Гомологическая рекомбинация при репарации повреждения ДНК

Введение

Глава 1 Определение понятия и характеристика репарации ДНК

Глава 2 Гомологичная рекомбинация при репарции повреждения ДНК

Заключение

Список использованных источников

Актуальность работы связана с тем, что система репарации ДНК вызывает большой интерес в настоящее время.

Репликация обеспечивает самокопирование генетического материала. При этом, благодаря принципу комплементарности, весьма высока точность сопоставления нуклеотидных последовательностей дочерней цепи к матричной ДНК. Кроме того, ДНК – достаточно химически инертное вещество, что обеспечивает ее большую стабильность по сравнению, например, с РНК. Однако этого мало, так как ДНК все же может повреждаться внешними воздействиями, также могут возникать ошибки на этапе репликации. Поэтому в клетках должны существовать механизмы исправления повреждений и ошибок синтеза, т. е. выполняться репарация ДНК.

Очевидно, что поддержание стабильности генетического аппарата – одно из важнейших условий для нормальной жизнедеятельности всех организмов. Тем удивительнее кажется тот факт, что клетка, подвергаясь воздействию многочисленных экзогенных и эндогенных генотоксических факторов, в подавляющем большинстве случаев сохраняет целостность генома и жизнеспособность. Было подсчитано, что в каждой из ~1013 клеток организма человека в течение дня происходят десятки тысяч повреждений дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). В то время как часть повреждений ДНК является преимущественно результатом естественного метаболизма клеток или репликации, они также могут быть вызваны экзогенными факторами, такими как ультрафиолетовое и ионизирующее излучение, природные и искусственные мутагены, ионы тяжёлых металлов и химиопрепараты.

Очевидно, что нарушения репарации повреждений ДНК могут инициировать возникновение мутаций, становиться причиной нестабильности генома. Это в свою очередь может явиться одним из факторов, обусловливающих дефекты развития, стать причиной возникновения злокачественных и нейродегенеративных заболеваний, иммунодефицитных состояний, бесплодия, а также обусловить повышенную чувствительность к действию экзогенных факторов (например, ультра¬ фиолетового и ионизирующего излучения).

Передача наследственной информации в неизменном виде является наиболее важным условием выживания как отдельного организма, так и вида в целом. Большая часть изменений в структуре ДНК абсолютно недопустимые, поскольку они приводят или к вредным мутациям, или вызывают блокировку репликации ДНК, что приводит к гибели клеток. Тем не менее, ДНК все время подвергается химическим изменениям из-за воздействия как спонтанных, так и индуцированных факторов среды: УФ-облучение, ионизирующая радиация, химические мутагены, температура и т.д. Спонтанные повреждения включают: ошибки репликации (из-за этого возникают некомплементарные пары нуклеотидов – мисмэтчи); апуринизацию (отщепление азотистых оснований от сахаро-фосфатного остова – формирование АР-сайтов) и дезаминирование (отщепление аминогруппы от азотистого основания).

Индуцированные повреждения включают: димеризацию (сшивание соседних пиримидиновых оснований с формированием димера); размыкание пуринового кольца; однонитевые и двунитевые разрывы в ДНК; сшивки между цепями ДНК. В процессе эволюции была выработана система, которая позволяют устранять нарушения в ДНК, которые были вызваны ошибками репликации либо повреждающими агентами внешней среды, – это так называемая система репарации ДНК. В результате ее активности на 1000 повреждений в ДНК только одно вызывает мутацию. Нарушения в системе репарации могут вызывать преждевременное старение, развитие онкологических болезней, болезни аутоиммунной системы и множество иных генетически обусловленных дефектов. Например, у людей, которые имеют пигментную ксеродерму (наследственную болезнь, которая выражается в очагах рака кожи), нарушение системы репарации вызывает то, что такие люди не могут находиться на солнечном свету из-за полной незащищенности от УФ-облучения. Увеличение частоты заболевания раком происходит с возрастом, по всей вероятности, из-за накопления повреждений в ДНК, которые связаны с ослаблением системы репарации. Исследования установили, что в геноме зародышевой линии клеток млекопитающих и человека будет происходить около шести замен нуклеотидов в год. По всей вероятности, в соматических клетках также будет происходить столько же мутаций. Их накопление по мере старения увеличивает вероятность ракового перерождения клеток. В целом считается, что 80-90% всех раковых болезней связаны с отсутствием репарации ДНК. 
[...]

