Характеристика специфических особенностей генетических точечных мутаций

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Характеристика специфических особенностей генетических точечных мутаций

Введение

Точечная мутация -- тип мутации в ДНК или РНК, для которого характерна замена одного азотистого основания другим. Термин также применяется и в отношении парных замен, инсерции или делеции одного или нескольких нуклеотидов. Точечные мутации, возникающие в некодирующей ДНК, обычно никак себя не проявляют. Точечный мутант -- организм, в генотипе которого произошла точечная мутация.

Точечные мутации классифицируют по эффекту, который изменённый нуклеотид оказывает на триплет:

· Синонимичная мутация -- кодон продолжает кодировать ту же аминокислоту.

· Нонсенс-мутация -- мутация, в результате которой кодон теряет способность кодировать какую-либо аминокислоту и становится стоп-кодоном, что приводит к преждевременной терминации синтеза белка.

· Миссенс-мутация -- переключает кодон на кодирование другой аминокислоты.

Мутации замены оснований.

· Точечные мутации замены оснований классифицируют на транзиции и трансверсии.

· Транзиция -- одно пуриновое основание замещается на другое (аденин на гуанин или наоборот), либо происходит аналогичная замена пиримидиновых оснований (тимин с цитозином).

· Трансверсия -- пуриновое основание замещается на пиримидиновое основание или наоборот.

Транзиции происходят чаще, чем трансверсии. Мутации замены оснований делятся на мишенные мутации замены оснований, немишенные и задерживающиеся мутации.

Мишенные мутации замены оснований. Мутации замены оснований, которые появляются напротив повреждений молекулы ДНК и способны останавливать синтез ДНК, называются мишенными мутациями замены оснований (от слова «мишень»). К мишенным мутациям замены оснований приводят, например, циклобутановые пиримидиновые димеры.

Немишенные мутации замены оснований. Иногда мутации замены оснований образуются на неповрежденных участках ДНК. Такие мутации называются немишенными мутациями замены оснований[8]. Механизмы образования немишенных мутаций замены оснований были разработаны в рамках полимеразной и полимеразно-таутомерной моделей мутагенеза.

Задерживающиеся мутации замены оснований. Мутации замены оснований не всегда образуются сразу же после воздействия мутагена. Иногда они появляются после десятков циклов репликации. Это явление носит название задерживающихся мутаций[9]. Нестабильность генома - главная причина образования злокачественных опухолей[10] - характеризуется резким возрастанием количества немишенных и задерживающихся мутаций. Механизмы образования задерживающихся мутаций в настоящее время не известны.

Точечные мутации сдвига рамки чтения. Точечные мутации сдвига рамки чтения гена классифицируют на делеции и инсерции.

· Делеция -- в молекуле ДНК выпадает один или несколько нуклеотидов.

· Инсерция -- в молекулу ДНК встраивается один или несколько нуклеотидов.

Точечные мутации противопоставляются сложным мутациям, при которых один участок ДНК заменяется участком другой длины и иного нуклеотидного состава. Точечные мутации могут появляться напротив таких повреждений молекулы ДНК, которые способны останавливать синтез ДНК. Например, напротив циклобутановых пиримидиновых димеров. Такие мутации называются мишенными мутациями (от слова «мишень»). Циклобутановые пиримидиновые димеры вызывают как мишенные мутации замены оснований, так и мишенные мутации сдвига рамки. Иногда точечные мутации образуются на, так называемых, неповреждённых участках ДНК, часто в небольшой окрестности от фотодимеров. Такие мутации называются немишенными мутациями замены оснований или немишенными мутациями сдвига рамки. Точечные мутации образуются не всегда сразу же после воздействия мутагена. Иногда они появляются после десятков циклов репликации. Это явление носит название задерживающихся мутаций. При нестабильности генома, главной причине образования злокачественных опухолей, резко возрастает количество немишенных задерживающихся мутации. Причины возникновения. Точечные мутации могут возникать в результате спонтанных мутаций, происходящих во время репликации ДНК. Они также могут возникать в результате действия мутагенов -- к примеру, воздействия ультрафиолетового или рентгеновского излучения, высокой температуры или химических веществ. Мутации появляются при синтезе молекулы ДНК, содержащей повреждения, в процессах репликации ДНК, репарации ДНК или транскрипции.

В настоящее время существует несколько подходов, используемых для объяснения природы и механизмов образования точечных мутаций. В рамках общепринятой, полимеразной модели считается, что единственная причина образования мутаций замены оснований -- спорадические ошибки ДНК-полимераз. Уотсон и Крик предложили таутомерную модель спонтанного мутагенеза. Они объяснили появление спонтанных мутаций замены оснований тем, что при соприкосновении молекулы ДНК с молекулами воды могут изменяться таутомерные состояния оснований ДНК. Образование мутаций замены оснований объяснялось образованием Хугстиновских пар. Одной из причин образования мутаций замены основания считается дезаминирование 5-метилцитозина.

