Регуляция репликации ДНК в клетке

Обновлено: 25.02.2024

Интернет-проект ПостНаука 11 ноября 2014 г.

30 октября 2014 в журнале Cell Reports была опубликована статья с описанием механизма регуляции репликации ДНК белком SUUR. Мы попросили прокомментировать эти результаты одного из авторов исследования, кандидата биологических наук Алексея Пиндюрина.

Делению каждой клетки предшествует удвоение числа хромосом. Основу хромосом составляют молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), которые и должны быть удвоены (реплицированы). Своевременность, точность и завершенность репликации ДНК находятся в клетке под особым контролем.

Удвоением ДНК занимается специализированный многокомпонентный белковый комплекс реплисома (replisome). Процесс репликации ДНК начинается в особых районах хромосом — ориджинах репликации (origins of replication). Затем на так называемой стадии элонгации от каждого ориджина в противоположные стороны двигаются две реплисомы. Реплисомы, двигающиеся от двух соседних ориджинов навстречу друг другу, полностью удваивают соответствующий фрагмент ДНК. При этом не все репликоны (участки между двумя точками начала репликации) удваиваются одновременно. Разница во времени репликации обусловлена, по крайней мере, двумя причинами. Во-первых, ориджины репликации располагаются в геноме неравномерно. Как следствие, для удвоения более длинных репликонов требуется больше времени. Во-вторых, не все ориджины репликации начинают работать в одно и то же время. Как правило, сначала реплицируются последовательности ДНК активных генов, а затем остальные последовательности. Процесс начала репликации на ориджинах изучен достаточно хорошо, и было принято считать, что удвоение ДНК регулируется преимущественно на этой стадии.

Обычно клеточный цикл представляет собой репликацию ДНК, расхождение хромосом и собственно деление клетки. В некоторых тканях, например в печени, хромосомы удваиваются, но из-за отсутствия деления образуются клетки с увеличенным числом хромосом (полиплоидные клетки). В некоторых специализированных тканях двукрылых насекомых нарушается также и расхождение дуплицированных хромосом друг от друга. Таким образом, после нескольких циклов удвоения ДНК образуются гигантские политенные хромосомы, которые в силу своего большого размера являются очень удобным объектом для разных исследований, включая и репликацию ДНК.

Уже давно было известно, что определенные фрагменты ДНК в политенных хромосомах дрозофилы представлены значительно меньшим числом копий из-за того, что процесс их репликации нарушен. Эти так называемые «недореплицированные» районы хромосом обладают повышенной ломкостью. В конце прошлого века сотрудники нашего института выявили фактор, который отвечает за этот феномен. Им оказался белок SUUR (Suppressor of UnderReplication). Чуть позднее было показано, что недореплицированные районы часто лишены ориджинов репликации, поэтому их удвоение полностью зависит от реплисом, приходящих извне. Каким именно образом белок SUUR нарушает процесс репликации ДНК, было неясно. Предполагалось, что этот белок может выполнять барьерную функцию на границе районов недорепликации, сильно замедляя или даже полностью останавливая продвижение реплисом.

В настоящей работе мы вместе с коллегами из Медицинского центра Эразма (Нидерланды) и Массачусетского технологического института (США) показали, что белок SUUR воздействует на репликацию ДНК совершенно неожиданным способом. Вместо того чтобы локализоваться в определенных местах хромосом и блокировать продвижение реплисом через них, этот белок перемещается вместе с реплисомами и при этом притормаживает их. Мы обнаружили, что SUUR взаимодействует с одним из белков, участвующих в расплетении двойной спирали ДНК — процессе, который осуществляется компонентами реплисомы и непосредственно предшествует синтезу дочерних цепей. Имеющиеся данные указывают на то, что тормозящая активность белка SUUR модулируется характерными сочетаниями белков упаковки ДНК и регуляторов активности генов.

