XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

ДНК представлена двумя типами молекул: большая – нуклеоид, где закодированы жизненно важные признаки, и малые – внехромосомные факторы наследственности в которых закодированы дополнительные признаки.Бактериальная клетка гаплоидна, а удвоение хромосомы (репликация ДНК) сопровождается делением клетки. Вегетативная репликация хромосомной ДНК обусловливает передачу генетической информации по вертикали от родительской клетки к дочерней. Передача генетической информации по горизонтали осуществляется различными механизмами в результате конъюгации, трансдукции, трансформации.

Внехромосомные молекулы ДНК представлены плазмидами, мигрирующими генетическими элементами – транспозонами и инсервационными (вставочными) или IS- последовательностями. [1].

Индуцированные повреждения ДНК между репликациями могут возникать под действием УФ, рентгеновского излучения, химических агентов и свободных радикалов. При таких повреждениях репаративные системы могут быть не состоятельны, изменения ДНК сохраняются – образуются мутации.

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

Ключевыми элементами SOS-системы являются белки RecA и LexA. RecA ключевой белок процесса гомологичной рекомбинации, способствующий формированию особого R-триплекса с гомологичным участком ДНК и переносу нити ДНК с одной молекулы ДНК на другую. LexA - репрессор группы генов (их количество около 30-40), входящих в состав SOS-регулона. LexA связывается со специфическим десятичленным палиндромом в регуляторных областях генов SOS-регулона и таким образом препятствует их транскрипции.

Белок RecA выполняет несколько функций. Во-первых, он имеет высокое сродство к однонитевой ДНК, поэтому при взаимодействии с ДНК образуется растянутый филамент RecA: ДНК. Во-вторых, RecA в этом комплексе активируется и приобретает свойства весьма специфической протеазы, деградирующей белок-репрессор LexA (точнее, ускоряющей авторасщепление белка LexА, то есть он может быть назван его копротеазой). В результате разрушения LexA открываются гены SOS-регулона, из которых два гена, umuD и umuС, имеют прямое отношение к индуцированному мутагенезу.

Известна специфическую активность RecA* по отношению к белку UmuD. При взаимодействии RecA* с UmuD с N-конца UmuD отщепляются первые 24 аминокислотных остатка и образуется белок UmuD', который принимает непосредственное участие в SOS-мутагенезе.

Итак, в SOS-индуцированных клетках Е. coli в области повреждения формируется особая структура ДНК: вплоть до дефектного нуклеотида расположена двунитевая ДНК, с З'-ОН-концом последнего правильного нуклеотида которой связана ДНК-полимераза III, затем идут дефектный нуклеотид в матричной нити и однонитевая ДНК в виде филамента (RecA* : ДНК). Есть еще два уже упомянутых белка - UmuD' и UmuC, которые образуют комплекс (UmuD')₂UmuC. Основная задача этого комплекса - "проскочить" сложный дефект и, желательно, без потерь, то есть без формирования бреши напротив дефекта. Подобный вариант синтеза и носит наименование TLS (translesion synthesis). Как правило, TLS сопровождается включением во вновь синтезируемую нить нуклеотида, некомплементарного исходному основанию в матрице. В результате возрастает выживаемость клетки (SOS-репарация) и возникает мутация (SOS-мутагенез) [2].

Биосенсоры – это разновидность химических сенсоров, в которых система распознавания имеет биохимическую природу и использует реакции либо индивидуальных биомолекул, либо биологических надмолекулярных структур. По определению биосенсора элемент биологического распознавания должен находиться в прямом пространственном контакте с преобразователем. Уникальной особенностью биосенсоров в отличие от химических датчиков является высокая специфичность биоузнающего элемента, а также его способность осуществлять узнавание без дополнительных затрат энергии. Биосенсоры могут использоваться для мониторинга веществ как биологической, так и небиологической природы.[3]

В генетической токсикологии для выявления и оценки мутагенной активности химических факторов окружающей среды принят поэтапный подход. На первом этапе тестирования используются бактериальные тест-системы и клеточные культуры. На втором этапе вещества, показавшие активность на этапе скрининга. На этапе первичной оценки мутагенной активности химических соединений чаще всего применяют тест Эймса. В качестве такового был предложен метод регистрации индукции SOS-ответа в клетках Е. coli, получивший название «SOS-хромотест» Сконструировали штамм E. coli PQ37 путем слияния хромосомного гена sfiA, детерминирующего одну из SOS-функций клетки – контроль клеточного деления, с фагом Mudlac, несущим беспромоторный ген lacZ. Последний попадает под контроль промотора SOS-гена и позволяет оценивать SOS-индуцирующий эффект различных химических соединений путем определения активности β-галактозидазы. Результаты изучения активности с помощью SOS-хромотеста большого числа химических соединений , включая и перекись водорода. Было показано, что перекись водорода является индуктором SOS-ответа в клетках E. coli PQ37 и его активность более выражена в клетках E. coli PQ300, отличающихся от E. coli PQ37 наличием делеции в гене антиоксидантной защиты OxyR. Несмотря на то что SOS-хромотест позволяет регистрировать активность генотоксичных соединений, включая перекиси так называемых окислительных мутагенов, то есть веществ, которые сами по себе не являются окислителями, однако нарушают естественный баланс между оксидантными и антиоксидантными процессами в клетке и, соответственно, приводят к развитию окислительного стресса. К числу таких агентов относятся некоторые соединения металлов, наночастицы, прооксиданты и другие индукторы окислительного стресса. Тестирование химических соединений на их способность индуцировать окислительный стресс в клетках стало возможным благодаря штаммам E. coli, содержащим плазмиду, в которую встроена генетическая конструкция с различными индуцируемыми промоторами, слитыми с lux-генами светящихся бактерий в качестве генов-репортеров. Такие штаммы получили название lux-биосенсоров и используются для обнаружения в компонентах окружающей среды тяжелых металлов , антибиотиков , токсичных и генотоксичных соединений [4].

Литература

Асонов Н. Р. Микробиология. 3 изд., перераб. и доп. / Н. Р. Асонов. – М.: Колос, 1997. – 352 с.

Сойфер В. Н. Репарация генетического повреждения / В. Н. Сойфер. – Вирджиния США, 1997

Turner A., Karube I., Wilson G. Biosensors, fundamentals and applications / University Press, Oxford. 1987.

Абилев С. К., Глазер В. М. Генетическая токсикология / С. К. Абилев, В. М. Глазер – М.:Генетика, 2013. – 81–93 c.