Проблема наследственных заболеваний существовала всегда. Миллионы людей страдают из-за ошибок в своих генах. Современная медицина способна помочь в некоторых случаях облегчить их состояние, но в корне изменить ситуацию - пока невозможно, хотя это становится все ближе и ближе с каждым днем.

Одной из причин наследственных заболеваний являются точечные мутации, происходящие на уровне гена. Гипотез об их возникновении достаточно много, но точного ответа дать невозможно, если рассматривать, что причинами могут стать множество факторов.

Патологии, вызванные точечными мутациями, могут быть смертельными. Поэтому крайне важно найти способ устранения мутаций. И одним из таких способов может стать редактирование генома.

1. Определение точечных мутаций. Патологии

Точечная мутация - это мутация в ДНК или РНК, характеризующаяся заменой одного азотистого основания на другое. Различают транзицию и трансверсию. Транзиция - это замена одного пуринового основания на другое (например, аденин на гуанин), либо одного пиримидинового на другое пиримидиновое (например, цитозин на тимин). Трансверсия - это замена пиримидинового основания на пуриновое, либо наоборот (например, аденин на тимин). Точечные мутации сдвига рамки чтения гена классифицируют на делеции и инсерции. Делеция -- в молекуле ДНК выпадает один или несколько нуклеотидов. Инсерция -- в молекулу ДНК встраивается один или несколько нуклеотидов.

По эффекту, оказываемому изменением нуклеотида на триплет, точечные мутации делятся на: сайленс-мутации, нонсенс-мутации и миссенс-мутации. При сайленс-мутации кодон продолжает кодировать ту же аминокислоту из-за такого свойства генетического кода как вырожденность, что не несет последствий. При остальных мутациях возникают патологии.

В результате нонсенс-мутации происходит преждевременная терминация (появляется стоп-кодон) синтеза определенного белка. Такие мутации приводят к следующим заболеваниям из-за нарушения кодирования специфических белков:

Муковисцидоз (кистозный фиброз) - заболевание, обусловленное мутацией гена трансмембранного регулятора муковисцидоза. Характеризуется поражением желез внешней секреции и органов дыхания;

Миодистрофия Дюшенна - заболевание, обусловленное мутацией в гене, который кодирует белок дистрофин. Основное проявление - слабость мышц, из-за этого нарушения осанки и движений;

Бета-талассемия (в-глобин) - заболевание, в основе которого лежит снижение синтеза полипептидных цепей, входящих в структуру нормального гемоглобина. Из-за мутации нарушается синтез эритроцитов, что может привести к анемии;

Синдром Гурлер - лизосомная болезнь накопления. Проявляется в виде различных дефектов костной, хрящевой, соединительной тканей.

В результате миссенс-мутации кодон начинает кодировать другую аминокислоту. Различают приемлемые, частично приемлемые и неприемлемые миссенс-мутации в зависимости от свойств измененных протеинов. Патологии, вызванные миссенс-мутациями:

Боковой амиотрофический склероз - неизлечимое дегенеративное заболевание центральной нервной системы, при котором поражаются двигательные нейроны, что приводит к параличам и атрофии мышц;

Серповидно-клеточная анемия - наследственное нарушение структуры изменения гемоглобина, в молекуле которого в в-цепи в шестом положении вместо глутаминовой кислоты находится валин. У людей с заболеванием наблюдатеся повышенное разрушение эритроцитов и кислородная недостаточность;

Синдром Марфана - наследственная патология соединительной ткани, вызванная мутацией гена, кодирующего синтез гликопротеина;

Гипофосфатазия - жизнеугрожающее заболевание, характеризующее нарушением минерализации костей скелета и зубов и системными осложнениями. Вызвано мутацией в гене тканенеспецифичной щелочной фосфатазы. Точечные мутацию могут возникать в процессе репликации ДНК, репарации ДНК и транскрипции. А также причиной могут стать мутагены. Например, воздействие ультрафиолетового и рентгеновского излучения, химические вещества и высокая температура. В рамках общепринятой, полимеразной модели считается, что единственная причина образования мутаций замены оснований -- спорадические ошибки ДНК-полимераз.

2. Редактирование генома

генетический нуклеотидный гликопротеин

Точечные мутации представляют собой достаточно серьезные причины ряда заболеваний, некоторые из которых являются смертельными. Это в свою очередь требует поиска возможных методов для устранения мутаций, для устранения патологии и нормального существования человека без заболевания. И один из таких методов уже существует, и является достаточно перспективным, так как в будущем может стать действенным оружием против заболеваний, удаляя из организма дефектные гены.

