ногти.

    Умственная отсталость часто сопровождает последние два расстройства, что указывает на повышенную уязвимость нейронов развития.

    Другие нарушения репарации ДНК включают:

      : преждевременное старение и задержка роста: гиперчувствительность к солнечному свету, высокая частота злокачественных новообразований (особенно лейкозов). : чувствительность к ионизирующему излучению и некоторым химическим веществам

    Все вышеперечисленные заболевания часто называют «сегментарной прогерией» («болезни ускоренного старения»), потому что их жертвы выглядят пожилыми и страдают от связанных со старением заболеваний в аномально молодом возрасте, не проявляя при этом всех симптомов старости.

    Другие заболевания, связанные со снижением функции восстановления ДНК, включают анемию Фанкони, наследственный рак груди и наследственный рак толстой кишки.

    Из-за врожденных ограничений в механизмах восстановления ДНК, если бы люди жили достаточно долго, у всех в конечном итоге разовьется рак. [72] [73] Существует по крайней мере 34 унаследованные мутации гена репарации ДНК человека, которые увеличивают риск рака. Многие из этих мутаций приводят к тому, что восстановление ДНК менее эффективно, чем обычно. В частности, наследственный неполипозный колоректальный рак (HNPCC) прочно связан со специфическими мутациями в пути репарации ошибочного спаривания ДНК. BRCA1 а также BRCA2, два важных гена, мутации которых приводят к чрезвычайно повышенному риску рака груди у носителей [74], оба связаны с большим количеством путей репарации ДНК, особенно с NHEJ и гомологичной рекомбинацией.

    Процедуры лечения рака, такие как химиотерапия и лучевая терапия, работают, подавляя способность клетки восстанавливать повреждения ДНК, что приводит к гибели клетки. Предпочтительно поражаются наиболее быстро делящиеся клетки - чаще всего раковые. Побочный эффект заключается в том, что поражаются и другие незлокачественные, но быстро делящиеся клетки, такие как клетки-предшественники в кишечнике, коже и кроветворной системе.Современные методы лечения рака пытаются локализовать повреждение ДНК в клетках и тканях, связанное только с раком, либо физическими средствами (концентрация терапевтического агента в области опухоли), либо биохимическими средствами (используя свойство, уникальное для раковых клеток в организме). . В контексте терапии, направленной на гены ответа на повреждение ДНК, последний подход получил название «синтетическая летальность». [75]

    Возможно, наиболее известным из этих синтетических лекарств является ингибитор поли (АДФ-рибоза) полимеразы 1 (PARP1) олапариб, который был одобрен Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов в 2015 году для лечения женщин с дефектом BRCA яичников. рак. Опухолевые клетки с частичной потерей ответа на повреждение ДНК (в частности, репарация гомологичной рекомбинацией) зависят от другого механизма - репарации одноцепочечного разрыва, который частично состоит из продукта гена PARP1. [76] Олапариб комбинируется с химиотерапевтическими препаратами для подавления репарации одноцепочечных разрывов, вызванных повреждением ДНК, вызванным одновременным введением химиотерапии. Опухолевые клетки, полагающиеся на этот механизм репарации остаточной ДНК, неспособны восстанавливать повреждение и, следовательно, не способны выживать и пролиферировать, тогда как нормальные клетки могут восстанавливать повреждение с помощью функционирующего механизма гомологичной рекомбинации.

    Многие другие препараты для использования против других механизмов репарации остаточной ДНК, обычно обнаруживаемых при раке, в настоящее время исследуются. Тем не менее, синтетические подходы к лечению летальности были поставлены под сомнение из-за появляющихся доказательств приобретенной устойчивости, достигаемой за счет перестройки путей ответа на повреждение ДНК и реверсии ранее подавленных дефектов. [77]

    Дефекты репарации ДНК при раке Править

    За последние несколько лет стало очевидно, что реакция на повреждение ДНК действует как барьер для злокачественной трансформации пренеопластических клеток. [78] Предыдущие исследования показали повышенный ответ на повреждение ДНК в моделях клеточных культур с активацией онкогенов [79] и предопухолевыми аденомами толстой кишки. [80] Механизмы реакции на повреждение ДНК запускают остановку клеточного цикла и пытаются восстановить повреждения ДНК или способствовать гибели / старению клеток, если восстановление невозможно. Стресс репликации наблюдается в предопухолевых клетках из-за повышенных сигналов пролиферации от онкогенных мутаций. Стресс репликации характеризуется: усилением инициации / инициации репликации, увеличением транскрипции и столкновений комплексов транскрипции-репликации, увеличением нуклеотидной недостаточности в активных формах кислорода (АФК). [81]

