ВІДНОВЛЕННЯ УШКОДЖЕНЬ ДНК
ВІДНОВЛЕННЯ УШКОДЖЕНЬ ДНК
Мутагенні і летальні ефекти мутагенів обумовлені структурними ушкодженнями, які вони викликають в молекулах
ДНК. Однак ці пошкодження часто схильні до відновлення. Процес реконструкції пошкоджень ДНК називають восстановле- ням або репарацією ДНК.
Будучи чутливими до того чи іншого виду випромінювання, клітини реагують на УФ-опромінення тим, що в їх ДНК утворюються ушкодження, головні з яких представляють собою фотохімічні зміни в піримідинових підставах, що переходять в піримідинові димер, зокрема в тимінових. Останні утворюються за рахунок ковалентно пов'язаних сусідніх тимінових підстав в одній і тій же ланцюга молекули за допомогою приєднання вуглецю до вуглецю. Крім тимінових димарів, в ДНК опромінених клітин відбувається формування також цитозин-тимінових і цитозин-цитозинових димарів, однак частота їх є меншою. Димеризація фланкуючих підстав в гені супроводжується утрудненням транскрипції. Вона веде також до мутацій. В результаті цього клітина може загинути або піддатися малігнізації.
Один з механізмів відновлення пошкоджень ДНК діє у багатьох видів організмів, включаючи людину, і полягає в тому, що експонування у видимому світлі клітин, попередньо оброблених УФ-випромінюванням, призводить до зниження летального ефекту в кілька разів, т. Е. До реактивації функцій опромінених клітин. Це реактивує дію видимого світла пов'язане з розщепленням (мономерізаціей) піримідинових димерів, причому цей процес забезпечується світлозалежна фотореактівірующім ферментом
Інший механізм видалення димарів піримідинових основ з ДНК опромінених клітин отримав назву темнової репарації або вирізання - відновлення. Так само як і фотореактивації, він являє собою ферментативний процес, але більш складний, притому що проходить в темряві (рис. 59). Цей механізм полягає в тому, що тимінових димери піддаються «вирізання» з ланцюга ДНК, в якій залишаються «дірки», «латає» відновлювальних синтезом ДНК за участю ДНК-полімерази і використанні протилежної ланцюга в якості шаблону. Кінцевий етап в уда- лении піримідинових димерів з ДНК-опромінених клітин шляхом «вирізання» і «латання» «проломів» полягає в змиканні знову реплицироваться ділянки ДНК з сусідніми пошкодженими ділянками і «замазуванні» сахарофосфатнимі скелетних зв'язків за допомогою ферменту ДНК-лігази.
Мал. 58. фотореактивації індукованих УФ-випромінюванням піримідинових димерів в присутності видимого світла
Мал. 59. Вирізання з ДНК піримідинових димерів, індукованих
УФ-випромінюванням: 1 - тимінових димер; 2 - «пролом» в ланцюзі; 3 - розширення «дірки»; 4 - заповнення «дірки» відновлювальних синтезом; 5 - «замазування» одноланцюжкові розриву Третій механізм відновлення пошкоджень ДНК називають постреплікаціонним або рекомбінаційним відновленням (рис. 60). Він полягає в тому, що синтез ДНК в УФ-опромінених клітинах йде з нормальною швидкістю вздовж хромосоми лише до димеру, перед яким сповільнюється на кілька секунд, після чого починається знову, але на іншій стороні димера. Оскільки ДНКполімеразу перескакує через димер, то в дочірньої ланцюга утворюється «дірка». Внаслідок цього район, у якому димер в одному дуплексі, буде інтактним в сестринській дуплексі, т. Е. В дочірніх
молекулах ДНК одна ланцюг містить піримідинові димер, тоді як в інший присутні проломи, які фактично є вторинними ушкодженнями. Отже, район, у якому димери в одному дуплексі, повністю зберігається в сестринській дуплексі. Цей процес закінчується рекомбинацией уздовж молекули ДНК після її реплікації, при якій дочірня ланцюг, що несе в якій-небудь ділянці «пролом», злучається з іншої дочірньої ланцюгом (комплементарної), що несе «пролом» в іншому місці. Це спарювання дозволяє провести відновлювальний синтез, щоб забезпечити відновлення правильної послідовності району в кожній проломи. Як шаблон використовується відповідний інтактних район іншої дочірньої ланцюга. Рекомбінаційні події на рівні кожної «дірки» призводять до реконструкції інтактною молекули ДНК, здатної до подальшої реплікації.
Мал. 60. Постреплікаціонное відновлення ДНК: 1 - пошкоджене підставу; 2 - точка реплікації ДНК; 3 - «пролом»; 4 - рекомбінація між дочірніми хромосомами; 5 - повне відновлення ДНК (але пошкоджене підставу зберігається)
У людини відомий синдром «ксеродерма пігментозум», який характеризується надзвичайною чутливістю шкіри до сонячного світла, в результаті чого вона піддається надлишкової пігмен- тації, а потім часто відбувається і малігнізація клітин шкіри. Виникнення цього синдрому пов'язано з дефектом здатності вирізати тимінових димери з ДНК. Відомий також синдром Блума, що полягає в підвищеній чутливості індивідів
до сонячного світла і пов'язаний з підвищенням сестринських хроматидного обмінів в їх геномах. Цей синдром також пов'язаний з дефектом відновлення ДНК.
Нормально пошкодження ДНК, індуковані сонячним світлом (УФ-компонентом), відновлюються «вирезаніем- відновленням».
Деякі з потенційно летальних або вторинних ушкоджень, індукованих рентгенівським випромінюванням, можуть бути відновлюються за допомогою рекомбінації або будь-якого іншого механізму, в якому беруть участь ферменти-рекомбінази. Передбачається також, що на відміну від пошкоджень ДНК, індукованих УФ-випромінюванням, ушкодження, індуковані рентгенівським випромінюванням, схильні до відновлення (через рекомбінацію) ще до першої постлучевого реплікації.
Пошкодження, що викликаються в ДНК хімічними мутагенами, також відновлюються за допомогою того чи іншого механізму. Кожен з механізмів відновлення ДНК є, по суті, системою захисту ДНК. У той же час відновлення ДНК часто супроводжується помилками, що проявляються у формі мутацій.
Попри те що ДНК є хранителем генетичної інформації, вона має обмежену хімічною стабільністю. У клітинах з досить високою частотою зустрічаються гідроліз, окислення і неензіматіческое метилювання ДНК. Ці реакції взаємодіють з відновленням ДНК. Припускають, що спонтанний розпад ДНК - головний фактор у спонтанному мутагенезу, карциногенезу і старості.
Ймовірно, ДНК кодує корекцію власних помилок.