CRISPR/Cas9 -- это новая технология редактирования геномов высших организмов, базирующаяся на иммунной системе бактерий. Бактериальная ДНК состоит из ряда одинаковых повторов CRISPR, между которыми располагаются спейсеры - отличающиеся друг от друга фрагменты ДНК, которые соответствуют вирусам (бактериофагам), атакующим эти бактерии. Попавший в клетку вирус опознается специализированными Cas-белками (CRISPR-associated sequence -- последовательность, ассоциированная с CRISPR), связанными с CRISPR РНК. Если в спейсере есть информация о данном вирусе, то Cas-белки разрезают чужеродную ДНК, уничтожая ее. Данные о новом побежденном вирусе бактерия сохраняет, вставляя в CRISPR-кассету, фрагменты вирусной ДНК становятся спейсерами. В начале 2013 года группы ученых показали, что данная система может работать не только в клетках бактерий, но и в клетках высших организмов, что дало толчок к пониманию, что CRISPR/Cas-системы могут стать основой для лечения наследственных заболеваний человека, исправляя ошибки в последовательности генов. В основе метода, применяемого для человеческого организма, будет лежать принцип комплементарности. То есть на месте вырезанного фрагмента одной цепи ДНК участок будет достраиваться по правилу Чаргаффа. 2012 году группы Шарпентье и Дженнифер Дудны из Университета Беркли опубликовали статью о том, что можно перепрограммировать систему CRISPR/Cas так, что она сможет целенаправленно разрезать участки ДНК, выбранные учеными. Таким образом, белок Cas9 становится «молекулярным скальпелем», который с помощью введенных в организм специально созданных РНК-гидов, последовательность которых совпадает с искомыми местами, вносит разрыв в нужное место генома. С помощью системы можно делать мультикомплексное редактирование генома, достаточно ввести разные РНК-гиды, которые направят Cas9-белки к собственным мишеням, и вместе они устранят проблему.

На метод возлагают большие надежды. Точность CRISPR/Cas9 делает метод самым перспективным в генной инженерии. Кроме лечения генных заболеваний, он поможет избавиться от некоторых инфекционных болезней, например, малярии. А также уже показана его способность полностью удалять гены ВИЧ из зараженных лимфоцитов. Однако в данный момент метод пока подходит для лечения моногенных заболеваний, природа которых ясна и понятна. А для заболеваний типа алкоголизм и шизофрения существует множество вариаций генов и их проявлений. Кроме этого, в геноме может существовать множество вариантов последовательностей-мишеней, а система просто закроет глаза на несходства, и проявится нецелевая активность, неправильное узнавание, разрезание и редактирование. И непонятен сценарий, по которому идет репарация в клетке. Поэтому задача усложняется. Но ученые ведут исследования и вполне возможно, что в скором времени все генетические заболевания станут излечимыми благодаря данному методу.

Связанные понятия:

Делеции (от лат. deletio -- уничтожение) -- хромосомные перестройки, при которых происходит потеря участка хромосомы. Делеция может быть следствием разрыва хромосомы или результатом неравного кроссинговера. По положению утерянного участка хромосомы делеции классифицируют на внутренние (интерстициальные) и концевые (терминальные).

Транслокамция -- тип хромосомных мутаций, при которых происходит перенос участка хромосомы на негомологичную хромосому. Отдельно выделяют реципрокные транслокации, при которых происходит взаимный обмен участками между хромосомами, и Робертсоновские транслокации, или центрические слияния, при которых происходит слияние акроцентрических хромосом с полной или частичной утратой материала коротких плеч.

Дупликация (лат. duplicatio -- удвоение) -- разновидность хромосомных перестроек, при которой участок хромосомы оказывается удвоенным. Может произойти в результате неравного кроссинговера, ошибки при гомологичной рекомбинации, ретротранспозиции.

Рекомбинация -- перераспределение генетического материала (ДНК или РНК) путём разрыва и соединения разных молекул, приводящее к появлению новых комбинаций генов или других нуклеотидных последовательностей. В широком смысле слова включает в себя не только рекомбинацию между молекулами ДНК, но и перекомбинацию (сортировку) генетического материала на уровне целых хромосом или ядер, а также обмен плазмидами между клетками.

Нокдаун гена (англ. Gene knockdown) -- методика, позволяющая снизить экспрессию одного или нескольких генов при помощи изменения соответствующей последовательности нуклеотидов, либо при помощи короткого олигонуклеотида, комплементарного соответствующей молекуле мРНК. Метод нокдауна генов относится к методам обратной генетики. В случае, когда изменяется последовательность гена, организм называют нокаутным по данному гену.

Генетики дифференцируют разные типы мутаций: точечные замены нуклеотидов - нонсенс-мутации, миссенс-мутации - и делеции (выпадения целых фрагментов ДНК), а также транслокации (перемещения фрагментов ДНК). При нонсенс-мутациях в кодирующей части гена образуется так называемый «стоп-кодон» или образуется триплет нуклеотидов, который прекращает трансляцию на аминокислоты, что останавливает синтез белка. При миссенсмутациях образуется иной, чем в норме, нуклеотидный триплет, что ведет к встраиванию в полипептидную цепь чуждой аминокислоты, а это может резко изменить свойства синтезированного белка. Описывают также точечные мутации, при которых имеет место выпадение одного из нуклеотидов либо внедрение в цепочку ДНК дополнительного нуклеотида. Это нарушает рамку считывания информации, которую передают ДНК - РНК на белок, что тоже может быть причиной генетического дефекта с развитием наследственно обусловленного заболевания.

