برای حفظ خصوصیات اصلی یک سلول یا ارگانیسم در طول زندگی خود و همچنین در طی چندین نسل، ماده ارثی باید در برابر تأثیرات خارجی مقاوم باشد یا مکانیسم هایی برای اصلاح تغییراتی که در آن رخ می دهد وجود داشته باشد. در طبیعت زنده از هر دو عامل استفاده می شود. عامل سوم دقت کپی برداری از توالی های نوکلئوتیدی DNA مادر در حین تکثیر آن است.

برنج. 3. 13. پروتئین های دخیل در فرآیند همانندسازی DNA

DNA هلیکاز مارپیچ دوگانه DNA را باز می کند و زنجیره های پلی نوکلئوتیدی آن را جدا می کند. پروتئین های بی ثبات کننده بخشی از زنجیره DNA را صاف می کنند. DNA توپوایزومراز پیوند فسفودی استر را در یکی از زنجیره های پلی کربنات DNA می شکند و کشش ناشی از باز شدن مارپیچ و واگرایی زنجیره ها در چنگال همانندسازی را کاهش می دهد. RNA primase آغازگرهای RNA را برای رشته دختر و برای هر قطعه Okazaki سنتز می کند. DNA پلیمراز سنتز پیوسته رشته اصلی و سنتز قطعات اوکازاکی از رشته عقب مانده را انجام می دهد. DNA لیگاز قطعات اوکازاکی را پس از حذف پرایمر RNA به هم بخیه می زند

از نظر واکنش پذیری، مولکول های DNA در دسته مواد شیمیایی بی اثر هستند. مشخص است که نه تنها DNA، بلکه RNA (برخی ویروس ها) نیز می توانند نقش یک ماده وراثتی را ایفا کنند. اعتقاد بر این است که انتخاب به نفع DNA به دلیل واکنش پذیری کمتر آن در مقایسه با RNA است.

مکانیسم تکثیر مورد بحث در بالا با دقت بسیار بالا در بازتولید ساختار DNA مشخص می شود. هنگامی که DNA دو برابر می شود، خطاهایی با فرکانس متوسط ​​1·10-6 جفت باز مکمل رخ می دهد.

در حفظ دقت تکرار بالا، نقش مهمی در درجه اول متعلق به آنزیم DNA پلیمراز است. این آنزیم نوکلئوتیدهای لازم را از میان تری فسفات های نوکلئوزیدی (ATP، TTP، GTP، CTP) موجود در شیره هسته ای انتخاب می کند، آنها را به دقت به رشته DNA الگو متصل می کند و آنها را در رشته دختر در حال رشد می گنجاند (شکل 3.10 را ببینید). فراوانی گنجاندن نوکلئوتیدهای نادرست در این مرحله 1·10-5 جفت باز است.

چنین خطاهایی در عملکرد DNA پلیمراز با ظهور اشکال تغییر یافته بازهای نیتروژنی همراه است که جفت های "غیرقانونی" را با پایه های زنجیره مادر تشکیل می دهند. به عنوان مثال، یک شکل تغییر یافته از سیتوزین، به جای گوانین، پیوند هیدروژنی به آدنین برقرار می کند. در نتیجه، یک نوکلئوتید اشتباه در زنجیره DNA در حال رشد گنجانده می شود. انتقال سریع شکل اصلاح‌شده چنین پایه‌ای به حالت معمول، اتصال آن به ماتریس را مختل می‌کند و یک انتهای جفت نشده 3"-OH زنجیره DNA در حال رشد ظاهر می‌شود. در این وضعیت، مکانیزم خود اصلاحیتوسط DNA پلیمراز (یا یک آنزیم نزدیک به آن - ویرایش اندونوکلئاز) انجام می شود. خود اصلاحی شامل بریدن یک نوکلئوتید است که به اشتباه در زنجیره DNA گنجانده شده و با الگو جفت نشده است (شکل 3.14). نتیجه خود اصلاحی کاهش 10 برابری میزان خطا (از 10 -5 به 10 -6) است.

علیرغم اثربخشی خود تصحیح، خطاها در طول همانندسازی پس از تکثیر DNA شناسایی می شوند. این امر به ویژه هنگامی مشاهده می شود که غلظت چهار نوکلئوزیدی تری فسفات در بستر اطراف مختل شود. بخش قابل توجهی از تغییرات همچنین در مولکول های DNA در نتیجه فرآیندهای خود به خودی مرتبط با از دست دادن بازهای پورین - آدنین و گوانین (آپورینیزاسیون) - یا دآمیناسیون سیتوزین که به اوراسیل تبدیل می شود رخ می دهد. فراوانی تغییرات اخیر به 100 در هر 1 ژنوم در روز می رسد.

بازهای موجود در DNA را می توان با ترکیبات واکنشی که جفت شدن طبیعی آنها را مختل می کند و همچنین با پرتو فرابنفش تغییر داد که می تواند باعث ایجاد پیوند کووالانسی بین دو باقی مانده تیمین مجاور در DNA (دایمرهای تیمین) شود. این تغییرات در چرخه تکثیر بعدی باید یا به از دست دادن جفت‌های باز در DNA دختر یا جایگزینی برخی از جفت‌ها با جفت‌های دیگر منجر شود. این تغییرات در واقع با هر چرخه همانندسازی DNA همراه است، اما فراوانی آنها بسیار کمتر از آن چیزی است که باید باشد. این با این واقعیت توضیح داده می شود که اکثر تغییرات از این نوع به دلیل عملکرد مکانیسم حذف می شوند غرامت(بازیابی مولکولی) توالی نوکلئوتیدی DNA اصلی.

مکانیسم ترمیم بر اساس حضور دو زنجیره مکمل در مولکول DNA است. تحریف توالی نوکلئوتیدی در یکی از آنها توسط آنزیم های خاص تشخیص داده می شود. سپس بخش مربوطه برداشته شده و با بخش جدیدی که روی دومین رشته DNA مکمل سنتز شده جایگزین می شود. این نوع جبران نامیده می شود برداشتن،آن ها با "برش" (شکل 3.15). قبل از چرخه تکرار بعدی انجام می شود، به همین دلیل به آن نیز می گویند قبل از تکرار.

برنج. 3.14. طرح فرآیند اصلاح در طول سنتز DNA:

من- گنجاندن در زنجیره DNA یک نوکلئوتید با شکل تغییر یافته (تومریک) سیتوئین که "غیرقانونی" با آدنین جفت می شود. II- انتقال سریع سیتوزین به شکل طبیعی آن جفت شدن آن با آدنین را مختل می کند. انتهای جفت نشده 3 اینچ - OH زنجیره سنتز شده از طولانی شدن بیشتر آن تحت تأثیر DNA پلیمراز جلوگیری می کند. III - DNA پلیمراز نوکلئوتید غیرقانونی را حذف می کند و در نتیجه نوکلئوتید جفت شده با الگو دوباره ظاهر می شود. 3 "- OH-end; IV- DNA پلیمراز به گسترش زنجیره در انتهای 3"-OH ادامه می دهد

بازیابی ساختار اصلی DNA مستلزم مشارکت تعدادی آنزیم است. یک نکته مهمدر راه اندازی مکانیسم ترمیم، تشخیص خطا در ساختار DNA است. اغلب چنین خطاهایی در زنجیره جدید سنتز شده در طول فرآیند تکرار رخ می دهد. آنزیم های ترمیم کننده باید این زنجیره خاص را شناسایی کنند. در بسیاری از گونه‌های موجودات زنده، رشته DNA تازه سنتز شده از نظر میزان متیلاسیون پایه‌های نیتروژنی آن که از سنتز عقب است، با رشته مادری متفاوت است. در این حالت، زنجیره غیر متیله تحت تعمیر قرار می گیرد. شکستگی رشته DNA را می توان با آنزیم های ترمیم کننده نیز تشخیص داد. در ارگانیسم‌های بالاتر، که سنتز DNA به طور مداوم اتفاق نمی‌افتد، اما در رپلیکون‌های جداگانه، رشته DNA تازه سنتز شده دارای گسستگی است که تشخیص آن را ممکن می‌سازد.

بازیابی ساختار DNA هنگامی که پایه های پورین یکی از زنجیره های آن از بین می رود شامل تشخیص نقص با استفاده از آنزیم اندونوکلئاز است که پیوند فسفوستر را در محل آسیب به زنجیره می شکند. سپس قسمت تغییر یافته با چندین نوکلئوتید مجاور توسط آنزیم اگزونوکلئاز حذف می شود و در جای آن مطابق با ترتیب پایه های زنجیره مکمل، توالی نوکلئوتیدی صحیح تشکیل می شود (شکل 3.15).