    Стресс репликации, наряду с отбором инактивирующих мутаций в генах ответа на повреждение ДНК в процессе эволюции опухоли, [82] приводит к подавлению и / или потере некоторых механизмов ответа на повреждение ДНК и, следовательно, к потере репарации ДНК и / или старения / запрограммированная гибель клеток. В экспериментальных моделях мышей потеря клеточного старения, опосредованная ответом на повреждение ДНК, наблюдалась после использования короткой шпилечной РНК (кшРНК) для ингибирования двухцепочечной реакции на разрыв киназы, атаксии, телеангиэктазии (ATM), что приводило к увеличению размера опухоли и инвазивности. [80] Люди, рожденные с наследственными дефектами механизмов восстановления ДНК (например, синдром Ли-Фраумени), имеют более высокий риск рака. [83]

    Распространенность мутаций в ответ на повреждение ДНК различается в зависимости от типа рака, например, 30% инвазивных карцином груди имеют мутации в генах, участвующих в гомологичной рекомбинации. [78] При раке подавление наблюдается во всех механизмах ответа на повреждение ДНК (эксцизионная репарация оснований (BER), эксцизионная репарация нуклеотидов (NER), репарация несоответствия ДНК (MMR), репарация гомологичной рекомбинацией (HR), негомологичное соединение концов ( NHEJ) и транслезионный синтез ДНК (TLS). [84] Помимо мутаций в генах восстановления повреждений ДНК, мутации также возникают в генах, ответственных за остановку клеточного цикла, чтобы дать достаточно времени для восстановления ДНК, и некоторые гены вовлечены в процесс. как в репарации повреждений ДНК, так и в контроле контрольных точек клеточного цикла, например, ATM и киназа контрольной точки 2 (CHEK2) - опухолевый супрессор, который часто отсутствует или снижается при немелкоклеточном раке легкого [85].

    HR NHEJ SSA FA BER NER MMR
    Банкомат Икс Икс Икс
    ATR Икс Икс Икс
    PAXIP Икс Икс
    RPA Икс Икс Икс
    BRCA1 Икс Икс
    BRCA2 Икс Икс
    RAD51 Икс Икс
    RFC Икс Икс Икс
    XRCC1 Икс Икс
    PCNA Икс Икс Икс
    PARP1 Икс Икс
    ERCC1 Икс Икс Икс Икс
    MSH3 Икс Икс Икс

    Таблица: Гены, участвующие в путях реакции на повреждение ДНК и часто мутирующие при раке (HR = гомологичная рекомбинация NHEJ = негомологичное соединение концов SSA = одноцепочечный отжиг FA = путь фанкони анемии BER = эксцизионная репарация оснований NER = эксцизионная репарация нуклеотидов MMR = несоответствие ремонт)

    Эпигенетические дефекты репарации ДНК при раке Править

    Классически рак рассматривался как набор заболеваний, которые вызваны прогрессирующими генетическими аномалиями, включая мутации в генах-супрессорах опухолей и онкогенов, а также хромосомные аберрации. Однако стало очевидно, что причиной рака также являются эпигенетические изменения. [86]

    Эпигенетические изменения относятся к функционально значимым модификациям генома, которые не связаны с изменением нуклеотидной последовательности. Примерами таких модификаций являются изменения в метилировании ДНК (гиперметилирование и гипометилирование) и модификации гистонов [87], изменения в архитектуре хромосом (вызванные несоответствующей экспрессией белков, таких как HMGA2 или HMGA1) [88] и изменения, вызванные микроРНК. Каждое из этих эпигенетических изменений служит для регулирования экспрессии генов без изменения лежащей в основе последовательности ДНК. Эти изменения обычно сохраняются в результате деления клеток, сохраняются в течение нескольких поколений клеток и могут считаться эпимутациями (эквивалентными мутациям).