Связанные понятия:

Открытая рамка считывания (англ. Open Reading Frame, ORF) -- последовательность нуклеотидов в составе ДНК или РНК, потенциально способная кодировать белок. Основным признаком наличия ORF служит отсутствие стоп-кодонов (в случае РНК -- обычно UAA, UGA и UAG) на достаточно длинном участке последовательности после стартового кодона (в подавляющем большинстве случаев -- AUG). Поскольку в некоторых случаях стартовый и терминирующие кодоны отличаются от канонических, а также ввиду возможности супрессии (подавления...

Метилирование ДНК -- это модификация молекулы ДНК без изменения самой нуклеотидной последовательности ДНК, что можно рассматривать как часть эпигенетической составляющей генома.

Теломемры (от др.-греч. фЭлпт -- конец и мЭспт -- часть) -- концевые участки хромосом. Теломерные участки хромосом характеризуются отсутствием способности к соединению с другими хромосомами или их фрагментами и выполняют защитную функцию.

Инвемрсия -- хромосомная перестройка, при которой происходит поворот участка хромосомы на 180°. Инверсии являются сбалансированными внутрихромосомными перестройками. Различают парацентрические (инвертированный фрагмент лежит по одну сторону от центромеры) и перицентрические (центромера находится внутри инвертированного фрагмента) инверсии. Инверсии играют роль в эволюционном процессе, видообразовании и в нарушениях фертильности.

Изоформа белка -- любая из нескольких разных форм одного и того же белка. Различные формы белка могут быть образованы связанными генами, или могут возникнуть из того же гена путём альтернативного сплайсинга. Большое количество изоформ вызваны однонуклеотидными полиморфизмами -- небольшими генетическими различиями между аллелями одного и того же гена. Это происходит в определенных отдельных местах расположения нуклеотидов на гене.

Хромосомные перестройки (хромосомные мутации, или хромосомные аберрации) -- тип мутаций, которые изменяют структуру хромосом. Классифицируют следующие виды хромосомных перестроек: делеции (утрата участка хромосомы), инверсии (изменение порядка генов участка хромосомы на обратный), дупликации (повторение участка хромосомы), транслокации (перенос участка хромосомы на другую), а также дицентрические и кольцевые хромосомы. Известны также изохромосомы, несущие два одинаковых плеча. Если перестройка изменяет...

Подавление экспрессии генов (сайленсинг генов от англ. gene silencing, или в частности, выключение гена) -- это общий термин, описывающий эпигенетический процесс регуляции генов. При этом последовательность нуклеотидов не изменяется, а лишь прекращается экспрессия соответствующего гена. Для выключения генов в лабораторных условиях применяют метод нокдауна генов.

Псевдогены (англ. pseudogenes) -- нефункциональные аналоги структурных генов, утратившие способность кодировать белок и не экспрессирующиеся в клетке. Термин «псевдоген» был впервые предложен в 1977 году. Некоторые псевдогены могут копироваться из мРНК и включаться в хромосомы, такие последовательности называются процессированными псевдогенами (ретропсевдогенами). Тем не менее, они также нефункциональны. Псевдогены происходят от обычных функциональных генов, однако утрачивают способность экспрессии...

Трансдумкция (от лат. transductio -- перемещение) -- процесс переноса бактериальной ДНК из одной клетки в другую бактериофагом. Общая трансдукция используется в генетике бактерий для картирования генома. К трансдукции способны как умеренные фаги, так и вирулентные, последние, однако, уничтожают популяцию бактерий, поэтому трансдукция с их помощью не имеет большого значения ни в природе, ни при проведении исследований.