برنج. 3.15. طرح برش، ترمیم DNA پیش از همانندسازی

هنگامی که یکی از بازها در زنجیره DNA تغییر می کند، حدود 20 آنزیم DNA گلیکوزیلاز در بازیابی ساختار اصلی شرکت می کنند، آنها به طور خاص آسیب ناشی از دآمیناسیون، آلکیلاسیون و سایر دگرگونی های ساختاری بازها را تشخیص می دهند. چنین پایه های اصلاح شده حذف می شوند. مناطق فاقد پایه ظاهر می شوند و مانند از دست دادن پورین ها ترمیم می شوند. اگر ساختار نرمال ترمیم نشود، به عنوان مثال در مورد دآمیناسیون بازهای نیتروژنی، برخی از جفت بازهای مکمل با برخی دیگر جایگزین می شوند - جفت C-G را می توان با یک جفت T-A و غیره جایگزین کرد. (به بخش 3.4.2.3 مراجعه کنید).

تشکیل دایمرهای تیمین (T-T) در زنجیره‌های پلی نوکلئوتیدی تحت تأثیر اشعه ماوراء بنفش مستلزم مشارکت آنزیم‌هایی است که نه بازهای تغییر یافته منفرد، بلکه آسیب گسترده‌تر به ساختار DNA را تشخیص می‌دهند. فرآیند ترمیم در این مورد همچنین با حذف ناحیه حامل دایمر و بازیابی توالی نوکلئوتیدی طبیعی با سنتز روی رشته DNA مکمل همراه است.

در صورتی که سیستم ترمیم اکسیزیون تغییری را که در یک رشته DNA ایجاد شده است اصلاح نکند، در حین تکثیر این تغییر ثابت شده و به هر دو رشته DNA تبدیل می شود. این منجر به جایگزینی یک جفت نوکلئوتید مکمل با دیگری می شود یا به ظاهر شکاف ها (شکاف) در زنجیره جدید سنتز شده در برابر بخش های تغییر یافته منجر می شود. بازیابی ساختار طبیعی DNA نیز می تواند پس از همانندسازی رخ دهد.

تعمیر پس از تکثیربا نوترکیبی (تبادل قطعات) بین دو مارپیچ دوتایی تازه تشکیل شده از DNA انجام می شود. یک نمونه از چنین تعمیرات پس از تکرار، بازسازی ساختار طبیعی DNA است، زمانی که دایمرهای تیمین (T-T) زمانی که خود به خود تحت تأثیر نور مرئی حذف نمی شوند، به وجود می آیند. ترمیم سبک) یا در حین ترمیم اکسیزیون قبل از تکرار.

پیوندهای کووالانسی که بین بقایای تیمین مجاور ایجاد می شود باعث می شود آنها نتوانند به نوکلئوتیدهای مکمل متصل شوند. در نتیجه، شکاف ها در زنجیره DNA تازه سنتز شده ظاهر می شوند که توسط آنزیم های ترمیم کننده شناسایی می شوند. بازیابی یکپارچگی زنجیره پلی نوکلئوتیدی جدید یکی از DNA دختر به دلیل نوترکیبی با زنجیره والد طبیعی مربوطه DNA دختر دیگر انجام می شود. شکاف تشکیل شده در زنجیره مادر سپس با سنتز روی یک زنجیره پلی نوکلئوتیدی مکمل آن پر می شود (شکل 3.16). تجلی چنین ترمیم پس از همانندسازی، که با نوترکیبی بین زنجیره‌های دو مولکول DNA دختر انجام می‌شود، می‌تواند تبادل مواد اغلب مشاهده شده بین کروماتیدهای خواهر در نظر گرفته شود (شکل 3.17).

برنج. 3.16. طرح ترمیم DNA پس از همانندسازی:

من- ظاهر یک دایمر تیمین در یکی از زنجیره های DNA.

II- تشکیل "شکاف" در زنجیره جدید سنتز شده در برابر بخش تغییر یافته مولکول مادر پس از تکرار (فلش پر شدن بعدی "شکاف" را با بخشی از زنجیره مربوطه مولکول DNA دختر دوم نشان می دهد).

III- بازیابی یکپارچگی زنجیره دختر مولکول فوقانی به دلیل ترکیب مجدد و در مولکول پایین به دلیل سنتز روی زنجیره مکمل

برنج. 3.17. تبادلات بین کروماتید (با فلش نشان داده شده است)

در طول ترمیم قبل و بعد از همانندسازی، بیشتر آسیب به ساختار DNA ترمیم می شود. اما اگر آسیب زیادی در ماده ارثی سلول ایجاد شود و مقداری از آن از بین نرود، سیستم آنزیم های ترمیم القایی (تحریکی) (سیستم SOS) فعال می شود. این آنزیم ها شکاف ها را پر می کنند و یکپارچگی زنجیره های پلی نوکلئوتیدی سنتز شده را بدون رعایت دقیق اصل مکمل بودن باز می گرداند. به همین دلیل است که گاهی اوقات خود فرآیندهای ترمیم می توانند به عنوان منبع تغییرات دائمی در ساختار DNA (جهش) عمل کنند. این واکنش در مورد سیستم SOS نیز صدق می کند.

اگر در یک سلول، با وجود تعمیر انجام شده، میزان آسیب به ساختار DNA زیاد باقی بماند، فرآیندهای همانندسازی DNA در آن مسدود می شود. چنین سلولی تقسیم نمی شود، به این معنی که تغییرات حاصل را به فرزندان خود منتقل نمی کند.

توقف چرخه سلولی ناشی از آسیب DNA، همراه با عدم امکان ترمیم مولکولی مواد ارثی تغییر یافته، می تواند با مشارکت پروتئینی که سنتز آن توسط ژن p53 کنترل می شود، منجر به فعال شدن فرآیند خود تخریبی شود (آپوپتوز). ) سلول معیوب به منظور دفع آن از بدن.

بنابراین، مجموعه گسترده ای از آنزیم های مختلف ترمیم کننده به طور مداوم DNA را "بازرسی" می کنند، نواحی آسیب دیده را از آن جدا می کنند و به حفظ پایداری مواد ارثی کمک می کنند. عملکرد ترکیبی آنزیم‌های همانندسازی (DNA پلیمراز و اندونوکلئاز ویرایش‌کننده) و آنزیم‌های ترمیم‌کننده فرکانس نسبتاً پایینی از خطاها در مولکول‌های DNA را تضمین می‌کند که در سطح 1 × 10-9 جفت نوکلئوتیدهای تغییر یافته در هر ژنوم حفظ می‌شود. با اندازه ژنوم انسان 3 × 10 9 جفت نوکلئوتیدی، این به معنای حدود 3 خطا در هر ژنوم در حال تکرار است. در عین حال، حتی این سطح برای شکل گیری تنوع ژنتیکی قابل توجهی در قالب جهش های ژنی در طول وجود حیات بر روی زمین کافی است.

ترمیم DNA

سیستم های ترمیم

2 ترمیم اکسیزیون نمونه ها و انواع

3 تعمیر خطاهای همانندسازی DNA

4 ترمیم نوترکیب (پس از تکرار) در باکتری ها

5 جبران SOS

سیستم های ترمیم DNA در تکامل از باکتری به انسان کاملا محافظه کار هستند و بیشتر در E. coli مورد مطالعه قرار گرفته اند.

دو نوع جبران شناخته شده است:مستقیم و برشی

جبران مستقیم

ترمیم مستقیم ساده ترین راه برای از بین بردن آسیب در DNA است که معمولاً شامل آنزیم های خاصی است که می توانند به سرعت (معمولاً در یک مرحله) آسیب مربوطه را از بین ببرند و ساختار اصلی نوکلئوتیدها را بازیابی کنند.

1. این کار می کند، برای مثال،O6-متیل گوانین DNA متیل ترانسفراز

(آنزیم خودکشی)، که یک گروه متیل را از یک پایه نیتروژنی به یکی از باقی مانده های سیستئین خود می برد.

در E.coli می توان تا 100 مولکول از این پروتئین را در 1 دقیقه سنتز کرد. پروتئینی مشابه عملکرد یوکاریوت های بالاتر ظاهرا نقش مهمی در محافظت در برابر سرطان ناشی از عوامل آلکیله کننده داخلی و خارجی دارد.

DNA اینسرتاز

2. DNA insertases

فتولیاز

3. دایمرهای تیمین توسط "ناپیوند" هستند جبران مستقیمستاره دارفتولیاز، تبدیل فتوشیمیایی مربوطه را انجام می دهد. DNA فتولیازها گروهی از آنزیم های فعال شده با نور با طول موج 300 تا 600 نانومتر (ناحیه مرئی) هستند که مرکز حساس به نور خاصی در ساختار خود دارند.

آنها در طبیعت گسترده هستند و در باکتری ها، مخمرها، حشرات، خزندگان، دوزیستان و انسان یافت می شوند. این آنزیم ها به انواع کوفاکتورها (FADH، اسید تتراهیدروفولیک و غیره) نیاز دارند که در فعال سازی فتوشیمیایی آنزیم نقش دارند. E. coli photolyase پروتئینی با وزن مولکولی 35 کیلو دالتون است که به شدت با الیگوریبونوکلئوتید 10-15 نوکلئوتید طول داردبرای فعالیت آنزیم ضروری است.

