X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Введение

Процесс, позволяющий живым организмам восстанавливать повреждения, возникающие в ДНК, называют репарацией. Все репарационные механизмы основаны на том, что ДНК - двухцепочечная молекула, т.е. в клетке есть 2 копии генетической информации. Если нуклеотидная последовательность одной из двух цепей оказывается повреждённой (изменённой), информацию можно восстановить, так как вторая (комплементарная) цепь сохранена.

Процесс репарации происходит в несколько этапов. На первом этапе выявляется нарушение комплементарности цепей ДНК. В ходе второго этапа некомплементарный нуклеотид или только основание устраняется, на третьем и четвёртом этапах идёт восстановление целостности цепи по принципу комплементарности. Однако в зависимости от типа повреждения количество этапов и ферментов, участвующих в его устранении, может быть разным.

Очень редко происходят повреждения, затрагивающие обе цепи ДНК, т.е. нарушения структуры нуклеотидов комплементарной пары. Такие повреждения в половых клетках не репарируются, так как для осуществления сложной репарации с участием гомологичной рекомбинации требуется наличие диплоидного набора хромосом.

Нарушения комплементарности цепей ДНК могут происходить спонтанно, т.е. без участия каких-либо повреждающих факторов, например в результате ошибок репликации.

Цель данной работы является изучение системы репарации ДНК как источника мутаторных генов.

Ошибки репарации

Точность репликации ДНК очень велика, но примерно один раз на 105-106 нуклеотидных остатков происходят ошибки спаривания, и тогда вместо пары нуклеотидов А-Т, G-С в дочернюю цепь ДНК оказываются включёнными нук-леотиды, некомплементарные нуклеотидам матричной цепи. Однако ДНК-полимеразы δ, ε способны после присоединения очередного нуклеотида в растущую цепь ДНК делать шаг назад (в направлении от 3'- к 5'- концу) и вырезать последний нуклеотид, если он некомплементарен нуклеотиду в матричной цепи ДНК. Этот процесс исправления ошибок спаривания (или коррекция) иногда не срабатывает, и тогда в ДНК по окончании репликации остаются некомплементарные пары, тем более, что ДНК-полимераза а лишена корректирующего механизма и "ошибается" чаще, чем другие полимеразы.

При неправильном спаривании в первичной структуре дочерней цепи ДНК необычные основания не появляются, нарушена только ком-плементарность. Система репарации некомплементарных пар должна происходить только на дочерней цепи и производить замену некомплементарных оснований только в ней. Ферменты, участвующие в удалении неправильной пары нуклеотидов, распознают матричную цепь по наличию метилированных остатков аденина в последовательностях -GATC-. Пока основания нуклеотидных остатков в дочерней цепи неметилированы, ферменты должны успеть выявить ошибку репликации и устранить её.

Распознавание и удаление (первый этап) некомплементарного нуклеотида происходят при участии специальных белков mut S, mut L, mut H. Каждый из белков выполняет свою специфическую функцию. Mut S находит неправильную пару и связывается с этим фрагментом. Mut Н присоединяется к метилированному (по аденину) участку -GATC-, расположенному вблизи некомплементарной пары. Связующим между mut S и mut Н служит белок mut L, его присоединение завершает образование активного фермента. Формирование комплекса mut S, mut L, mut Н на участке, содержащем ошибку, способствует проявлению у белка mut Н эндонуклеазной активности. Ферментативный комплекс гидролизует фосфоэфирную связь в неметилированной цепи (рис. 4-21).

К свободным концам цепи присоединяется экзонуклеаза (второй этап). Отщепляя по одному нуклеотиду в направлении от 3'- к 5'- концу дочерней цепи, она устраняет участок, содержащий некомплементарную пару. Брешь застраивает ДНК-полимераза β (третий этап), соединение основного и вновь синтезированного участков цепи катализирует фермент ДНК-лигаза (четвёртый этап). Для успешного функционирования экзонуклеазы, ДНК-полимеразы р и ДНК-лигазы необходимо участие в репарации хеликазы и SSB-белков.

Рис. Система репарации ошибок репликации. 1 - белок mut S "узнаёт" некомплементарную пару и присоединяется в этом участке ДНК; 2 - белки mut H взаимодействуют с метилированной по аденину последовательностью материнской цепи -GATC-; завершается формирование ферментативного комплекса после присоединения mut L; 3 - комплекс определяет вновь синтезированную цепь по отсутствию метилированного остатка аденина в последовательности -GATC- и разрывает её; 4 - экзонуклеаза удаляет фрагмент дочерней цепи ДНК, содержащий ошибку; 5 - ДНК-полимераза β по принципу комп-лементарности застраивает брешь; 6 - ДНК-лигаза З'-конец вновь синтезированного фрагмента соединяет с основной цепью и завершает репарацию ошибки.

Нарушение системы репарации у человека является причиной:

Преждевременного старения

Онкозаболеваний (80-90 % всех раковых заболеваний)

Аутоиммунных заболеваний (болезнь Альцгеймера, СКВ, ревматоидный артрит)

Причиной многих наследственных болезней человека выступает нарушение отдельных этапов процесса репарации.

Пигментная ксеродерма

У больных в системе репарации снижена активность ферментов, ответственных за удаление неправильных оснований, "застройку" бреши и другие функции. Дефект репарационной системы проявляется в сверхчувствительности к УФ-свету, что приводит к появлению красных пятен на коже, переходящих в незаживающие коросты и нередко в рак кожи.