    Хотя при раке обнаруживается большое количество эпигенетических изменений, особенно важны эпигенетические изменения в генах репарации ДНК, вызывающие снижение экспрессии белков репарации ДНК. Считается, что такие изменения происходят на ранних стадиях прогрессирования рака и являются вероятной причиной генетической нестабильности, характерной для рака. [89] [90] [91]

    Снижение экспрессии генов репарации ДНК вызывает недостаточную репарацию ДНК. Когда репарация ДНК недостаточна, повреждения ДНК остаются в клетках на более высоком, чем обычно, уровне, и эти избыточные повреждения вызывают повышенную частоту мутаций или эпимутаций. Скорость мутаций существенно возрастает в клетках, дефектных по репарации ошибочного спаривания ДНК [92] [93] или по гомологичной рекомбинационной репарации (HRR). [94] Хромосомные перестройки и анеуплоидия также увеличиваются в клетках с дефектом HRR. [95]

    Более высокие уровни повреждения ДНК не только вызывают усиление мутаций, но также вызывают усиление эпимутаций. Во время репарации двухцепочечных разрывов ДНК или репарации других повреждений ДНК не полностью очищенные участки репарации могут вызывать эпигенетическое молчание генов. [96] [97]

    Недостаточная экспрессия белков репарации ДНК из-за наследственной мутации может вызвать повышенный риск рака. Лица с наследственным нарушением любого из 34 генов репарации ДНК (см. Статью «Расстройство дефицита репарации ДНК») имеют повышенный риск рака, при этом некоторые дефекты вызывают до 100% пожизненной вероятности рака (например, мутации p53). [98] Однако такие мутации зародышевой линии (которые вызывают синдромы высокопенетрантного рака) являются причиной только около 1 процента случаев рака. [99]

    Частоты эпимутаций в генах репарации ДНК Править

    Дефицит ферментов репарации ДНК иногда вызван вновь возникающей соматической мутацией в гене репарации ДНК, но гораздо чаще вызван эпигенетическими изменениями, которые снижают или заглушают экспрессию генов репарации ДНК. Например, когда 113 случаев рака прямой кишки были исследованы последовательно, только четыре имели миссенс-мутацию в гене репарации ДНК MGMT, в то время как у большинства была снижена экспрессия MGMT из-за метилирования промоторной области MGMT (эпигенетическое изменение). [100] Пять различных исследований показали, что от 40% до 90% случаев колоректального рака снижают экспрессию MGMT из-за метилирования промоторной области MGMT. [101] [102] [103] [104] [105]

    Аналогичным образом, из 119 случаев колоректального рака с недостаточной репарацией несоответствия, при которых отсутствовала экспрессия гена репарации ДНК PMS2, PMS2 был дефицитным в 6 из-за мутаций в гене PMS2, в то время как в 103 случаях экспрессия PMS2 была недостаточной, потому что его партнер по спариванию MLH1 был репрессирован из-за к метилированию промотора (белок PMS2 нестабилен в отсутствие MLH1). [106] В остальных 10 случаях потеря экспрессии PMS2, вероятно, была связана с эпигенетической сверхэкспрессией микроРНК miR-155, которая подавляет MLH1. [107]

    В следующем примере эпигенетические дефекты были обнаружены при различных формах рака (например, груди, яичников, колоректального рака, головы и шеи). Два или три нарушения экспрессии ERCC1, XPF или PMS2 возникают одновременно в большинстве из 49 случаев рака толстой кишки, оцененных Facista et al. [108]

    В таблице в этом разделе показаны некоторые часто встречающиеся агенты, повреждающие ДНК, примеры повреждений ДНК, которые они вызывают, и пути, которые имеют дело с этими повреждениями ДНК. По крайней мере, 169 ферментов либо непосредственно используются в репарации ДНК, либо влияют на процессы репарации ДНК. [109] Из них 83 непосредственно используются для восстановления 5 типов повреждений ДНК, показанных на диаграмме.

    Некоторые из наиболее хорошо изученных генов, играющих ключевую роль в этих процессах восстановления, показаны на диаграмме. Обозначения генов, показанные красным, серым или голубым цветом, указывают на гены, которые часто эпигенетически изменяются при различных типах рака. Статьи в Википедии о каждом из генов, выделенных красным, серым или голубым цветом, описывают эпигенетические изменения и рак (ы), при которых обнаруживаются эти эпимутации. Обзорные статьи [110] и обширные экспериментальные обзорные статьи [111] [112] также документируют большинство этих эпигенетических дефицитов репарации ДНК при раке.

    Выделенные красным гены часто уменьшаются или заглушаются эпигенетическими механизмами при различных формах рака. Когда эти гены имеют низкую экспрессию или ее отсутствие, могут накапливаться повреждения ДНК. Ошибки репликации после этих повреждений (см. Синтез трансфузии) могут привести к увеличению количества мутаций и, в конечном итоге, к раку. Эпигенетическая репрессия генов репарации ДНК в точный Пути репарации ДНК, по-видимому, играют центральную роль в канцерогенезе.

