Ирина Спивак - Экология. Повреждение и репарация ДНК: учебное пособие

• Название: Экология. Повреждение и репарация ДНК: учебное пособие
• Автор: Ирина Спивак
• Жанр: Биология
• Год: 2006

Пособие соответствует государственному образовательному стандарту дисциплин «Экология» и «Физико-химические основы цитологии» подготовки бакалавров по направлению 140400 «Техническая физика».

В пособии описываются проблемы повреждения и репарации ДНК. Излагаются современные представления о развитии глобального ответа клетки на повреждения ДНК и рассматриваются механизмы, отвечающие за сохранение генетической стабильности организмов.

Главное внимание уделено анализу взаимосвязи и взаимозависимости трех Р ДНК-метаболизма: репликации, рекомбинации и репарации, включая биохимию, генетику и эволюцию этих процессов.

Предназначено для студентов дневной, очно-заочной, заочной форм обучения и экстернов, изучающих дисциплины «Экология» и «Физико-химические основы цитологии» в рамках подготовки бакалавров по направлению 140400 «Техническая физика».

---

Экспрессия MGMT регулируется метилированием как самого гена, так и его промотора, причем метилирование промотора приводит к ее ингибированию, а метилирование самого гена к повышению экспрессии MGMT. С метилированием MGMT также связана повышенная устойчивость клеток меланомы к действию хлорэтиловых антиопухолевых препаратов.

4.3. Репарация однонитевых разрывов ДНК

Еще один тип реакций прямой репарации был обнаружен для однонитевых разрывов ДНК, индуцируемых, например, ионизирующим излучением. При этом с помощью фермента ДНК полинуклеотидлигазы (от англ. ligase – соединять, связывать) происходит прямое воссоединение разорванных концов в молекуле ДНК. Здесь у нас есть возможность немного подробнее остановиться на роли лигаз в клетке. ДНК лигазы являются важными ферментами метаболизма ДНК. Они катализируют реакцию объединения концов ДНК, необходимую для репликации ДНК и для тех путей репарации, при которых есть репаративный синтез. У большинства организмов лигазы используют энергию АТФ, и лишь у эубактерий – энергию НАД(+). Интересно, что несмотря на различия в аминокислотных последовательностях и биохимических реакциях между этими двумя классами лигаз, структура аденилирующего домена у них совершенно одинакова.

Полинуклеотидлигаза является основным ферментом у E.coli, а высшие организмы производят несколько различных лигаз, имеющих специфические мишени и функции. Лигаза I необходима для сшивания фрагментов Оказаки и некоторых репарационных реакций, лигаза II не является отдельным самостоятельным ферментом, а появляется как продукт деградации лигазы III, ДНК лигаза III имеет несколько изоформ, вовлеченных в процессы репарации и рекомбинации, а ДНК лигаза IV необходима для V(D)J рекомбинации и негомологичного соединения концов ДНК при воссоединении двунитевых разрывов. Изучение аминокислотной последовательности и структурный анализ показали, что все лигазы построены вокруг общего каталитического кора, подобного таковому у лигазы бактериофага Т-7, структура которого до сих пор недостаточно ясна.

4.4. Репарация АР-сайтов за счет прямой вставки пуринов

Голландский ученый Т. Линдал в 1979 году нашел, что при некоторых типах повреждений пуриновых оснований ковалентная связь между основанием и сахаром (гликозидная связь) может рваться. Тогда в молекуле ДНК на месте этих оснований образуется брешь, названная АР-сайтом. Термин приложим также к случаям, когда из ДНК выпадают пиримидиновые основания (термин АР-сайт, таким образом, объединяет все случаи выщепления оснований с образованием и апуриновых и апиримидиновых сайтов). Описаны ферменты, названные инсертазами (insert – вставлять), которые могут вставлять в брешь такое же основание, какое было до повреждения, и соединять его с сахаром. Например, ДНК-пурин-инсертаза, которая катализирует образование N-гликозидной связи между 1-атомом дезоксирибозы апурин/апиримидинового сайта (АР-сайта), образовавшегося напротив пиримидина, и комплементарным ему основанием. Структура ДНК приобретает исходный неповрежденный вид. Однако только ограниченное число АР-сайтов может быть исправлено с помощью этого типа реакции.

5. Эксцизионная репарация

Существуют более сложные реакции восстановления, напоминающие хирургические вмешательства в структуру ДНК, когда поврежденные участки вырезаются из цепи ДНК (отсюда происходит и термин "эксцизионная репарация", от excision – вырезание), а затем образовавшиеся бреши заполняются неповрежденным материалом. Все типы эксцизионной репарации имеют общие этапы:

1. Распознавание повреждения.

2. Надрезание нити ДНК (сахарофосфатного остова).

3. Эксцизия участка, содержащего повреждение.

4. Репаративный синтез на неповрежденной матрице и лигирование.

Три основных типа эксцизионной репарации получили свои названия в зависимости от того, какие именно повреждения будут исправляться. Эти типы репарации, несмотря на лежащий в их основе общий процесс вырезания участка ДНК с повреждением, принципиально различаются между собой.