Эпитоп (англ. epitope), или антигенная детерминанта -- часть макромолекулы антигена, которая распознаётся иммунной системой (антителами, B-лимфоцитами, T-лимфоцитами). Часть антитела, распознающая эпитоп, называется паратопом. Хотя обычно эпитопы относятся к чужеродным для данного организма молекулам (белкам, гликопротеинам, полисахаридам и др.), участки собственных молекул, распознаваемые иммунной системой, также называются эпитопами. Обратная транскрипция -- это процесс образования двуцепочечной ДНК на основании информации в одноцепочечной РНК. Данный процесс называется обратной транскрипцией, так как передача генетической информации при этом происходит в «обратном», относительно транскрипции, направлении. Идея обратной транскрипции вначале была очень непопулярна, так как противоречила центральной догме молекулярной биологии, которая предполагала, что ДНК транскрибируется в РНК и далее транслируется в белки. Однако в 1970 году Темин... Экзонуклеазы -- белки из группы нуклеаз, отщепляющие концевые мононуклеотиды от полинуклеотидной цепи путём гидролиза фосфодиэфирных связей между нуклеотидами. Цистромн -- термин, синонимичный термину «ген», обозначающий участок ДНК, ответственный за синтез определённого белка. Гомологимчные хромосоммы -- пара хромосом приблизительно равной длины, с одинаковым положением центромеры и дающие одинаковую картину при окрашивании. Их гены в соответствующих (идентичных) локусах представляют собой аллельные гены -- аллели, то есть кодируют одни и те же белки или РНК. При двуполом размножении одна гомологичная хромосома наследуется организмом от матери, а другая -- от отца. Транскрипт -- молекула РНК, образующаяся в результате транскрипции (экспрессии соответствующего гена или участка ДНК). Повреждение ДНК -- это изменение химической структуры ДНК, такое как однонитевой или двунитевой разрыв сахаро-фосфатного остова ДНК, потеря или химическое изменение азотистых оснований, сшивка цепей ДНК, сшивка ДНК-белок. Структура ДНК в клетке регулярно нарушается из-за того, что при естественном метаболизме образуются соединения, которые обладают способностью повреждать ДНК. Эти соединения включают активные формы кислорода, реактивные формы азота, активные карбонильные группы, продукты перекисного...

Гены «домашнего хозяйства» (англ. housekeeping genes) -- это гены, необходимые для поддержания важнейших жизненных функций организма, которые экспрессируются практически во всех тканях и клетках на относительно постоянном уровне. Гены домашнего хозяйства функционируют повсеместно, на всех стадиях жизненного цикла организма.

Энхансер (англ. enhancer -- усилитель, увеличитель) -- небольшой участок ДНК, который после связывания с ним факторов транскрипции стимулирует транскрипцию с основных промоторов гена или группы генов. Энхансеры не обязательно находятся в непосредственной близости от генов, активность которых они регулируют, и даже не обязательно располагаются с ними на одной хромосоме.

Стоп-кодон или кодон терминации -- единица генетического кода, тройка нуклеотидных остатков (триплет) в ДНК -- кодирующая прекращение (терминацию) синтеза полипептидной цепи (трансляцию).

Антисмысловыме РНК (англ. Antisense RNA) -- одноцепочечные РНК, которые комплементарны мРНК, транскрибируемой в клетке, или гену-мишени. Механизмы действия антисмысловых РНК весьма разнообразны, они могут как подавлять, так и активировать экспрессию гена-мишени. Природные антисмысловые РНК есть и у прокариот, и у эукариот; они относятся к длинным некодирующим РНК как РНК длиной более 200 нуклеотидов. Синтетические антисмысловые РНК нашли широкое применение у исследователей в качестве инструмента для...

3?-Нетранслируемая область (3?-НТО, англ. 3?-untranslated region, 3?-UTR) -- некодирующий участок мРНК, располагающийся на её 3?-конце после кодирующей области. Такое же название имеет участок ДНК, соответствующий 3?-UTR транскрипта. 3?-UTR может принимать участие в регуляции эффективности трансляции, стабильности мРНК, содержать сигналы полиаденилирования и сайты связывания микроРНК, а также выполнять ряд других регуляторных функций.

Нокаут гена (англ. gene knockout) -- это метод молекулярной генетики, при котором из организма удаляют или делают неработоспособными определенные гены. Таким образом получают организм, «нокаутный» по неработающим генам. Нокаутные организмы помогают узнать функции генов, нуклеотидная последовательность которых известна (обратная генетика). Различия между нокаутным и нормальным организмом могут свидетельствовать о функции выключенного гена.Метод введения генов knock-in имеет сходства с методом gene...

Цис-регуляторные элементы (или цис-элементы) -- участки ДНК или РНК, регулирующие экспрессию генов, находящихся на той же молекуле (обычно хромосоме).

Эксцизиомнная репарамция нуклеотимдов (англ. Nucleotide Excision Repair, NER) -- один из механизмов репарации ДНК. Наряду с эксцизионной репарацией оснований и репарацией ошибочно спаренных нуклеотидов, он позволяет исправить однонитевые повреждения ДНК, используя в качестве матрицы неповреждённую комплементарную цепь. В отличие от вышеуказанных механизмов, NER предназначен для более крупных повреждений ДНК, таких как пиримидиновые димеры, образующиеся в ДНК под действием ультрафиолета (УФ).

Гибридный белок (англ. fusion protein, также химерный, составной белок) -- белок, полученный объединением двух или более генов, изначально кодировавших отдельные белки. Трансляция гибридного гена приводит к синтезу белка, который может сочетать некоторые функциональные свойства обоих исходных белков. Повторямющиеся послемдовательности ДНК (англ. Repetitive DNA) -- участки ДНК, включённые в геном, последовательность которых состоит из повторяющихся фрагментов. Выделяют 2 типа таких повторяющихся последовательностей...Мобильные генетические элементы (МГЭ, англ. Mobile genetic elements, MGE) -- последовательности ДНК, которые могут перемещаться внутри генома. Злокачественные клетки или малигниризованные клетки -- это опухолевые клетки, обладающие не только тканевым, но и клеточным атипизмом, в значительной степени утратившие тканевую специфичность и обладающие способностью к безостановочному неконтролируемому размножению, метастазированию.