    Два выделенных серым гена RAD51 а также BRCA2, необходимы для гомологичной рекомбинационной репарации. Иногда они эпигенетически чрезмерно выражены, а иногда недостаточно выражены при некоторых формах рака. Как указано в статьях Википедии о RAD51 и BRCA2, такие виды рака обычно имеют эпигенетические дефекты в других генах репарации ДНК. Эти дефекты репарации, вероятно, вызовут увеличение нереставрированных повреждений ДНК. Чрезмерное выражение RAD51 а также BRCA2 наблюдаемые при этих раковых заболеваниях могут отражать избирательное давление в отношении компенсаторных RAD51 или BRCA2 сверхэкспрессия и повышенная гомологичная рекомбинационная репарация, чтобы, по крайней мере, частично справиться с такими избыточными повреждениями ДНК. В тех случаях, когда RAD51 или BRCA2 недоэкспрессированы, это само по себе привело бы к увеличению нерепарированных повреждений ДНК. Ошибки репликации после этих повреждений (см. Синтез трансфузии) могут вызвать увеличение количества мутаций и рака, так что недостаточная экспрессия RAD51 или BRCA2 сам по себе был бы канцерогенным.

    Выделенные голубым цветом гены находятся в пути соединения концов, опосредованного микрогомологией (MMEJ), и активируются при раке. MMEJ является дополнительным подверженным ошибкам неточный путь восстановления двухцепочечных разрывов. При репарации двухцепочечного разрыва MMEJ гомология 5-25 комплементарных пар оснований между обеими спаренными цепями достаточна для выравнивания цепей, но обычно присутствуют несовпадающие концы (лоскуты). MMEJ удаляет лишние нуклеотиды (откидные створки) в местах соединения цепей, а затем лигирует цепи для создания неповрежденной двойной спирали ДНК. MMEJ почти всегда включает хотя бы небольшую делецию, так что это мутагенный путь. [24] FEN1, эндонуклеаза лоскута в MMEJ, эпигенетически увеличивается за счет гипометилирования промотора и сверхэкспрессируется в большинстве случаев рака груди, [113] простаты, [114] желудка, [115] [116] нейробластом, [ 117] поджелудочной железы, [118] и легкого. [119] PARP1 также чрезмерно экспрессируется, когда его промоторный участок ETS эпигенетически гипометилирован, и это способствует прогрессированию рака эндометрия [120] и серозного рака яичников с мутацией BRCA. [121] Другие гены в пути MMEJ также сверхэкспрессируются при ряде видов рака (см. MMEJ для краткой информации) и также показаны голубым цветом.

    Распределение репарации ДНК в соматических клетках человека по всему геному Править

    Различная активность путей репарации ДНК в различных областях генома человека приводит к тому, что мутации очень неравномерно распределяются в геномах опухолей. [122] [123] В частности, богатые генами, рано реплицирующиеся области человеческого генома демонстрируют более низкие частоты мутаций, чем бедные генами, поздно реплицирующийся гетерохроматин. Один из механизмов, лежащих в основе этого, включает модификацию гистонов H3K36me3, которая может рекрутировать белки репарации ошибочного спаривания [124], тем самым снижая скорость мутаций в областях, меченных H3K36me3. [125] Другой важный механизм касается эксцизионной репарации нуклеотидов, которая может быть задействована аппаратом транскрипции, снижая частоту соматических мутаций в активных генах [123] и других открытых областях хроматина. [126]

    Основные процессы репарации ДНК высококонсервативны как у прокариот, так и у эукариот, и даже среди бактериофагов (вирусов, заражающих бактерии), однако более сложные организмы с более сложными геномами, соответственно, имеют более сложные механизмы репарации. [127] Способность большого количества структурных мотивов белка катализировать соответствующие химические реакции сыграла значительную роль в разработке механизмов репарации в ходе эволюции. Для чрезвычайно подробного обзора гипотез, касающихся эволюции репарации ДНК, см. [128]

    Летопись окаменелостей указывает на то, что одноклеточная жизнь начала размножаться на планете в какой-то момент в докембрийский период, хотя точно, когда впервые появилась узнаваемая современная жизнь, неясно. Нуклеиновые кислоты стали единственным и универсальным средством кодирования генетической информации, требующим механизмов восстановления ДНК, которые в своей основной форме унаследованы всеми существующими формами жизни от их общего предка. Появление богатой кислородом атмосферы Земли (известное как «кислородная катастрофа») из-за фотосинтезирующих организмов, а также присутствие потенциально повреждающих свободных радикалов в клетке из-за окислительного фосфорилирования, потребовали эволюции механизмов восстановления ДНК, которые действуют специфически. для противодействия типам повреждений, вызванных окислительным стрессом.