نمونه هایی از جبران خسارت مستقیم

1. پایه متیله O 6-mG دی متیل شده توسط آنزیم متیل ترانسفرازO6-متیل گوانین DNA متیل ترانسفراز (آنزیم خودکشی)، که یک گروه متیل را به یکی از باقی مانده های آن منتقل می کند

سیستئین

2. محل های AP را می توان با وارد کردن مستقیم پورین ها با مشارکت آنزیم هایی به نام ترمیم کردDNA insertases(از درج انگلیسی - درج).

نمودار نمونه ای از ترمیم آسیب مستقیم در DNA - باز متیله O6- mGتوسط آنزیم متیل ترانسفراز که یک گروه متیل را به یکی از باقی مانده های اسید آمینه سیستئین آن منتقل می کند، دی متیل می شود.

3. فتولیاز به دایمر تیمین می چسبد و پس از تابش این مجموعه با نور مرئی (300-600 نانومتر)، دایمر باز می شود.

نمودار نمونه ای از ترمیم مستقیم آسیب در DNA - فوتولیاز

به دایمر تیمین می چسبد و پس از تابش با طیف مرئی نور، این دایمر باز می شود.

ترمیم اکسیزیون

(از بریدن انگلیسی - برش).

تعریف

تعمیر اکسیزیون شامل حذفبازهای نیتروژنی آسیب دیده از DNA و بهبودی بعدیساختار مولکولی نرمال

سازوکار

ترمیم اکسیزیون معمولاً شامل چندین آنزیم است و خود این فرآیند نیز شامل می شود

نه تنها آسیب دیده است ,

بلکه نوکلئوتیدهای مجاور آن .

شرایط

ترمیم اکسیزیون به رشته دوم (مکمل) DNA نیاز دارد. یک نمودار ساده شده کلی از ترمیم اکسیزیون در شکل نشان داده شده است. 171.

مراحل

اولین مرحله در ترمیم اکسیزیون، حذف بازهای نیتروژنی غیر طبیعی است. توسط گروه کاتالیز می شودDNA-ن-گلیکوزیلاز- آنزیم هایی که پیوند گلیکوزیدی بین دئوکسی ریبوز و یک پایه نیتروژنی را می شکنند.

اطلاعیه مهم:

UشخصDNA-ن-گلیکوزیلازهادارای ویژگی سوبسترای بالایی هستند: آنزیم های مختلف این خانواده شناسایی و حذف می شوند زمینه های غیرعادی مختلف(8-اکسوگوانین، اوراسیل، متیل پورین ها و غیره).

Uباکتری هاDNA-ن-گلیکوزیلازهاچنین ویژگی بستری ندارد

آنزیم های متداول ترمیم کننده اکسیزیون

مراحل پیامد خاص این مکانیسم:

در نتیجه عمل DNA- ن-گلیکوزیلازیک سایت AP تشکیل می شود که توسط آنزیم مورد حمله قرار می گیرد اندونوکلئاز AP. این ماده ستون فقرات قند فسفات مولکول DNA را در محل AP می شکند و در نتیجه شرایطی را برای کار آنزیم بعدی ایجاد می کند - اگزونوکلئازها، که به طور متوالی چندین نوکلئوتید را از بخش آسیب دیده یک رشته DNA جدا می کند.

در سلول های باکتریایی فضای خالی با نوکلئوتیدهای مربوطه با مشارکت پر می شود DNA پلیمراز Iجهت گیری به سمت رشته دوم (مکمل) DNA.

از آنجایی که DNA پلیمراز I می تواند انتهای 3 اینچی یکی از رشته ها را در محل شکست DNA دو رشته ای گسترش دهد و نوکلئوتیدها را از انتهای 5 اینچی همان شکست حذف کند.

آن ها پی بردن "نیک پخش" ، این آنزیم نقش کلیدی در ترمیم DNA ایفا می کند. دوخت نهایی نواحی تعمیر شده انجام می شود DNA لیگاز.

در سلول های یوکاریوتی (پستانداران).

ترمیم برش DNA در سلول های پستانداران با افزایش شدید فعالیت آنزیم دیگری همراه است -پلی ADR-ریبوز پلیمراز . این اتفاق می افتد ADP-ریبوزیلاسیون پروتئین های کروماتین(هیستون ها و پروتئین های غیر هیستونی) که منجر به ضعیف شدن ارتباط آنها با DNA می شود و دسترسی به آنزیم های ترمیم کننده را باز می کند.

اهدا کننده ADP-riboseدر این واکنش ها عمل می کندNAD+که ذخایر آن در حین ترمیم آسیب ناشی از تابش اشعه ایکس به شدت کاهش می یابد:

باقیمانده های دارای بار منفی ADP-riboseاز ترکیب داخلی مولکول NAD+اضافه کردن از طریق رادیکالگلوتامیناسید یا فسفوزرینبه پروتئین های کروماتین، که منجر به خنثی سازی می شود بارهای مثبتاین پروتئین ها و تضعیف تماس آنها با DNA.

گروهی از آنزیم ها چیست؟

DNA گلیکوزیلازها

پیوند گلیکوزیدی بین دئوکسی ریبوز و پایه نیتروژنی را می شکند

که منجر به برداشتن بازهای نیتروژنی غیر طبیعی می شود

DNA گلیکوزیلازها در از بین بردن آسیب اکسیداتیو DNA در سلول ها نقش دارد پروکاریوت ها و یوکاریوت ها، بسیار متنوع هستند و از نظر ویژگی سوبسترا، ساختار فضایی و روش های برهمکنش با DNA متفاوت هستند.

DNA گلیکوزیلازهای مورد مطالعه شامل موارد زیر است:

اندونوکلئاز III(EndoIII)،

آمیدو پیریمیدین DNA گلیکوزیلاز را تشکیل می دهد (Fpg)،

موت تیو

Mut Ycoli

اندونوکلئاز IIIE. coli "شناسایی" و به طور خاص از DNA دفع می کند اکسید شده پایه های پیریمیدین

این آنزیم یک پروتئین کروی مونومر است که از 211 اسید آمینهباقیمانده (مولی جرم 23.4 کیلو دالتون). ژن کد کننده Endo III توالی یابی شده و توالی نوکلئوتیدی آن مشخص شده است. اندو III است پروتئین گوگرد آهن [(4 Fe-4S )2+ پروتئین] دارای عنصر ساختار فوق ثانویهنوع "کلید یونانی" (مارپیچ - سنجاق سر - مارپیچ)، برای اتصال به DNA خدمت می کند. آنزیم‌هایی با ویژگی سوبسترای مشابه و توالی‌های اسید آمینه مشابه نیز از آنها جدا شده‌اند سلول های گاو و انسان.

آمیدو پیریدین DNA گلیکوزیلاز را تشکیل می دهد E. coli ترکیبات هتروسیکلیک اکسید شده را از DNA "شناسایی" و جدا می کند. پایه های پورین .

طرح مرحله تعمیر اکسیزیون 1

DNAن

طرح تعمیر EXCISION

1 DNAنگلیکوزیداز پایه آسیب دیده را از بین می برد

AP اندونوکلئاز DNA را می شکند

2 اگزونوکلئاز تعدادی نوکلئوتید را حذف می کند

3 DNA پلیمراز ناحیه خالی را با مواد مکمل پر می کند

مونونوکلئوتیدها

DNA لیگاز رشته DNA ترمیم شده را به هم بخیه می زند

موت تی- یک پروتئین کوچک با وزن مولکولی 15 کیلو دالتون با فعالیت نوکلئوزید تری فسفاتاز که عمدتاً dGTP را به dGMP و پیروفسفات هیدرولیز می کند.

نقش بیولوژیکی Mut T جلوگیری از تشکیل جفت های غیر متعارف در حین تکثیر استA: Gو A: 8-oxo-G.

چنین جفت هایی می توانند ظاهر شوند زمانی که فرم اکسید شده

dGTP (8-oxo-dGTP)تبدیل می شود لایه DNA پلیمرازها

موت تیهیدرولیز می کند 8-oxo-dGTP10 برابر سریعتر از dGTP.

این کار را انجام می دهد 8-oxo-dGTPترجیح داده شده ترین بسترموتتیو نقش عملکردی آن را توضیح می دهد.

Mut Yیک آدنین DNA گلیکوزیلاز خاص است که پیوند N-گلیکوزیدی بین آدنین و دئوکسی ریبوز را می شکند. آدنوزین،تشکیل یک جفت غیر متعارف با گوانین.

نقش عملکردیاین آنزیم برای جلوگیری از جهش است

T:A - G:A توسط برش باقی مانده دست نخورده آدنیناز جفت پایه A: 8-oxo-G.

ترمیم برش نوکلئوتیدی

(مکانیسم وابسته به ATP برای حذف آسیب DNA)

که در اخیرادر ترمیم اکسیزیون، توجه ویژه ای به مکانیسم وابسته به ATP برای حذف آسیب از DNA می شود. به این نوع ترمیم اکسیزیون، ترمیم برش نوکلئوتیدی (NER) گفته می شود.