5.1. Эксцизионная репарация оснований (base excision repair, BER)

Объектом BER служат неправильно спаренные, алкилированные, окисленные и тому подобное, основания. Как мы уже упоминали ранее, за сутки в каждой клетке человека происходит не менее 105 нуждающихся в коррекции модификаций оснований. Этот тип повреждений не вызывает серьезных изменений в структуре двойной спирали ДНК, приводящих к нарушению репликации ДНК и остановке клеточного цикла, но служит источником мутаций. Механизм BER, возможно, является наиболее древним и важным. Первый этап распознавания поврежденных оснований в этой системе репарации осуществляют специальные белки – гоикозилазы. Это высокоспецифические ферменты, гидролизующие N-гликозидную связь между сахарофосфатным остовом и поврежденным основанием.

ДНК-гликозилазы различаются по своей субстратной специфичности, то есть они способны распознавать только определенные поврежденные основания, а не все подряд. У некоторых из них спектр распознаваемых повреждений достаточно широк, а у некоторых – крайне узок. На рис. 4 приведены различные типы повреждений оснований, которые могут распознаваться и репарироваться системой BER. Обычно определенные повреждения репарируются определенными гликозилазами.

У E.coli к настоящему времени выделено и описано 8, а у человека – 11 различных гликозилаз. В табл. 2 приведены названия 11 описанных к настоящему времени гликозилаз человека и указана специфичность распознавания ими модифицированных или неправильно спаренных оснований. Обратите внимание, что ни одна из гликозилаз не распознает О6-МеG.

Гликозилазы бывают двух типов – 1 типа убирают измененное основание, оставляя в цепи АР-сайт, а 2 типа сразу же надрезают после удаления основания АР-сайт с помощью эндогенной 3’-эндонуклеазы, оставляя после себя однонитевой разрыв. В таком случае принято указывать, что ДНК-гликозилазы 2 типа обладают не только гликозилазной, но и АР-лиазной активностью.

К ферментам 2 типа относится, например, OGG1 (8-оксогуанин-ДНК-гликозилаза эукариот) удаляющая 8-oxoG, к тому же эта гликозилаза обладает и дезоксирибофосфатазной активностью.

Рисунок 4. Типы повреждений оснований, репарируемые системой BER.

Здесь можно остановиться на систематике особых белков – нуклеаз. Они найдены у всех живых организмов – у бактерий, растений, животных, включая человека. Нуклеазами называют ферменты, способные расщеплять сахарофосфатную цепь. Они могут рвать эту цепь внутри полимерной молекулы ДНК или РНК, и тогда их называют эндонуклеазами, или же с концов полимеров, и тогда их называют экзонуклеазами. АР-эндонуклеазы принято делить на два класса: АР-лиазы (АР-эндонуклеазы первого типа) расщепляют связь между 3’-О-атомом дезоксирибозы и атомом фосфора. АР-эндонуклеазы второго типа осуществляют гидролиз связи между 5’-О-атомом дезоксирибозы и атомом фосфора, при этом образуется 5’-дезоксирибоза-5-фосфат и нуклеотид с 3’-гидроксильной группой. Эндонуклеазы второго типа ответственны за репарацию как спонтанно возникающих, так и АР-сайтов, образующихся в ходе гидролиза N-гликозидной связи простыми гликозилазами 1 типа без лиазной активности. Это специальные АР-эндонуклеазы APE1, APEX, Ref-1 или HAP1. АРЕ1 (AP endonuclease-1) активируется взаимодействием с белком XRCC1 и действует с ним в комплексе. О белках, называющихся XRCC (X-ray-induced damage repair cross comlementating) и их роли в различных репаративных реакциях мы поговорим позже. К настоящему времени in vitro проведена эффективная репарация неспаренных оснований U-G с возвращением к паре C: G. Реакция требовала присутствия урацил-ДНК-гликозилазы (UNG), АР-эндонуклеазы (АРЕ1), ДНК-полимеразы β (polβ) и лигазной активности, обеспечиваемой гетеродимером лигаза III/белок XRCC1. На первом этапе реакции белковая глобула UNG при связывании «покрывает» 10 пар оснований ДНК, причем каждая из этих пар взаимодействует со своим подцентром UNG, а распознаваемый урацил (то есть, собственно, связывающийся с активным центром гликозилазы) распложен на расстоянии одного-двух звеньев от 5’-конца декануклеотида, «покрытого» ферментом.

Таблица 2. Гликозилазы в клетках человека

Сравнение данных структурного анализа и аминокислотных последовательностей выявляет общие черты для многих ДНК-гликозилаз. У большинства ферментов в активном центре обнаружен один и тот же повторяющийся мотив «спираль-шпилька-спираль» (Helix-hairpin-Helix, HhH). Помимо HhH-мотива в ДНК-связывающих центрах многих ферментов репарации обнаружен остаток консервативного Asp и Pro/Gly богатый район. Механизм узнавания ДНК для всех гликозилаз сходен, и активные центры этих ферментов могут связываться только с «вывернутыми» из спирали ДНК основаниями. Строение одной из гликозилаз (ALKA-1) и способ ее взаимодействия с поврежденным основанием показаны на рис. 5.