    Скорость эволюционных изменений Править

    В некоторых случаях повреждение ДНК не восстанавливается или восстанавливается с помощью механизма, подверженного ошибкам, который приводит к изменению исходной последовательности. Когда это происходит, мутации могут распространяться в геномах потомства клетки. Если такое событие происходит в клетке зародышевой линии, которая в конечном итоге будет производить гамету, мутация может быть передана потомству организма. Скорость эволюции конкретного вида (или конкретного гена) зависит от скорости мутации. Как следствие, скорость и точность механизмов восстановления ДНК имеют влияние на процесс эволюционных изменений. [129] Защита от повреждений и репарация ДНК не влияет на скорость адаптации за счет регуляции генов, а также за счет рекомбинации и отбора аллелей. С другой стороны, восстановление и защита повреждений ДНК действительно влияет на скорость накопления непоправимых, полезных, расширяющих код наследуемых мутаций и замедляет эволюционный механизм расширения генома организмов с новыми функциями. Противоречие между эволюционируемостью и восстановлением и защитой мутаций требует дальнейшего изучения.

    В 2012 году была открыта технология под названием кластеризованные короткие палиндромные повторы с регулярными интервалами (сокращенно CRISPR-Cas9). Новая технология позволяет любому человеку, имеющему подготовку в области молекулярной биологии, точно изменять гены любого вида, вызывая повреждение ДНК в определенной точке, а затем изменение механизмов репарации ДНК для вставки новых генов. [130] Это дешевле, эффективнее и точнее, чем другие технологии. С помощью CRISPR – Cas9 ученые могут редактировать части генома путем удаления, добавления или изменения частей в последовательности ДНК.


    Роль Rad51 и репарации ДНК при раке: молекулярная перспектива

    Поддержание целостности генома необходимо для выживания любого организма и для передачи признаков потомству. С этой целью клетки разработали сложную систему репарации ДНК для защиты генетической информации от эндогенных и экзогенных источников повреждений. Соответственно, множественные пути репарации могут быть вызваны различными формами повреждений ДНК, что может быть эффективным. как таковой или через перекрестные помехи с другими, чтобы завершить весь процесс восстановления ДНК. Недостатки в заживлении ДНК, приводящие к неправильной репарации и / или длительному повреждению ДНК, могут привести к мутациям генов, перестройкам хромосом, нестабильности генома и, наконец, к канцерогенезу и / или прогрессированию рака. Хотя это может показаться парадоксальным, в то же время такие дефекты в путях репарации ДНК могут иметь терапевтическое значение для потенциальной клинической практики. Здесь мы представляем обзор основных путей репарации ДНК, уделяя особое внимание роли, которую играет гомологичная репарация и белок рекомбиназа RAD51 в ответе на повреждение клеточной ДНК. Далее мы обсудим структуру и функцию рекомбиназы. как таковой и в сочетании со всеми его основными посредниками и регуляторами. Наконец, мы завершаем анализом разнообразных ролей, которые RAD51 играет в канцерогенезе, прогрессировании рака и устойчивости к противораковым препаратам, и завершаем эту работу обзором наиболее многообещающих терапевтических стратегий, направленных на нацеливание на RAD51 в экспериментальной онкологии.


    Ремонт ДНК важен для жизнеспособности клеток, выживания клеток и предотвращения рака, но способность клеток залатывать поврежденную ДНК снижается с возрастом по причинам, до конца не выясненным.

    Теперь исследование, проведенное учеными Гарвардской медицинской школы (HMS), показывает критический шаг в молекулярной цепочке событий, который позволяет клеткам восстанавливать свою сломанную ДНК.

    Результаты, которые будут опубликованы 24 марта в Science, предлагают критическое понимание того, как и почему способность организма фиксировать ДНК со временем снижается, и указывают на ранее неизвестную роль сигнальной молекулы NAD как ключевого регулятора межбелкового соединения. взаимодействия в репарации ДНК. НАД, идентифицированный столетие назад, уже известен своей ролью регулятора окисления, повреждающего клетки.