Уже давно доказано, что быстро делящиеся клетки бактерий, а которых содержится несколько репликонов, сформированных недореплицированными хромосомами, являются более устойчивыми к действию ионизирующей радиации, индуирующей двухцепочечные разрывы ДНК, чем клетки с мальниким количеством репликонов, которые находятся в стационарной фазе клеточного цикла. Гаплоидные дрожжевые клетки в фазе G1 перед началом синтеза ДНК являются очень чувствительными к воздействию ионизирующей радиации, в то время как такие же клетки, но уже в фазе G2 перед митозом будут такими устойчивыми к ионизирующему излучению, как и диплоидные клетки. Данные факты являются свидетельством того, что для эффективного исправления повреждений, которые индуцирует ионизирующая радиация, нужно одновременное наличие в клетке двух гомологичных молекул ДНК.

Можно выделить несколько моделей, которые объясняют механизм репарации повреждений ДНК при участии системы гомологичной рекомбинации. Схема одного из данных механизмов репарации двухцепочечных разрывов ДНК у E. coli представлена на рис. 2.1. Основываясь на данной модели, процесс репарации можно разделить на три этапа. В первом, пресинаптическом этапе репарации будет вноситься двухцепочечный разрыв в ДНК либо, в случае его наличии, сразу происходить нуклеазное расщепление концов разрыва. В создании одноцепочечных 3’-OH-выступающих концов ДНК в месте разрыва участвует белок RecBCD, имеющий как хеликазную, так и экзонуклеазную активности. RecBCD будет расплетать двухцепочечную молекулу ДНК в месте разрыва и гидролизовать одну из цепей в направлении 5’→3’, при этом оставлять выступающий одноцепочечный участок. На втором этапе происходит синапсис гомологичных участков двух молекул ДНК с вхождением комплементарного одноцепочечного участка в ДНК-дуплекс и дальнейшим репаративным синтезом ДНК. Поиски гомологичных участков и обмен цепями, которые требуются для рекомбинации, осуществляются при участии белка RecA. На третьем, постсинаптическом, этапе репарации сформированные структуры Холидея разделяют белки RuvA, -B и -C, RecG, а также белки SOS-системы репарации (RecN, UvrD, RecF и RecJ). 
[...]

Таким образом, открытие и детальное изучение процессов репарации ДНК стало одним из интересных и важных достижений молекулярной генетики второй половины 20 века. 

Повреждения ДНК должны быть репарируемые и нерепарируемые.

Репарируемые повреждения удаляются собственными системами клеток, например, возникающие под действием УФ-лучей. Подавляющее большинство повреждений ДНК репарируются. Нерепарируемые повреждения возникают редко.

Процесс репарации ДНК основан на том, что генетическая информация представлена в этой молекуле двумя копиями - по одной в каждой из двух цепей двойной спирали ДНК. Благодаря этому случайное повреждение в одной из цепей может быть удалено репарирующим ферментом и данный участок цепи ресинтезирован в своем нормальном виде за счет информации, содержащейся в неповрежденной цепи.

Благодаря системе репарации из 1000 повреждений ДНК различного типа лишь 1 приводит к мутации.

В настоящее время установлено, что бактериальные клетки в случае «застревания» или временной остановки репликативной вилки в каком-либо участке ДНК, содержащем не исправленное повреждение, используют два способа репарации.

Первый способ, при отсутствии второй (комплементарной) цепи необходимой для точной репарации, связан с возможностью предоставления генетической информации, источником которой является отдельная гомологичная хромосома. Из этого следует, что в данном случае система репарации зависит от общей гомологической рекомбинации.

В основной реакции гомологичной рекомбинации участвуют две хроматиды, которые содержат последовательности ДНК, которые имеют значительные области идентичности. Одна из этих последовательностей использует цепь другой в качестве матрицы для синтеза ДНК в реакции, катализируемой ферментами. Конечный продукт представляет собой новое слияние двух субстратов. Для обеспечения точной рекомбинации последовательностей гомологичной рекомбинации ограничивается фазами S и G2 клеточного цикла.
[...]

1. Коничев, А. С. Молекулярная биология : учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / А. С. Коничев, Г. А. Севастьянова. 4-еизд., перераб. и доп., 2012. – 400 с.

2. Молекулярная биология клетки : в 3-х томах / Б. Альбертс [и др.]. – М. – Ижевск : Институт компьютерных исследований, 2013. – 2821 с.

3. Огурцов, А. Н. Основы молекулярной биологии : учебное пособие : в 2-х ч., Ч2 / А. Н. Огурцов. – Харьков : НТУ, 2011. – 240 с.

4. Патрушев, Л. И. Экспрессия генов / Л. И. Патрушев. – М. : Наука, 2000. – 830 с.

5. Прошкина, Е. Н. Молекулярная биология : стресс-реакции клетки. Учебное пособие для вузов / Е. Н. Прошкина, И. Н. Юранева, А. А. Москалев. – М. : Издательство Юрайт, 2019. – 101с. 

6. Сойфер, В. Н. Репарация генетических повреждений / В. Н. Сойфер // Соросовский образовательный журнал. – 1997 – Т.2 – №8 – С. 4-13.