Ahhoz, hogy egy sejt vagy szervezet főbb jellemzőit élete során, valamint több generáción keresztül megőrizze, az örökítőanyagnak ellenállónak kell lennie a külső hatásokkal szemben, vagy léteznie kell a benne fellépő változásokat korrigáló mechanizmusoknak. Az élő természetben mindkét tényezőt alkalmazzák. A harmadik tényező az anyai DNS nukleotidszekvenciáinak replikációja során történő másolásának pontossága.

Rizs. 3. 13. A DNS-replikáció folyamatában részt vevő fehérjék

A DNS-helikáz kicsavarja a DNS kettős hélixet, elválasztva annak polinukleotid láncait; a destabilizáló fehérjék kiegyenesítik a DNS-lánc egy részét; A DNS topoizomeráz megszakítja a foszfodiészter kötést a DNS egyik polikarbonát láncában, enyhítve a spirál letekeredése és a láncok szétválása okozta feszültséget a replikációs villában; Az RNS-primáz RNS primereket szintetizál a leányszálhoz és minden Okazaki-fragmenshez; A DNS-polimeráz a vezető szál folyamatos szintézisét és a lemaradó szál Okazaki-fragmenseinek szintézisét végzi; A DNS-ligáz az RNS primer eltávolítása után összefűzi az Okazaki-fragmenseket

Reaktivitás szempontjából a DNS-molekulák a kémiailag inert anyagok kategóriájába tartoznak. Ismeretes, hogy nem csak a DNS, hanem az RNS is (egyes vírusok) is betöltheti az öröklődési anyag szerepét. Úgy gondolják, hogy a DNS melletti választás az RNS-hez képest alacsonyabb reakcióképességének köszönhető.

A fent tárgyalt replikációs mechanizmust rendkívül nagy pontosság jellemzi a DNS-struktúra reprodukálásában. Ha a DNS-t megkétszerezzük, a hibák átlagosan 1·10-6 komplementer bázispárral fordulnak elő.

A nagy replikációs pontosság fenntartásában elsősorban a DNS-polimeráz enzimnek van fontos szerepe. Ez az enzim kiválasztja a szükséges nukleotidokat a nukleozid-trifoszfátok (ATP, TTP, GTP, CTP) közül a nukleáris nedvben, pontosan hozzákapcsolja azokat a templát DNS-szálhoz, és beépíti a növekvő leányszálba (lásd 3.10. ábra). A hibás nukleotidok felvételének gyakorisága ebben a szakaszban 1·10 -5 bázispár.

A DNS-polimeráz működésében fellépő ilyen hibák a nitrogénbázisok megváltozott formáinak megjelenésével járnak, amelyek „illegális” párokat alkotnak az anyalánc bázisaival. Például a citozin megváltozott formája a guanin helyett hidrogénkötést köt az adeninhez. Ennek eredményeként egy hibás nukleotid kerül a növekvő DNS-láncba. Egy ilyen bázis módosult formájának gyors átalakulása a megszokotthoz megzavarja a mátrixhoz való kötődését, és megjelenik a növekvő DNS-lánc páratlan 3"-OH vége. Ebben a helyzetben a önkorrekciós mechanizmus DNS-polimeráz (vagy egy vele közeli rokon enzim - szerkesztő endonukleáz) hajtja végre. Az önkorrekció egy olyan nukleotid hasításából áll, amely tévesen szerepel a DNS-láncban, és nincs párosítva a templáttal (3.14. ábra). Az önkorrekció következménye a hibaarány 10-szeres csökkenése (10 -5-ről 10 -6-ra).

Az önkorrekció hatékonysága ellenére a DNS-duplikációt követő replikáció során hibák észlelhetők. Ez különösen akkor figyelhető meg, ha a környező szubsztrátban négy nukleozid-trifoszfát koncentrációja megzavarodik. A változások jelentős része a DNS-molekulákban is a purinbázisok - adenin és guanin elvesztésével (apurinizáció) -, vagy a citozin dezaminációjával járó, spontán lezajló folyamatok eredményeként jelentkezik, ami uracillá alakul át. A legutóbbi változások gyakorisága eléri a 100-at 1 genomonként/nap.

A DNS-ben lévő bázisok megváltoztathatók reaktív vegyületekkel, amelyek megzavarják normális párosításukat, valamint ultraibolya sugárzással, amely kovalens kötés kialakulását idézheti elő a DNS két szomszédos timincsoportja között (timin dimerek). Ezek a változások a következő replikációs ciklusban vagy a bázispárok elvesztéséhez vezetnek a leány-DNS-ben, vagy egyes párok kicserélődését másokkal. Ezek a változások valóban végigkísérik a DNS-replikáció minden ciklusát, de gyakoriságuk sokkal alacsonyabb, mint kellene. Ez azzal magyarázható, hogy a legtöbb ilyen jellegű változás a mechanizmus hatására megszűnik jóvátétel(molekuláris helyreállítás) az eredeti DNS nukleotid szekvencia.

A javítási mechanizmus két komplementer lánc jelenlétén alapul a DNS-molekulában. Az egyikben a nukleotidszekvencia torzulását specifikus enzimek észlelik. Ezután a megfelelő szakaszt eltávolítjuk, és egy újjal helyettesítjük, amely a második komplementer DNS-szálon szintetizálódik. Ezt a fajta jóvátételt ún kivágás, azok. „vágással” (3.15. ábra). A következő replikációs ciklus előtt hajtják végre, ezért is hívják replikációs előtti.

Rizs. 3.14. A korrekciós folyamat vázlata a DNS szintézis során:

én-a citoein megváltozott (tautomer) formájával rendelkező nukleotid beépítése a DNS-láncba, amely „illegálisan” párosul az adeninnel; II- a citozin gyors átalakulása normál formájába megzavarja az adeninnel való párosítását; a szintetizált lánc páratlan 3"-OH vége megakadályozza annak további megnyúlását a DNS polimeráz hatására; III - A DNS-polimeráz eltávolítja az illegális nukleotidot, aminek eredményeként a templáttal párosult nukleotid újra megjelenik 3 "- OH-vég; IV- A DNS polimeráz továbbra is meghosszabbítja a láncot a 3"-OH végén

Az eredeti DNS-struktúra helyreállításához számos enzim részvétele szükséges. Egy fontos szempont a javítási mechanizmus beindításában a DNS-szerkezet hibájának észlelése. Gyakran előfordulnak ilyen hibák az újonnan szintetizált láncban a replikációs folyamat során. A javító enzimeknek ezt a bizonyos láncot kell kimutatniuk. Sok élőlényfajban az újonnan szintetizált DNS-szál nitrogénbázisainak metilációjának mértékében tér el az anyai DNS-száltól, ami elmarad a szintézistől. Ebben az esetben a metilálatlan lánc javításon megy keresztül. A DNS-száltöréseket a javító enzimek is felismerhetik. A magasabb rendű élőlényekben, ahol a DNS-szintézis nem folyamatosan, hanem különálló replikonokban megy végbe, az újonnan szintetizált DNS-szál megszakad, ami lehetővé teszi annak felismerését.

A DNS szerkezetének helyreállítása, amikor az egyik lánc purinbázisa elveszett, magában foglalja a hiba kimutatását az endonukleáz enzim segítségével, amely megszakítja a foszfoészter kötést a lánc károsodásának helyén. Ezután a megváltozott, több szomszédos nukleotiddal rendelkező szakaszt az exonukleáz enzim eltávolítja, és a helyére a komplementer lánc bázisainak sorrendjének megfelelően kialakítja a megfelelő nukleotidszekvenciát (3.15. ábra).