Для чего требуется такой дополнительный механизм регуляции процесса репликации ДНК, по-прежнему остается неясным. Однако теперь становится понятно, каким образом возникают ломкие сайты политенных хромосом у дрозофилы. Необходимо отметить, что в хромосомах человека также имеются сайты, в которых при умеренном репликативном стрессе цепи ДНК могут удваиваться не полностью. В результате это приводит к хромосомным перестройкам и может вызывать нарушения развития, умственную отсталость и различные раковые заболевания. Можно предполагать, что причина возникновения таких ломких сайтов хромосом кроется в нарушении процесса репликации ДНК именно на стадии элонгации.

Регуляция репликации днк

Подробное рассмотрение молекулярных механизмов регуляции репликации ДНК выходит за рамки книги, поэтому ограничимся несколькими замечаниями по данному вопросу и более детально обсудим лишь механизм регуляции репликации у E. coli, в том числе и бактериальных плазмид, что имеет непосредственное отношение к функционированию плазмидных векторов в бактериальных клетках.

Синтез ДНК тесно связан с другими процессами, подготавливающими деление клеток, так как передача необходимой генетической информации родительских клеток дочерним является для клеток-потомков жизненно важной. Наличие избыточной генетической информации отрицательно сказывается на жизнеспособности клеток, тогда как недостаток ее, возникающий вследствие недорепликации ДНК, приводит к летальному эффекту из-за отсутствия жизненно важных генов. Однако процесс передачи генетической информации от родительских клеток дочерним у эукариот не ограничивается простой редупликацией ДНК хромосом. Так, для насекомых многих видов характерно наличие гигантских политенных хромосом, которые возникают в результате множественных раундов репликации ДНК исходных хроматид, не сопровождающейся их расхождением.

Политенизация хромосом представляет обширный класс генетических явлений, связанных с избирательной избыточной репликацией (мультипликацией) или недорепликацией отдельных генетических локусов эукариот. Ярким примером такого рода является изменение числа генов рибосомных РНК у животных. Амплификация генов рРНК в ооцитах амфибий происходит путем образования их внехромосомных (экстрахромосомных) копий в виде кольцевых молекул рибосомных (р) ДНК, которые далее реплицируются по механизму "катящегося кольца". При этом в каждой клетке амплифицируется только по одному из сотен повторов рДНК, так что амплификация рДНК на одном повторе каким-то образом подавляет процесс амплификации на других, и все образовавшиеся повторы одного ооцита идентичны, но отличаются от наборов амплифицированных рДНК других ооцитов. Строгая стадие- и тканеспецифичность, а также избирательная амплификация только одного повтора рДНК указывают на наличие тонких регуляторных механизмов процесса репликации и в этом случае.

Характерными примерами возрастания числа генов вследствие их избирательной репликации являются магнификация генов рРНК и изменение числа генов, определяющих устойчивость клеток к лекарственным препаратам. В первом случае утрата части генов рРНК у дрозофилы в результате делеции сопровождается постепенным восстановлением их числа, тогда как во втором случае у клеток, находящихся в условиях селективного действия токсичного для них лекарственного препарата, возрастает число копий генов, необходимых для его нейтрализации. В частности, это характерно для гена дигидрофолатредуктазы в присутствии метотрексата. Высказывается предположение, что в основе изменения числа копий таких генов лежит механизм неравного кроссинговера.

Репликация хромосом бактерий тесно сопряжена с метаболизмом клеток. Например, частота инициаций новых раундов репликации зависит от скорости роста бактериальных клеток, и в клетках быстро растущих бактерий могут содержаться хромосомы с несколькими работающими репликативными вилками, хотя для репликации одной бактериальной хромосомы их требуется только две, инициированные в единственной области начала репликации (ori) и расходящиеся в противоположных направлениях. Это позволяет бактериям при благоприятных условиях затратить для генерации меньше времени, чем для полной репликации бактериальной хромосомы. Очевидно, что для поддержания строго упорядоченного характера репликации должны существовать тонкие механизмы регуляции репликации на уровне инициации новых раундов. Такие механизмы, действительно, существуют.