Гомологимчная рекомбинамция, или омбщая рекомбинамция, -- тип генетической рекомбинации, во время которой происходит обмен нуклеотидными последовательностями между двумя похожими или идентичными хромосомами. Это наиболее широко используемый клетками способ устранения двух- или однонитевых повреждений ДНК. Гомологичная рекомбинация также создает разнообразие комбинаций генов во время мейоза, обеспечивающих высокий уровень наследственной изменчивости, что, в свою очередь, позволяет популяции лучше адаптироваться...

Эндонуклеазы -- белки из группы нуклеаз, расщепляющие фосфодиэфирные связи в середине полинуклеотидной цепи. Эндонуклеазы рестрикции, или рестриктазы, расщепляют ДНК в определенных местах (так называемых сайтах рестрикции), они подразделяются на три типа (I, II и III) на основании механизма действия. Эти белки часто используют в генной инженерии для создания рекомбинантных ДНК, которые вводят затем в бактериальные, растительные или животные клетки.

Семстринские хроматимды -- идентичные хроматиды, образовавшиеся в результате репликации хромосомы и соединенные в области центромеры. Они образуются в S-фазе интерфазы, когда происходит удвоение ДНК, и разделяются во время митоза и второго деления мейоза. В дальнейшем в каждую дочернюю клетку попадает по одной такой хроматиде из пары хроматид данной хромосомы, и каждая из них достраивает себе пару.

Сигма-фактор (у-фактор) - это белок, необходимый для инициации транскрипции у бактерий.

РНК-интерференция (англ. RNA interference, RNAi) -- процесс подавления экспрессии гена на стадии транскрипции, трансляции, деаденилирования или деградации мРНК при помощи малых молекул РНК.

Центромера -- участок хромосомы, который связывает сестринские хроматиды, играет важную роль в процессе деления клеточного ядра и участвует в контроле экспрессии генов. Характеризуется специфическими последовательностью нуклеотидов и структурой.

Консерватимвные послемдовательности (англ. conserved sequences) -- схожие или идентичные последовательности, встречающиеся в биологических полимерах: нуклеиновых кислотах, первичной и пространственной структурах белков, полисахаридах как в пределах особей разных видов (ортологичные последовательности), так и в пределах одной особи (паралогичные последовательности). Ортологичные последовательности являются подтверждением того, что определённые последовательности могут поддерживаться эволюцией, несмотря...

Онкогемн -- это ген, продукт которого может стимулировать образование злокачественной опухоли. Мутации, вызывающие активацию онкогенов, повышают шанс того, что клетка превратится в раковую клетку. Считается, что гены-супрессоры опухолей (ГСО) предохраняют клетки от ракового перерождения, и, таким образом, рак возникает либо в случае нарушения работы генов-супрессоров опухолей, либо при появлении онкогенов (в результате мутации или повышения активности протоонкогенов, см. ниже).

Последовательность Шайна -- Дальгарно (англ. Shine-Dalgarno sequence, Shine-Dalgarno box) -- сайт связывания рибосом на молекуле мРНК прокариот, обычно на расстоянии около 10 нуклеотидов до стартового кодона AUG. Описана австралийскими учёными Джоном Шайном и Линн Дальгарно.Консенсусом является последовательность из шести нуклеотидов AGGAGG; в случае E. coli последовательность Шайна -- Дальгарно -- AGGAGGU. Комплементарная последовательность CCUCCU, называемая последовательностью анти-Шайна -- Дальгарно...

Рис. 1. Мутация и репарация

Генетическая информация кодируется последовательностью оснований ДНК и поэтому изменения в структуре или последовательности азотистых оснований приводят к мутациям. Многие мутагены вызывают нарушения регуляции роста и деления клеток и поэтому являются канцерогенными. Изменение в структуре генов (мутация) -- важный фактор биологической эволюции. В то же время слишком высокая скорость мутаций ставит под вопрос существование индивидуальных организмов или целых видов. Поэтому клетки обладают механизмами восстановления (репарации), которые корректируют большинство изменений ДНК, вызываемых мутациями.

А. Мутагенные агенты

Мутации могут возникать в результате либо воздействия физических или химических факторов, либо ошибок в процессе репликации и рекомбинации ДНК.

Одним из наиболее важных физических мутагенов является ионизирующая радиация. Она приводит к образованию в клетке свободных радикалов (молекул с неспаренными электронами, см. с. 20), которые исключительно реакционноспособны и могут повредить ДНК. Коротковолновый ультрафиолетовый свет (УФ) также оказывает мутагенное действие, особенно на клетки кожи. Наиболее распространенным химическим изменением, вызванным ультрафиолетовым облучением, является образование тиминовых димеров (2). когда два соседних тиминовых оснований ковалентно связываются друг с другом. Это приводит к ошибкам при считывании ДНК во время репликации и транскрипции.