Rizs. 3.15. A kimetszés, a replikációs DNS-javítás sémája

Amikor a DNS-láncban az egyik bázis megváltozik, körülbelül 20 DNS-glikoziláz enzim vesz részt az eredeti szerkezet helyreállításában. Ezek specifikusan felismerik a bázisok dezaminációja, alkilezése és egyéb szerkezeti átalakulásai által okozott károsodásokat. Az ilyen módosított bázisokat eltávolítjuk. A bázisoktól mentes területek megjelennek és helyreállnak, akárcsak a purinok elvesztése esetén. Ha a normál szerkezet nem áll helyre, például nitrogéntartalmú bázisok dezaminációja esetén a komplementer bázisok egy párja másokkal helyettesíthető - a C-G pár helyettesíthető T-A párral stb. (lásd a 3.4.2.3. szakaszt).

A polinukleotid láncokban az UV sugarak hatására létrejövő timin-dimerek (T-T) kialakulásához olyan enzimek részvétele szükséges, amelyek nem az egyes megváltozott bázisokat, hanem a DNS-szerkezet kiterjedtebb károsodását ismerik fel. A javítási folyamat ebben az esetben a dimert hordozó régió eltávolításával és a komplementer DNS-szálon történő szintézissel a normál nukleotidszekvencia helyreállításával is összefügg.

Abban az esetben, ha a kimetszéssel javító rendszer nem korrigálja az egyik DNS-szálban bekövetkezett változást, a replikáció során ez a változás rögzül, és mindkét DNS-szál tulajdonává válik. Ez a komplementer nukleotidok egyik párjának egy másikkal való helyettesítéséhez, vagy az újonnan szintetizált láncban a megváltozott szakaszokkal szembeni szakadások (rések) megjelenéséhez vezet. A normál DNS-struktúra helyreállítása a replikáció után is megtörténhet.

Replikáció utáni javítás két újonnan képződött DNS kettős hélix közötti rekombinációval (fragmensek cseréjével) hajtják végre. Az ilyen posztreplikatív javításra példa a normál DNS-struktúra helyreállítása, amikor timin dimerek (T-T) keletkeznek, ha nem spontán eliminálódnak látható fény hatására. könnyű javítás) vagy a replikatív kimetszés előtti javítás során.

A szomszédos timincsoportok között létrejövő kovalens kötések nem képesek komplementer nukleotidokhoz kötődni. Ennek eredményeként az újonnan szintetizált DNS-láncban törések (rések) jelennek meg, amelyeket a javító enzimek felismernek. Az egyik leány-DNS új polinukleotid-láncának integritásának helyreállítása egy másik leány-DNS megfelelő normál szülőláncával való rekombináció következtében történik. Az anyaláncban kialakult rést ezután egy azzal komplementer polinukleotid láncon történő szintézis tölti ki (3.16. ábra). A két leány-DNS-molekula láncai közötti rekombinációval végrehajtott posztreplikatív javítás megnyilvánulása a testvérkromatidák közötti gyakran megfigyelt anyagcsere (3.17. ábra).

Rizs. 3.16. A posztreplikatív DNS-javítás sémája:

én- timin dimer megjelenése az egyik DNS-láncban;

II- „rés” kialakulása az újonnan szintetizált láncban az anyamolekula megváltozott szakaszával szemben a replikáció után (a nyíl mutatja a „rés” ezt követő kitöltését a második leány-DNS-molekula megfelelő láncából származó szakaszsal);

III- a felső molekula leányláncának integritásának helyreállítása a rekombináció, az alsó molekulában pedig a komplementer láncon történő szintézis következtében

Rizs. 3.17. Interchromatid cserék (nyilakkal jelölve)

A replikáció előtti és utáni helyreállítás során a DNS-szerkezet károsodásának nagy része helyreáll. Ha azonban túl sok károsodás következik be a sejt örökítőanyagában, és annak egy része nem eliminálódik, akkor aktiválódik az indukálható (stimulált) javító enzimek rendszere (SOS rendszer). Ezek az enzimek kitöltik a hézagokat, helyreállítva a szintetizált polinukleotid láncok integritását anélkül, hogy szigorúan betartanák a komplementaritás elvét. Ez az oka annak, hogy néha maguk a javítási folyamatok is a DNS szerkezetében végbemenő változások (mutációk) forrásai lehetnek. Ez a reakció az SOS rendszerre is vonatkozik.

Ha egy sejtben az elvégzett javítás ellenére a DNS-szerkezet károsodása magas marad, a DNS-replikációs folyamatok blokkolódnak. Az ilyen sejt nem osztódik, ami azt jelenti, hogy az ebből eredő változásokat nem adja át utódainak.

A DNS-károsodás által okozott sejtciklus-leállás a megváltozott örökítőanyag molekuláris helyreállításának lehetetlenségével kombinálva egy olyan fehérje részvételével, amelynek szintézisét a p53 gén szabályozza, az önpusztító folyamat (apoptózis) aktiválásához vezethet. ) a hibás sejt eltávolítása érdekében a szervezetből.

Így a különféle javító enzimek kiterjedt halmaza folyamatosan „ellenőrzi” a DNS-t, eltávolítja belőle a sérült területeket, és segít megőrizni az örökítőanyag stabilitását. A replikációs enzimek (DNS polimeráz és szerkesztő endonukleáz) és javító enzimek együttes hatása biztosítja a DNS-molekulák meglehetősen alacsony hibagyakoriságát, amelyet genomonként 1 × 10 -9 pár megváltozott nukleotid szinten tartanak. Mivel az emberi genom mérete 3 × 10 9 nukleotidpár, ez körülbelül 3 hibát jelent replikáló genomonként. Ugyanakkor már ez a szint is elegendő jelentős genetikai diverzitás kialakulásához génmutációk formájában a földi élet fennállása során.

DNS JAVÍTÁS

Javító rendszerek

2 Kimetszés javítás. Példák és típusok

3 DNS-replikációs hibák javítása

4 Rekombináns (posztreplikatív) javítás baktériumokban

5 SOS jóvátétel

A DNS-javító rendszerek meglehetősen konzervatívak a baktériumoktól az emberekig terjedő evolúció során, és leginkább E. coliban tanulmányozzák őket.

Kétféle jóvátétel ismert:közvetlen és kimetsző

Közvetlen jóvátétel

A közvetlen javítás a DNS-károsodás megszüntetésének legegyszerűbb módja, amely általában olyan specifikus enzimeket foglal magában, amelyek gyorsan (általában egy szakaszban) képesek kiküszöbölni a megfelelő károsodást, visszaállítva a nukleotidok eredeti szerkezetét.

1. Ez működik pl.O6-metilguanin DNS-metiltranszferáz

(öngyilkos enzim), amely egy metilcsoportot eltávolít egy nitrogéntartalmú bázisról a saját cisztein maradékára.

E. coliban ebből a fehérjéből akár 100 molekula is szintetizálható 1 perc alatt. A magasabb rendű eukariótákhoz hasonló működésű fehérje láthatóan fontos szerepet játszik a belső és külső alkilező tényezők által okozott rák elleni védelemben.

DNS inszertáz

2. DNS inszertázok

fotoliáz

3. A timin dimereket a közvetlen jóvátétel főszerepbenfotoliáz, végrehajtva a megfelelő fotokémiai átalakítást. A DNS fotoliázok 300-600 nm hullámhosszú (látható régió) fényaktivált enzimek csoportja, amelyek szerkezetében speciális fényérzékeny centrummal rendelkeznek.

A természetben széles körben elterjedtek, baktériumokban, élesztőgombákban, rovarokban, hüllőkben, kétéltűekben és az emberben is megtalálhatók. Ezekhez az enzimekhez sokféle kofaktorra (FADH, tetrahidrofolsav stb.) van szükség, amelyek részt vesznek az enzim fotokémiai aktiválásában. Az E. coli fotoliáz egy 35 kDa molekulatömegű fehérje, amely szorosan kapcsolódik a oligoribonukleotid 10-15 nukleotid hosszúságú szükséges az enzimaktivitáshoz.