Трихотиодистрофия

Заболевание связано с повышенной фоточувствительностью ДНК, вызванной снижением активности фермента, участвующего в удалении димеров тимина. Симптомы заболевания: ломкость волос вследствие нехватки серы в белках волос и их луковиц; часто умственная и физическая отсталость; аномалии кожи и зубов.

Синдром Блума

Мутации в гене BLM, который является составной ДНК геликаз (хеликазы), вызывают возникновение синдрома Блума. ДНК геликазы (хеликазы) - это ферменты, которые раскручивают двухцепную спираль ДНК.

Основные симптомы — лицевая эритема и карликовость. Как правило, эритема появляется в младенческом возрасте в виде бляшек, которые напоминают пятна красной волчанки. В основном локализуются в форме бабочки на крыльях носа и щеках, иногда могут появиться в области век, лба, раковин ушей, с внутренней стороны кистей.

Анемия Фанкони

Был установлен дефект в системе репарации ДНК в фибробластах больных анемией Фанкони. Скорее всего, именно этим обусловлено легкое повреждение хромосом при этой болезни под влиянием ультрафиолетового облучения, малых доз цитостатических препаратов. Симптомы анемии Фанкони начинают проявляться в возрасте 4-10 лет. Ранние признаки патологии: спонтанные кровотечения; кровоподтеки на коже; бледность покровов и слизистых оболочек; вялость, слабость реакций на раздражители.

Кроме того, у ребенка возникает склонность к инфекционным заболеваниям. Печень и селезенка при этом не увеличиваются. Может развиться лимфаденопатия.

Дефекты системы репарации ДНК как причина рака

Парадокс процесса канцерогенеза в том, что скорость мутаций в нормальных клетках слишком низка, чтобы вызвать злокачественную трансформацию. Первым доказательством существования так называемого нестабильного фенотипа стала нестабильность генома некоторых опухолей толстой кишки. Если клетка не может устранять повреждения, происходящие в процессе нормального деления, мутации накапливаются, достигая критического уровня в генах, осуществляющих контроль над ростом клетки, и развивается злокачественная опухоль.

Таким образом, нарушение системы репарации ДНК ведет к злокачественной трансформации. Многочисленные исследования выявили эти нарушения в опухолях, обладающих микросателлитной недостаточностью. Ключевые гены, ответственные за метаболизм клетки, обычно не имеют микросателлитных повторов, которые были бы наиболее подвержены повреждениям. Тем не менее в клетках с дефектами системы репарации частота мутаций в неповторяющихся последовательностях повышена в 100 — 10 000 раз по сравнению с клетками, в которых эта система функционирует нормально.

Хотя микросателлитные последовательности в функциональных генах обычно отсутствуют, мононуклеотидные повторы в некоторых основных генах могут приводить к их инактивации. К таким генам относятся, например, TGF-BR2H(A10), bMSH3 (А8), bMSH6/GTBP (С8), IGF2R (G8) и ВАХ (G8). Парадоксально, но нестабильность числа хромосом часто наблюдается в опухолях без нарушений системы репарации, а опухоли с такими нарушениями часто имеют стабильное число хромосом. Наследственные мутации системы репарации нередко выявляют у лиц, страдающих семейными формами злокачественных опухолей. К таким заболеваниями относятся некоторые опухоли толстой кишки (ННПКРР), рак эндометрия (РЭ) и синдром Линча типа II.

Также с нарушениями системы репарации связано развитие синдромов Торре и Тюрко. ННПКРР составляет около 5 % всех случаев рака толстой кишки; его диагностируют на основании следующих критериев: 1) должно быть по меньшей мере три родственника, из них двое первой степени родства, имевших рак толстой кишки; 2) опухоли толстой кишки по крайней мере в двух поколениях; 3) хотя бы у одного из родственников рак толстой кишки был выявлен в возрасте моложе 50 лет.

У 70 % больных ННПКРР выявляют мутации в генах клеточной системы репарации ДНК — bMLH1 (49 %), bMLH2 (45 %) и bPMS2 (6 %). Нарушения системы репарации обнаруживают в 25 % случаев рака эндометрия (РЭ), примерно 1/4 из них наследственные, остальные — результат инактивации гена MLH1, вызванной гиперметилированием промоторного региона.

Заключение

В основе порядка в хромосоме и в клетке лежат механизмы репарации. С учетом тысяч повреждений, от которых ежедневно страдает геном, и с нарушений при репликации генома, клетке жизненно важно иметь эффективные механизмы репарации. Без таких механизмов геном сможет выполнять свои функции максимум несколько часов, пока основные гены не будут инактивированы повреждениями ДНК. Клеточные линии будут накапливать ошибки репликации с такой скоростью, что их геномы станут полностью нефункциональны уже через считанные деления.

Список литературы:

И. М. Спивак , Экология. Повреждение и репарация ДНК: учебное пособие. – 2017

Биохимия : учебник / под ред. Е. С. Северина. – М. : ГЭОТАР-Медиа, 2005. – 784 с.

Долгова Е. В. Репарация межпозвоночных сшивок молекулы ДНК / Е. В. Долгова, А. С. Лихачева, К. Е. Орищенко, Е. А. Алямкина, С. С. Богачев, М. А. Шурдов // Вестник ВОГиС. – 2010. – Том 14, № 2

Петрусева И. О. Молекулярные механизмы действия системы общегеномной эксцизионной репарации нуклеотидов / И. О. Петрусева, А. Н. Евдокимов, О. И. Лаврик // Acta Naturae (русскоязычная версия). – 2014. – Вып. № 1 (20), том 6. – С. 24-32.

Коничев С. А. Молекулярная биология / С. А. Коничев, Г. А. Севастьянова. – М. : Академия, 2005. – 400 с.

Код для цитирования: Скопировать