Класифікація та біологічне значення репараційних систем ДНК

Размещено на http://www.allbest.ru/

Миколаївський національний аграрний університет

КЛАСИФІКАЦІЯ ТА БІОЛОГІЧНЕ ЗНАЧЕННЯ РЕПАРАЦІЙНИХ СИСТЕМ ДНК

К.С. Мішуровська, студентка

Стаття ставить за мету звернути увагу на біологічне значення репараційних систем, які забезпечують збереження та стабільність генетичного матеріалу при впливі мутагенних факторів.

Ключові слова: мутації, репарація, ДНК

Постановка проблеми. Усім живим організмам притаманні явища спадковості і мінливості. Останнє зумовлене змінами генетичного матеріалу, тобто мутаціями. Це явище було відкрите Хуго де Фрізом в 1900 р. [1].

Мутації можуть бути викликані помилками копіювання генетичного матеріалу, опроміненням жорсткою радіацією, хімічними речовинами, вірусами або можуть відбуватися свідомо під клітинним контролем під час таких процесів як, наприклад, мейоз або гіпермутація.

Мутації розглядаються як рушійна сила еволюції, де менш сприятливі (або шкідливі) мутації видаляються з генофонду природним відбором, тоді як сприятливі (вигідні) прагнуть накопичуватися. Нейтральні мутації визначаються як мутації, чиї ефекти не впливають на виживання видів або окремих індивідуумів, які складають види. Вони також здатні накопичуватися.

Зміни в ДНК, спричинені мутацією, можуть викликати помилки в послідовності білка, створюючи частково або цілком не функціональні білки. Щоб функціонувати правильно, кожна клітина залежить від тисяч білків, що повинні функціонувати у визначеному місці в певний час. Коли мутація змінює білок, який відіграє критичну роль, в організмі може виникнути захворювання. Хвороба, викликана мутаціями в одному або більше генах називається генетичною. Проте, тільки маленький відсоток мутацій викликають генетичні захворювання, більшість не мають ніякого впливу на здоров'я. Наприклад, деякі мутації змінюють послідовність основ ДНК гена, але не змінюють функцію білка, закодованого в цьому гені.

Якщо мутація присутня в зародковій клітині, то така клітина може дати початок нащадку, який буде носієм мутації у всіх своїх клітинах. Це причина спадкових хвороб. З іншого боку, мутація може відбуватися в соматичній клітині організму. Такі мутації будуть присутні у всіх нащадках цієї клітини, і певні мутації можуть примусити осередок почати безконтрольно відтворюватися, що викликає рак. [2]

Мутагенні фактори викликають різноманітні зміни структури ДНК. Проте не всі вони реалізуються, тому що в живих клітинах діє складна система репаруючих (ремонтних) ферментів, які ліквідують пошкодження і відновлюють вихідну структуру ДНК. [3]

Аналіз останніх досліджень та публікацій. У 1965 році Ханавальт і Хейнс (Hanawalt, Haynes, 1965) висловили припущення, що система репарації відновлює пошкоджену структуру молекули ДНК, ліквідує природно виникаючі дефекти, які можуть призводити до спонтанних мутацій. [4]

На сьогоднішній день описано багато реакцій репарації. Одні з яких більш прості і відбуваються одразу після мутагенного впливу, а інші вимагають індукції синтезу нових ферментів і тому вони є тривалими в часі. Деякі реакції йдуть до того, як клітини вступлять в нову фазу поділу, інші можуть здійснюватися і після того, як клітина закінчила поділ (при цьому частина пошкоджень в геномі зберігається невідрепарованою). Є абсолютно кардинальні реакції, коли клітини «намагаються» врятувати своє життя ціною введення нових мутацій.

Отже, у клітинах існує система репарації (від лат. reparatio - відновлення), яка підтримує стабільність генетичного матеріалу. Репарація ДНК - важливий фактор природної стійкості клітини до дії мутагенних факторів. [5] репараційний генетичний мутагенний система

Постановка завдання. Метою статті було відображення важливості репараційних систем ДНК, та наведення їх узагальнюючої класифікації.