Példák a közvetlen jóvátételre

1. Metilezett bázis O 6-mG a metiltranszferáz enzim dimetileziO6-metilguanin DNS-metiltranszferáz (öngyilkos enzim), amely egy metilcsoportot visz át az egyik maradékára

cisztein

2. Az AP helyek purinok közvetlen beillesztésével javíthatók az úgynevezett enzimek részvételévelDNS inszertázok(az angol betétből - betét).

A DNS KÖZVETLEN KÁRJAVÍTÁSÁNAK PÉLDÁJA – metilált bázis O6- mGdemetilálódik a metiltranszferáz enzim által, amely egy metilcsoportot visz át az egyik cisztein aminosavra.

3. A fotoliáz a timin dimerhez kötődik, és ennek a komplexnek a látható fénnyel (300-600 nm) történő besugárzása után a dimer feloldódik.

A DNS-SÉRÜLÉSEK KÖZVETLEN KIJAVÍTÁSÁRA VONATKOZÓ PÉLDÁBRA – Fotoliáz

a timin dimerhez kapcsolódik, és a látható fényspektrummal történő besugárzás után ez a dimer feloldódik

Kimetszés javítás

(az angol excision - vágásból).

MEGHATÁROZÁS

A kivágás javítás magában foglalja törlés károsodott nitrogénbázisok a DNS-ből és későbbi helyreállítás normál molekulaszerkezet.

GÉPEZET

A kivágás javítása általában több enzimet érint, és maga a folyamat is magában foglalja

nemcsak sérült ,

hanem a vele szomszédos nukleotidokat is .

KÖRÜLMÉNYEK

A kimetszés javításához egy második (komplementer) DNS-szálra van szükség. A kimetszés javításának általános, egyszerűsített diagramja látható az ábrán. 171.

LÉPÉSEK

A kivágás javításának első lépése az abnormális nitrogénbázisok eltávolítása. Ezt a csoport katalizáljaDNS-N- glikoziláz- enzimek, amelyek a dezoxiribóz és a nitrogénbázis közötti glikozidos kötést hasítják.

FONTOS JEGYZET:

UszemélyDNS-N- glikozilázokmagas szubsztrátspecifitásúak: ebbe a családba tartozó különböző enzimek felismerik és kivágják különféle rendellenes okok(8-oxoguanin, uracil, metilpurinok stb.).

UbaktériumokDNS-N- glikozilázoknem rendelkezik ilyen szubsztrátspecifitással

KÖZÖS KIVÉTELES JAVÍTÓ ENZIMEK

E MECHANIZMUS KÜLÖNLEGES KÖVETKEZMÉNYES LÉPÉSEI:

Az akció eredményeként DNS- N- glikozilázAP hely képződik, amelyet az enzim megtámad AP endonukleáz. Megtöri a DNS-molekula cukor-foszfát gerincét az AP helyen, és ezáltal megteremti a feltételeket a következő enzim működéséhez - exonukleázok, amely egymás után több nukleotidot hasít le egy DNS-szál sérült szakaszáról.

Baktériumsejtekben a felszabaduló teret a megfelelő nukleotidokkal kitöltik részvétellel DNS polimeráz I, amely a DNS második (komplementer) szála felé orientálódik.

Mivel a DNS-polimeráz I képes meghosszabbítani az egyik szál 3"-os végét a kettős szálú DNS szakadási helyén, és eltávolítani a nukleotidokat ugyanazon törés 5"-es végéből,

azok. Rájön "nick adás" , ez az enzim kulcsszerepet játszik a DNS-javításban. Megtörténik a javított területek utolsó varrása DNS ligáz.

Eukarióta (emlős) sejtekben

Az emlőssejtekben a DNS-kivágás javítását egy másik enzim aktivitásának éles megugrása kíséri -poli ADR-ribóz polimeráz . Ez történik A kromatin fehérjék ADP-ribozilációja(hisztonok és nem hiszton fehérjék), ami a DNS-sel való kapcsolatuk gyengüléséhez vezet, és megnyitja a hozzáférést a javító enzimekhez.

Donor ADP-ribózezekben a reakciókban lép felNAD+, melynek tartalékai a röntgensugárzás okozta károsodások kimetszéses helyreállítása során nagymértékben kimerülnek:

Negatív töltésű maradékok ADP-ribóz a molekula belső összetételétől NAD+ add via radikálisglutamin sav ill foszfoszerintkromatin fehérjékhez, ami semlegesítéshez vezet pozitív töltések ezek a fehérjék és gyengülnek a DNS-sel való kapcsolatuk.

MI AZ ENZIMCSOPORT

DNS glikozilázok

felbontja a glikozidos kötést a dezoxiribóz és a nitrogénbázis között

ami a kóros nitrogénbázisok kimetszését eredményezi

DNS glikozilázok részt vesz az oxidatív DNS-károsodás megszüntetésében a sejtekben prokarióták és eukarióták, nagyon változatosak, és különböznek szubsztrátspecifitásban, térszerkezetben és a DNS-sel való kölcsönhatás módszereiben.

A legtöbbet vizsgált DNS-glikozilázok a következők:

endonukleáz III(EndoIII),

amido-pirimidin DNS-glikozilázt képez (Fpg),

Mut TÉs

Mut Ycoli.

Endonukleáz IIIAz E. coli „felismeri” és specifikusan kiválasztja a DNS-t oxidált pirimidin bázisok.

Ez az enzim egy monomer globuláris fehérje, amely a 211 aminosav maradékok (móltömeg 23,4 kDa). Az Endo III-at kódoló gént szekvenálták és nukleotidszekvenciáját meghatározták. Az Endo III az vas kén fehérje [(4 Fe-4S )2+ fehérje] amelynek eleme szupraszekunder szerkezet"Görög kulcs" típusú (spirál - hajtű - spirál), DNS-hez való kötődésre szolgál. Hasonló szubsztrátspecifitású és hasonló aminosavszekvenciájú enzimeket is izoláltak szarvasmarha és emberi sejtek.

Amido-piridin DNS-glikozilázt képez Az E. coli „felismeri” és lehasítja a DNS-ből az oxidált heterociklusos vegyületeket purin bázisok .

A KIVÁGÁS JAVÍTÁSÁNAK vázlata 1. SZAKASZ

DNSN

KIVÉTELES JAVÍTÁSI RENDSZER

1 DNSNa glikozidáz eltávolítja a sérült bázist

Az AP endonukleáz megtöri a DNS-t

2 Az exonukleáz számos nukleotidot eltávolít

3 DNS polimeráz tölti ki a megüresedett területet komplementerrel

Mononukleotidok

A DNS-ligáz összefűzi a javított DNS-szálat

Mut T- egy kisméretű, 15 kDa molekulatömegű fehérje nukleozid-trifoszfatáz aktivitással, amely túlnyomórészt a dGTP-t dGMP-vé és pirofoszfáttá hidrolizálja.

Mut T biológiai szerepe célja, hogy megakadályozza a nem kanonikus párok kialakulását a replikáció soránA:GÉs A: 8-oxo-G.

Ilyen párok akkor jelenhetnek meg oxidált formában

dGTP (8-oxo-dGTP) válik szubsztrát DNS polimerázok.

Mut T hidrolizál 8-oxo-dGTP10-szer gyorsabb, mint a dGTP.

Igen 8-oxo-dGTPa legelőnyösebb szubsztrátMutTés elmagyarázza funkcionális szerepét.

Mut Yegy specifikus adenin DNS-glikoziláz, amely elhasítja az N-glikozidos kötést az adenin és a dezoxiribóz között adenozin, guaninnal nem kanonikus párt alkotva.

Funkcionális szerep Ennek az enzimnek az a célja, hogy megakadályozza a mutációt

T:A - G:A by az ép maradvány hasítása adeninA bázispárból: 8-oxo-G.

