Biologisk roll och biokemiska reparationsmekanismer. Stadium av regenerering och reparation
DNA-syntes sker genom en semi-konservativ mekanism: varje DNA-sträng kopieras. Syntes sker i sektioner. Det finns ett system som eliminerar fel i DNA-reduplicering (fotoreparation, pre-reproduktiv och postreproduktiv reparation). Reparationsprocessen är mycket lång: upp till 20 timmar och komplicerad. Enzymer - restriktionsenzymer skär ut en olämplig del av DNA och kompletterar den igen. Reparationer fortsätter aldrig med 100 % effektivitet, om det gjorde det skulle evolutionär variation inte existera. Reparationsmekanismen är baserad på närvaron av två komplementära kedjor i DNA-molekylen. Förvrängningen av nukleotidsekvensen i en av dem detekteras av specifika enzymer. Därefter tas motsvarande ställe bort och ersätts med ett nytt, syntetiserat på den andra komplementära DNA-strängen. Denna upprättelse kallas excisional, de där. med utskärning. Det utförs före nästa replikeringscykel, så kallas det också pre-replikativ. I händelse av att excisionsreparationssystemet inte korrigerar en förändring som har uppstått i en DNA-sträng fixeras denna förändring under replikationen och den blir egenskapen för båda DNA-strängarna. Detta leder till ersättning av ett par komplementära nukleotider med ett annat eller till uppkomsten av brott i den nyligen syntetiserade kedjan mot de ändrade ställena. Återställande av den normala DNA-strukturen kan också ske efter replikering. Reparation efter svar utförs genom rekombination mellan två nybildade dubbelsträngar av DNA. Under pre-replikativ och postreplikativ reparation återställs det mesta av den skadade DNA-strukturen. Om i cellen, trots den pågående reparationen, mängden skada förblir hög, blockeras processerna för DNA-replikation i den. En sådan cell delar sig inte.
19. Gen, dess egenskaper. Genetisk kod, dess egenskaper. Struktur och typer av RNA. Bearbetning, skarvning. RNA:s roll i processen att förverkliga ärftlig information.
Gen - en del av en DNA-molekyl som bär information om strukturen hos en polypeptidkedja eller makromolekyl. En kromosoms gener är linjärt arrangerade och bildar en länkgrupp. DNA i kromosomen har olika funktioner. Det finns olika sekvenser av gener, det finns sekvenser av gener som styr genuttryck, replikation etc. Det finns gener som innehåller information om strukturen av polypeptidkedjan, i slutändan strukturella proteiner. Sådana sekvenser av nukleotider som är en gen långa kallas strukturgener. Gener som bestämmer plats, tid, varaktighet för inkluderingen av strukturella gener är regulatoriska gener.
Generna är små till storleken, även om de består av tusentals baspar. Närvaron av en gen fastställs genom manifestationen av genens egenskap (slutprodukt). Det allmänna schemat för strukturen av den genetiska apparaten och dess arbete föreslogs 1961 av Jacob, Monod. De föreslog att det finns en del av DNA-molekylen med en grupp strukturella gener. Intill denna grupp finns ett 200 bp-ställe, promotorn (stället för adjunktion av DNA-beroende RNA-polymeras). Operatörsgenen gränsar till denna webbplats. Namnet på hela systemet är operon. Regleringen utförs av en regulatorisk gen. Som ett resultat interagerar repressorproteinet med operatorgenen och operonet börjar fungera. Substratet interagerar med genregulatorerna, operonet blockeras. Återkopplingsprincip. Operons uttryck slås på som en helhet.
I eukaryoter har genuttryck inte studerats. Anledningen är allvarliga hinder:
Organisation av genetiskt material i form av kromosomer
I flercelliga organismer är cellerna specialiserade och därför stängs vissa av generna av.
Närvaron av histonproteiner, medan prokaryoter har "naket" DNA.
DNA är en makromolekyl, den kan inte komma in i cytoplasman från kärnan och överföra information. Proteinsyntes är möjlig på grund av mRNA. I en eukaryot cell sker transkription i en enorm hastighet. Först dyker pro-i-RNA eller pre-i-RNA upp. Detta förklaras av det faktum att i eukaryoter bildas mRNA som ett resultat av bearbetning (mognad). Genen har en diskontinuerlig struktur. De kodande regionerna är exoner och de icke-kodande regionerna är introner. Genen i eukaryota organismer har en exon-intronstruktur. Intronet är längre än exonet. Under bearbetningsprocessen "klipps ut" introner - skarvning. Efter bildandet av ett moget mRNA, efter att ha interagerat med ett speciellt protein, passerar det in i ett system - informosomen, som bär information till cytoplasman. Nu är exon-intron-system väl studerade (till exempel onkogen - P-53). Ibland är intronerna av en gen exoner av en annan, då är splitsning inte möjlig. Bearbetning och splitsning kan kombinera strukturer som är avlägsna från varandra till en gen, så de är av stor evolutionär betydelse. Sådana processer förenklar artbildning. Proteiner har en blockstruktur. Till exempel är enzymet DNA-polymeras. Det är en kontinuerlig polypeptidkedja. Den består av sitt eget DNA-polymeras och endonukleas, som klyver DNA-molekylen från änden. Enzymet består av 2 domäner som bildar 2 oberoende kompakta partiklar länkade av en polypeptidbrygga. Det finns ett intron vid gränsen mellan två enzymgener. En gång var domänerna separata gener, och sedan kom de närmare. Brott mot en sådan genstruktur leder till gensjukdomar. Brott mot strukturen av intronen är fenotypiskt omärklig, en kränkning av exonsekvensen leder till mutation (mutation av globingener).
10-15% av RNA i en cell är transfer-RNA. Det finns kompletterande regioner. Det finns en speciell triplett - ett antikodon, en triplett som inte har komplementära nukleotider - GHC. Interaktionen mellan 2 subenheter av ribosomen och mRNA leder till initiering. Det finns 2 platser - pectidyl och aminoacyl. De motsvarar aminosyror. Syntes av polypeptiden sker steg för steg. Förlängning - processen att bygga en polypeptidkedja fortsätter tills den når ett meningslöst kodon, sedan sker avslutning. Syntesen av polypeptiden slutar, som sedan går in i ER-kanalerna. Underenheterna separeras. Olika mängder protein syntetiseras i en cell.
Föreläsningsöversikt 1. Typer av DNA-skador 1. Typer av DNA-skador 2. DNA-reparation, typer och mekanismer: 2. DNA-reparation, typer och mekanismer: Direkt Direkt Excision Excision Postreplikativ Postreplikativ SOS-reparation SOS-reparation 3. Reparation och ärftliga sjukdomar 3. Reparation och ärftliga sjukdomar
Processen att återställa den ursprungliga DNA-strukturen kallas DNA-reparation, eller genetisk reparation, och systemen som är involverade i den kallas reparationssystem. Processen att återställa den ursprungliga DNA-strukturen kallas DNA-reparation, eller genetisk reparation, och systemen som är involverade i den kallas reparationssystem. För närvarande är flera mekanismer för genetisk reparation kända. Vissa av dem är enklare och "slår på" omedelbart efter DNA-skada, andra kräver induktion av ett stort antal enzymer, och deras verkan förlängs med tiden. För närvarande är flera mekanismer för genetisk reparation kända. Vissa av dem är enklare och "slår på" omedelbart efter DNA-skada, andra kräver induktion av ett stort antal enzymer, och deras verkan förlängs med tiden.
Ur den molekylära mekanismens synvinkel kan primär skada i DNA-molekyler elimineras på tre sätt: Ur den molekylära mekanismens synvinkel kan primär skada i DNA-molekyler elimineras på tre sätt: 1. direkt återgång till det ursprungliga tillståndet; 1. Direkt återgång till ursprungligt tillstånd; 2. skära ut det skadade området och ersätta det med ett normalt; 2. skära ut det skadade området och ersätta det med ett normalt; 3. rekombinationsåtervinning som går förbi det skadade området. 3. rekombinationsåtervinning som går förbi det skadade området.
Spontan DNA-skada Replikationsfel (uppkomst av icke-komplementära baspar) Replikationsfel (uppkomst av icke-komplementära baspar) Apurinisering (klyvning av kvävehaltiga baser från en nukleotid) Apurinisering (klyvning av kvävehaltiga baser från en nukleotid) Deaminering (klyvning av kvävehaltiga baser från en nukleotid) aminogrupp) Deaminering (klyvning av en aminogrupp)
Inducerad DNA-skada Dimerisering (tvärbindning av intilliggande pyrimidinbaser för att bilda en dimer) Dimerisering (bindning av intilliggande pyrimidinbaser för att bilda en dimer) DNA-brott: enkel- och dubbelsträngat DNA-brott: enkel- och dubbelsträngar Tvärbindningar mellan DNA-strängar Tvärbindningar mellan DNA-strängar
DIREKT DNA-REPARATION Denna typ av reparation ger direkt återställande av den ursprungliga DNA-strukturen eller avlägsnande av skada. Denna typ av reparation ger direkt återställande av den ursprungliga DNA-strukturen eller avlägsnande av skada. Ett utbrett reparationssystem av detta slag är fotoreaktivering av pyrimidindimerer. Ett utbrett reparationssystem av detta slag är fotoreaktivering av pyrimidindimerer. Detta är hittills den enda kända enzymatiska reaktionen där aktiveringsfaktorn inte är kemisk energi, utan energin från synligt ljus. Detta är hittills den enda kända enzymatiska reaktionen där aktiveringsfaktorn inte är kemisk energi, utan energin från synligt ljus. Detta aktiverar enzymet fotolyas, som separerar dimererna. Detta aktiverar enzymet fotolyas, som separerar dimererna.
Fotoreparation Schematiskt ser ljusreparation ut så här: 1. Normal DNA-molekyl Bestrålning med UV-ljus 2. Mutant DNA-molekyl - bildning av pyrimidindimerer. Verkan av synligt ljus 3. Syntes av fotolyasenzym 4. Klyvning av dimerer av pyrimidinbaser 5. Återställande av normal DNA-struktur
Det har fastställts att, förutom 5'-3'-polymerasaktivitet, har de flesta polymeraser 3'-5'- exonukleasaktivitet, vilket säkerställer korrigering av möjliga fel. Det har fastställts att, förutom 5'-3'-polymerasaktivitet, har de flesta polymeraser 3'-5'- exonukleasaktivitet, vilket säkerställer korrigering av möjliga fel. Denna korrigering utförs i två steg: först kontrolleras varje nukleotid för överensstämmelse med mallen innan den ingår i den växande kedjan och sedan innan nästa nukleotid ingår i kedjan. Denna korrigering utförs i två steg: först kontrolleras varje nukleotid för överensstämmelse med mallen innan den ingår i den växande kedjan och sedan innan nästa nukleotid ingår i kedjan. DNA-REPARATION PÅ GRUND AV EXONUKLASAKTIVITET HOS DNA-POLYMERASER
När fel nukleotid sätts in deformeras dubbelhelixen. Detta gör att DNA-P i de flesta fall kan känna igen en defekt i den växande kedjan. Om den felaktigt insatta nukleotiden inte kan bilda en vätebindning med den komplementära basen, kommer DNA-II att avbryta replikationsprocessen tills den korrekta nukleotiden tar dess plats. I eukaryoter har DNA-P inte 3-5 exonukleasaktivitet. När fel nukleotid sätts in deformeras dubbelhelixen. Detta gör att DNA-P i de flesta fall kan känna igen en defekt i den växande kedjan. Om den felaktigt insatta nukleotiden inte kan bilda en vätebindning med den komplementära basen, kommer DNA-II att avbryta replikationsprocessen tills den korrekta nukleotiden tar dess plats. I eukaryoter har DNA-P inte 3-5 exonukleasaktivitet.
Reparation av alkyleringsskador Genetiska skador orsakade av tillsats av alkyl- eller metylgrupper kan repareras genom att dessa grupper avlägsnas med specifika enzymer. Det specifika enzymet O 6-metylguanintransferas känner igen O 6-metylguanin i DNA och tar bort metylgruppen och återställer basen till sin ursprungliga form. Genetiska skador orsakade av tillsats av alkyl- eller metylgrupper kan repareras genom att dessa grupper avlägsnas med specifika enzymer. Det specifika enzymet O 6-metylguanintransferas känner igen O 6-metylguanin i DNA och tar bort metylgruppen och återställer basen till sin ursprungliga form.
Effekten av polynukleotidligas Till exempel kan enkelsträngat DNA-brott inträffa under påverkan av joniserande strålning. Polynukleotidligasenzymet återansluter de trasiga ändarna av DNA. Till exempel, under påverkan av joniserande strålning, kan enkelsträngsbrott i DNA uppstå. Polynukleotidligasenzymet återansluter de trasiga ändarna av DNA.
Stadier av excisionell reparation 1. Identifiering av DNA-skada av endonukleas 1. Igenkänning av DNA-skada av endonukleas 2. Insnitt (skärning) av DNA-strängen av enzymet på båda sidor av skadan 2. Insnitt (notching) av DNA-strängen genom enzymet på båda sidor av skadan 3. Excision (skärning och borttagning ) skada med helikas 3. Excision (klippning och borttagning) av skada med helikas 4. Resyntes: DNA-P fyller gapet och ligas förenar DNA-ändarna 4. Resyntes : DNA-P fyller gapet och ligas förenar DNA-ändarna
Felmatchningsreparation Under DNA-replikation uppstår parningsfel när icke-komplementära par bildas istället för komplementära par A-T, G-C. Felmatchning påverkar bara barnsträngen. Felmatchningsreparationssystemet måste hitta dottersträngen och ersätta icke-komplementära nukleotider. Under DNA-replikation uppstår parningsfel när icke-komplementära par bildas istället för komplementära par A-T, G-C. Felmatchning påverkar bara barnsträngen. Felmatchningsreparationssystemet måste hitta dottersträngen och ersätta icke-komplementära nukleotider.
Mismatch reparation Hur skiljer man en barnsträng från en föräldersträng? Hur skiljer man en barnkedja från en föräldrakedja? Det visar sig att speciella metylasenzymer fäster metylgrupper till adeniner i GATC-sekvensen på moderkedjan och den blir metylerad, i motsats till den ometylerade dottern. I E. coli svarar produkterna av 4 gener på en felparningsreparation: mut S, mut L, mut H, mut U. Det visar sig att speciella metylasenzymer fäster metylgrupper till adeniner i GATC-sekvensen på moderns kedja och det blir metylerad, i motsats till ometylerat barn. I E. coli motsvarar produkterna av 4 gener en felparningsreparation: mut S, mut L, mut H, mut U.
POST-REPLIKATIV DNA-REPARATION Post-replikativ DNA-reparation uppstår när skadan överlever in i replikationsfasen (för mycket skada, eller skadan inträffade omedelbart före replikering) eller är av en karaktär som gör det omöjligt att reparera den med excisional reparation (t.ex. tvärbindning av DNA-strängar). Detta system spelar en särskilt viktig roll i eukaryoter, och ger möjligheten att kopiera även från en skadad matris (om än med ett ökat antal fel). En av varianterna av denna typ av DNA-reparation är rekombinationell reparation.
SOS-reparation Upptäcktes 1974 av M. Radman. Han gav namnet genom att inkludera en internationell nödsignal. Tänds när det är så mycket skador i DNA:t att de hotar cellens liv. Syntesen av proteiner induceras, som fäster till DNA-II-komplexet och bygger en dotter-DNA-kedja mittemot den defekta mallen. Som ett resultat fördubblas DNA i fel och celldelning kan inträffa. Men om vitala funktioner påverkades kommer cellen att dö. Upptäcktes 1974 av M. Radman. Han gav namnet genom att inkludera en internationell nödsignal. Tänds när det är så mycket skador i DNA:t att de hotar cellens liv. Syntesen av proteiner induceras, som fäster till DNA-II-komplexet och bygger en dotter-DNA-kedja mittemot den defekta mallen. Som ett resultat fördubblas DNA i fel och celldelning kan inträffa. Men om vitala funktioner påverkades kommer cellen att dö.
DNA-REPARATION OCH SJUKDOMAR AV MÄNNISKT ARV Brott mot det mänskliga reparationssystemet är orsaken till: För tidigt åldrande Onkologiska sjukdomar (80-90 % av alla cancerformer) Autoimmuna sjukdomar (reumatoid artrit, SLE, Alzheimers sjukdom)
Sjukdomar förknippade med försämrad reparation Xeroderma pigmentosa Xeroderma pigmentosum Ataxi-telangiectasia eller Louis-Bar syndrom Ataxi-telangiectasia eller Louis-Bar syndrom Blooms syndrom Blooms syndrom Trichothiodystrophy (TTD) Trichothiodystrophy (TTD) Trichothiodystrophy (TTD) Trichothiodystrophy (TTD) Cockaconisyndrome syndrome Cockaconisyndroman' Hutchinson-Gilford) Progeria hos barn (Hutchinson-Gilfords syndrom) Progeria hos vuxna (Werners syndrom) Progeria hos vuxna (Werners syndrom)
Ataxi-telangiektasi eller Louis-Bar syndrom: A-P, cerebellär ataxi, försämrad koordination av rörelser, telangiektaser - lokal överdriven expansion av små kärl, immunbrist, anlag för cancer. Blooms syndrom: A-P, hög känslighet för UV-strålar, hyperpigmentering, rodnad i ansiktet i form av en fjäril.
Trikotiodystrofi: A-P, brist på svavel i hårcellerna, sprödhet, som liknar en tigersvans, anomalier i huden, tänderna, defekter i sexuell utveckling. Cockayne syndrom: A-P, dvärgväxt med normala tillväxthormoner, dövhet, optisk atrofi, accelererat åldrande, känslig för solljus. Fanconi-anemi: en minskning av antalet alla cellulära element i blodet, skelettsjukdomar, mikrocefali, dövhet. Anledningen är en kränkning av excision av pyrimidindimerer och en kränkning av reparation av intersträng DNA-tvärbindningar.
Litteratur: 1. Genetik. Ed. Ivanova V.I. M., Zhimulev I.F. Allmän och molekylär genetik. Novosibirsk, Muminov T.A., Kuandykov E.U. Grunderna i molekylärbiologi (föreläsningskurs). Almaty, Mushkambarov N.N., Kuznetsov S.L. Molekylärbiologi. M., 2003.
Trots den höga noggrannheten i arbetet med enzymer som utför DNA-replikering, såväl som förekomsten av en korrekturläsningsmekanism, uppstår fortfarande fel under syntesen av nya DNA-strängar som är förknippade med införandet av icke-komplementära nukleotider i deras sammansättning. Dessutom utsätts DNA-molekyler i celler för en mängd olika fysiska och kemiska faktorer som stör deras struktur. Några av de vanligaste DNA-skadorna inkluderar:
Brytning av (b-N)-glykosidbindningar mellan purin och deoxiribos (depurinering), vilket oftast är resultatet av en temperaturökning. Från 5 000 till 10 000 handlingar utförs i en mänsklig cell per dag depurinering;
Spontan deaminering av cytosin- och adeninrester med bildning av uracil- respektive hypoxantinrester (ca 100 händelser per genom per dag);
Alkylering av kvävehaltiga baser under inverkan av kemikalier av en speciell klass ( alkyleringsmedel);
- interkalation(inbädda) vissa föreningar mellan intilliggande par av nukleotider;
Bildning av kovalenta tvärbindningar mellan DNA-kedjor under verkan av bifunktionella medel;
Bildandet av cyklobutandimerer som uppstår genom absorption av ultraviolett ljus (UV) (Fig. 2.2) mellan intilliggande pyrimidiner i kedjan.
De flesta av dessa skador stör genreplikations- och expressionsprocesserna, till exempel fördröjer varje tymindimer i E. coli-DNA replikationen med 10 s. Dessutom är dessa skador en källa till mutationer om de inte repareras innan DNA-replikeringen påbörjas.
Oftast förekommer sådana överträdelser endast i en av DNA-strängarna, medan den andra strängen mittemot skadan i de flesta fall innehåller den "korrekta" sekvensen, som kan fungera som en matris för att korrigera fel. Således möjliggör DNA-dubbelhelixen, liksom det faktum att den kodar information om strukturen hos reparationsenzymer, en unik felkorrigeringsmekanism - reparation, som är karakteristisk för endast en klass av molekyler - DNA.
Det finns många reparationssystem och mekanismer som finns i olika organismer, bland dem finns det de som bara är specifika för att reparera skador av ett slag, och det finns också mindre specifika. För enkelhetens skull kan alla för närvarande kända reparationsprocesser delas in i två kategorier: 1) de som inte kräver deltagande av replikation och representerar en direkt korrigering av DNA-skada; 2) mer komplexa processer under vilka reparationsreplikering sker. De bäst studerade reparationsmekanismerna är i relation till reparation av skador orsakade av UV-strålning - pyrimidindimerer (Fig. 2.2).
Eftersom enzymer som är beroende av UV-ljus är involverade i de mest välkända processerna för att reparera konsekvenserna av UV-strålning, delas reparationsmekanismer också in i ljus (som endast kan utföras i synligt ljus) och mörker (vilket inte kräver deltagandet). av synligt ljus) reparation.
Reparationsmekanismer för direkt reparation av skada inkluderar dealkylering av guaninrester och monomerisering av cyklobutandimerer mellan närliggande pyrimidinbaser. Dealkylering av metylguaninrester hänvisar till mörkreparation och sker med deltagande av enzymer som finns i bakterieceller och ger näring. O 6 -metylguanin-DNA-alkyl-transferas katalyserar överföringen av alkylgrupper till sulfhydrylgrupper av cysteinrester av enzymet (Fig. 2.3).
Klyvning av dimerer mellan pyrimidinnukleotider sker i processen fotoreaktivering- återställande av strukturen hos DNA-molekyler som skadats av UV-strålning till följd av efterföljande exponering för synligt ljus (ljusreparation). Känd icke-enzymatisk kortvågig fotoreaktivering, som består i monomerisering av dimerer under inverkan av ultraviolett strålning med en våglängd på 240 nm, samt enzymatisk fotoreaktivering. Det senare förstås vanligtvis som själva fotoreaktiveringen. Denna process kräver deltagande av synligt ljus med en våglängd på 300-600 nm och utförs under inverkan av specifika fotoreaktiverande enzymer (deoxiribopyrimidinfotolyas). Dimerer av pyrimidinbaser fungerar som ett substrat för fotolyas, med vilket det bildar ett komplex (enzymet binder inte till intakt DNA). Genom att använda energin från det absorberade ljuset förstör enzymet dimeren utan att bryta DNA-kedjorna (Fig. 2.4).
Fenomenet fotoreaktivering är utbrett i naturen och har hittats även i sådana primitiva mikroorganismer som mykoplasma. Fotoreaktiverande enzymer har hittats i vissa högre växter och djur, och i alla studerade bakterier, med undantag för Deinococcus radiodurans, som dock är extremt resistent mot UV-ljus: dessa bakterier tål doser 1000 gånger högre än de som dödar E. coli . I fullständig frånvaro av förmågan att fotoreaktivera, har D. radiodurans ett kraftfullt excision reparationssystem.
Reparationshändelser i samband med ersättning av förvrängda regioner kräver inte deltagande av synligt ljus och förutom andra enzymer spelar två typer av nukleaser en viktig roll i dem: exo- och endonukleaser. Exonukleaser klyver DNA från ändarna av strängarna, medan endonukleaser attackerar strängarna i de inre delarna och bildar enkelsträngsbrott i DNA:t. Bland de olika typer av reparationer som är förknippade med reparativ DNA-syntes kan två huvudsakliga särskiljas: excisional och postreplikativ gottgörelse.
reparation av excision. Ett utmärkande kännetecken för reparation av excision är avlägsnandet av den skadade DNA-regionen. Denna typ av reparation är inte lika specifik med avseende på DNA-skada som fotoreaktivering, och den kan användas för att reparera inte bara pyrimidindimerer utan även många andra förändringar i DNA-strukturen. Excisionsreparation (Fig. 2.5, A) är en process i flera steg och inkluderar följande händelser:
1) igenkänning av skada i DNA, som utförs av specifika endonukleaser som också utför nästa steg;
2) snitt av en DNA-sträng nära skadan - snitt(implementerad av endonukleaser);
3) avlägsnande av en grupp nukleotider tillsammans med skada - excision(utför exonukleaser);
4) DNA-resyntes - fylla det resulterande gapet (DNA-polymerasaktivitet);
5) återställande av kontinuiteten i den reparerade kedjan på grund av bildandet av kovalenta bindningar i molekylens sockerfosfatryggrad.
Mekanismen för reparation av excision studeras bäst med exemplet med mörkborttagning av pyrimidindimerer från UV-bestrålat E. coli-DNA. I E. coli-celler är uvrA-D-generna ansvariga för denna process (kodar strukturen hos enzymer som skär ut en del av en DNA-kedja med en dimer), samt polA (bestämmer strukturen av DNA-polymeras I, som utför reparativ DNA-syntes). Ett kännetecken för denna metod för excisionsreparation är bildandet av enkelsträngade snitt på båda sidor av tymindimeren.
Vissa organismer använder för reparation av skador, inklusive de som är förknippade med bildandet av tymindimerer, en annan typ av excisional reparation, som involverar deltagande av ett speciellt enzym, N-glykosylas, i processen. I detta fall är den första reparativa händelsen klyvningen av den glykosidiska bindningen mellan den skadade basen (till exempel en av tyminerna i dimeren, N-alkylerad purin, etc.) och deoxiribos. Det finns alltså en lokal apurinisering, eller apyrimidinering; ett så kallat AP-ställe uppstår, igenkännet av ett AP-specifikt endonukleas, som klyver fosfodiesterbindningen nära AP-stället. Mellanrummet fylls sedan med användning av konventionell reparativ syntes.
Ett antal olika N-glykosylaser har hittats i bakteriella och eukaryota celler. Till exempel känner uracil-DNA-glykosylas igen det felaktiga dG/dU-paret som är ett resultat av spontan deaminering av en deoxycytosinrest från dG/dC-paret. Deaminering av cytosin kan leda till bildandet av ett mutant nukleotidpar dA/dT under replikation, eftersom uracil beter sig på samma sätt som tymin när det gäller vätebindning. Ett annat vitt spritt enzym av denna typ är pyrimidin-dimer-N-glykosylas, som skapar ett apyrimidinställe vid reparation av skador i samband med bildandet av pyrimidindimerer.
Ställen där depurinering eller depyrimidinisering har inträffat klyvs ut av AP (apuriniska och apyrimidiniska) endonukleasenzymer. Det finns många olika AP-endonukleaser i pro- och eukaryota celler. Vissa av dem hackar kedjan från 3'-sidan av AP-stället, medan andra klyver diesterbindningen från 5'-sidan; i båda fallen bildas 3'-hydroxyl- och 5'-fosforyländarna. Detta tillåter exonukleaset att ta bort intilliggande skräp på vardera sidan av snittet tillsammans med skadan.
Olika varianter av excisionreparation är utbredda i pro- och eukaryota organismer, inklusive däggdjur. Brott mot processerna för excisional reparation kan leda till dramatiska konsekvenser. Så hos människor är en ärftlig sjukdom känd - xeroderma pigmentosa, vars huvudsymptom är ökad känslighet för solljus, vilket leder till utveckling av hudcancer. Dessa patienter visade sig ha olika defekter i excisionell reparation.
Post-replikativ reparation. Denna typ av reparation kräver deltagande av genprodukter som också är involverade i rekombinationshändelser (rec-gener) och utförs inte i celler av rec-mutanter; därför kallas det också rekombinationsreparation. Rekombinant postreplikativ reparation är baserad på processerna för replikering och rekombination av skadat DNA; det är den minst specifika av alla typer av reparationer som övervägs, eftersom den saknar stadiet för att identifiera skada. Detta är en ganska snabb återställningsmetod. inföding strukturer av DNA i dottersträngar (nysyntetiserade): det har visat sig att reparation sker redan under de första minuterna efter bestrålning. Ett kännetecken för denna process är bevarandet av skador i de ursprungliga (moderna) kedjorna (Fig. 2.5, B).
Tillsammans med det fasta finns det också en långsam postreplikativ reparation, som kräver flera timmar. Det produceras av ett system av enzymer som saknas i icke-bestrålade celler och som induceras av bestrålning. Denna mekanism kallas SOS-reparation. Dess överraskande skillnad är en betydande ökning av mutationsfrekvensen, trots att DNA:t redan är skadat. Detta kan bero på användningen av en skadad DNA-sträng som mall.
Post-replikativ reparation existerar inte bara i bakterier utan också i eukaryota celler, inklusive däggdjur.
Reparation är en levande cells egendom för att bekämpa olika DNA-skador. I omvärlden finns det många faktorer som kan orsaka irreversibla förändringar i en levande organism. För att bibehålla sin integritet, för att undvika patologiska och livsinkompatibla mutationer, måste det finnas ett system för självåterhämtning. Hur kränks integriteten hos cellens genetiska material? Låt oss överväga denna fråga mer detaljerat. Vi kommer också att ta reda på vilka återhämtningsmekanismer i kroppen som finns och hur de fungerar.
Kränkningar i DNA
Deoxiribonukleinsyramolekylen kan brytas både under biosyntes och under påverkan av skadliga ämnen. Negativa faktorer inkluderar i synnerhet temperatur eller fysiska krafter av olika ursprung. Om förstörelse har inträffat, startar cellen reparationsprocessen. Så börjar restaureringen av den ursprungliga strukturen.Särskilda enzymkomplex som finns inuti cellerna ansvarar för reparationen. Vissa sjukdomar är förknippade med individuella cellers oförmåga att reparera. Vetenskapen som studerar reparationsprocesserna är biologi. Inom ramen för disciplinen har en hel del experiment och experiment genomförts, tack vare vilka återhämtningsprocessen blir mer begriplig. Det bör noteras att mekanismerna för DNA-reparation är mycket intressanta, liksom historien om upptäckten och studien av detta fenomen. Vilka faktorer bidrar till att återhämtningen börjar? För att processen ska starta är det nödvändigt att DNA:t påverkas av en vävnadsreparationsstimulator. Vad det är kommer vi att berätta mer i detalj nedan.
Upptäcktshistoria
Detta fantastiska fenomen började studera den amerikanske vetenskapsmannen Kellner. Den första betydande upptäckten på vägen till studier av reparation var ett sådant fenomen som fotoreaktivering. Med denna term kallade Kellner effekten av att minska skadorna från ultraviolett strålning under den efterföljande behandlingen av skadade celler med ljus strålning i det synliga spektrumet.
"Lätt återhämtning"
Därefter fick Kellners forskning sin logiska fortsättning i de amerikanska biologerna Setlows, Ruperts och några andras arbete. Tack vare arbetet från denna grupp av forskare fastställdes det tillförlitligt att fotoreaktivering är en process som utlöses av ett speciellt ämne - ett enzym som katalyserar nedbrytningen av tymindimerer. Det var de som, som det visade sig, bildades under experiment under påverkan av ultraviolett strålning. Samtidigt utlöste starkt synligt ljus verkan av enzymet, vilket bidrog till nedbrytningen av dimerer och återställandet av det ursprungliga tillståndet för skadade vävnader. I det här fallet talar vi om den lätta versionen av DNA-reparation. Låt oss definiera detta tydligare. Vi kan säga att ljusreparation är återställandet av den ursprungliga strukturen av DNA efter skada under påverkan av ljus. Denna process är dock inte den enda som bidrar till att eliminera skador.
"Mörkt" återhämtning
En tid efter upptäckten av ljuset hittades en mörk reparation. Detta fenomen inträffar utan exponering för ljusstrålar i det synliga spektrumet. Denna förmåga att återställa upptäcktes under studiet av vissa bakteriers känslighet för ultravioletta strålar och Dark DNA-reparation är cellernas förmåga att ta bort eventuella patogena förändringar i deoxiribonukleinsyra. Men det ska sägas att detta inte längre är en fotokemisk process, i motsats till ljusreduktion.
Mörka skador reparationsmekanism
Observationer av bakterier visade att en tid efter att en encellig organism fick en del av ultraviolett strålning, som ett resultat av att vissa delar av DNA skadades, reglerar cellen sina inre processer på ett visst sätt. Som ett resultat är den förändrade biten av DNA helt enkelt avskuren från den gemensamma kedjan. De resulterande luckorna fylls på nytt med det nödvändiga materialet från aminosyror. Med andra ord, återsyntes av DNA-sektioner utförs. Forskarnas upptäckt av ett sådant fenomen som reparation av mörk vävnad är ytterligare ett steg i studiet av djurets och människokroppens fantastiska skyddande förmågor.
Hur reparationssystemet fungerar
Experiment som gjorde det möjligt att avslöja mekanismerna för restaurering och själva existensen av denna förmåga utfördes med hjälp av encelliga organismer. Men reparationsprocesser är inneboende i levande celler hos djur och människor. Vissa människor lider. Denna sjukdom orsakas av en brist på cellers förmåga att återsyntetisera skadat DNA. Xerodermi är ärftligt. Vad består reparationssystemet av? De fyra enzymerna som stödjer reparationsprocessen är DNA-helikas, -exonukleas, -polymeras och -ligas. Den första av dessa föreningar kan känna igen skada i kedjan av deoxiribonukleinsyramolekylen. Den känner inte bara igen, utan skär också av kedjan på rätt plats för att ta bort det förändrade segmentet av molekylen. Själva elimineringen utförs med hjälp av DNA-exonukleas. Därefter syntetiseras ett nytt segment av deoxiribonukleinsyramolekylen från aminosyror för att helt ersätta det skadade segmentet. Tja, slutackordet i denna mest komplexa biologiska procedur utförs med hjälp av enzymet DNA-ligas. Det är ansvarigt för att fästa den syntetiserade platsen till den skadade molekylen. Efter att alla fyra enzymerna har gjort sitt jobb är DNA-molekylen helt förnyad och alla skador är ett minne blott. Det är så mekanismerna inuti en levande cell fungerar i harmoni.
Klassificering
För närvarande särskiljer forskare följande typer av reparationssystem. De aktiveras beroende på olika faktorer. Dessa inkluderar:
- Återaktivering.
- rekombinationsåtervinning.
- Reparation av heteroduplexer.
- reparation av excision.
- Återförening av icke-homologa ändar av DNA-molekyler.
Alla encelliga organismer har minst tre enzymsystem. Var och en av dem har förmågan att utföra återhämtningsprocessen. Dessa system inkluderar: direkt, excisional och postreplikativ. Prokaryoter har dessa tre typer av DNA-reparation. När det gäller eukaryoter har de ytterligare mekanismer till sitt förfogande, som kallas Miss-mathe och Sos-reparation. Biologi har studerat i detalj alla dessa typer av självläkning av cellers genetiska material.
Struktur av ytterligare mekanismer
Direkt reparation är det minst komplicerade sättet att bli av med patologiska förändringar i DNA. Det utförs av speciella enzymer. Tack vare dem sker återställandet av DNA-molekylens struktur mycket snabbt. Som regel fortsätter processen i ett steg. Ett av enzymerna som beskrivs ovan är O6-metylguanin-DNA-metyltransferas. Ett excisionsreparationssystem är en typ av självläkande deoxiribonukleinsyra som innebär att förändrade aminosyror avlägsnas och sedan ersättas med nysyntetiserade regioner. Denna process genomförs redan i flera steg. Under loppet av postreplikativ DNA-reparation kan luckor i storleken på en sträng bildas i strukturen av denna molekyl. Sedan stänger de med deltagande av RecA-proteinet. Det postreplikativa reparationssystemet är unikt genom att det inte finns något stadium för att känna igen patogena förändringar i dess process.
Vem är ansvarig för återställningsmekanismen
Hittills vet forskare att en så enkel varelse som E. coli har minst femtio gener som är direkt ansvariga för reparation. Varje gen utför specifika funktioner. Dessa inkluderar: igenkänning, avlägsnande, syntes, fastsättning, identifiering av effekterna av exponering för ultraviolett strålning, och så vidare. Tyvärr genomgår alla gener, inklusive de som är ansvariga för reparationsprocesserna i cellen, mutationsförändringar. Om detta händer, utlöser de oftare mutationer i alla kroppens celler.
Varför är DNA-skador farliga?
Varje dag utsätts våra cellers DNA för faran för skador och patologiska förändringar. Detta underlättas av miljöfaktorer som livsmedelstillsatser, kemikalier, temperaturförändringar, magnetfält, många påfrestningar som utlöser vissa processer i kroppen och mycket mer. Om DNA-strukturen bryts kan det orsaka en allvarlig mutation i cellen och kan leda till cancer i framtiden. Det är därför kroppen har en uppsättning åtgärder utformade för att hantera sådana skador. Även om enzymerna inte lyckas återställa DNA:t till sin ursprungliga form, arbetar reparationssystemet för att hålla skadan till ett minimum.
Homolog rekombination
Låt oss ta reda på vad det är. Rekombination är utbyte av genetiskt material i processen att bryta och sammanfoga deoxiribonukleinsyramolekyler. I händelse av att brott uppstår i DNA, börjar processen med homolog rekombination. Under det utförs utbytet av fragment av två molekyler. På grund av detta återställs den ursprungliga strukturen för deoxiribonukleinsyra korrekt. I vissa fall kan DNA-infiltration förekomma. Tack vare rekombinationsprocessen är integrationen av dessa två olika element möjlig.
Mekanismen för återhämtning och kroppens hälsa
Reparation är en förutsättning för att kroppen ska fungera normalt. Den multicellulära strukturen hotas dagligen och varje timme av DNA-skada och mutationer och anpassar sig och överlever. Detta beror också på det väletablerade reparationssystemet. Brist på normal regenerativ förmåga orsakar sjukdomar, mutationer och andra abnormiteter. Dessa inkluderar olika utvecklingspatologier, onkologi och till och med åldrandet. Ärftliga sjukdomar på grund av brott mot reparation kan leda till allvarliga maligna tumörer och andra anomalier i kroppen. Nu har vissa sjukdomar som orsakats av fel i DNA-reparationssystem identifierats. Dessa är till exempel patologier som xerodermi, icke-polypos tjocktarmscancer, trikotiodystrofi och vissa cancertumörer.
Cellerna har en mängd olika "reparationsteam" som övervakar säkerheten för informationen som lagras på DNA:t. Sådana cellulära system som reparerar DNA-skador kallas reparationssystem.
I bakterien Escherichia coli är nu mer än 50 gener kända som styr reparationsprocesserna. Dessa gener kodar för enzymer som till exempel kan skära ut skadade delar av en DNA-sträng. DNA-polymeras fullbordar denna plats i kedjan till normen, och DNA-ligaser "sy upp" gapet vid platsen för den inbyggda sektionen. Det finns speciella enzymer som reparerar skador orsakade av ultraviolett ljus osv.
Om mutationer uppstår i någon gen i reparationssystemet leder detta till en ökning av mutationsfrekvensen. Det finns alltså gener, mutationer i vilka ökar frekvensen av mutationer i andra gener i kroppen.
Det finns också komplexa cellulära mekanismer som säkerställer korrekt divergens av kromosomer till gameter. Om dessa mekanismer misslyckas, kommer en extra kromosom in i en gamet, och en brist på en kromosom uppstår i en annan. Sådana genomiska mutationer resulterar vanligtvis i embryonal död, medfödda missbildningar eller ärftliga sjukdomar.
Varje dag skadas cirka 100 000 länkar i DNA-molekylerna i varje cell i människokroppen på grund av olika endogena processer och exogena genotoxiska effekter. DNA-skada kan leda till mutationer, provocera celldöd eller fungera som en drivkraft för dess maligna transformation. För att förhindra sådana konsekvenser i cellen finns det flera komplementära enzymsystem som stödjer processer som tillsammans kallas DNA-reparation. Huvudmålet med alla dessa system är att återställa den DNA-sekvens som fanns innan den skadades, eller, om detta inte är möjligt, att minimera förändringarna. DNA-reparationssystem säkerställer noggrannheten i reproduktion och bevarande av genetisk information. De reparativa mekanismerna som cellen använder för att upprätthålla stabiliteten hos information inbäddad i DNA är universella - den funktionella och ibland strukturella homologin hos de element som bildar dessa mekanismer kan spåras från bakterier till människor. Ju mer komplex cellen är, desto större är antalet strukturella och regulatoriska gener och deras produkter involverade i DNA-reparationsprocesser, även om grundschemat för en viss process som regel förblir oförändrat. De reparativa mekanismerna bildar ett komplext nätverk, vävt av funktionella kopplingar eller lån av strukturella element, vilket ger en balans mellan stabiliteten hos information i DNA och dess evolutionära variabilitet. Noggrannheten av DNA-reproduktion och överföringen av information inbäddad i den säkerställs av två matrisprocesser - DNA-replikation och transkription. Även om DNA-polymeras har korrigerande aktivitet är replikeringen inte helt korrekt, och om felmatchningar uppstår korrigerar baskorrigeringssystem felet.
Om enkel- och dubbelsträngsbrott uppträder i DNA, kommer homolog rekombination in i bilden, vilket, på grund av systerutbyten, exakt återställer DNA:s integritet. Men rekombination är det "tunga artilleriet" och är främst designat för variabilitet. När DNA kommer in i cellen, som endast är delvis homolog med cellens DNA, kommer det sannolikt att integreras i genomet med hjälp av homolog rekombination. Noggrannheten i denna process skyddas av det långa resentezable missmatch correction (LCR) systemet, som avbryter rekombination om homologin hos de interagerande DNA-molekylerna är onödigt imperfekt. Dessutom eliminerar DKNO de flesta rekombinationsuppbyggnader på ssDNA-nivå om de stör komplementariteten av nukleotidparning. Således minskar DCNO frekvensen av rekombinationsutbyten i DNA. Således försvarar DKNO-systemet genomets stabilitet och dess artspecificitet. Ärftliga störningar i cellulära reparationssystem hos människor leder till allvarliga medfödda anomalier och/eller predisposition för utveckling av cancer.
Reparationssystem skiljer sig från varandra i de substrat som används, enzymer och mekanismer för att eliminera skadade länkar. För närvarande finns det 6 huvudreparationssystem - reaktiveringssystemet och resten av reparationssystemen som verkar med nedbrytning och återsyntes av den skadade delen av DNA.
Vid allvarlig DNA-skada - bildandet av dubbelsträngsbrott, omfattande enkelsträngsluckor, tvärbindningar mellan kedjor - fungerart, där det skadade DNA:t korrigeras genom rekombination med en fullständig kopia av det genetiska material, om det finns i cellen. Dubbelsträngsbrott kan även ligeras under återföreningen av icke-homologa ändar, vilket dock leder till förlust av en del av det genetiska materialet.
Icke-kanoniska baspar och korta heteroduplexer i DNA känns igen av heteroduplex-reparationssystemet, som tar bort ett DNA-fragment upp till flera hundra deoxinukleotider i längd som inkluderar ett icke-kanoniskt element och reparerar det resulterande gapet.