شامل دو مرحله است :

1. حذف از DNAقطعات الیگونوکلئوتیدی حاوی آسیب و

اگزینوکلئاز

2. بازسازی بعدی زنجیره DNA با مشارکت مجموعه ای از آنزیم ها (نوکلئازها، DNA پلیمرازها، لیگازهای DNA و غیره).

حذف یک قطعه DNA رخ می دهد در دو طرف آسیب دیده استنوکلئوتید طول قطعات الیگونوکلئوتیدی حذف شده بین پروکاریوت ها و یوکاریوت ها متفاوت است.

حذف یک قطعه DNA از پروکاریوت ها

بنابراین، در E. coli، B. subtilus، Micrococcus luteus، طول یک قطعه 12-13 نوکلئوتیدها،

حذف قطعه ای از DNA در یوکاریوت ها

و در مخمر، دوزیستان و انسان - یک قطعه متشکل از 24-32 نوکلئوتیدها.

اگزینوکلئاز- آنزیمی که قطعات DNA را حذف می کند

برش یک قطعه DNA توسط یک آنزیم انجام می شوداگزینوکلئاز(excinuclease). در E.coli، این آنزیم از 3 پروتومر مختلف تشکیل شده است -

uvrA

uvr B

uvr C

که هر کدام عملکرد خاصی را در حین برش قطعه DNA انجام می دهند. نام این پروتئین ها با حروف اول کلمات داده می شود"تعمیر ماوراء بنفش".

پروتومر uvr Aدارای فعالیت ATPase است، به شکل دایمر به DNA متصل می شود و انجام می دهد

شناخت اولیه آسیب و

گره زدنuvr B

پروتومر uvr Bدارد:

1 . نهفته فعالیت ATPase و هلیکاز نهفته، لازم برای تغییر ساختارها و باز کردن مارپیچ دوگانه DNA.

2. اندونوکلئاز فعالیت، جدا کردن پیوند بین نوکلئوتیدی (فسفودی استر).Z"-پایانقطعه خرد شده

پروتومر uvr Cمانند عمل می کند اندونوکلئاز، معرفی یک شکست در رشته DNA در حال ترمیم با5" به پایان می رسدقطعه را برش دهید

بنابراین، پروتومرهاuvr A، uvr B، uvr cبا DNA در یک توالی خاص تعامل داشته و یک واکنش وابسته به ATP را انجام می دهدبرش یک قطعه الیگونوکلئوتیدی از رشته DNA در حال ترمیم

شکاف حاصل در مولکول DNA با مشارکت DNA پلیمراز I و DNA لیگاز بازسازی می شود. مدلی از ترمیم اکسیزیون شامل آنزیم های فوق در شکل 1 نشان داده شده است. 172.

ترمیم اکسیزیون در انسان

تعمیرات برش در انسان نیز وابسته به ATP است و شاملسه مرحله اصلی :

شناخت آسیب،

برش دو رشته DNA

سنتز تقلیلی و

بستن رشته ترمیم شده

با این حال، ترمیم برش DNA انسان شامل می شود

25 پلی پپتید مختلف ,

16 که در برش قطعه الیگونوکلئوتیدی شرکت می کنند و پروتومر هستنداگزنوکلئازها,

و بقیه 9 سنتز بخش ترمیم شده مولکول را انجام دهید.

در سیستم ترمیم DNA در انسان، پروتئین های رونویسی نقش بسیار مهمی دارند -

RNA پلیمراز II و

TF دوشنبه- یکی از شش عامل اصلی رونویسی یوکاریوت ها.

لازم به ذکر است که ترمیم برش در پروکاریوت ها، مانند یوکاریوت ها، به وضعیت عملکردی DNA بستگی دارد:

DNA رونویسی شده سریعتر ترمیم می شود

از رونویسی غیر فعال.

این پدیده با عوامل زیر توضیح داده می شود:

ساختار کروماتین،

همسانی زنجیره‌های بخش‌های DNA رونویسی شده،

تأثیر آسیب رشته و تأثیر آن بر RNA پلیمراز

اطلاعیه مهم:

زنجیره کدگذاری DNA (زنجیره ذخیره اطلاعات)

زنجیره ماتریکس DNA (اطلاعات از آن کپی شده است)

شناخته شده است که چنین خسارت بزرگی مانند تشکیل دیمرهای تیمین، رونویسی را هم در باکتری ها و هم در انسان مسدود می کند، اگر روی آنها رخ دهد مدار ماتریسی DNA (آسیب به کد نویسیزنجیر تاثیر نمی گذاردبه مجتمع رونویسی). RNA پلیمراز در محل آسیب DNA متوقف می شود و عملکرد مجتمع رونویسی را مسدود می کند.

فاکتور پیوند رونویسی-ترمیم (TRCF) .

در E. coli، افزایش ترمیم رونویسی توسط یک پروتئین خاص انجام می شود -فاکتور پیوند رونویسی-ترمیم (TRCF) .

این پروتئین ترویج می کند :

1. جدا شدن RNA پلیمراز از DNA

2. به طور همزمان تشکیل یک مجتمع پروتئینی را تحریک می کند.

انجام ترمیم ناحیه آسیب دیده.

پس از تکمیل ترمیم، RNA پلیمراز به موقعیت اولیه خود باز می گردد و رونویسی ادامه می یابد (شکل را ببینید).

بنابراین طرح کلی تعمیر اکسیزیون

1. DNA-N -گلیکوزیلاز پایه آسیب دیده را از بین می برد

2. AP اندونوکلئاز زنجیره DNA را می شکند

3. اگزونوکلئاز تعدادی از نوکلئوتیدها را حذف می کند

4. DNA پلیمراز ناحیه خالی را پر می کند

نوکلئوتیدهای مکمل

5. DNA لیگاز رشته DNA ترمیم شده را به هم می دوزد

ترمیم خطای همانندسازی DNA

توسط متیلاسیون

خطا در جفت شدن بازهای نیتروژنی در حین تکثیر DNA اغلب اتفاق می افتد (در باکتری ها، یک بار در هر 10 هزار نوکلئوتید)، در نتیجهبه رشته دختری DNA نوکلئوتیدهایی که غیر مکمل نوکلئوتیدهای زنجیره مادر هستند شامل -عدم تطابق(انگلیسی عدم تطابق n e مطابقت دارد).

با اينكهDNA پلیمراز Iپروکاریوت ها توانایی اصلاح خود را دارند، تلاش های آن برای حذف نوکلئوتیدهای متصل به اشتباه گاهی اوقات آنها کافی نیستندو سپس برخی از جفت های نادرست (غیر مکمل) در DNA باقی می مانند.

در این مورد، تعمیر با استفاده از رخ می دهد یک سیستم خاصمربوط بهمتیلاسیون DNA . عملکرد این سیستم ترمیم بر این اساس است که پس از همانند سازی، پس از مدت زمان معینی (چند دقیقه)، DNA متیلاسیون می شود.

در E. coli متیله شدهاغلب آدنین با آموزش

N6-متیل آدنین (N6-mA).

تا این مرحله، به تازگی سنتز شده است(شرکت تابعه)زنجیره بدون متیله باقی می ماند.

اگر چنین زنجیره ای حاوی نوکلئوتیدهای جفت نشده باشد، تحت ترمیم قرار می گیرد: بنابراینمتیلاسیون نشانگر DNA و

شامل سیستم تصحیح خطا همانند سازی

در این سیستم تعمیر، سازه های خاصی تشخیص داده می شوند:

دنبالهG-N6-mA-T-Cو بعدپشت آن تغییر شکل وجود دارد

در مارپیچ دوگانه که هیچ مکملی وجود ندارد (شکل زیر).

در حذف نوکلئوتیدهای جفت نشده در نیمه متیلهمولکول DNA شامل مجموعه نسبتاً پیچیده ای از آنزیم های ترمیم کننده است که سطح مولکول DNA را اسکن می کند.بخشی از زنجیر کودک را قطع می کند متوسل شدن به عدم تطابق، و سپس شرایطی را برای توسعه ایجاد می کند

نوکلئوتیدهای ضروری (مکمل) آن.

اجزای مختلف این مجموعه فعالیت های متفاوتی دارندهسته،

هلیکاز،

ATPase،

برای ایجاد شکاف در DNA و برش نوکلئوتیدها، باز کردن مارپیچ دوگانه DNA و تامین انرژی برای حرکت کمپلکس در امتداد بخش ترمیم شده مولکول ضروری است.

مجموعه ای از آنزیم های ترمیم کننده مشابه در ساختار و عملکرد در انسان شناسایی شده است.

تعمیر نوترکیب (پس از تکرار).

در مواردی که به هر دلیلی، سیستم‌های ترمیم فوق‌الذکر مختل می‌شوند، شکاف‌هایی (بخش‌های تعمیر نشده) در زنجیره‌های DNA ایجاد می‌شوند که دارای گاهی اوقات اندازه های بسیار قابل توجهکه مملو از اختلال در سیستم تکثیر است و می تواند منجر به مرگ سلولی شود.