    Кроме того, эксперименты, проведенные на мышах, показывают, что лечение предшественником NAD NMN смягчает возрастное повреждение ДНК и предотвращает повреждение ДНК от радиационного воздействия.

    Раскрывая тайны старения

    Ученые предупреждают, что эффекты многих терапевтических веществ часто сильно различаются у мышей и людей из-за критических различий в биологии.Однако, если они будут подтверждены в дальнейших исследованиях на животных и людях, результаты могут помочь проложить путь к методам лечения, предотвращающим повреждение ДНК, связанное со старением, и к лечению рака, которое включает радиационное облучение и некоторые виды химиотерапии, которые, наряду с уничтожением опухолей, могут вызывают значительные повреждения ДНК в здоровых клетках. Ожидается, что испытания NMN на людях начнутся в течение шести месяцев, сказали исследователи.

    «Наши результаты раскрывают ключевой механизм клеточной дегенерации и старения, но помимо этого они указывают на терапевтический путь, позволяющий остановить и обратить вспять возрастное и радиационно-индуцированное повреждение ДНК», - сказал старший автор Дэвид Синклер, профессор кафедры генетики Института генетики. HMS, содиректор Центра биологии старения Пола Ф. Гленна и профессор Медицинской школы Университета Нового Южного Уэльса в Сиднее.

    Предыдущее исследование, проведенное Синклером, показало, что NMN обращает вспять старение мышц у мышей.

    Сюжет с множеством персонажей

    Исследователи начали с изучения набора белков и молекул, предположительно участвующих в процессе клеточного старения. Некоторые из них были известными персонажами, другие - более загадочными.

    Исследователи уже знали, что НАД, который неуклонно снижается с возрастом, повышает активность белка SIRT1, который замедляет старение и продлевает жизнь дрожжам, мухам и мышам. И SIRT1, и PARP1, белок, контролирующий репарацию ДНК, потребляют НАД в своей работе.

    Другой белок, DBC1, один из наиболее распространенных белков в организме человека, обнаруживаемый во всех формах жизни, от бактерий до растений и животных, присутствовал гораздо более мутно. Поскольку ранее было показано, что DBC1 ингибирует SIRT1, повышающий жизнеспособность, исследователи подозревали, что DBC1 также может каким-то образом взаимодействовать с PARP1, учитывая схожие роли, которые играют PARP1 и SIRT1.

    «Мы подумали, что если существует связь между SIRT1 и DBC1, с одной стороны, и между SIRT1 и PARP1, с другой, то, возможно, PARP1 и DBC1 также участвовали в какой-то внутриклеточной игре», - сказал Джун Ли, первый автор книги. учится и научный сотрудник отдела генетики HMS.

    Чтобы лучше понять химическую связь между тремя белками, ученые измерили молекулярные маркеры межбелкового взаимодействия внутри клеток почек человека. DBC1 и PARP1 сильно связаны друг с другом. Однако, когда уровни NAD повысились, эта связь была разорвана. Чем больше НАД присутствует внутри клеток, тем меньше молекулярных связей PARP1 и DBC1 может образоваться. Когда исследователи подавляли НАД, количество связей PARP1-DBC1 увеличивалось. Другими словами, когда NAD много, он предотвращает связывание DBC1 с PARP1 и вмешательство в его способность восстанавливать поврежденную ДНК.

    По словам исследователей, это говорит о том, что по мере того, как NAD снижается с возрастом, все меньше и меньше молекул NAD останавливают вредное взаимодействие между DBC1 и PARP1. Результат: разрывы ДНК не восстанавливаются и, поскольку эти разрывы накапливаются с течением времени, ускоряют повреждение клеток, мутации клеток, гибель клеток и потерю функции органов.

    Предотвращение озорства

    Затем, чтобы понять, как именно NAD предотвращает связывание DBC1 с PARP1, команда сосредоточилась на области DBC1, известной как NHD, карманной структуре, обнаруженной примерно в 80 000 белков разных форм жизни и видов, функция которых ускользнула от ученых. Эксперименты команды показали, что NHD является сайтом связывания NAD и что в DBC1 NAD блокирует эту специфическую область, чтобы предотвратить блокировку DBC1 с PARP1 и вмешательство в репарацию ДНК.

    Синклер сказал, что, поскольку NHD настолько распространен среди видов, открытие предполагает, что, связываясь с ним, NAD может играть аналогичную роль, предотвращая вредные белковые взаимодействия у многих видов, чтобы контролировать восстановление ДНК и другие процессы выживания клеток.