Nukleotid kivágás javítása

(ATP-függő mechanizmus a DNS-károsodás eltávolítására)

BAN BEN Utóbbi időben A kivágás javítása során különös figyelmet fordítanak az ATP-függő mechanizmusra, amely a DNS-ből származó károsodást távolítja el. Az ilyen típusú kivágási javítást nukleotid-kivágási javításnak (NER) nevezik.

KÉT SZAKASZT tartalmaz :

1. eltávolítása a DNS-bőloligonukleotid fragmensek sérülést tartalmazó, és

Exinuclease

2. a DNS-lánc utólagos rekonstrukciója enzimkomplex (nukleázok, DNS-polimerázok, DNS-ligázok stb.) részvételével.

Megtörténik egy DNS-fragmens eltávolítása mindkét oldalán a sérült nukleotid. Az eltávolított oligonukleotid-fragmensek hossza prokarióták és eukarióták között különbözik.

DNS-fragmens eltávolítása prokariótákból

Így az E. coliban, a B. subtilusban, a Micrococcus luteusban egy fragmentumhossz 12-13 nukleotidok,

DNS-fragmens eltávolítása eukariótákban

élesztőben, kétéltűekben és emberekben pedig - egy töredék, amely a 24-32 nukleotidok.

Exinuclease– DNS-fragmenseket eltávolító enzim

A DNS-fragmens hasítását egy enzim végziexinuclease(excinukleáz). Az E. coliban ez az enzim 3 különböző protomerből áll -

uvrA

uvr B

UVr C

amelyek mindegyike meghatározott funkciót lát el egy DNS-fragmens kimetszéses hasítása során. Ezeknek a fehérjéknek a nevét a szavak első betűi adják"ultra ibolya javítás".

Protomer uvr AATPáz aktivitással rendelkezik, dimer formájában kötődik a DNS-hez, végrehajtja

a kár kezdeti felismerése és

kötözésuvr B

Protomer uvr B van:

1 . Rejtett ATPáz és látens helikáz aktivitás, amely szükséges a konformációk megváltoztatásához és a DNS kettős hélix feltekercseléséhez;

2. Endonukleáz aktivitást, lehasítja az internukleotid (foszfodiészter) kötéstZendcsorba töredék.

Protomer uvr Cúgy viselkedik, mint endonukleáz, törést vezet be a javítandó DNS-szálban5"-os végekkivágott töredék.

Tehát protomerekuvr A, uvr B, uvr Ckölcsönhatásba lépnek a DNS-sel egy meghatározott szekvenciában, és ATP-függő reakciót hajtanak végreoligonukleotid fragmentum hasítása a javítandó DNS-szálból.

A DNS-molekulában keletkező rést a DNS-polimeráz I és a DNS-ligáz részvételével helyreállítják. A fenti enzimeket magában foglaló kimetszésjavítás modellje látható az 1. ábrán. 172.

Kivágási javítások embernél

A kimetszés javítása embereknél szintén ATP-függő, és magában foglaljahárom fő szakasz :

kár felismerése,

kettős DNS-szál elvágása

reduktív szintézis és

a javított szál lekötése.

Az emberi DNS-kivágás javítása azonban magában foglalja

25 különböző polipeptid ,

16 amelyek protomereiként részt vesznek az oligonukleotid fragmentum hasításábanexinucleázok,

és a többi 9 elvégzi a molekula javított részének szintézisét.

Az emberek DNS-javító rendszerében a transzkripciós fehérjék nagyon jelentős szerepet játszanak -

RNS polimeráz II És

TF H- a hat fő transzkripciós faktor egyike eukarióták.

Meg kell jegyezni, hogy a kivágás javítása prokariótákban, csakúgy, mint az eukariótákban, a DNS funkcionális állapotától függ:

Az átírt DNS gyorsabban helyreáll

mint transzkripciósan inaktív.

Ezt a jelenséget a következő tényezők magyarázzák:

kromatin szerkezet,

az átírt DNS-szakaszok láncainak homológiája,

a szálkárosodás hatása és hatása az RNS polimerázra.

FONTOS JEGYZET:

DNS-KÓDOLÓLÁNC (információtároló lánc)

DNS MÁTRIX LÁNC (az információk onnan vannak kimásolva)

Ismeretes, hogy olyan nagy károkat, mint timin dimerek képződése, blokkolja a transzkripciót baktériumokban és emberekben is, ha előfordul mátrix áramkör DNS (károsodása kódolás láncok ne befolyásolja a transzkripciós komplexhez). Az RNS polimeráz megáll a DNS károsodás helyén és blokkolja a transzkripciós komplex működését.

Transzkripció-javító kapcsolódási faktor (TRCF) .

Az E. coliban a fokozott transzkripciós javítást egy speciális fehérje közvetíti -transzkripció-javító kapcsolódási faktor (TRCF) .

Ez a fehérje elősegíti :

1. az RNS polimeráz leválása a DNS-ről

2. egyidejűleg serkenti a fehérjekomplex képződését,

A sérült terület helyreállítása.

A helyreállítás befejezése után az RNS-polimeráz visszatér eredeti helyzetébe, és a transzkripció folytatódik (lásd az ábrát).

Tehát a kivágás javításának általános sémája

1. DNS-N -glikoziláz eltávolítja a sérült bázist

2. Az AP endonukleáz megszakítja a DNS-láncot

3. Az exonukleáz számos nukleotidot eltávolít

4. A DNS polimeráz kitölti a megüresedett területet

Komplementer nukleotidok

5. A DNS-ligáz összefűzi a javított DNS-szálat

DNS-replikációs hiba javítása

metilációval

A DNS-replikáció során gyakran előfordulnak hibák a nitrogénbázisok párosításában (baktériumokban, 10 ezer nukleotidonként egyszer), aminek eredményekénta DNS leányszálához ide tartoznak azok a nukleotidok, amelyek nem komplementerek az anyalánc nukleotidjaival -eltérések(eng. mismatch n e megfelelnek).

HabárDNS polimeráz IA prokarióták képesek önkorrigálni, a hibásan kapcsolódó nukleotidok eltávolítására irányuló erőfeszítései néha nem elegendőek, majd néhány helytelen (nem komplementer) pár marad a DNS-ben.

Ebben az esetben a javítás a használatával történik egy bizonyos rendszer kapcsolatosDNS-metiláció . Ennek a javítórendszernek a működése azon a tényen alapul, hogy a replikáció után egy bizonyos idő (néhány perc) elteltével a DNS metiláción megy keresztül.

E. coliban metilált többnyire adenin oktatással

N6-metil-adenin (N6-mA).

Eddig a pontig újonnan szintetizált(leányvállalat)a lánc metilálatlan marad.

Ha egy ilyen lánc párosítatlan nukleotidokat tartalmaz, akkor javításon megy keresztül: Ígymetiláció jelzi a DNS-t és

hibajavító rendszert tartalmaz replikáció.

Ebben a javítási rendszerben speciális szerkezeteket ismernek fel:

utósorozatG-N6-mA-T-CÉs következő mögötte deformáció van

a kettős hélixben, ahol nincs komplementaritás (ábra lent).

A párosítatlan nukleotidok eliminációjában félig metilált A DNS-molekula egy meglehetősen összetett javító enzim komplexet foglal magában, amely a DNS-molekula felületét pásztázza,elvág egy gyermeklánc egy szakaszát folyamodva mismatcham, majd megteremti a fejlődés feltételeit

szükséges (komplementer) nukleotidjai.

Ennek a komplexumnak a különböző összetevői különböző tevékenységekkel rendelkezneknukleáz,

helicase,

ATPáz,

szükséges a DNS-törések beiktatásához és a nukleotidok hasításához, a DNS kettős hélix feltekercseléséhez, és energiát biztosít a komplexnek a molekula javított része mentén történő mozgásához.