Наиболее хорошо изученными в настоящее время являются механизмы регуляции синтеза ДНК у E. coli, в том числе механизмы контроля числа копий у небольшой плазмиды E. coli ColE1, которые будут рассмотрены ниже более подробно из-за важности этих явлений для генной инженерии.

Раскрыты механизмы регуляции репликации ДНК


Временной порядок репликации ДНК тесно связан с архитектурой генома. Однако механизмы участия в этих процессах цис-регуляторных элементов хромосом по-прежнему оставались неясными. Генетическая информация организма, представленная в структурах ДНК, реплицируется через равные временные интервалы. Это витально необходимо для каждого организма и определяет широкий спектр процессов жизнедеятельности — от реакций адаптации до фенотипических морфологических характеристик.

Впервые репликация ДНК была описана более 60 лет назад. Однако с тех пор исследователи всего мира не смогли приблизиться к пониманию тонкостей регуляции этого процесса. В новом исследовании командой ученых Университета штата Флорида (Florida State University), США, был описан каскад регуляции клеточных процессов репликации ДНК, что стало важным шагом в направлении будущих исследовательских и терапевтических возможностей генетики. В статье, опубликованной в издании «Cell» 27 декабря 2018 г., авторы описали механизм функционирования регуляторных фрагментов, являющихся частью ДНК и контролирующих процессы репликации.

Процесс репликации ДНК и механизмы его контроля

Профессор молекулярной биологии Дэвид М. Гилберт (David M. Gilbert) отметил, что механизм репликации ДНК представлялся процессом достаточно устойчивым к каким бы то ни было внешним экспериментальным влияниям. Ранее были даны подробные описания этого механизма с указанием особенностей изменения в разных типах клеток и аспектов его нарушения в условиях клеточной патологии. Однако до настоящего времени оставался неизвестным наиболее важный аспект этого сложного каскада взаимодействий — элементы управления или последовательности ДНК, осуществляющие контроль.

Ранее командой исследователей были продемонстрированы механизмы дублирования различных сегментов хромосом, что послужило материалом более 100 работ по исследованию структурных характеристик и репликации хромосом. В ходе нового исследования коллективом ученых проведен ряд молекулярных экспериментов, позволивших наблюдать более 100 генетических мутаций ДНК, в поисках возможностей увидеть результат, который бы позволил наилучшим образом объяснить процессинг регуляции репликации ДНК.

В частности, при изучении одного из сегментов ДНК с максимально возможным разрешением в модели 3D вдоль молекулярной цепи ДНК ученым удалось идентифицировать три характерные последовательности, нередко соприкасающиеся друг с другом. На последующем этапе работы для одновременного выделения обнаруженных фрагментов исследователи применили технологию CRISPR, позволяющую редактировать геномные последовательности. Продолжив наблюдение, исследователи установили, что удаление этих элементов привело к смещению времени репликации изучаемого сегмента от начала до конца процесса. Таким образом, наблюдаемый результат стал основанием для вывода о том, что выявленные три элемента в совокупности являются ключом управления процессом репликации ДНК. Также в дополнение к влиянию на время репликации установлено, что удаление этих трех элементов вызывало резкое изменение трехмерной структуры молекулы ДНК.

На пути к генной терапии наследственных заболеваний

Комментируя полученные результаты, авторы подчеркнули, что впервые в истории генетики описаны конкретные геномные последовательности, непосредственно регулирующие как структуру хроматина, так и время репликации. Новые данные объясняют одну из возможных моделей внутриклеточного ДНК-процессинга, а также то, каким образом схемы этого процессинга могут оказывать влияние на функциональность наследственного материала. Более глубокое понимание того, как регулируется репликация ДНК, открывает новые пути исследований в области генетики и терапевтических возможностей геномного редактирования. Возможности изменения и управления временными параметрами репликации позволяют полностью изменить интерпретацию генетической информации клетки.

