Биологический каталог




Гиперцикл. Принципы организации макромолекул

Автор М.Эйген, П.Шустер

соединяются друг с другом с помощью лигазы (L). Неправильно спаренные нуклеотиды на З'-конце фрагментов (и только они) вырезаются 3'->- 5'-экзонуклеазой, по всей вероятности, комплексом полимеразы-I (Pi), активность которого в основном связана с репарацией и заполнением пробелов. Другие процессы — например, репарация с помощью б'-^З'-экзонуклеа-зы, которая может удалять целые фрагменты ДНК, — на этой схеме не указаны, потому что они, по-видимому, не играют большой роли в синтезе новых цепей.

образующиеся за один импульс, имеют длину около 1000—2000 нуклеотидов. Синтез их инициируется затравкой, которой служат очень короткие фрагменты РНК. Участки реплицированной ДНК, располагающиеся вдоль обеих цепей позади репликационной вилки, соединяются затем друг с другом с помощью лигаз.

5. Различные функции, необходимые для репликации ДНК, были идентифицированы путем выделения отдельных ферментов и определения их активности. В частности, было охарактеризовано несколько полимерных комплексов (I, II, III), которые выполняют как полимеризующие функции, так и некоторые функции деградации. Здесь особенно интересна 3' -> б'-экзонуклеазная активность полимеразы-I. Она обеспечивает избирательное отщепление неспаренного нуклеотида на З'-конце растущей цепи. Поскольку рост цепи идет только в направлении 5/ -» 3х, эта экзонуклеазная функция позволяет корректировать новосинтезированные фрагменты. Ее максимальная активность составляет около 2% полимеразной активности. 3/ б'-экзонуклеазу следует отличать от 5' —? З'-экзонуклеазы, которая также входит в состав комплекса ДНК-полимеразы-I и, вероятно, участвует в репарации с выщеплением. Она действует только на б'-конец и расщепляет фосфодиэфирную связь в спаренной области, по-видимому, на расстоянии до 10 нуклеотидов от б7-конца. Эта экзонуклеаза, следовательно, может выщеплять олигонуклеотиды, тогда как корректирующий 3' -> б'-фермент удаляет только отдельные неспаренные нуклеотиды на конце растущей цепи.

Теперь мы можем понять, в чем состоит существенное различие между процессами репликации РНК и ДНК, которое выражается в различии средних факторов качества копирования символов для этих двух процессов. В случае репликации РНК точность передачи информации должна обеспечиваться в непрерывном процессе полимеризации. Как бы ни решала эту проблему РНК-репликаза, она достигает, по-видимому, предельного значения q — между 0,9990 и 0,9999. Примерно та же точность могла бы достигаться любым непрерывным механизмом полимеризации ДНК.

Исследование in vitro мутантных фаговых ДНК-полимераз, не обладающих 3' б'-экзонуклеазной активностью, показало, что эти ферменты сравнительно часто ошибаются — с частотой примерно 1 на каждую тысячу нуклеотидов. Сходные результаты получены для очищенной ДНК-полимеразы из вируса птичьего миелобластоза. Однако есть данные и о меньших вероятностях ошибок. Например, для низкомолекулярных эукариотических ДНК-полимераз, не обладающих корректирующей экзонуклеазной активностью, были получены значения на порядок меньшие, чем в случаях, приведенных выше (одна ошибка на каждые 5—10 тысяч нуклеотидов) [36—39]. Появление фрагмента ДНК длиной 1000—2000 нуклеотидов во время полимеризации ДНК (в прокариотиче-ских клетках) может быть прямо связано с ограниченной точностью полимеразной функции. По-видимому, полимераза не может легко удлинять произведенный ею неправильно спаренный конец ([10], стр. 88) —правда, это наблюдалось в отсутствие экзонуклеаз. В то же время 3/ б'-экзонуклеа-за, если она имеется, будет опознавать несоответствие и вырезать неверный нуклеотид. Нет никаких оснований предполагать, что оптимальная разрешающая способность на этом этапе сильно отличается от той, которая характеризует процесс полимеризации. Итак, коррекция может снизить вероятность ошибки (в лучшем случае) еще на три порядка. Коррекция ошибок, с другой стороны, не может быть отложена до более поздней стадии, т. е. до завершения синтеза обеих цепей. Хотя системы репарации, использующие 5' -> З'-нуклеазные активности, существуют, они не могут установить, которая из двух цепей содержит неправильный член в неправильной паре [36]. Были предложены [40] и проверены экспериментально [41, 42] более детальные механизмы кинетической коррекции (см. обзор [43]).