Аналіз останніх досліджень та публікацій. Розрізняють три групи відомих репараційних систем:

• Пряма репарація - найбільш простий шлях усунення пошкоджень у ДНК, в якому, зазвичай, задіяні специфічні ферменти, що здатні швидко (як правило, в одну стадію) усувати відповідне пошкодження, відновлюючи вихідну структуру нуклеотидів.

• Ексцизійна репарація (англ. Excision - вирізання) -- включає видалення пошкоджених азотистих основ або цілих нуклеотидів з ДНК і подальше відновлення нормальної структури молекули.

• Постреплікативна репарація - такий тип, який має місце в тих випадках, коли процес ексцизійної репарації недостатній для повного виправлення пошкоджень.

Варто відмітити, що різні механізми репарації характеризуються здатністю корегувати однакові пошкодження ДНК.

Розрізняють такі різновиди прямої репарації ДНК:

а) Фотореактивація. Суть фотореактивації полягає в тому, що фотоліаза розщеплює знову створений зв'язок між сусідніми піримідиновими основами і відновлює нативну структуру ДНК. При цьому фермент здатний приєднуватись до піримідинових димерів і в темряві, і на світлі, але реакція розщеплення зв'язків енергетично залежить від дії видимого світла. Відновлювальний ефект при фотореактивації пов'язаний з дією ферменту - дезоксирибозидпіримідинфотоліази (фотоліази).

б) Аутокорекція ДНК-полімеразами (кореплікативна репарація). Для запобігання помилкового парування більшість ДНК-полімераз володіють здатністю до самокорекції. Коригувальний механізм полягає в тому, що перед приєднанням кожного наступного нуклеотиду до зростаючого ланцюгу ДНК, фермент «перевіряє» правильність парування попереднього нуклеотиду. Якщо нуклеотиди спаровані вірно (відповідно до принципу комплементарності), полімераза приєднує наступний нуклеотид, який згодом також буде перевірений. Якщо все ж таки приєднується неправильний нуклеотид, то він не спроможний формувати водневі зв'язки з комплементарною основою матричного ланцюга, що деформує подвійну спіраль.

в) Репарація одноланцюгових розривів ДНК. Був виявлений для одноланцюгових розривів ДНК, індукованих, наприклад, іонізуючим випромінюванням. При цьому за допомогою ферменту ДНК полінуклеотидлігази (англ. Ligase - з'єднувати, зв'язувати) відбувається пряме відновлення розірваних кінців в молекулі ДНК.

г) Репарація АР-сайтів. При деяких типах ушкоджень нуклеотидів, ковалентний зв'язок між основою і цукром (глікозидний зв'язок) може розриватися. Тоді в молекулі ДНК на місці цих основ утворюється пролом, який називають АР-сайтом (англ. АPurine та АPyrmidine sites - апуринові та апіримідинові сайти). Було відкрито ферменти - інсертази (англ. Insert - вставляти), які в АР-сайтах здатні приєднувати до молекули цукру таку ж основу, яку було видалено мутагенним фактором. Після цього структура ДНК відновлюється.

д) Репарація пошкоджень, викликаних алкільними групами. Алкілюючі агенти,

здатні приєднувати до взаємодіючих з ними молекул алкільні (метилові, етилові, пропилові, бутилові) бокові групи. У випадку прямої репарації реалізуються два способи: репарація алкілтрасферазами або оксиредуктазами. Для обох випадків характерне відновлення непошкоджених основ. Ще один шлях прямої репарації алкілованих основ - окислення алкільної групи оксиредуктазами з подальшою регенерацією неушкодженої азотистої основи.

До різновидів ексцизійної репарації ДНК належать:

а) Ексцизійна репарація ДНК шляхом видалення пошкоджених азотистих основ. Система BER зумовлює захист геномної ДНК від пошкоджень, які викликаються головним чином алкілюючими агентами, а також ендогенними генотоксичними сполуками, включаючи внутрішньоклітинні радикали кисню та інші реакційноздатні метаболіти. Вона починає функціонувати з відщеплення помилково включених або модифікованих основ від дезоксирибози під дією ключового ферменту - ДНК-глікозилази, яка володіє здатністю відщеплювати велике число модифікованих основ ДНК. Окрім цих модифікованих основ під час BER може відбуватися видалення й інших похідних, які утворюються під дією хімічних мутагенів.