در این حالت، سلول می تواند از مولکول DNA دیگری که پس از همانندسازی به دست می آید برای ترمیم یک مولکول DNA استفاده کند، یعنی مکانیزمی را برای این منظور جذب کند.نوترکیبی.

در باکتری ها

در باکتری ها، در ترمیم نوترکیب شرکت می کند.پروتئین Rec A. به یک ناحیه تک رشته ای از DNA متصل می شود و آن را در نوترکیب بانواحی همولوگ رشته های دست نخورده مولکول DNA دیگر .

در نتیجه، هر دو رشته شکسته (شامل شکاف) و دست نخورده مولکول DNA در حال ترمیم هستند. جفت شده استبا نواحی DNA تکمیلی دست نخورده، که امکان ترمیم را از طریق سیستم های فوق الذکر باز می کند.

در این مورد، ممکن است وجود داشته باشد برش دادنقطعه خاصی و

پر كردنبا کمک آن، شکاف در مدار معیوب.

شکاف ها و شکاف هایی که در زنجیره های DNA ایجاد می شوند با مشارکت پر می شوندDNA پلیمراز I و DNA لیگاز .

جبران SOS

وجود این سیستم برای اولین بار توسط M. Radman در سال 1974 فرض شد. او همچنین نام این مکانیسم را با گنجاندن سیگنال بین المللی پریشانی "SOS" (روح ما را نجات دهید) در آن قرار داد.

در واقع، این سیستم زمانی روشن می شود آسیب DNA آنقدر زیاد می شود که حیات سلول را تهدید می کند. در این حالت، القای فعالیت گروه متنوعی از ژن‌های درگیر در فرآیندهای سلولی مختلف مرتبط با ترمیم DNA رخ می‌دهد.

گنجاندن ژن‌های خاصی که بر اساس میزان آسیب در DNA تعیین می‌شود، منجر به پاسخ‌های سلولی با اهمیت متفاوت می‌شود (با شروع از استاندارد ترمیم آسیب دیدهنوکلئوتیدها و انتهای سرکوبتقسیم سلولی).

بیشتر مطالعه شده استجبران SOSدر E. coli، شرکت کنندگان اصلی که پروتئین های کدگذاری شده هستند ژن ها ضبط Aولکس آ.

اولین آنها چند منظوره استپروتئین Rec A، شرکت می کند

V نوترکیبی DNA، و

V تنظیم رونویسی ژن فاژ لامبدا، موثر بر E. coli،

و دوم (پروتئین Lex A)است سرکوب کنندهرونویسی گروه بزرگی از ژن های در نظر گرفته شده برای ترمیم DNAباکتری ها زمانی که مهار یا برطرف شود تعمیر فعال می شود

الزام آور Rec A با Lex Aمنجر می شود به تقسیم دومیو بر این اساس به فعال سازی ژن های ترمیم کننده.

به نوبه خود، القای سیستم SOS باکتریایی در خدمت استفاژ لامبدا سیگنال خطرو باعث می شود که پروفاژ از آن جابجا شود مسیر منفعل به فعال (لیتیک).وجود، در نتیجه باعث می شود مرگ سلول میزبان.

سیستم تعمیر SOS نه تنها در باکتری ها، بلکه در حیوانات و انسان ها نیز شناسایی شده است.

ژن های دخیل در ترمیم آسیب DNA SOS

نتیجه

ترمیم آسیب DNA ارتباط نزدیکی با سایر فرآیندهای ژنتیکی مولکولی اساسی دارد: همانندسازی، رونویسی و نوترکیب.همه این فرآیندها معلوم می شود در هم تنیده شده است V سیستم مشترکفعل و انفعالاتی که توسط تعداد زیادی از پروتئین های متنوع انجام می شود، که بسیاری از آنها مولکول های چند منظوره هستند که در کنترل بر اجرای اطلاعات ژنتیکیدر سلول های پرو و ​​یوکاریوتی در عین حال بدیهی است که طبیعت "کم نمی کند"بر روی عناصر کنترل، ایجاد سیستم های بسیار پیچیدهتصحیح آن DNA به آن آسیب می رساند خطرناک هستندبرای بدن و به ویژه برای فرزندان آن. از سوی دیگر، در مواردی که قابلیت های ترمیم برای حفظ وضعیت ژنتیکی ارگانیسم کافی نباشد، نیاز به مرگ برنامه ریزی شده سلولی ایجاد می شود -آپوپتوز.

طرح تعمیر حذف نوکلئوتید E. COLIبا مشارکت EXINUCLEASE

1. رونویسی مکانیزم مستقل

2. مکانیسم وابسته به رونویسی

3. مرحله کلی تعمیر

افسانه

الف - پروتئینuvr آ

ب - پروتئینuvr که در

ج - پروتئینuvr با

مثلث سیاه کوچک - علامت محل آسیب را نشان می دهد

طرح تعمیر مرتبط با متیلاسیون DNA

غرامت

به توانایی یک مولکول DNA در "تصحیح" تغییرات رخ داده در زنجیره آن می گویند. حداقل 20 پروتئین در بازسازی ساختار اصلی نقش دارند: شناسایی بخش های تغییر یافته DNA و حذف آنها از زنجیره، بازیابی توالی صحیح نوکلئوتیدها و بخیه زدن قطعه ترمیم شده با بقیه مولکول DNA.

ویژگی های فهرست شده ساختار شیمیایی و خواص DNA عملکردهایی را که انجام می دهد تعیین می کند. DNA اطلاعات ژنتیکی را ثبت، ذخیره، بازتولید می کند و در فرآیندهای اجرای آن بین نسل های جدید سلول ها و موجودات مشارکت می کند.

اسیدهای ریبونوکلئیک - RNA -

توسط مولکول هایی با اندازه ها، ساختارها و عملکردهای مختلف نشان داده می شوند. تمام مولکول‌های RNA کپی‌هایی از بخش‌های خاصی از مولکول DNA هستند و علاوه بر تفاوت‌هایی که قبلاً ذکر شد، کوتاه‌تر از آن هستند و از یک زنجیره تشکیل شده‌اند. بین بخشهای جداگانه یک زنجیره RNA که مکمل یکدیگر هستند، جفت شدن بازها (A با Y، G با C) و تشکیل بخشهای مارپیچ امکان پذیر است. در نتیجه، مولکول ها ترکیب خاصی را به دست می آورند.

ماتریکس، یا اطلاعات، RNA (mRNA، mRNA) در هسته تحت کنترل آنزیم RNA پلیمراز، مکمل توالی های اطلاعاتی DNA، سنتز می شود، این اطلاعات را به ریبوزوم ها منتقل می کند، جایی که به ماتریکسی برای سنتز یک مولکول پروتئین تبدیل می شود. بسته به مقدار اطلاعات کپی شده، مولکول mRNA می تواند طول های متفاوتی داشته باشد و حدود 5 درصد از کل RNA سلولی را تشکیل می دهد.

RNA ریبوپروتئین (rRNA) عمدتاً در هسته، در ناحیه ژن‌های rRNA سنتز می‌شود و توسط انواع مختلفی نشان داده می‌شود. وزن مولکولیمولکول هایی که زیر واحدهای بزرگ و کوچک ریبوزوم ها را تشکیل می دهند. rRNA 85 درصد از کل RNA یک سلول را تشکیل می دهد.

RNA انتقالی (tRNA) حدود 10 درصد از RNA سلولی را تشکیل می دهد. بیش از 40 نوع tRNA وجود دارد. هنگام پیاده سازی اطلاعات ژنتیکی، هر tRNA یک اسید آمینه خاص را متصل می کند و آن را به محل مونتاژ پلی پنتید منتقل می کند. در یوکاریوت ها، tRNA ها از 70-90 نوکلئوتید تشکیل شده اند.

ساختار سلول

انواع سازماندهی سلولی

در میان همه تنوع موجودات موجود در زمین، دو گروه متمایز می شوند: ویروس ها و فاژها که ساختار سلولی ندارند. همه موجودات دیگر با اشکال مختلف حیات سلولی نشان داده می شوند. دو نوع سازماندهی سلولی وجود دارد: پروکاریوتی

و یوکاریوتی (

شکل 1 را ببینید ).

سلول های پروکاریوتی ساختار نسبتاً ساده ای دارند. آنها هسته جدا از هم ندارند. اندامک های غشایی وجود ندارند (عملکرد آنها با هجوم های مختلف غشای پلاسما انجام می شود). سیتوپلاسم حاوی ریبوزوم های کوچک متعددی است. هیچ میکروتوبولی وجود ندارد، بنابراین سیتوپلاسم بی حرکت است و مژک ها و تاژک ها ساختار خاصی دارند. باکتری ها به عنوان پروکاریوت ها طبقه بندی می شوند.

اکثر موجودات زنده مدرن متعلق به یکی از سه پادشاهی - گیاهان، قارچ ها یا حیوانات هستند که در ابر پادشاهی یوکاریوت ها متحد شده اند.