Emberben hasonló szerkezetű és funkciójú javító enzimek komplexét azonosították.

Rekombináns (posztreplikatív) javítás

Azokban az esetekben, amikor valamilyen okból a fent említett javítórendszerek megszakadnak, rések (aluljavított szakaszok) alakulhatnak ki a DNS-láncokban, amelyek néha egészen jelentős méretek, ami tele van a replikációs rendszer megzavarásával, és sejthalálhoz vezethet.

Ebben az esetben a sejt képes egy másik, a replikáció után kapott DNS-molekulát felhasználni egy DNS-molekula megjavítására, azaz egy erre a célra szolgáló mechanizmust magához vonzani.rekombináció.

A baktériumokban

Baktériumokban részt vesz a rekombináns helyreállításban.fehérje Rec A. A DNS egyszálú régiójához kötődik, és bevonja azt a rekombinációbaegy másik DNS-molekula ép szálainak homológ régiói .

Ennek eredményeként a javítandó DNS-molekula törött (réseket tartalmazó) és ép szálai egyaránt párosítvaép, komplementer DNS-régiókkal, ami megnyitja a javítás lehetőségét a fent leírt rendszereken keresztül.

Ebben az esetben előfordulhat vágás egy bizonyos töredék és

töltősegítségével hézagok a hibás áramkörben.

A DNS-láncokban keletkező hézagokat és töréseket a részvétel kitöltiDNS polimeráz I és DNS ligáz .

SOS jóvátétel

Ennek a rendszernek a létezését először M. Radman állította fel 1974-ben. Ő adta a nevet ennek a mechanizmusnak is azzal, hogy belefoglalta az „SOS” (Mentsétek meg a lelkünket) nemzetközi vészjelzést.

Valójában ez a rendszer akkor kapcsol be A DNS-károsodás olyan mértékűvé válik, hogy veszélyezteti a sejt életét. Ebben az esetben a DNS-javítással összefüggő különféle sejtfolyamatokban részt vevő gének sokféle csoportjának aktivitása indukálódik.

Bizonyos gének beépülése, amelyet a DNS károsodás mértéke határoz meg, különböző jelentőségű sejtválaszokhoz vezet (a standardtól kezdve sérültek helyreállítása nukleotidok és végződés elnyomás sejtosztódás).

A legtöbb tanultSOS jóvátételE. coliban, melynek fő résztvevői a kódolt fehérjék gének Rec AÉsLex A.

Közülük az első egy multifunkcionálisRec A fehérje, részt vesz

V DNS rekombináció, és

V a géntranszkripció szabályozása lambda fág, amely az E. colit érinti,

és a második (Lex A fehérje)van represszor a gének nagy csoportjának transzkripciója DNS javítás baktériumok. Amikor gátolt vagy megoldódott a javítás aktiválva van.

Kötés Rec A Lex A-valvezet az utóbbi felosztásáraés ennek megfelelően javító gének aktiválása.

A bakteriális SOS rendszer indukciója viszont azt szolgáljalambda fág vészjelzésés a prófág átváltását okozza passzív-aktív (lítikus) útvonal létezését, ezáltal okozva gazdasejt halála.

Az SOS javítórendszert nemcsak baktériumokban, hanem állatokban és emberekben is azonosították.

Az SOS DNS-károsodás helyreállításában részt vevő gének

Következtetés

A DNS-károsodás helyreállítása szorosan összefügg más alapvető molekuláris genetikai folyamatokkal: replikáció, transzkripció és rekombináció. Mindezek a folyamatok azzá válnak összefonódva V közös rendszer kölcsönhatások, amelyeket számos különféle fehérje szolgál ki, amelyek közül sok multifunkcionális molekula vesz részt a genetikai információ megvalósításának ellenőrzése pro- és eukarióta sejtekben. Ugyanakkor nyilvánvaló, hogy a természet "nem fukarkodik" vezérlőelemeken, létrehozása rendkívül összetett rendszerek azoknak a DNS-károsodásoknak a korrekciója, amelyek veszélyesek a testnek és különösen annak utódainak. Másrészt azokban az esetekben, amikor a javítási képességek nem elegendőek a szervezet genetikai állapotának megőrzéséhez, felmerül a programozott sejthalál szükségessége.apoptózis..

A NULEOTID KIVÉGÉS JAVÍTÁSÁNAK SZÁMÁJA E. COLIAZ EXINUCLEASE RÉSZVÉTELÉVEL

1. ÁTÍRÁSFÜGGETLEN MECHANIZMUS

2. ÁTÍRÁSFÜGGŐ MECHANIZMUS

3. A JAVÍTÁS ÁLTALÁNOS SZAKASZAI

LEGENDA

A - fehérjeuvr A

B - fehérjeuvr BAN BEN

C - fehérjeuvr VAL VEL

kis fekete háromszög - a jel a sérülés helyét jelzi

A DNS-METILÁZÁSSAL KAPCSOLATOS JAVÍTÁSI RÉSZ

Jóvátétel

nevezzük a DNS-molekula azon képességét, hogy „korrigálja” a láncaiban bekövetkező változásokat. Legalább 20 fehérje vesz részt az eredeti szerkezet helyreállításában: felismeri a megváltozott DNS szakaszokat és eltávolítja a láncból, helyreállítja a megfelelő nukleotidszekvenciát, és összefűzi a helyreállított fragmentumot a DNS molekula többi részével.

A DNS kémiai szerkezetének és tulajdonságainak felsorolt ​​jellemzői meghatározzák az általa ellátott funkciókat. A DNS rögzíti, tárolja, reprodukálja a genetikai információkat, részt vesz azok megvalósításának folyamataiban a sejtek és élőlények új generációi között.

Ribonukleinsavak - RNS -

különböző méretű, szerkezetű és funkciójú molekulák képviselik. Minden RNS-molekula a DNS-molekula bizonyos szakaszainak másolata, és a már említett különbségeken túl rövidebb is nála, és egyetlen láncból áll. Egy-egy RNS-lánc egyes, egymással komplementer szakaszai között lehetséges a bázispárosodás (A-val, G-vel C) és helikális szakaszok kialakítása. Ennek eredményeként a molekulák sajátos konformációt kapnak.

Mátrix, vagy információs, RNS (mRNS, mRNS) szintetizálódik a sejtmagban az RNS polimeráz enzim irányítása alatt, kiegészítve a DNS információs szekvenciákkal, ezt az információt továbbítja a riboszómákba, ahol egy fehérje molekula szintézisének mátrixává válik. A másolt információ mennyiségétől függően az mRNS-molekula különböző hosszúságú lehet, és az összes sejt RNS körülbelül 5%-át teszi ki.

A riboprotein RNS (rRNS) főként a sejtmagban, az rRNS gének régiójában szintetizálódik, és számos molekuláris tömeg a riboszómák nagy és kis alegységeit alkotó molekulák. Az rRNS a sejt teljes RNS-ének 85%-át teszi ki.

A transzfer RNS (tRNS) a sejt RNS körülbelül 10%-át teszi ki. A tRNS-nek több mint 40 típusa létezik. A genetikai információ implementálásakor minden tRNS egy specifikus aminosavat köt hozzá, és azt a polipentid összeállítás helyére szállítja. Az eukariótákban a tRNS-ek 70-90 nukleotidból állnak.

Sejtszerkezet

A sejtes szerveződés típusai.

A Földön jelenleg létező élőlények sokfélesége között két csoportot különböztetünk meg: a vírusokat és a fágokat, amelyeknek nincs sejtszerkezetük; az összes többi organizmust különféle sejtes életformák képviselik. A sejtszerveződésnek két típusa van: prokarióta

És eukarióta (

lásd az 1. ábrát ).