Итак, можно сделать следующий вывод. Оптимальное среднее качество копирования символа для

Б

HI

IV

|Ц||||||1Г||||Н111щиШ

1т^шт 3. :иш1ш4^1111Н1111ш

шиш

liMllfl Jlill

ШПГГ111

КРРССИНГОВЕР с ИСПРАВЛЕННЫМИ ПАРАМИliniiiiiq/jimiiHi1 1ИП|*

ДВЕ ГОМОЛОГИЧНЫЕ МОЛЕКУЛЫ ДИК

ЭНДОНУКЛЕАЗА ДЕЛАЕТ НАДРЕЗ В ОДНОЙ ЦЕПИ КАЖДОЙ МОЛЕКУЛЫ, Б'+З'-ЗКЗОНУКЛЕАЗА УСТРАНЯЕТ НЕВЕРНО СПАРЕННЫЙ КОНЦЕВОЙ НУКЛВОТИД

,ДНК-ПАЛИМЕРАЗА ОСУЩЕСТВЛЯЕТ

"СИНТЕЗНА ОДНОЙ СТОРОНЕ КАЖДОЙ РАЗРЕЗАННОЙ ЦЕПИ, ВЫТЕСНЯЯ ДВА ОДНОЦЕПОЧЕЧНЫХ ХВОСТА

ЕСЛИ ДВЕ ТАКИЕ ОДНОЦЕПАЧЕЧНЫЕ ОБЛАСТИ ЯВЛЯЮТСЯ ГОМОЛОГИЧНЫМИ, •ОНИ МОГУТ АССОЦИИРОВАТЬ С ОБРАЗОВАНИЕМ КОРОТКОГО '.ДВУХЦЕПОЧВЧНОГО МОСТИКА ЭНДОНУКЛЕАЗА РАЗРЕЗАЕТ ДРУГИЕ ЦЕПИ С ОБРАЗОВАНИЕМ ОДНОЙ РЕКОМБИНАНТНОЙ МОЛЕКУЛЫ ?И ДВУХ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ФРАГМЕНТОВ С ПЕРЕКРЫВАЮЩИМИСЯ КОНЦЕВЫМИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЯМИ

Г

ции ошибок. Символ

означает генетически правильный иуклеотнд, символ О — ошибочный. Соответственно символ

О

всегда обокомплементарнеправильную (иекомплементариую) пару, а символ

эначает правильную комплементарную пару, символ

(этап III), в то время как в других 50% случаев — неправнльиую, но ошибочную пару нуклеотидов, независимо от того, какой из четырех нуклеотидов, здесь затронут. Предположим, что надрезание цепи инициируется наличием некомплементарной пары^ (этап II). Тогда 3' —>- б'-экзонуклеаза исправит ошибку: в 50%

Случаев образуется правильная комплементарная пара J

Неправнльная (хотя и комплементарная) пара, однако, ие фиксируется, как при простом

ная комплементарная

о 6

механизме репарации. Рекомбинация с правильной копией (этапы VI, VII) восстанавливает исходную ситуацию (этапы I и VIII), при которой неправильным нуклеотндом занято только одно из четырех гомологичных положений. Следовательно, многократное повторение этого процесса может вести к постоянному снижению доли ошибок, а не к нх 50%-ной фиксации. Эта схема показывает, что коррекция ошибок в завершенных цепях связана с кроссииговером. Данный механизм (нз работы J451) может быть реализован с помощью известных функций ДНК-полимеразы, что ие исключает существования других гипотетических н даже еще более эффективных механизмов. Для полного понимания проблемы точности, связанной с необходимостью рассмотрения процессов вегетативного размножения, необходимы более детальные сведения о механизме, которые пока отсутствуют.