По словам исследователей, такой потенциал генной терапии поистине безграничен и вдохновляет на поиск новых перспектив в терапии сложных генетических заболеваний, обусловленных смещением временных параметров репликации ДНК. «Если дублирование, репликация наблюдаются в другом месте и времени, создаваемая при этом белковая структура может быть абсолютно иной. Клеточные механизмы репликации подвержены временным изменениям. Однако подобные изменения трансформируют фенотип генетической информации», — отметил Д.М. Гилберт.

Регуляция репликации ДНК в клетке

• Репликация происходит после прохождения клеткой точки рестрикции или START

• Репликация регулируется поэтапно и скоординирована с наступлением митоза

• Репликация происходит в точках инициации, которые могут обладать особой первичной структурой, специфическим положением, или располагаться в ДНК на определенных расстояниях

• Инициация происходит только в разрешенных точках, способных к репликации

• Осуществив свои функции, до наступления следующего цикла, точки начала репликации не могут использоваться повторно

Когда клетки проанализировали состояние окружающей среды и приняли решение вступить в цикл деления, они проходят точку G1/S и начинают репликацию ДНК. Как клетки объединяют и активируют факторы, необходимые для репликации ДНК? Какие механизмы контроля гарантируют, что клетка лишь однажды реплицировала ДНК, и только один раз в цикле?

Хотя пока невозможно дать полные ответы на эти вопросы, в результате идентификации и анализа последовательности дрожжевых хромосомных ДНК, способных к независимой репликации, было получено много информации о самом процессе репликации ДНК Эти последовательности в хромосоме, называемые автономно реплицирующиеся последовательности (ARS), являются частью точек начала репликации. Точка инициации или начала (ориджин репликации) представляет собой участок последовательности ДНК, на котором начинается репликация.

У почкующихся дрожжей, но не у большинства других организмов, точки начала репликации представлены небольшими консенсусными последовательностями. У сливающихся дрожжей эти точки занимают большие участки ДНК, богатые АД парами, но не отличаются какой-то особой структурой. У остальных эукариот точки начала репликации расположены случайно, в соответствии с распределением по геному белков, неспецифически связанных с ДНК.

Для того чтобы гарантировать своевременную дупликацию генома, на хромосоме должно быть достаточное количество точек начала репликации. У бактерий для репликации единственной кольцевой хромосомы необходима лишь одна точка начала, однако у эукариот, имеющих большой геном, распределенный по многим линейным хромосомам, должно быть много точек начала репликации. У почкующихся дрожжей, величина генома которых составляет около 13 Мб, в 16 хромосомах находится примерно 400 точек начала репликации.

Это создает несколько проблем, связанных с регуляцией процесса репликации. Функционирование точек начала репликации должно быть скоординировано с клеточным циклом таким образом, чтобы репликация начиналась только в течение S фазы. Должна быть полная уверенность в том, что репликация завершилась до перехода клетки в митоз. Каждая из точек начала репликации должна функционировать только один раз, с тем чтобы гарантировать, что ДНК реплицируется лишь один раз за цикл.

Сборка пререпликативного комплекса

В продолжение всего клеточного цикла 0RC связан с точкой начала репликации на хромосоме.
В течение короткого промежутка времени, от поздего митоза до G1, с точкой начала также связываются белки, активирующие репликацию,
Cdc6 и Cdt1, что, в свою очередь, активирует гексамерный МСМ геликазный комплекс (МСМ2-7).
Этот этап завершает снятие блока репликации и сборку пре-RC.

Точки начала репликации связывают факторы, необходимые для активации репликации и инициации синтеза ДНК. Инициация репликации ДНК происходит только в тех точках, которые содержат связанные факторы и которые поэтому относятся к разрешенным точкам. Однако в каждом раунде репликации ДНК в процессе участвует ограниченный набор потенциальных начальных точек, присутствующих в хромосомах. Более того, по мере активации в разное время различных разрешенных начальных точек, события инициации также происходят через различные интервалы времени. Например, некоторые точки активируются в ранней S-фазе, а другие переходят в это состояние позже.