بسته به مقداری که موجودات زنده تشکیل شده اند، این موجودات به تک سلولی و چند سلولی تقسیم می شوند. موجودات تک سلولی از یک سلول منفرد تشکیل شده اند که همه وظایف را انجام می دهد. بسیاری از این سلول ها بسیار پیچیده تر از سلول های موجودات چند سلولی هستند. همه پروکاریوت ها تک سلولی هستند، همچنین تک یاخته ها، برخی از جلبک های سبز و قارچ ها.

برنج. 3.14. طرح فرآیند اصلاح در طول سنتز DNA:

I-inclusion در زنجیره DNA یک نوکلئوتید با شکل تغییر یافته (تومریک) سیتوئین، که "غیرقانونی" با آدنین جفت می شود. II - انتقال سریع سیتوزین به شکل طبیعی آن جفت شدن آن با آدنین را مختل می کند. انتهای جفت نشده 3"-OH زنجیره سنتز شده از طویل شدن بیشتر آن تحت اثر DNA پلیمراز جلوگیری می کند؛ III - DNA پلیمراز نوکلئوتید غیرقانونی را حذف می کند، در نتیجه انتهای 3"-OH جفت شده با ماتریکس دوباره ظاهر می شود. IV - DNA پلیمراز به گسترش زنجیره در انتهای 3"-OH ادامه می دهد

بازیابی ساختار اصلی DNA مستلزم مشارکت تعدادی آنزیم است. نکته مهم در راه اندازی مکانیسم ترمیم، تشخیص خطا در ساختار DNA است. اغلب چنین خطاهایی در زنجیره جدید سنتز شده در طول فرآیند تکرار رخ می دهد. آنزیم های ترمیم کننده باید این زنجیره خاص را شناسایی کنند. در بسیاری از گونه‌های موجودات زنده، رشته DNA تازه سنتز شده از نظر میزان متیلاسیون پایه‌های نیتروژنی آن که از سنتز عقب است، با رشته مادری متفاوت است. در این حالت، زنجیره غیر متیله تحت تعمیر قرار می گیرد. شکستگی رشته DNA را می توان با آنزیم های ترمیم کننده نیز تشخیص داد. در ارگانیسم‌های بالاتر، که سنتز DNA به طور مداوم اتفاق نمی‌افتد، اما در رپلیکون‌های جداگانه، رشته DNA تازه سنتز شده دارای گسستگی است که تشخیص آن را ممکن می‌سازد.

بازیابی ساختار DNA هنگامی که پایه های پورین یکی از زنجیره های آن از بین می رود شامل تشخیص نقص با استفاده از آنزیم اندونوکلئاز است که پیوند فسفوستر را در محل آسیب به زنجیره می شکند. سپس قسمت تغییر یافته با چندین نوکلئوتید مجاور توسط آنزیم اگزونوکلئاز حذف می شود و در جای آن مطابق با ترتیب پایه های زنجیره مکمل، توالی نوکلئوتیدی صحیح تشکیل می شود (شکل 3.15).

برنج. 3.15. طرح برش، ترمیم DNA پیش از همانندسازی

هنگامی که یکی از بازها در زنجیره DNA تغییر می کند، حدود 20 آنزیم DNA گلیکوزیلاز در بازیابی ساختار اصلی شرکت می کنند، آنها به طور خاص آسیب ناشی از دآمیناسیون، آلکیلاسیون و سایر دگرگونی های ساختاری بازها را تشخیص می دهند. چنین پایه های اصلاح شده حذف می شوند. مناطق فاقد پایه ظاهر می شوند و مانند از دست دادن پورین ها ترمیم می شوند. اگر ساختار نرمال ترمیم نشود، به عنوان مثال در مورد دآمیناسیون بازهای نیتروژنی، برخی از جفت بازهای مکمل با برخی دیگر جایگزین می شوند - جفت C-G را می توان با یک جفت T-A و غیره جایگزین کرد. (به بخش 3.4.2.3 مراجعه کنید).

تشکیل دایمرهای تیمین (T-T) در زنجیره‌های پلی نوکلئوتیدی تحت تأثیر اشعه ماوراء بنفش مستلزم مشارکت آنزیم‌هایی است که نه بازهای تغییر یافته منفرد، بلکه آسیب گسترده‌تر به ساختار DNA را تشخیص می‌دهند. فرآیند ترمیم در این مورد همچنین با حذف ناحیه حامل دایمر و بازیابی توالی نوکلئوتیدی طبیعی با سنتز روی رشته DNA مکمل همراه است.

در صورتی که سیستم ترمیم اکسیزیون تغییری را که در یک رشته DNA ایجاد شده است اصلاح نکند، در حین تکثیر این تغییر ثابت شده و به هر دو رشته DNA تبدیل می شود. این منجر به جایگزینی یک جفت نوکلئوتید مکمل با دیگری می شود یا به ظاهر شکاف ها (شکاف) در زنجیره جدید سنتز شده در برابر بخش های تغییر یافته منجر می شود. بازیابی ساختار طبیعی DNA نیز می تواند پس از همانندسازی رخ دهد.

ترمیم پس از تکثیر با نوترکیبی (تبادل قطعات) بین دو مارپیچ دوگانه DNA تازه تشکیل شده انجام می شود. نمونه‌ای از چنین تعمیرات پس از همانندسازی، بازیابی ساختار طبیعی DNA زمانی است که دایمرهای تیمین (T-T) به وجود می‌آیند، زمانی که آنها به طور خود به خود تحت تأثیر نور مرئی (ترمیم نور) یا در طول ترمیم برش پیش از همانندسازی حذف نمی‌شوند.

پیوندهای کووالانسی که بین بقایای تیمین مجاور ایجاد می شود باعث می شود آنها نتوانند به نوکلئوتیدهای مکمل متصل شوند. در نتیجه، شکاف ها در زنجیره DNA تازه سنتز شده ظاهر می شوند که توسط آنزیم های ترمیم کننده شناسایی می شوند. بازیابی یکپارچگی زنجیره پلی نوکلئوتیدی جدید یکی از DNA دختر به دلیل نوترکیبی با زنجیره والد طبیعی مربوطه DNA دختر دیگر انجام می شود. شکاف تشکیل شده در زنجیره مادر سپس با سنتز روی یک زنجیره پلی نوکلئوتیدی مکمل آن پر می شود (شکل 3.16). تجلی چنین ترمیم پس از همانندسازی، که با نوترکیبی بین زنجیره‌های دو مولکول DNA دختر انجام می‌شود، می‌تواند تبادل مواد اغلب مشاهده شده بین کروماتیدهای خواهر در نظر گرفته شود (شکل 3.17).

برنج. 3.16. طرح ترمیم DNA پس از همانندسازی:

I - ظاهر یک دایمر تیمین در یکی از زنجیره های DNA.

II - تشکیل "شکاف" در زنجیره جدید سنتز شده در برابر بخش تغییر یافته مولکول مادر پس از تکرار (فلش پر شدن بعدی "شکاف" را با بخشی از زنجیره مربوطه مولکول DNA دختر دوم نشان می دهد).

III - بازیابی یکپارچگی زنجیره دختر مولکول فوقانی به دلیل نوترکیب و در مولکول پایین به دلیل سنتز روی زنجیره مکمل.

برنج. 3.17. تبادلات بین کروماتید (با فلش نشان داده شده است)

در طول ترمیم قبل و بعد از همانندسازی، بیشتر آسیب به ساختار DNA ترمیم می شود. اما اگر آسیب زیادی در ماده ارثی سلول ایجاد شود و مقداری از آن از بین نرود، سیستم آنزیم های ترمیم القایی (تحریکی) (سیستم SOS) فعال می شود. این آنزیم ها شکاف ها را پر می کنند و یکپارچگی زنجیره های پلی نوکلئوتیدی سنتز شده را بدون رعایت دقیق اصل مکمل بودن باز می گرداند. به همین دلیل است که گاهی اوقات خود فرآیندهای ترمیم می توانند به عنوان منبع تغییرات دائمی در ساختار DNA (جهش) عمل کنند. این واکنش در مورد سیستم SOS نیز صدق می کند.

جفت های دیگر این تغییرات در واقع با هر چرخه همانندسازی DNA همراه است، اما فراوانی آنها بسیار کمتر از آن چیزی است که باید باشد. این با این واقعیت توضیح داده می شود که اکثر تغییرات از این نوع به دلیل عمل مکانیسم ترمیم (بازیابی مولکولی) توالی نوکلئوتیدی DNA اصلی حذف می شوند.