A prokarióta sejtek viszonylag egyszerű szerkezetűek. Nem rendelkeznek morfológiailag különálló maggal, az egyetlen kromoszómát körkörös DNS alkotja, és a citoplazmában található; a membránszervecskék hiányoznak (működésüket a plazmamembrán különféle invaginációi látják el); a citoplazma számos kis riboszómát tartalmaz; Nincsenek mikrotubulusok, így a citoplazma mozdulatlan, a csillók és a flagellák speciális szerkezetűek. A baktériumokat prokarióták közé sorolják.

A legtöbb modern élő szervezet a három birodalom egyikéhez tartozik – növények, gombák vagy állatok, amelyek az eukarióták szuperbirodalmában egyesülnek.

Az élőlények mennyiségétől függően az utóbbiakat egysejtűekre és többsejtűekre osztják. Az egysejtű szervezetek egyetlen sejtből állnak, amely minden funkciót ellát. Sok ilyen sejt sokkal összetettebb, mint egy többsejtű szervezet sejtjei. Minden prokarióta egysejtű, csakúgy, mint a protozoák, néhány zöld alga és gomba.

Rizs. 3.14. A korrekciós folyamat vázlata a DNS szintézis során:

A citoein megváltozott (tautomer) formájával rendelkező nukleotid I-befoglalása a DNS-láncban, amely „illegálisan” párosul az adeninnel; II - a citozin gyors átalakulása normál formájába megzavarja az adeninnel való párosítását; a szintetizált lánc párosítatlan 3"-OH vége megakadályozza annak további megnyúlását a DNS polimeráz hatására; III - a DNS polimeráz eltávolítja az illegális nukleotidot, aminek eredményeként a mátrixszal párosított 3"-OH vége újra megjelenik; IV – A DNS-polimeráz a lánchosszabbítást folytatja a 3"-OH végén

Az eredeti DNS-struktúra helyreállításához számos enzim részvétele szükséges. A javítási mechanizmus beindításának fontos pontja a DNS-szerkezet hibájának észlelése. Gyakran előfordulnak ilyen hibák az újonnan szintetizált láncban a replikációs folyamat során. A javító enzimeknek ezt a bizonyos láncot kell kimutatniuk. Sok élőlényfajban az újonnan szintetizált DNS-szál nitrogénbázisainak metilációjának mértékében tér el az anyai DNS-száltól, ami elmarad a szintézistől. Ebben az esetben a metilálatlan lánc javításon megy keresztül. A DNS-száltöréseket a javító enzimek is felismerhetik. A magasabb rendű élőlényekben, ahol a DNS-szintézis nem folyamatosan, hanem különálló replikonokban megy végbe, az újonnan szintetizált DNS-szál megszakad, ami lehetővé teszi annak felismerését.

A DNS szerkezetének helyreállítása, amikor az egyik lánc purinbázisa elveszett, magában foglalja a hiba kimutatását az endonukleáz enzim segítségével, amely megszakítja a foszfoészter kötést a lánc károsodásának helyén. Ezután a megváltozott, több szomszédos nukleotiddal rendelkező szakaszt az exonukleáz enzim eltávolítja, és a helyére a komplementer lánc bázisainak sorrendjének megfelelően kialakítja a megfelelő nukleotidszekvenciát (3.15. ábra).

Rizs. 3.15. A kimetszés, a replikációs DNS-javítás sémája

Amikor a DNS-láncban az egyik bázis megváltozik, körülbelül 20 DNS-glikoziláz enzim vesz részt az eredeti szerkezet helyreállításában. Ezek specifikusan felismerik a bázisok dezaminációja, alkilezése és egyéb szerkezeti átalakulásai által okozott károsodásokat. Az ilyen módosított bázisokat eltávolítjuk. A bázisoktól mentes területek megjelennek és helyreállnak, akárcsak a purinok elvesztése esetén. Ha a normál szerkezet nem áll helyre, például nitrogéntartalmú bázisok dezaminációja esetén a komplementer bázisok egy párja másokkal helyettesíthető - a C-G pár helyettesíthető T-A párral stb. (lásd a 3.4.2.3. szakaszt).

A polinukleotid láncokban az UV sugarak hatására létrejövő timin-dimerek (T-T) kialakulásához olyan enzimek részvétele szükséges, amelyek nem az egyes megváltozott bázisokat, hanem a DNS-szerkezet kiterjedtebb károsodását ismerik fel. A javítási folyamat ebben az esetben a dimert hordozó régió eltávolításával és a komplementer DNS-szálon történő szintézissel a normál nukleotidszekvencia helyreállításával is összefügg.

Abban az esetben, ha a kimetszéssel javító rendszer nem korrigálja az egyik DNS-szálban bekövetkezett változást, a replikáció során ez a változás rögzül, és mindkét DNS-szál tulajdonává válik. Ez a komplementer nukleotidok egyik párjának egy másikkal való helyettesítéséhez, vagy az újonnan szintetizált láncban a megváltozott szakaszokkal szembeni szakadások (rések) megjelenéséhez vezet. A normál DNS-struktúra helyreállítása a replikáció után is megtörténhet.

A posztreplikatív javítás két újonnan képződött DNS kettős hélix közötti rekombinációval (fragmensek cseréje) történik. Ilyen posztreplikatív javítás például a normál DNS-struktúra helyreállítása, amikor timin dimerek (T-T) keletkeznek, amikor nem spontán eliminálódnak látható fény hatására (fényreparáció), vagy a replikációs kivágás előtti javítás során.

A szomszédos timincsoportok között létrejövő kovalens kötések nem képesek komplementer nukleotidokhoz kötődni. Ennek eredményeként az újonnan szintetizált DNS-láncban törések (rések) jelennek meg, amelyeket a javító enzimek felismernek. Az egyik leány-DNS új polinukleotid-láncának integritásának helyreállítása egy másik leány-DNS megfelelő normál szülőláncával való rekombináció következtében történik. Az anyaláncban kialakult rést ezután egy azzal komplementer polinukleotid láncon történő szintézis tölti ki (3.16. ábra). A két leány-DNS-molekula láncai közötti rekombinációval végrehajtott posztreplikatív javítás megnyilvánulása a testvérkromatidák közötti gyakran megfigyelt anyagcsere (3.17. ábra).

Rizs. 3.16. A posztreplikatív DNS-javítás sémája:

I - timin-dimer megjelenése az egyik DNS-láncban;

II - „rés” kialakulása az újonnan szintetizált láncban az anyamolekula megváltozott szakaszával szemben a replikáció után (a nyíl mutatja a „rés” későbbi kitöltését a második leány-DNS-molekula megfelelő láncából származó szakaszsal);

III - a felső molekula leányláncának integritásának helyreállítása a rekombináció következtében és az alsó molekulában a komplementer láncon történő szintézis miatt

Rizs. 3.17. Interchromatid cserék (nyilakkal jelölve)

A replikáció előtti és utáni helyreállítás során a DNS-szerkezet károsodásának nagy része helyreáll. Ha azonban túl sok károsodás következik be a sejt örökítőanyagában, és annak egy része nem eliminálódik, akkor aktiválódik az indukálható (stimulált) javító enzimek rendszere (SOS rendszer). Ezek az enzimek kitöltik a hézagokat, helyreállítva a szintetizált polinukleotid láncok integritását anélkül, hogy szigorúan betartanák a komplementaritás elvét. Ez az oka annak, hogy néha maguk a javítási folyamatok is a DNS szerkezetében végbemenő változások (mutációk) forrásai lehetnek. Ez a reakció az SOS rendszerre is vonatkozik.

mások párja. Ezek a változások valóban végigkísérik a DNS-replikáció minden ciklusát, de gyakoriságuk sokkal alacsonyabb, mint kellene. Ez azzal magyarázható, hogy a legtöbb ilyen jellegű változás az eredeti DNS-nukleotid szekvencia javító mechanizmusának (molekuláris helyreállításának) hatására megszűnik.