Неизвестно, чем задается этот временной фактор, но похоже, что расположение специфической точки начала репликации на хромосоме определяет время ее наступления.

Ддя того чтобы репликация началась, в точке начала должен сформироваться пререпликативный комплекс (pre-RC). В результате проведения генетических исследований на дрожжах и биохимических экспрериментов на экстрактах яйцеклеток Xenopus, выяснилась картина сборки pre-RC. Процесс начинается со связывания с ДНК комплекса из шести белков, который носит название комплекса, распознающего область начала репликации (origin recognition complex, ORC). Этот комплекс помечает потенциальную точку начала репликации, однако его недостаточно для активации. Он служит платформой для связывания еще двух консервативных белков: Cdc6, который относится к семейству ААА+АТФазы, и Cdt1. (Многие белки, обладающие АТФазным доменом, для выполнения работы используют энергию АТФ.)

Затем к ним присоединяется комплекс поддерживающий минихромосому (minichromosome maintenance complex, МСМ), представляющий собой кольцевую структуру, состоящую из шести родственных белков, которые также относятся к большому семейству ААА+АТФаз. Комплексы МСМ присутствуют в избытке и распространяются за пределы точки начала репликации. После присоединения МСМ, ORC и Cdc6 становятся необязательными компонентами и pre-RC переходит в состояние способное к активации. Порядок событий, происходящих при сборке pre-RC в точках начала репликации, схематически представлен на рисунке ниже.

Сборка pre-RC ограничена промежутком между концом М-фазы и ранней S-фазой, что объясняется следующими причинами. Во-первых, в клетке уровень белка Cdc6 контролируется таким образом, что он присутствует только в этот промежуток времени. В отсутствие белка Cdc6, МСМ белок не связывается с точкой начала репликации. Во-вторых, у Метазоа, белок Cdt1 негативно регулируется другим белком, геминином, который блокирует его активность во всех периодах, за исключением окна в G1. Наконец, сборка самого pre-RC ограничивается активностью митотического CDK-циклинового комплекса.

Субстратами для этого комплекса являются субъединицы ORC, Cdc6 и МСМ. При фосфорилировании Cdc6 инактивируется, а фосфорилирование белка МСМ в S-фазе вызывает его отщепление от ДНК. Поэтому pre-RC может сформироваться только при низкой активности CDK-циклинового комплекса. Это характерно для промежутка между уровнями высокой активности митотического комплекса CDK-циклина в М-фазе, и в S-фазе, когда она снова увеличивается, способствуя активации точки начала репликации.

Каким образом точка начала репликации переходит из пререпликативного в репликативное состояние? Для такого перехода необходимо формирование многих дополнительных белковых комплексов, и процесс находится под контролем двух киназ, комплекса CDK-циклин и Cdc7-Dbf4 (DDK). Таким образом, активность CDK-циклинового комплекса координирует процессы репликации и клеточного цикла. При этом координация может носить как негативный (предотвращая сборку pre-RC и, таким образом, повторное функционирование точек начала репликации), так и позитивный характер (промотируя активацию точек начала репликации). К числу вопросов, ожидающих своего ответа, относится вопрос относительно субстратов киназ, промотирующих инициацию репликации.

Если комплексы CDK-циклин обеспечивают координацию процессов во всем цикле, то DDK действует на уровне отдельных точек, инициирующих синтез ДНК. К числу наиболее известных субстратов этой киназы относятся сами МСМ-белки. Интересно, что точечная мутация в гене Mcm5 отменяет необходимость присутствия DDK. Это позволяет предполагать, что фосфорилирование приводит к изменению струтуры белка МСМ, что служит причиной инициации репликации. Впрочем, имеющиеся данные свидетельствуют о том, что эти изменения крайне незначительны. На показаны контрольные процессы репликации ДНК с участием CDK и DDK.