Из множества химических мутагенов здесь приведен только несколько примеров. Азотистая кислота (HNO2) и гидроксиламин (NH2OH) дезаминируют азотистые основания, т. е. превращают цитозин в урацил, а аденин в инозин. Алкилирующие соединения имеют реакционные группы, которые могут образовывать ковалентные связи с азотистыми основаниями, входящими в ДНК (см. с. 388). Метилнитрозамины (3) распадаются с образованием реакционноспособного метилкатиона (СН3-), который метилирует группы ОН и NH2 в ДНК. Ароматический углеводород бензпирен сам по себе безвреден, но в результате метаболической трансформации образует производные, обладающие канцерогенным действием (4). За счет гидроксилирования одного из колец он превращается в реакционноспособный эпоксид, который алкилирует аминогруппу гуанина и других азотистых оснований. Токсичен и свободный радикал бензпирена.

Б. Результат действия мутагенов

Азотистая кислота вызывает точковые мутации (1). Например, С превращается в U, который в следующем цикле репликации образует пару с А (вместо G). после чего изменение принимает необратимый характер. Мутации типа вставки или выпадения некоторого числа нуклеотидов, не кратного трем, ведут к ошибочной трансляции всей ДНК, поскольку они сдвигают рамку считывания (2). При трансляции измененная мРНК будет интерпретироваться рибосомами по-другому, приводя к совершенно иной аминокислотной последовательности, что показано на простом примере (2).

В. Механизмы репарации

Важным механизмом удаления повреждений в ДНК является эксцизионная репарация (1). Специфическая нуклеаза удаляет небольшой сегмент ДНК, включающий поврежденный участок. Удаленный участок восстанавливается ДНК-полимеразой, использующей в качестве матрицы комплементарную цепь. Наконец, оставшийся одноцепочечный разрыв закрывается ДНК-лигазой. Тиминовые димеры могут быть удалены фотореактивацией (2). Специфическая фотолиаза связывается с дефектным участком ДНК и после облучения расщепляет димер с образованием отдельных нуклеиновых оснований. Третий механизм -- это репарация в результате рекомбинации (3, показано в упрощенном виде). В этом процессе участок, содержащий повреждение, пропускается во время репликации. Образующаяся брешь закрывается путем сдвига соответствующего сегмента из правильно реплицированной второй цепи. Новая брешь ликвидируется с участием полимераз и ДНК-лигаз. В завершение первоначальный дефект (1) устраняется путем вырезания.

Репарация (от лат. reparatio -- восстановление) -- особая функция клеток, заключающаяся в способности исправлять химические повреждения и разрывы в молекулах ДНК, повреждённых при нормальном биосинтезе ДНК в клетке или в результате воздействия физических или химических реагентов. Осуществляется специальными ферментными системами клетки. Ряд наследственных болезней (напр., пигментная ксеродерма) связан с нарушениями систем репарации.

История открытия. Начало изучению репарации было положено работами Альберта Кельнера (США), который в 1948 году обнаружил явление фотореактивации -- уменьшение повреждения биологических объектов, вызываемого ультрафиолетовыми (УФ) лучами, при последующем воздействии ярким видимым светом (световая репарация). Р. Сетлоу, К. Руперт (США) и другие вскоре установили, что фотореактивация -- фотохимический процесс, протекающий с участием специального фермента и приводящий к расщеплению димеров тимина, образовавшихся в ДНК при поглощении УФ-кванта.Позднее при изучении генетического контроля чувствительности бактерий к УФ-свету и ионизирующим излучениям была обнаружена темновая репарация -- свойство клеток ликвидировать повреждения в ДНК без участия видимого света. Механизм темновой репарации облучённых УФ-светом бактериальных клеток был предсказан А. П. Говард-Фландерсом и экспериментально подтверждён в 1964 году Ф. Ханавальтом и Д. Петиджоном (США). Было показано, что у бактерий после облучения происходит вырезание повреждённых участков ДНК с изменёнными нуклеотидами и ресинтез ДНК в образовавшихся пробелах. Системы репарации существуют не только у микроорганизмов, но также в клетках животных и человека, у которых они изучаются на культурах тканей. Известен наследственный недуг человека -- пигментная ксеродерма, при котором нарушена репарация. Томас Линдаль, Азиз Шанкар и Пол Модрич получили Нобелевскую премию по химии 2015 года за исследования в области изучения методов репарации ДНК.