    Связанный


    Биология 171

    К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

    Репликация ДНК - это высокоточный процесс, но иногда могут происходить ошибки, например, ДНК-полимераза, вставляющая неправильное основание. Неисправленные ошибки иногда могут привести к серьезным последствиям, например, к раку. Механизмы ремонта исправляют ошибки. В редких случаях ошибки не исправляются, что приводит к мутациям, в других случаях ферменты репарации сами мутируются или являются дефектными.

    Большинство ошибок при репликации ДНК оперативно исправляются за счет корректирующей способности самой ДНК-полимеразы. ((Фигура)). При вычитке ДНК-опросник считывает только что добавленную базу перед добавлением следующей, чтобы можно было внести исправления. Полимераза проверяет, правильно ли вновь добавленное основание спарено с основанием в нити шаблона. Если это правильное основание, добавляется следующий нуклеотид. Если было добавлено неправильное основание, фермент разрезает фосфодиэфирную связь и высвобождает неправильный нуклеотид. Это осуществляется экзонуклеазой 3 & # 8242 ДНК pol. После удаления неправильного нуклеотида его можно заменить правильным.


    Некоторые ошибки не исправляются во время репликации, но вместо этого исправляются после завершения репликации. Этот тип исправления известен как исправление несоответствия ((рисунок)). Специфические ферменты репарации распознают ошибочно спаренный нуклеотид и вырезают часть цепи, которая его содержит, после чего вырезанная область повторно синтезируется. Если несоответствие остается неисправленным, оно может привести к более необратимым повреждениям при репликации несовпадающей ДНК. Как ферменты восстановления несоответствия распознают, какое из двух оснований является неправильным? В Кишечная палочкапосле репликации азотистое основание аденина приобретает метильную группу, родительская цепь ДНК будет иметь метильные группы, тогда как вновь синтезированная цепь их не будет. Таким образом, ДНК-полимераза способна удалять ошибочно встроенные основания из вновь синтезированной неметилированной цепи. У эукариот механизм не очень хорошо изучен, но считается, что он включает распознавание незапечатанных разрывов в новой цепи, а также краткосрочную продолжающуюся ассоциацию некоторых репликационных белков с новой дочерней цепью после завершения репликации. .


    Другой тип механизма репарации, эксцизионная репарация нуклеотидов, аналогичен репарации ошибочного спаривания, за исключением того, что он используется для удаления поврежденных оснований, а не несовпадающих. Ферменты репарации заменяют аномальные основания, делая разрез на концах 3 & # 8242 и 5 & # 8242 поврежденного основания ((Рисунок)). Сегмент ДНК удаляется и заменяется правильно спаренными нуклеотидами под действием ДНК pol. Как только основания заполнены, оставшийся разрыв закрывается фосфодиэфирной связью, катализируемой ДНК-лигазой. Этот механизм восстановления часто используется, когда УФ-облучение вызывает образование димеров пиримидина.


    Хорошо изученный пример ошибок, которые не исправляются, наблюдается у людей, страдающих пигментной ксеродермией ((Рисунок)). Кожа пораженных людей очень чувствительна к ультрафиолетовым лучам солнца. Когда люди подвергаются воздействию ультрафиолетового света, образуются димеры пиримидина, особенно димеры тимина, люди с пигментной ксеродермией не могут восстановить повреждение. Они не восстанавливаются из-за дефекта ферментов репарации эксцизией нуклеотидов, тогда как у нормальных людей димеры тимина иссекаются, и дефект исправляется. Димеры тимина искажают структуру двойной спирали ДНК, и это может вызвать проблемы во время репликации ДНК. Люди с пигментной ксеродермией могут иметь более высокий риск заболевания раком кожи, чем те, у кого нет этого заболевания.


    Ошибки при репликации ДНК - не единственная причина возникновения мутаций в ДНК. Мутации, вариации в нуклеотидной последовательности генома, также могут возникать из-за повреждения ДНК. Такие мутации могут быть двух типов: индуцированные и спонтанные. Индуцированные мутации - это те, которые возникают в результате воздействия химических веществ, ультрафиолетовых лучей, рентгеновских лучей или других факторов окружающей среды. Спонтанные мутации происходят без воздействия каких-либо факторов окружающей среды, они являются результатом естественных реакций, происходящих в организме.

    Мутации могут иметь широкий спектр эффектов. Точечные мутации - это те мутации, которые влияют на одну пару оснований. Наиболее частыми нуклеотидными мутациями являются замены, при которых одно основание заменяется другим. Эти замены могут быть двух типов: переходы или трансверсии. Переходное замещение относится к замене пурина или пиримидина основанием того же типа, например, пурин, такой как аденин, может быть заменен пурином гуанином. Трансверсионное замещение относится к пурину, заменяемому пиримидином, или наоборот, например, цитозин, пиримидин, заменяется аденином, пурином. Некоторые точечные мутации не выражены, они известны как молчащие мутации. Тихие мутации обычно возникают из-за замены в третьем основании кодона, которое часто представляет собой ту же аминокислоту, что и исходный кодон. Другие точечные мутации могут привести к замене одной аминокислоты другой, что может изменить функцию белка. Точечные мутации, которые генерируют стоп-кодон, могут преждевременно прервать действие белка.

    Некоторые мутации могут привести к увеличению количества копий одного и того же кодона. Это называется расширением тринуклеотидных повторов и приводит к появлению повторяющихся участков одной и той же аминокислоты. Мутации также могут быть результатом добавления основания, известного как вставка, или удаления основания, также известного как делеция. Если вставка или делеция приводит к изменению рамки считывания трансляции (мутация сдвига рамки считывания), полученный белок обычно нефункционален. Иногда фрагмент ДНК из одной хромосомы может быть перемещен на другую хромосому или в другой участок той же хромосомы, это также известно как транслокация. Эти типы мутаций показаны на (Рисунок).


    Мутация со сдвигом рамки считывания, которая приводит к вставке трех нуклеотидов, часто менее опасна, чем мутация, которая приводит к вставке одного нуклеотида. Почему?

    Известно, что мутации в генах репарации вызывают рак. Многие мутировавшие гены репарации вовлечены в определенные формы рака поджелудочной железы, рака толстой кишки и колоректального рака. Мутации могут затронуть как соматические клетки, так и половые клетки. Если в соматической клетке накапливается много мутаций, они могут привести к таким проблемам, как неконтролируемое деление клеток, наблюдаемое при раке. Если в половых клетках происходит мутация, мутация передается следующему поколению, как в случае гемофилии и пигментной ксеродермии.

    Резюме раздела

    ДНК-полимераза может ошибаться при добавлении нуклеотидов. Он редактирует ДНК, проверяя каждую новую добавленную базу. Неправильные основания удаляются и заменяются правильными, прежде чем продолжить удлинение. Большинство ошибок исправляется во время репликации, хотя, когда этого не происходит, используется механизм исправления несоответствия. Ферменты репарации несоответствия распознают ошибочно включенное основание и вырезают его из ДНК, заменяя правильным основанием. В еще одном типе репарации, эксцизионной репарации нуклеотидов, поврежденное основание удаляется вместе с несколькими основаниями на концах 5 & # 8242 и 3 & # 8242, и они заменяются копированием матрицы с помощью ДНК-полимеразы. Концы вновь синтезированного фрагмента прикрепляются к остальной части ДНК с помощью ДНК-лигазы, которая создает фосфодиэфирную связь.

    Большинство ошибок исправляются, и если они не исправлены, они могут привести к мутации, определяемой как постоянное изменение последовательности ДНК. Мутации могут быть многих типов, например замещения, делеции, вставки и расширения тринуклеотидных повторов. Мутации в генах восстановления могут привести к серьезным последствиям, таким как рак. Мутации могут быть вызваны или возникать спонтанно.

    Искусство Связи

    (Рисунок) Мутация сдвига рамки считывания, которая приводит к вставке трех нуклеотидов, часто менее опасна, чем мутация, которая приводит к вставке одного нуклеотида. Почему?

    (Рисунок) Если добавить три нуклеотида, одна дополнительная аминокислота будет включена в белковую цепь, но рамка считывания не изменится.

    Бесплатный ответ

    Каковы последствия мутации фермента восстановления несоответствия? Как это повлияет на функцию гена?

    Мутации не восстанавливаются, как в случае пигментной ксеродермии. Функция генов может быть нарушена или не выражена.

    Геном взрослого человека с загаром в анамнезе секвенирован. Начало кодирующей белок области его ДНК читается как ATGGGGATATGGCAT. Если кодирующая белок область здорового взрослого человека читается как ATGGGGATATGAGCAT, определите сайт и тип мутации.

    Это мутация сдвига рамки считывания с удалением буквы «А» в 12-й позиции кодирующей области.

    Глоссарий


    Смотреть видео: El material genético: ADN (June 2022).