Вероятно, лимитирующим процессом инициации репликации в отдельных начальных точках является связывание белка Cdc45, для которого необходимы как CDK-циклиновый комплекс, так и DDK. Связывание этого белка, которое сопровождается образованием дополнительного комплекса, называемого GINS, приводит к раскручиванию спирали ДНК в начальной точке, за счет активации комплекса МСМ, действующего как хеликаза. Таким образом, МСМ превращается из фактора сборки, участвующего в формировании pre-RC, в фермент хеликазу, который является частью комплекса элонгации. Раскручивание двойной спирали ДНК в точке начала репликации приводит к образованию однонитевой ДНК, которая связывает специфический белок RPA, относящийся к группе белков, связывающихся с однонитевой ДНК (ssDNA binding proteins).

В свою очередь, белок RPA способствует связыванию комплекса праймаза/ДНК-полимераза альфа, который инициирует синтез ДНК. Комплекс МСМ и Cdc45 движется вдоль ДНК, формируя расширяющуюся репликативную вилку, которая образует большую реплисому, включающую в основном ДНК-полимеразу 6, а не полимеразу а. Процессы инициации репликации ДНК представлены на рисунке ниже. В поддержании функционирования реплисомы и защите ДНК в области репликативной вилки от повреждений участвуют контрольные точки и системы репарации ДНК.

Как только МСМ отошли от точки начала репликации, она считается «использованной» и не может активироваться повторно до окончания следующей М-фазы, пока в начальной точке снова не сформируется pre-RC. По мере прохождения S-фазы, МСМ удаляются из хроматина. Наряду с этим, при движении репликативной вилки устанавливаются связи, соединяющие вместе до наступления митоза вновь образованные сестринские хроматиды. Таким образом, завершение S-фазы связано с формированием структур, необходимых для правильной сегрегации хромосом в митозе, что свидетельствует об образовании связей между различными фазами клеточного цикла.

Функция точек начала репликации также регулируется на уровне целой хромосомы. Целесообразно напомнить, что в клетке ДНК с помощью нуклеосом упакована в хроматин, который накладывает на нее ряд структурных ограничений. Это обстоятельство может влиять на временную организацию репликации; например не на всех точках начала в S-фазе репликация происходит в одно и то же время. В некоторых случаях относительное время наступления активации точек начала репликации может определяться не самой точкой, а ее расположением на хромосоме. Точки, расположенные поблизости от транскрипционно-активного эухроматина, инициируются раньше, чем расположенные вблизи транскрипционно-неактивного гетерохроматина, которые обычно инициируются в поздней S-фазе.

Например, точки, расположенные вблизи теломерных областей хромосом (которые обычно транскрипционно неактивны), реплицируются в конце S-фазы. Это общее правило подтверждается изящными экспериментами, выполненными на почкующихся дрожжах. В этих экспериментах перемещение поздней точки начала репликации в эухроматиновую область приводило к ее ранней репликации, и наоборот Однако время наступления начала репликации контролируется также внутренними факторами, присущими самой точке, и роль структуры хроматина и ядра в динамике репликации выяснена недостаточно.

Таким образом, процесс дупликации генома требует интеграции разнообразных сигналов, связывающих вместе регуляторные системы всего клеточного цикла, контролирующие состояние клетки (CDK), и специфические белки хроматина, которые регулируют индивидуальные cis-сайты. Скоординированное действие CDK и DDK демонстрирует, как различные типы киназ обеспечивают выработку конвергентного сигнала, управляющего прохождением клетки по циклу.