A javítási mechanizmus két komplementer lánc jelenlétén alapul a DNS-molekulában. Az egyikben a nukleotidszekvencia torzulását specifikus enzimek észlelik. Ezután a megfelelő szakaszt eltávolítjuk, és egy újjal helyettesítjük, amely a második komplementer DNS-szálon szintetizálódik. Ezt a fajta javítást kivágásos javításnak nevezik, i.e. „vágással” (3.15. ábra). A következő replikációs ciklus előtt hajtják végre, ezért is hívják

replikációs előtti.

Rizs. 3.14. A korrekciós folyamat sémája a DNS-szintézis során: I - a citoein megváltozott (tautomer) formájával rendelkező nukleotid beillesztése a DNS-láncba, amely „illegálisan” párosul az adeninnel; II - gyors átmenet

a citozin normál formájába kerülve megzavarja az adeninnel való párosítását; a szintetizált lánc párosítatlan 3"-OH vége megakadályozza annak további megnyúlását a DNS polimeráz hatására; III - a DNS polimeráz eltávolítja az illegális nukleotidot, aminek következtében a mátrixszal párosított 3"-OH vége újra megjelenik; IV – A DNS-polimeráz a lánchosszabbítást folytatja a 3"-OH végén

Az eredeti DNS-struktúra helyreállításához számos enzim részvétele szükséges. A javítási mechanizmus beindításának fontos pontja a DNS-szerkezet hibájának észlelése. Gyakran előfordulnak ilyen hibák az újonnan szintetizált láncban a replikációs folyamat során. A javító enzimeknek ezt a bizonyos láncot kell kimutatniuk. Sok élőlényfajban az újonnan szintetizált DNS-szál nitrogénbázisainak metilációjának mértékében tér el az anyai DNS-száltól, ami elmarad a szintézistől. Ebben az esetben a metilálatlan lánc javításon megy keresztül. A DNS-száltöréseket a javító enzimek is felismerhetik. A magasabb rendű élőlényekben, ahol a DNS-szintézis nem folyamatosan, hanem különálló replikonokban megy végbe, az újonnan szintetizált DNS-szál megszakad, ami lehetővé teszi annak felismerését.

A DNS szerkezetének helyreállítása, amikor az egyik lánc purinbázisa elveszett, magában foglalja a hiba kimutatását az endonukleáz enzim segítségével, amely megszakítja a foszfoészter kötést a lánc károsodásának helyén. Ezután a megváltozott, több szomszédos nukleotiddal rendelkező szakaszt az exonukleáz enzim eltávolítja, és a helyére a komplementer lánc bázisainak sorrendjének megfelelően kialakítja a megfelelő nukleotidszekvenciát (3.15. ábra).

Rizs. 3.15. A kivágás sémája, pre-replikatív DNS-javítás Amikor a DNS-lánc egyik bázisa megváltozik az eredeti helyreállítása során

20 DNS-glikoziláz enzim vesz részt. Az ilyen módosított bázisokat eltávolítjuk. A bázisoktól mentes területek megjelennek és helyreállnak, akárcsak a purinok elvesztése esetén. Ha a normál szerkezet nem áll helyre, például nitrogéntartalmú bázisok dezaminációja esetén a komplementer bázisok egy párja másokkal helyettesíthető - a C-G pár helyettesíthető T-A párral stb. (lásd a 3.4.2.3. szakaszt).

A polinukleotid láncokban az UV sugarak hatására létrejövő timin-dimerek (T-T) kialakulásához olyan enzimek részvétele szükséges, amelyek nem az egyes megváltozott bázisokat, hanem a DNS-szerkezet kiterjedtebb károsodását ismerik fel. A javítási folyamat ebben az esetben a dimert hordozó régió eltávolításával és a komplementer DNS-szálon történő szintézissel a normál nukleotidszekvencia helyreállításával is összefügg.

Abban az esetben, ha a kivágás javító rendszer nem korrigálja az egyik DNS-szálban bekövetkezett változást, a rögzítés a replikáció során történik

ez a változás és mindkét DNS-szál tulajdonává válik. Ez a komplementer nukleotidok egyik párjának egy másikkal való helyettesítéséhez, vagy az újonnan szintetizált láncban a megváltozott szakaszokkal szembeni szakadások (rések) megjelenéséhez vezet. A normál DNS-struktúra helyreállítása a replikáció után is megtörténhet.

Replikáció utáni javítás két újonnan képződött DNS kettős hélix közötti rekombinációval (fragmensek cseréjével) hajtják végre. Az ilyen posztreplikatív javításra példa a normál DNS-struktúra helyreállítása, amikor timin dimerek (T-T) keletkeznek, ha nem spontán eliminálódnak látható fény hatására. könnyű javítás) vagy a replikatív kimetszés előtti javítás során.

A szomszédos timincsoportok között létrejövő kovalens kötések nem képesek komplementer nukleotidokhoz kötődni. Ennek eredményeként az újonnan szintetizált DNS-láncban törések (rések) jelennek meg, amelyeket a javító enzimek felismernek. Az egyik leány-DNS új polinukleotid-láncának integritásának helyreállítása egy másik leány-DNS megfelelő normál szülőláncával való rekombináció következtében történik. Az anyaláncban kialakult rést ezután egy azzal komplementer polinukleotid láncon történő szintézis tölti ki (3.16. ábra). A két leány-DNS-molekula láncai közötti rekombinációval végrehajtott posztreplikatív javítás megnyilvánulása a testvérkromatidák közötti gyakran megfigyelt anyagcsere (3.17. ábra).

Rizs. 3.16. A posztreplikatív DNS-javítás sémája: I - timin-dimer megjelenése az egyik DNS-láncban;

II - „rés” kialakulása az újonnan szintetizált láncban az anyamolekula megváltozott szakaszával szemben a replikáció után (a nyíl mutatja a „rés” későbbi kitöltését a második leány-DNS-molekula megfelelő láncából származó szakaszsal);

III - a felső molekula leányláncának integritásának helyreállítása a rekombináció következtében és az alsó molekulában a komplementer láncon történő szintézis miatt

Rizs. 3.17. Interchromatid cserék (nyilakkal jelölve)

A replikáció előtti és utáni helyreállítás során a DNS-szerkezet károsodásának nagy része helyreáll. Ha azonban túl sok károsodás következik be a sejt örökítőanyagában, és annak egy része nem eliminálódik, akkor aktiválódik az indukálható (stimulált) javító enzimek rendszere (SOS rendszer). Ezek az enzimek kitöltik a hézagokat, helyreállítva a szintetizált polinukleotid láncok integritását anélkül, hogy szigorúan betartanák a komplementaritás elvét. Ez az oka annak, hogy néha maguk a javítási folyamatok is a DNS szerkezetében végbemenő változások (mutációk) forrásai lehetnek. Ez a reakció az SOS rendszerre is vonatkozik.

Ha egy sejtben az elvégzett javítás ellenére a DNS-szerkezet károsodása magas marad, a DNS-replikációs folyamatok blokkolódnak. Az ilyen sejt nem osztódik, ami azt jelenti, hogy az ebből eredő változásokat nem adja át utódainak.

A DNS-károsodás által okozott sejtciklus-leállás a megváltozott örökítőanyag molekuláris helyreállításának lehetetlenségével kombinálva egy olyan fehérje részvételével, amelynek szintézisét a p53 gén szabályozza, az önpusztító folyamat (apoptózis) aktiválásához vezethet. ) a hibás sejt eltávolítása érdekében a szervezetből.