مکانیسم ترمیم بر اساس حضور دو زنجیره مکمل در مولکول DNA است. تحریف توالی نوکلئوتیدی در یکی از آنها توسط آنزیم های خاص تشخیص داده می شود. سپس بخش مربوطه برداشته شده و با بخش جدیدی که روی دومین رشته DNA مکمل سنتز شده جایگزین می شود. به این نوع تعمیر، ترمیم اکسیزیون می گویند. با "برش" (شکل 3.15). قبل از چرخه تکرار بعدی انجام می شود، به همین دلیل به آن نیز می گویند

پیش تکراری

برنج. 3.14. طرح فرآیند اصلاح در طول سنتز DNA: I - گنجاندن در زنجیره DNA یک نوکلئوتید با شکل تغییر یافته (تومریک) سیتوئین که "به طور غیرقانونی" با آدنین جفت می شود. II - انتقال سریع

سیتوزین به شکل طبیعی خود جفت شدن آن با آدنین را مختل می کند. انتهای جفت نشده 3"-OH زنجیره سنتز شده از طویل شدن بیشتر آن تحت اثر DNA پلیمراز جلوگیری می کند؛ III - DNA پلیمراز نوکلئوتید غیرقانونی را حذف می کند، در نتیجه انتهای 3"-OH جفت شده با ماتریکس دوباره ظاهر می شود. IV - DNA پلیمراز به گسترش زنجیره در انتهای 3"-OH ادامه می دهد

بازیابی ساختار اصلی DNA مستلزم مشارکت تعدادی آنزیم است. نکته مهم در راه اندازی مکانیسم ترمیم، تشخیص خطا در ساختار DNA است. اغلب چنین خطاهایی در زنجیره جدید سنتز شده در طول فرآیند تکرار رخ می دهد. آنزیم های ترمیم کننده باید این زنجیره خاص را شناسایی کنند. در بسیاری از گونه‌های موجودات زنده، رشته DNA تازه سنتز شده از نظر میزان متیلاسیون پایه‌های نیتروژنی آن که از سنتز عقب است، با رشته مادری متفاوت است. در این حالت، زنجیره غیر متیله تحت تعمیر قرار می گیرد. شکستگی رشته DNA را می توان با آنزیم های ترمیم کننده نیز تشخیص داد. در ارگانیسم‌های بالاتر، که سنتز DNA به طور مداوم اتفاق نمی‌افتد، اما در رپلیکون‌های جداگانه، رشته DNA تازه سنتز شده دارای گسستگی است که تشخیص آن را ممکن می‌سازد.

بازیابی ساختار DNA هنگامی که پایه های پورین یکی از زنجیره های آن از بین می رود شامل تشخیص نقص با استفاده از آنزیم اندونوکلئاز است که پیوند فسفوستر را در محل آسیب به زنجیره می شکند. سپس قسمت تغییر یافته با چندین نوکلئوتید مجاور توسط آنزیم اگزونوکلئاز حذف می شود و در جای آن مطابق با ترتیب پایه های زنجیره مکمل، توالی نوکلئوتیدی صحیح تشکیل می شود (شکل 3.15).

برنج. 3.15. طرح برش، ترمیم DNA پیش از همانندسازی زمانی که یکی از بازهای زنجیره DNA در بازیابی اولیه تغییر کند.

در ساختارها، حدود 20 آنزیم DNA گلیکوزیلاز شرکت می کنند. چنین پایه های اصلاح شده حذف می شوند. مناطق فاقد پایه ظاهر می شوند و مانند از دست دادن پورین ها ترمیم می شوند. اگر ساختار نرمال ترمیم نشود، به عنوان مثال در مورد دآمیناسیون بازهای نیتروژنی، برخی از جفت بازهای مکمل با برخی دیگر جایگزین می شوند - جفت C-G را می توان با یک جفت T-A و غیره جایگزین کرد. (به بخش 3.4.2.3 مراجعه کنید).

تشکیل دایمرهای تیمین (T-T) در زنجیره‌های پلی نوکلئوتیدی تحت تأثیر اشعه ماوراء بنفش مستلزم مشارکت آنزیم‌هایی است که نه بازهای تغییر یافته منفرد، بلکه آسیب گسترده‌تر به ساختار DNA را تشخیص می‌دهند. فرآیند ترمیم در این مورد همچنین با حذف ناحیه حامل دایمر و بازیابی توالی نوکلئوتیدی طبیعی با سنتز روی رشته DNA مکمل همراه است.

در مواردی که سیستم ترمیم اکسیزیون تغییری را که در یک رشته DNA رخ داده است تصحیح نکند، تثبیت در طول همانندسازی اتفاق می‌افتد.

این تغییر و تبدیل به خاصیت هر دو رشته DNA می شود. این منجر به جایگزینی یک جفت نوکلئوتید مکمل با دیگری می شود یا به ظاهر شکاف ها (شکاف) در زنجیره جدید سنتز شده در برابر بخش های تغییر یافته منجر می شود. بازیابی ساختار طبیعی DNA نیز می تواند پس از همانندسازی رخ دهد.

تعمیر پس از تکثیربا نوترکیبی (تبادل قطعات) بین دو مارپیچ دوتایی تازه تشکیل شده از DNA انجام می شود. یک نمونه از چنین تعمیرات پس از تکرار، بازسازی ساختار طبیعی DNA است، زمانی که دایمرهای تیمین (T-T) زمانی که خود به خود تحت تأثیر نور مرئی حذف نمی شوند، به وجود می آیند. ترمیم سبک) یا در حین ترمیم اکسیزیون قبل از تکرار.

پیوندهای کووالانسی که بین بقایای تیمین مجاور ایجاد می شود باعث می شود آنها نتوانند به نوکلئوتیدهای مکمل متصل شوند. در نتیجه، شکاف ها در زنجیره DNA تازه سنتز شده ظاهر می شوند که توسط آنزیم های ترمیم کننده شناسایی می شوند. بازیابی یکپارچگی زنجیره پلی نوکلئوتیدی جدید یکی از DNA دختر به دلیل نوترکیبی با زنجیره والد طبیعی مربوطه DNA دختر دیگر انجام می شود. شکاف تشکیل شده در زنجیره مادر سپس با سنتز روی یک زنجیره پلی نوکلئوتیدی مکمل آن پر می شود (شکل 3.16). تجلی چنین ترمیم پس از همانندسازی، که با نوترکیبی بین زنجیره‌های دو مولکول DNA دختر انجام می‌شود، می‌تواند تبادل مواد اغلب مشاهده شده بین کروماتیدهای خواهر در نظر گرفته شود (شکل 3.17).

برنج. 3.16. طرح ترمیم DNA پس از همانندسازی: I - ظاهر یک دایمر تیمین در یکی از زنجیره های DNA.

II - تشکیل "شکاف" در زنجیره جدید سنتز شده در برابر بخش تغییر یافته مولکول مادر پس از تکرار (فلش پر شدن بعدی "شکاف" را با بخشی از زنجیره مربوطه مولکول DNA دختر دوم نشان می دهد).

III - بازیابی یکپارچگی زنجیره دختر مولکول فوقانی به دلیل نوترکیب و در مولکول پایین به دلیل سنتز روی زنجیره مکمل.

برنج. 3.17. تبادلات بین کروماتید (با فلش نشان داده شده است)

در طول ترمیم قبل و بعد از همانندسازی، بیشتر آسیب به ساختار DNA ترمیم می شود. اما اگر آسیب زیادی در ماده ارثی سلول ایجاد شود و مقداری از آن از بین نرود، سیستم آنزیم های ترمیم القایی (تحریکی) (سیستم SOS) فعال می شود. این آنزیم ها شکاف ها را پر می کنند و یکپارچگی زنجیره های پلی نوکلئوتیدی سنتز شده را بدون رعایت دقیق اصل مکمل بودن باز می گرداند. به همین دلیل است که گاهی اوقات خود فرآیندهای ترمیم می توانند به عنوان منبع تغییرات دائمی در ساختار DNA (جهش) عمل کنند. این واکنش در مورد سیستم SOS نیز صدق می کند.

اگر در یک سلول، با وجود تعمیر انجام شده، میزان آسیب به ساختار DNA زیاد باقی بماند، فرآیندهای همانندسازی DNA در آن مسدود می شود. چنین سلولی تقسیم نمی شود، به این معنی که تغییرات حاصل را به فرزندان خود منتقل نمی کند.

توقف چرخه سلولی ناشی از آسیب DNA، همراه با عدم امکان ترمیم مولکولی مواد ارثی تغییر یافته، می تواند با مشارکت پروتئینی که سنتز آن توسط ژن p53 کنترل می شود، منجر به فعال شدن فرآیند خود تخریبی شود (آپوپتوز). ) سلول معیوب به منظور دفع آن از بدن.

بنابراین، مجموعه گسترده ای از آنزیم های مختلف ترمیم کننده به طور مداوم DNA را "بازرسی" می کنند، نواحی آسیب دیده را از آن جدا می کنند و به حفظ پایداری مواد ارثی کمک می کنند. عملکرد ترکیبی آنزیم‌های همانندسازی (DNA پلیمراز و اندونوکلئاز ویرایش‌کننده) و آنزیم‌های ترمیم‌کننده فرکانس نسبتاً پایینی از خطاها در مولکول‌های DNA را تضمین می‌کند که در سطح 1 × 10-9 جفت نوکلئوتید تغییر یافته در هر ژنوم حفظ می‌شود. با توجه به اندازه ژنوم انسان 3 × 109 جفت نوکلئوتیدی، این به معنای حدود 3 خطا در هر ژنوم در حال تکرار است. در عین حال، حتی این سطح برای شکل گیری تنوع ژنتیکی قابل توجهی در قالب جهش های ژنی در طول وجود حیات بر روی زمین کافی است.