б) Ексцизійна репарація ДНК шляхом видалення нуклеотидів. Якщо в системі BER відбувається видалення окремих пошкоджених азотистих основ ДНК шляхом розриву відповідних N-глікозидних зв'язків між азотистими основами і залишками дезоксирибози, то в системі NER пошкоджені азотисті основи вирізаються у складі олігонуклеотидів. Слід зауважити, що система здатна розпізнавати пошкодження які і сильно, і слабо деформують вторинну структуру ДНК. NER може здійснюватися двома шляхами:

• Перша схема передбачає гідроліз фосфодиефірних зв'язків 3'- або 5'- кінців на деякій відстані від пошкодженого нуклеотиду.

• Другий механізм ексцизійної репарації дозволяє вирішити вищеозначену проблему через використання ферментної системи, яка утворює одноланцюгові розриви по обидві сторони від пошкодженого нуклеотиду на деякій відстані від нього з подальшим видаленням одноланцюгового фрагменту ДНК, який містить змінений нуклеотид.

Слід зауважити, що система здатна розпізнавати пошкодження які і сильно, і слабо деформують вторинну структуру ДНК.

Постреплікативна репарація ДНК поділяється на такі різновиди: а) Гомологічна рекомбінація у репарації ДНК. Давно відомо, що бактеріальні клітини з високою швидкістю поділу містять декілька репліконів і більш стійкі до дії іонізуючої радіації, яка індукує дволанцюгові розриви ДНК, ніж

клітини стаціонарної фази з невеликим числом репліконів. Гаплоїдні клітини дріжджів у фазі Gi перед початком синтезу ДНК надзвичайно чутливі до дії іонізуючої радіації. Тим часом ті ж клітини у фазі G₂ перед мітозом більш стійкі до іонізуючого випромінювання як і диплоїдні клітини. Ці факти вказують на те, що для ефективного виправлення пошкоджень, які викликаються іонізуючою радіацією, необхідна одночасна присутність у клітині мінімум двох гомологічних молекул ДНК. б) Репарація помилково спарених нуклеотидів. Система, яка здійснює репарацію помилково спарених нуклеотидів або місмач репарація (англ. Mismatch Repair), виконує в клітині кілька важливих функцій. Перш за все вона виправляє помилки реплікації ДНК, змінюючи помилково включені нуклеотиди. Крім того, за участю цієї системи відбувається процесинг проміжних продуктів рекомбінації, що приводить до утворення нових поєднань генетичних маркерів.

Результати, висновки і перспективи подальших досліджень. Було встановлено, що репарація ДНК визначає природний рівень стійкості (резистентності) клітин до дії фізичних або хімічних агентів.

Процес репарації направлений як на видалення, так і на відновлення індукованих пошкоджень. У контактній клітині за умов нормальної життєдіяльності утворюються різні відхилення: однониткові розриви ДНК, апуринові й апіримідинові ділянки, неспарені й помилково спарені основи. Їх накопичення, якби не було відповідних механізмів репарації, призвело б до порушень генома. Отже, репарація цих пошкоджень - важливий фактор підтримання генетичної стабільності у фізіологічно нормальній клітині.

Таким чином, репарація ДНК - фундаментальний матричний процес, який забезпечує стабільність генетичних структур у нормальній клітині і стабілізації ДНК при її пошкодженні випроміненням, хімічними мутагенами і канцерогенами, а також ДНК-тропними агентами.

Список використаних джерел

1. Гуго де Фріз / Матеріал з Вікіпедії -- вільної енциклопедії [Електронний ресурс]: http://uk.wikipedm.org/wiki/Г уго_де_Фріз.

2. Мутація / Матеріал з Вікіпедії -- вільної енциклопедії [Електронний ресурс]: http://uk.wikipedm.org/wiki/Мутація.

3. Лишенко І. Д. Генетика з основами селекції / Лишенко І. Д. К.: Вища шк., 1994. 416 с.: іл.

4. Мінливість [Електронний ресурс] / Тернопільський державний медичний університет // навч. посіб. Для студентів: http://intranet.tdmu.edu.ua/data/kafedra/mtemal/distance/lectures_stud/Y країнсь ка/1%20курс/Медична%20біологія,%20паразитологія%20та%20генетика/04. %20Мінливість.htm.

Размещено на Allbest.ru