Így a különféle javító enzimek kiterjedt halmaza folyamatosan „ellenőrzi” a DNS-t, eltávolítja belőle a sérült területeket, és segít megőrizni az örökítőanyag stabilitását. A replikációs enzimek (DNS polimeráz és szerkesztő endonukleáz) és a javító enzimek együttes hatása biztosítja a DNS-molekulák meglehetősen alacsony hibagyakoriságát, amelyet genomonként 1 × 10-9 pár megváltozott nukleotid szinten tartanak. Tekintettel a 3 × 109 nukleotidpárból álló emberi genom méretére, ez körülbelül 3 hibát jelent replikáló genomonként. Ugyanakkor már ez a szint is elegendő jelentős genetikai diverzitás kialakulásához génmutációk formájában a földi élet fennállása során.

3.4.2.3. Változások a DNS-nukleotid szekvenciákban. Génmutációk

A gének kémiai szerkezetének korrigálatlan, egymást követő replikációs ciklusokban reprodukálódó és az utódokban új tulajdonságváltozatok formájában megnyilvánuló változásokat ún. génmutációk.

A gént alkotó DNS szerkezetében bekövetkezett változások három csoportra oszthatók. Az első csoport mutációi abból állnak, hogy egyes bázisokat másokkal helyettesítenek. A spontán bekövetkező génváltozások körülbelül 20%-áért felelősek. A mutációk második csoportját a leolvasási keret eltolódása okozza, amely akkor következik be, amikor a génben lévő nukleotidpárok száma megváltozik. Végül a harmadik csoportot a génen belüli nukleotidszekvenciák sorrendjének megváltozásával (inverzió) kapcsolatos mutációk képviselik.

Mutációk a nitrogénbázisok helyettesítésének típusa szerint. Ezek a mutációk számos konkrét okból következnek be. Ezek egyike a DNS-hélixben már szereplő bázis szerkezetének véletlenszerű vagy meghatározott kémiai ágensek hatására bekövetkező változása lehet. Ha a bázis ilyen módosult formáját a javító enzimek nem észlelik, akkor a következő replikációs ciklus során újabb nukleotidot tud magához kapcsolni. Ilyen például a citozin dezaminálása, amely spontán vagy salétromsav hatására uracillá alakul (3.18. ábra). A keletkező uracilt az enzim nem veszi észreDNS glikoziláz,a replikáció során az adeninhez kötődik, amely ezt követően egy timidil nukleotidot kapcsol. Ennek eredményeként egy pár C-G a DNS-ben egy pár helyettesíti T-A (3.19. ábra, I ). A metilált citozin dezaminálása timinné alakítja (lásd 3.18. ábra). A timidil-nukleotidot, amely a DNS természetes összetevője, a javító enzimek nem észlelik változásként, és a következő replikáció során adenil-nukleotidot kapcsolnak hozzá. Ennek eredményeként egy pár helyett C-G a DNS-molekulában is megjelenik egy pár T-A (3.19. ábra, II).

Rizs. 3.18. A citozin spontán dezaminációja

A bázisszubsztitúció másik oka lehet, hogy a szintetizált DNS-láncba hibásan beépítenek egy nukleotidot, amely a bázis vagy annak analógjának kémiailag módosított formáját hordozza. Ha ezt a hibát a replikációs és javító enzimek nem észlelik, a megváltozott bázis bekerül a replikációs folyamatba, ami gyakran az egyik pár másikkal való helyettesítéséhez vezet. Példa erre az 5-brómouracillal (5-BU) végzett nukleotid hozzáadása az anyalánc adeninéhez a replikáció során, hasonlóan a timidil-nukleotidhoz. A következő replikáció során az 5-BU könnyebben kötődik a guaninhoz, mint az adeninhez. A guanin a további duplikáció során komplementer párt alkot a citozinnal. Végül is pár A-T a DNS-molekulában egy G-C párral helyettesítik (3.20. ábra).

Rizs. 3. 19. Mutációk a bázisszubsztitúció típusa szerint (nitrogéntartalmú bázisok dezaminálása a DNS-láncban):

I - citozin átalakítása uracillá, a C-G pár helyettesítése T-A párral;

II - metil-citozin átalakítása timinné, a C-G pár helyettesítése T-A párral

A fenti példákból világosan látszik, hogy a DNS-molekula szerkezetében bekövetkező változások, például báziscsere, a replikációs folyamat előtt vagy alatt következnek be, kezdetben egy polinukleotid láncban. Ha az ilyen változásokat a javítás során nem korrigálják, akkor a későbbi replikáció során mindkét DNS-szál tulajdonává válnak.

Rizs. 3.20. Bázisszubsztitúciós mutációk

(nitrogéntartalmú bázis analóg beépülése a DNS replikációja során)

Az egyik komplementer nukleotidpár másikkal való helyettesítésének következménye, hogy a peptidlánc aminosav-szekvenciáját kódoló DNS-nukleotidszekvenciában új triplett képződik. Ez nem feltétlenül befolyásolja a peptid szerkezetét, ha az új hármas „szinonimája” az előzőnek, pl. ugyanazt az aminosavat fogja kódolni. Például a valin aminosavat négy hármas kódolja: CAA, CAG, CAT, CAC. A harmadik bázis cseréje ezen hármasok bármelyikében nem változtatja meg a jelentését (a genetikai kód degenerációja).

BAN BEN Abban az esetben, ha az újonnan keletkezett triplett egy másik aminosavat titkosít, megváltozik a peptidlánc szerkezete és a megfelelő fehérje tulajdonságai. A pótlás jellegétől és helyétől függően a fehérje specifikus tulajdonságai különböző mértékben változnak. Ismeretesek olyan esetek, amikor egy peptidben csak egy aminosav pótlása jelentősen befolyásolja a fehérje tulajdonságait, ami több aminosav változásában nyilvánul meg. összetett jelek. Példa erre az emberi hemoglobin tulajdonságainak változása, amikor sarlósejtes vérszegénység (3.21. ábra). Az ilyen hemoglobinban (HbS) (ellentétben a normál HbA-val) - a p-globin láncokban a hatodik pozícióban a glutaminsavat valin helyettesíti. Ez annak a következménye, hogy a glutaminsavat (CTT vagy TTC) kódoló triplettben az egyik bázis kicserélődik. Az eredmény egy triplet, amely titkosítja a valint (CAT vagy TsAT). Ebben az esetben a peptidben egy aminosav pótlása jelentősen megváltoztatja a hemoglobin részét képező globin tulajdonságait (csökken az O2-kötő képessége), és a személynél sarlósejtes vérszegénység jelei jelennek meg.

BAN BEN Egyes esetekben az egyik alap másikkal való cseréje az egyik megjelenéséhez vezethet nonszensz hármasok (ATT, ATC, ACT), amelyek egyetlen aminosavat sem titkosítanak. Az ilyen helyettesítés következménye a peptidlánc szintézisének megszakadása. Becslések szerint egy hármas nukleotid szubsztitúciója az esetek 25%-ában szinonim hármasok kialakulásához vezet; 2-3 esetben - értelmetlen hármasok, 70-75%-ban - valódi génmutációk előfordulása.

Így a bázisszubsztitúciós mutációk létrejöhetnek egy meglévő DNS kettős hélix egyik szálában a bázisszerkezet spontán megváltozása következtében, vagy egy újonnan szintetizált szál replikációja során. Ha ezeket a változtatásokat nem korrigálják a javítási folyamat során (vagy éppen ellenkezőleg, a javítás során jelentkeznek), akkor mindkét láncban rögzítésre kerülnek, majd a következő replikációs ciklusokban reprodukálódnak. Ezért az ilyen mutációk fontos forrása a replikációs és javítási folyamatok megzavarása.

Frame shift mutációk. Ez a fajta mutáció a spontán mutációk jelentős részét teszi ki. Egy vagy több komplementer nukleotidpár elvesztése vagy beépülése eredményeként fordulnak elő a DNS-nukleotid szekvenciába. A legtöbb vizsgált mutáció okozza