Сборка пре-RC происходит в поздней М-фазе и в G1, когда активность CDK и DDK находится на низком уровне.
По мере роста их активности начинается инициация синтеза ДНК.
После инициации npe-RC разбирается и может быть собран повторно, только когда в конце митоза активность CDK снова понизится.
Инициация синтеза ДНК регулируется CDK и DDK.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Регуляция репликации ДНК в клетке

Мутация и репарация

253

Генетическая информация кодируется последовательностью оснований ДНК и поэтому изменения в структуре или последовательности азотистых оснований приводят к мутациям. Многие мутагены вызывают нарушения регуляции роста и деления клеток и поэтому являются канцерогенными . Изменение в структуре генов ( мутация ) — важный фактор биологической эволюции . В то же время слишком высокая скорость мутаций ставит под вопрос существование индивидуальных организмов или целых видов. Поэтому клетки обладают механизмами восстановления ( репарации ), которые корректируют большинство изменений ДНК, вызываемых мутациями.

А. Мутагенные агенты

Мутации могут возникать в результате либо воздействия физических или химических факторов, либо ошибок в процессе репликации и рекомбинации ДНК.

Одним из наиболее важных физических мутагенов является ионизирующая радиация . Она приводит к образованию в клетке свободных радикалов (молекул с неспаренными электронами, см. с. 20), которые исключительно реакционноспособны и могут повредить ДНК. Коротковолновый ультрафиолетовый свет (УФ) также оказывает мутагенное действие, особенно на клетки кожи. Наиболее распространенным химическим изменением, вызванным ультрафиолетовым облучением, является образование тиминовых димеров ( 2 ). когда два соседних тиминовых оснований ковалентно связываются друг с другом. Это приводит к ошибкам при считывании ДНК во время репликации и транскрипции.

Из множества химических мутагенов здесь приведен только несколько примеров. Азотистая кислота (HNO 2 ) и гидроксиламин (NH 2 OH) дезаминируют азотистые основания, т. е. превращают цитозин в урацил, а аденин в инозин. Алкилирующие соединения имеют реакционные группы, которые могут образовывать ковалентные связи с азотистыми основаниями, входящими в ДНК (см. с. 388). Метилнитрозамины ( 3 ) распадаются с образованием реакционноспособного метилкатиона (СН 3 - ), который метилирует группы ОН и NH 2 в ДНК. Ароматический углеводород бензпирен сам по себе безвреден, но в результате метаболической трансформации образует производные, обладающие канцерогенным действием ( 4 ). За счет гидроксилирования одного из колец он превращается в реакционноспособный эпоксид, который алкилирует аминогруппу гуанина и других азотистых оснований. Токсичен и свободный радикал бензпирена.

Б. Результат действия мутагенов

Азотистая кислота вызывает точковые мутации ( 1 ). Например, С превращается в U, который в следующем цикле репликации образует пару с А (вместо G). после чего изменение принимает необратимый характер. Мутации типа вставки или выпадения некоторого числа нуклеотидов, не кратного трем, ведут к ошибочной трансляции всей ДНК, поскольку они сдвигают рамку считывания ( 2 ). При трансляции измененная мРНК будет интерпретироваться рибосомами по-другому, приводя к совершенно иной аминокислотной последовательности, что показано на простом примере ( 2 ).

В. Механизмы репарации

Важным механизмом удаления повреждений в ДНК является эксцизионная репарация ( 1 ). Специфическая нуклеаза удаляет небольшой сегмент ДНК, включающий поврежденный участок. Удаленный участок восстанавливается ДНК-полимеразой, использующей в качестве матрицы комплементарную цепь. Наконец, оставшийся одноцепочечный разрыв закрывается ДНК-лигазой. Тиминовые димеры могут быть удалены фотореактивацией ( 2 ). Специфическая фотолиаза связывается с дефектным участком ДНК и после облучения расщепляет димер с образованием отдельных нуклеиновых оснований. Третий механизм — это репарация в результате рекомбинации ( 3 , показано в упрощенном виде). В этом процессе участок, содержащий повреждение, пропускается во время репликации. Образующаяся брешь закрывается путем сдвига соответствующего сегмента из правильно реплицированной второй цепи. Новая брешь ликвидируется с участием полимераз и ДНК-лигаз. В завершение первоначальный дефект ( 1 ) устраняется путем вырезания.

Читайте также: