Терминация и расхождение в линейных ДНК. За исключением аденовирусной ДНК, где синтезновых цепей ДНК инициируется белковым праймером и матричная цепь копируется полностью (прозрачка 16), во всех других случаях для репликации необходим РНК-праймер, что создает особые проблемы при завершении репликации линейной дуплексной ДНК (прозрачка 17). Дело в том, что после инициации синтеза новой цепи и последующего удаления РНК-праймера новосинтезированная цепь содержит пробел на 5΄-конце. Поскольку никаких способов удлинения 5΄-концов цепей ДНК ене существует, необходимы какие-то иные методы завершения репликации. Были предложены два способа.
Первый: предполагает, что существуют цепи ДНК с прямыми повторами на концах (прозрачка 18). После репликации два комплиментарных конца обоих незавершенных дуплексов могут спарится и образовать линейные конкатемеры с одноцепочечными разрывами.остающиеся пробелы могут быть заполнены путем удлинения цепей в направлении 3΄ →5΄ с последующим соединением их ДНК-лигазой либо путем прямого соединения стыкующихся концов с помощью ДНК-лигазы с образование конкатемеров. После надрезания конкатемера специфической эндонуклеазой образуются выступающие 5΄-концы, и ДНК-полимераза может наращивать более короткие цепи с 3΄-конца.
Второй. Предполагает наличие на конце каждой цепи ДНК коротких инвертированных повторов, благодаря которым образуются небольшие петли (прозрачка 19). 3΄-конец петли служит праймером для копирования нереплицированного участка. Благодаря специфическому разрыву в начале инвертированного повтора получается структура, которую можно достроить с 3΄-конца до восстановления исходной двуцепочечной концевой последовательности.
Отметим еще, что все ДНК-полимеразы, ведущие комплеметарный синтез, как у бактерий, так и у эукариотов, обладают еще и экзонуклеазной активностью в направлении 3'-5', — обратном направлению синтеза. Они способны как бы «обернуться» и удалить только что ими же присоединенный нуклеотид. Это — очень важный механизм устранения ошибок в комплементарном синтезе. Ошибку ведь можно обнаружить только тогда, когда она уже сделана. И немедленно исправить! Это «умеют» делать ДНК-полимеразы. Такая коррекция не редкость, а норма. Считают, что без нее при редупликации ДНК из E.coli 5—10% нуклеотидов были бы присоединены неправильно. Благодаря коррекции 1 ошибка в этой ДНК приходится на десять миллионов пар оснований.
Репарация ДНК
ДНК – это единственная макромолекула клетки, которая способна устранять (репарировать) повреждения, возникающие в ее структуре. Более того, в ней закодирована информация о механизмах самых разнообразных репарационных процессов. Комплиментарное спаривание лежит в основе не только репликации ДНК, но процесса восстановления исходной структуры ДНК при репарации повреждений, затрагивающих остов молекулы, модификаций того или иного основания или ошибочного спаривания при рекомбинации (см. ниже). Одновременное повреждение обеих цепей в одном месте и двуцепочечные разрывы часто оказываются летальными для ДНК, поскольку такие дефекты репарируются лишь в редких случаях.
Наиболее часто происходит разрыв гликозидных связей между пурином и дезоксирибозой N (депуринизация) при повышении температуры. За сутки в клетке человека совершается от 5000 до 10000 актов депуринизации -–это ведет к нарушению репликации и экспрессии генов. Кроме того, остатки Ц и А могут подвергаться спонтанному дезаминированию с образование соответственно остатков У и гипоксантина; частота таких событий примерно 100 на геном – это ведет к появлению мутаций.
Многие изменения в структуре ДНК происходят под действием химических веществ, присутствующих в окружающей среде. Это алкилирующие агенты (азотистые соединения, алкилсульфонаты, нитрозомочевина), которые модифицируют предпочтительно Г-остатки, соединения, встраивающиеся между соседними парами оснований и приводящие к появлению вставок и делеций во время репликации; бифункциональные агенты, способные образовывать ковалентные сшивки между двумя цепями ДНК и блокировать их расхождение при репликации. Не менее разрушительны физические воздействия – поглощение Т или Ц УФ-света приводит к образованию циклобутановых димеров между соседними пиримидинами; ионизирующая радиация (космические лучи) способствует образованию высокореакционоспособных свободных радикалов, оказывающих на ДНКсамые разнообразные воздействия; рентгеновские лучи – вызывают в ДНК одно-и-двуцепочечные разрывы, а также другие повреждения, характерные для воздействия свободных радикалов.
Известны два основных способа репарационных процессов:
непосредственное исправление модификаций или неправильных спариваний, не требующее репликации для восстановления исходной структуры;
удаление нуклеотидов, окружающих ошибочно спаренные или измененные пары оснований, и ресинтез этого участка путем репликации.
репарация путем прямого восстановления исходной структуры.
Если под воздействием алкилирующих агентов – N-метил –N-нитрозомочевины или N1, N-диметилнитрозогуанидина, в ДНК образовался О6- метил- или О6-алкилзамещенные гуаниновые остатки, то деалкилирование таких остатков идет при участии ферментов – О6-метилгуанин-ДНК-алкилтрансферазы, которая катализирует перенос алкильных групп на сульфгидрильные группы цистеиновых остатков фермента, при этом акцепторный белок инактивируется. Это у бактерий и млекопитающих.
Если при облучении ДНК УФ-светом образовались циклобутановые димеры между соседними парами пиримидиновых оснований, то осуществляется ферментативное (фотолиазы –нет у млекопитающих) превращение их в мономеры при освещении раствора видимым светом в диапазоне длин волн 300-600 нм. Фермент образует стабильный комплекс с пиримидиновым димером и используя энергию поглощенног им света разрушает димер без разрыва цепей ДНК.
Репарация путем замены модифицированных остатков.
Замена модифицированного нуклеотида обычно проходит в четыре этапа:
1 этап. Фермент распознает этот нуклеотид и надрезает полинуклеотидную цепь вблизи него либо разрывает гликозидную связь между модифицированным основанием и дезоксирибозой. Выщепление сайтов, в которых произошла депуринизация или депиримидинизация осуществляется ферментами АР (апуриновые, апиримидиновые)-эндонуклеазы. В репарации N-алкилированных пуринов и других модифицированных оснований ключевую роль играют ферменты – N-гликозилазы, расщепляющие гликозидную связь между модифицированным основанием и дезоскирибозой (прозрачка 25)
2 этап. Экзонуклеаза удаляет модифицированный нуклеотид и/или соседние нуклеотиды, оставляя небольшую брешь.
3 этап. Удаленный участок синтезируется заново с 3΄-ОН-конца с использованием в качестве матрицы противоположной цепи.
4 этап. Концы разрыва, образовавшиеся в результате репарации, соединяются с восстановлением ковалентной целостности репарированной цепи (прозрачка 26)
Значение репарации ДНК.
Устранение ошибок репликации важно, так как большая часть повреждений блокирует передачу генетической информации последующему поколению, а остальные если их не устранить, сохраняться в геноме потомков и приведут к драматическим изменениям в молекулах белков, ферментов, необходимых для поддержания жизнедеятельности клетки. При повреждении определенных звеньев системы репарации клетки становятся особенно уязвимыми для некоторых химических и физических агентов. Люди, страдающие, например, пигментной ксеродермой, очень чувствительны к УФ-свету, и у них развиваются разные формы рака кожи даже при очень слабом воздействии солнечного света. Клетки таких людей несут мутацию в RAD-генах, проявляющуюся в том, что у них нарушена способность к выщеплению пиримидиновых димеров из УФ-облученной ДНК. Заболевание может быть обусловлено мутауцией в одном из по крайней мере девяти генов, что говорит о достаточно сложном механизме репарации ДНК, содержащей тиминовые димеры, у человека.как правило, заболевание бывает связано с неспособностью к выщеплению тиминовых димеров. Если к облученным клеткам в культуре добавить фермент, обладающий тиминдимергликозилазной и АР-эндонуклеазной активностями, то УФ-повреждения могут быть устранены.