3.4.2.3. تغییرات در توالی نوکلئوتیدی DNA جهش های ژنی

تغییرات اصلاح نشده در ساختار شیمیایی ژن ها که در چرخه های تکراری متوالی تکثیر می شوند و در فرزندان به شکل گونه های جدیدی از صفات ظاهر می شوند، نامیده می شوند. جهش های ژنی

تغییرات در ساختار DNA که یک ژن را تشکیل می دهد را می توان به سه گروه تقسیم کرد. جهش های گروه اول شامل جایگزینی برخی از پایه ها با برخی دیگر است. آنها حدود 20 درصد از تغییرات ژنی خود به خود را تشکیل می دهند. گروه دوم جهش ها به دلیل تغییر در چارچوب خواندن ایجاد می شود که زمانی رخ می دهد که تعداد جفت های نوکلئوتیدی در ژن تغییر کند. در نهایت، گروه سوم با جهش های مرتبط با تغییر در ترتیب توالی های نوکلئوتیدی در یک ژن (وارونگی) نشان داده می شود.

جهش بر اساس نوع جایگزینی بازهای نیتروژنی. این جهش ها به دلایل خاصی رخ می دهند. یکی از آنها ممکن است تغییر در ساختار یک باز موجود در مارپیچ DNA باشد که به طور تصادفی یا تحت تأثیر عوامل شیمیایی خاص رخ می دهد. اگر چنین شکل تغییر یافته ای از پایه توسط آنزیم های ترمیم شناسایی نشده باقی بماند، در چرخه تکثیر بعدی می تواند نوکلئوتید دیگری را به خود متصل کند. به عنوان مثال، دآمیناسیون سیتوزین است که به طور خود به خود یا تحت تأثیر اسید نیتروژن به اوراسیل تبدیل می شود (شکل 3.18). اوراسیل به دست آمده توسط آنزیم مورد توجه قرار نمی گیردDNA گلیکوزیلاز،در طول تکثیر، به آدنین متصل می شود که متعاقباً یک نوکلئوتید تیمیدیل را متصل می کند. در نتیجه یک زن و شوهر C-G در DNA با یک جفت جایگزین می شود T-A (شکل 3.19، I ). دآمیناسیون سیتوزین متیله آن را به تیمین تبدیل می کند (شکل 3.18 را ببینید). تیمیدیل نوکلئوتید، که جزء طبیعی DNA است، به عنوان یک تغییر توسط آنزیم های ترمیم کننده تشخیص داده نمی شود و یک نوکلئوتید آدنیل را در طول تکرار بعدی به آن متصل می کند. در نتیجه به جای یک جفت C-G یک جفت نیز در مولکول DNA ظاهر می شود T-A (شکل 3.19، II).

برنج. 3.18. دآمیناسیون خود به خودی سیتوزین

یکی دیگر از دلایل جایگزینی باز ممکن است گنجاندن اشتباه در زنجیره DNA سنتز شده یک نوکلئوتید باشد که حامل یک شکل شیمیایی تغییر یافته از باز یا آنالوگ آن است. اگر این خطا توسط آنزیم های همانندسازی و ترمیم شناسایی نشود، پایه تغییر یافته در فرآیند همانندسازی گنجانده می شود که اغلب منجر به جایگزینی یک جفت با جفت دیگر می شود. یک مثال از این، افزودن یک نوکلئوتید با 5-بروموراسیل (5-BU)، شبیه به تیمیدیل نوکلئوتید، به آدنین زنجیره مادر در طول همانندسازی است. در طول تکثیر بعدی، 5-BU راحت تر به جای آدنین گوانین را می چسباند. گوانین در طی تکثیر بیشتر، یک جفت مکمل با سیتوزین تشکیل می دهد. در نهایت جفت A-Tدر مولکول DNA با یک جفت G-C جایگزین می شود (شکل 3.20).

برنج. 3. 19. جهش بر اساس نوع جایگزینی باز (دآمیناسیون بازهای نیتروژنی در زنجیره DNA):

I - تبدیل سیتوزین به اوراسیل، جایگزینی جفت C-G با یک جفت T-A.

II - تبدیل متیل سیتوزین به تیمین، جایگزینی جفت C-G با یک جفت T-A.

از مثال‌های بالا واضح است که تغییرات در ساختار مولکول DNA، مانند جایگزینی باز، قبل یا در طول فرآیند همانندسازی، ابتدا در یک زنجیره پلی‌نوکلئوتیدی رخ می‌دهد. اگر چنین تغییراتی در حین ترمیم اصلاح نشوند، در طی تکثیر بعدی به خاصیت هر دو رشته DNA تبدیل می شوند.

برنج. 3.20. جهش های جایگزینی پایه

(ادغام یک آنالوگ پایه نیتروژنی در طول همانندسازی DNA)

نتیجه جایگزینی یک جفت نوکلئوتید مکمل با دیگری، تشکیل یک سه گانه جدید در توالی نوکلئوتیدی DNA است که توالی اسیدهای آمینه در زنجیره پپتیدی را کد می کند. این ممکن است بر ساختار پپتید تأثیری نگذارد اگر سه گانه جدید «مترادف» با قبلی باشد، یعنی. همان اسید آمینه را کد می کند. به عنوان مثال، اسید آمینه والین توسط چهار سه قلو رمزگذاری شده است: CAA، CAG، CAT، CAC. جایگزینی پایه سوم در هیچ یک از این سه قلوها تغییری در معنای آن (انحطاط کد ژنتیکی) نخواهد داشت.

که در در صورتی که سه گانه تازه پدید آمده آمینو اسید دیگری را رمزگذاری کند، ساختار زنجیره پپتیدی و خواص پروتئین مربوطه تغییر می کند. بسته به ماهیت و محل جایگزینی، خواص ویژه پروتئین به درجات مختلفی تغییر می کند. موارد شناخته شده ای وجود دارد که جایگزینی تنها یک اسید آمینه در یک پپتید به طور قابل توجهی بر خواص پروتئین تأثیر می گذارد، که خود را در تغییر بیشتر نشان می دهد. علائم پیچیده. یک مثال تغییر در خواص هموگلوبین انسانی است کهکم خونی سلول داسی شکل (شکل 3.21). در چنین هموگلوبین (HbS) (بر خلاف HbA طبیعی) - در زنجیره های p-گلوبین در موقعیت ششم، اسید گلوتامیک با والین جایگزین می شود. این نتیجه جایگزینی یکی از بازها در سه گانه است که اسید گلوتامیک (CTT یا TTC) را کد می کند. نتیجه یک سه گانه است که والین (CAT یا TsAT) را رمزگذاری می کند. در این حالت، جایگزینی یک اسید آمینه در پپتید به طور قابل توجهی خواص گلوبین را که بخشی از هموگلوبین است تغییر می دهد (توانایی اتصال آن به O2 کاهش می یابد) و فرد دچار علائم کم خونی سلول داسی می شود.

که در در برخی موارد، جایگزینی یک پایه با پایه دیگر می تواند منجر به ظاهر شدن یکی از آنها شودسه قلوهای مزخرف (ATT، ATC، ACT)، که هیچ اسید آمینه ای را رمزگذاری نمی کنند. پیامد چنین جایگزینی قطع شدن سنتز زنجیره پپتیدی خواهد بود. تخمین زده می شود که جایگزینی نوکلئوتید در یک سه قلو منجر به تشکیل سه قلوهای مترادف در 25٪ موارد می شود. در 2-3 - سه قلوهای بی معنی، در 70-75٪ - وقوع جهش ژنی واقعی.

بنابراین، جهش‌های جایگزینی باز می‌توانند در نتیجه تغییرات خود به خود در ساختار پایه در یکی از رشته‌های یک مارپیچ دوگانه DNA موجود یا در حین تکثیر در یک رشته تازه سنتز شده ایجاد شوند. اگر این تغییرات در طول فرآیند تعمیر اصلاح نشوند (یا برعکس، در طول تعمیر ایجاد شوند)، در هر دو زنجیره ثابت می‌شوند و سپس در چرخه‌های تکرار بعدی دوباره تولید می‌شوند. بنابراین، یکی از منابع مهم چنین جهش هایی، اختلال در فرآیندهای همانند سازی و ترمیم است.

جهش های تغییر قاب این نوع جهش بخش قابل توجهی از جهش های خودبخودی را تشکیل می دهد. آنها در نتیجه از دست دادن یا قرار دادن یک یا چند جفت نوکلئوتید مکمل در توالی نوکلئوتیدی DNA رخ می دهند. اکثر جهش های مورد مطالعه که باعث می شوند