репликации ДНК достигает значения 0,999999 или несколько выше, что позволяет накапливать информацию вплоть до верхнего предела, эквивалентного 1 —10 миллионам нуклеотидов (в зависимости от ве-величины От). Приятно отметить, что эта оценка совпадает с известными размерами геномов прокарио-тических клеток (например, E.coli — 4-Ю6 пар оснований). И опять размер геномов любого организма вовсе не обязан быть равным этой предельной величине. Действительные размеры генома могут лимитироваться другими факторами, связанными, например, с упаковкой молекулы в случае ДНК-содержащих фагов, и т. д. Таким образом, как и в случае РНК-содержащих фагов могут реализоваться любые размеры генома ниже порога.

Для содержания генетической информации в про-кариотической клетке существует верхний предел. Любой выход за пределы информационной емкости одноцепочечной молекулы (104 нуклеотидов) требует нового механизма репликации с участием двухцепо-чечных матриц и корректирующих ферментов. Точно так же новый предел (около 107 нуклеотидов), установленный механизмом репликации ДНК в прока-риотической клетке, не мог быть превзойден, пока не появился новый механизм для дальнейшего уменьшения ошибок. Такой механизм, а именно генетическая рекомбинация, был изобретен природой на прокариотическом уровне. Однако потребовалось от двух до трех миллиардов (10Q) лет, прежде чем он достиг совершенства, чтобы вызвать новое увеличение количества генетической информации отдельных индивидов.

Процесс генетической рекомбинации, используемый всеми эукариотическими клетками, требует, чтобы два аллеля в их гомологичных положениях были идентичны. Поскольку вероятность ошибки для ферментативной репликации ДНК составляет менее 10_6, нескорректированные ошибки крайне редки, н в четырех эквивалентных сайтах двух аллелей не может встретиться более одной ошибки. Следовательно, существует дальнейшая возможность обнаружения и исправления таких ошибок у рекомбинантов, даже если они содержатся в дуплексах, репликация которых была завершена ранее. Одна из возможных схем изображена на ряс. 13. Однако механизм рекомбинации в настоящее время неизвестен достаточно подробно; не ясно также, сколько этапов в конечном счете ответственно за дальнейшее снижение вероятности ошибки. Известно лишь, что такое снижение было достигнуто, как показывает анализ эволюционного древа, и что это является важной предпосылкой увеличения генетической информационной емкости вплоть до уровня, характерного для человека,

IV.4. Первые репликативные единицы

Для обсуждения проблемы возникновения биологической информации мы должны начать с другого конца эволюционной шкалы и проанализировать те механизмы, которые привели к первым воспроизводимым генетическим структурам. Физические свойства, внутренне присущие нуклеотидам, дают возможность дискриминировать комплементарные и некомплементарные нуклеотиды с фактором качества Цу не превосходящим 0,90—0,99. Более детальный анализ, основанный на кинетических и равновесных исследованиях кооперативных взаимодействий между олиго-нуклеотидами, был опубликован ранее [4, 44]. В соответствии с известными различиями в свободных энергиях для дискриминации между комплементарными и некомплементарными парами оснований могло оказаться полезным наличие в среде больших количеств белков — каталитически активных, но не выполняющих никаких других специальных функций. Однак

страница 12
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41

Скачать книгу " Гиперцикл. Принципы организации макромолекул" (2.15Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(26.06.2017)