Источники повреждения ДНК:

· Ультрафиолетовое излучение

· Радиация

· Химические вещества

· Ошибки репликации ДНК

· Апуринизация -- отщепление азотистых оснований от сахарофосфатного остова

· Дезаминирование -- отщепление аминогруппы от азотистого основания

Основные типы повреждения ДНК:

· Повреждение одиночных нуклеотидов

· Повреждение пары нуклеотидов

· Двухцепочечные и одноцепочечные разрывы цепи ДНК

· Образование поперечных сшивок между основаниями одной цепи или разных цепей ДНК

· Образование тиминовых димеров

· Кросслинкинг.

Устройство системы репарации.

· ДНК-хеликаза -- фермент, «узнающий» химически изменённые участки в цепи и осуществляющий разрыв цепи вблизи от повреждения;

· ДНКаза (дезоксирибонуклеаза) -- фермент, "разрезающий" 1 цепочку ДНК (последовательность нуклеотидов) по фосфодиэфирной связи и удаляющий повреждённый участок: экзонуклеаза работает на концевые нуклеотиды 3` или 5`, эндонуклеаза - на нуклеотиды, отличные от концевых;

· ДНК-полимераза -- фермент, синтезирующий соответствующий участок цепи ДНК взамен удалённого;

· ДНК-лигаза -- фермент, замыкающий последнюю связь в полимерной цепи и тем самым восстанавливающий её непрерывность.

Типы репараций. У бактерий имеются по крайней мере 3 ферментные системы, ведущие репарацию -- прямая, эксцизионная и пострепликативная. У эукариот и бактерий также есть особые виды репарации Mismatch и SOS-репарация (несмотря на название данный вид репарации немного различается у бактерий и эукариот.

Прямая репарация. Прямая репарация -- наиболее простой путь устранения повреждений в ДНК, в котором обычно задействованы специфические ферменты, способные быстро (как правило, в одну стадию) устранять соответствующее повреждение, восстанавливая исходную структуру нуклеотидов. Так действует, например, O6-метилгуанин-ДНК-метилтрансфераза, которая снимает метильную группу с азотистого основания на один из собственных остатков цистеина.

Эксцизионная репарация. Эксцизионная репарация (англ. excision -- вырезание) включает удаление повреждённых азотистых оснований из ДНК и последующее восстановление нормальной структуры молекулы по комплементарной цепи. Ферментативная система удаляет короткую однонитевую последовательность двунитевой ДНК, содержащей ошибочно спаренные или поврежденные основания, и замещает их путём синтеза последовательности, комплементарной оставшейся нити.

Эксцизионная репарация является наиболее распространённым способом репарации модифицированных оснований ДНК. Она базируется на распознавании модифицированного основания различными гликозилазами, расщепляющими N-гликозидную связь этого основания с сахарофосфатным остовом молекулы ДНК. При этом существуют гликозилазы, специфически распознающие присутствие в ДНК определенных модифицированных оснований (оксиметилурацила, гипоксантина, 5-метилурацила, 3-метиладенина, 7-метилгуанина и т. д.). Для многих гликозилаз к настоящему времени описан полиморфизм, связанный с заменой одного из нуклеотидов в кодирующей последовательности гена. Для ряда изоформ этих ферментов была установлена ассоциация с повышенным риском возникновения онкологических заболеваний [ Chen, 2003 ]. Другой тип эксцизионной репарации -- эксцизионная репарация нуклеотидов, предназначенная для более крупных повреждений, таких как образование пиримидиновых димеров.

Пострепликативная репарация.

Tип репарации, имеющей место в тех случаях, когда процесс эксцизионной репарации недостаточен для полного исправления повреждения: после репликации с образованием ДНК, содержащей повреждённые участки, образуются одноцепочечные бреши, заполняемые в процессе гомологичной рекомбинации при помощи белка RecA.

Пострепликативная репарация была открыта в клетках E. coli, не способных выщеплять тиминовые димеры. Это единственный тип репарации, не имеющий этапа узнавания повреждения.

Заключение

С развитием знаний о нашей генетике в будущем станет возможным не только исправлять генетические дефекты, но и задавать желаемый цвет глаз и волос, улучшать физические и умственные способности, исправлять иммунитет человека, делать его устойчивым к множеству заболеваний.

Важным применением технологии CRISPR/Cas9 становится применение ее в генной терапии лечения наследственных заболеваний уже у взрослых организмов. У лабораторных мышей она уже вылечила наследственную мышечную дистрофию. С помощью метода можно вылечить и рак.

Приложу ещё несколько фактов о репарации ДНК:

· Полагают, что от 80 % до 90 % всех раковых заболеваний связаны с отсутствием репарации ДНК.

· Повреждение ДНК под воздействием факторов окружающей среды, а также нормальных метаболических процессов, происходящих в клетке, происходит с частотой от нескольких сотен до 1000 случаев в каждой клетке, каждый час.

· По сути ошибки в репарации происходят так же часто как и в репликации, а при некоторых условиях даже чаще.

· В половых клетках сложная репарация, связанная с гомологичной рекомбинацией не происходит из-за гаплоидности генома этих клеток.

Размещено на Allbest.ru