Биологический каталог




Фотобиология

Автор С.В.Конев, И.Д.Волотовский

ая репарация:

/ — образование в цепи ДНК фотохимического повреждения; 2 — обнаружение повреждения и разрез иити с помощью коррендонуклеазы II; 3 —вырезание поврежденного фрагмента и комплементарная застройка дефекта с помощью ДНК-полимеразы I; 4 — замыкание концов нити с помощью полинуклеотидлигазы

Рис. 57. Пострепликативная репарация: / — образование фотоповреждений в нитях ДНК; 2 — репликация ДНК с образованием в дочерних нитях брешей, комплементарных фотопродуктам; 3 — генетический обмен (заполнение пробелов в сестринских нитях за счет материала материнских нитей); 4 ~ комплементарная застройка пробелов в материнских иитях

Фландерс. К настоящему времени выявлено, по крайней мере, три основных типа темновой репарации — эксцизионная, пострепликативная и так называемая SOS-репарация, В эксцизионной репарации выделяют четыре основные стадии (рис. 56): 1) обнаружение места повреждения и разрез одной из нитей ДНК; 2) вырезание поврежденного фрагмента полинуклеотидной цепи и расширение бреши; 3) комплементарная застройка дефекта по матрице оставшейся нити ДНК; 4) восстановление целостности полинуклеотидной цепи путем соединения концов. Разрез полинуклеотидной цепи около места повреждения осуществляется с помощью фермента кор-рендонуклеазы II — продукта генов uvr А и uvr В Е. coli. Вырезание поврежденного фрагмента с последующим расширением бреши и ее застройкой (репаративный синтез) происходит с помощью ДНК-полимеразы I с участием продуктов генов uvr С, uvr Е и mfd. Наконец, фермент полинуклеотидлигаза катализирует замыкание концов нити ДНК с восстановлением исходной структуры. Считается, что в процессе эксцизионной репарации могут принимать участие ДНК-полимераза II и ДНК-полиме-раза III. Некоторые ферменты темновой репарации выделены из микробных клеток и изучены in vitro. Генетические методы позволили также получить различные мутанты, дефицитные по отдельным ферментам темновой репарации.

Необходимо подчеркнуть, что описанные стадии темновой репарации происходят перед репликацией ДНК (делением клеток) и независимо от нее. Поэтому этот механизм получил также название предрепликативной репарации.

Наряду с ним существует и другой механизм -1- пост-репликативная репарация (рис 57), требующая продуктов гена гес А. Основные особенности пострепликатив-ной репарации сводятся к двум моментам: 1) восстановление дефектов происходит не до, а после репликации ДНК: нити, содержащие димеры или другие повреждения, вовлекаются в процесс репликации с возникновением разрывов у дочерней ДНК, расположенных против поврежденных участков материнской комплементарной матрицы; 2) застройка дефектов у дочерней ДНК происходит в ходе рекомбинационных процессов с использованием информации в неповрежденной нити ДНК. Обя* зательное условие успешной репарации — наличие против бреши интактного участка второй комплементарной нити ДНК.

Таким образом, в ходе пострепликативной репарации вообще не происходит вырезание димеров или других фотохимических повреждений.

Пострепликативный механизм репарации обеспечивает выживание клетки даже при наличии в ее геноме до 100 пиримидиновых димеров. На основе этого механизма легко объясняется факт сохранения димеров в ДНК у чувствительных к УФ-свету мутантов на протяжении нескольких циклов репликации. Как и предрепликатив-ная, пострепликативная репарация определяется набором специфических ферментов.

Следует отметить, что к настоящему времени в экспериментах с Е. coll накоплено большое число фактов, которые невозможно объяснить с помощью двух рассмотренных выше механизмов темновой репарации. Например, каким образом происходит восстановление ДНК при повреждении противолежащих участков обеих ее нитей, когда вообще отсутствует матрица для застройки возникающих на их месте брешей. Этот и другие факты стимулировали выдвижение представлений о новом гипотетическом механизме — SOS-репарации (SOS — международный сигнал бедствия) или иидуцибельной репарации с ошибками.

Данный механизм начинает функционировать в тех случаях, когда клетке грозит гибель из-за неспособности обычных, эксцизиоииой и пострепликативной, систем устранить брешь, противолежащую фотопродукту в комплементарной цепи ДНК, и перекрывающиеся бреши в сестринских цепях. В этих условиях в клетке появляется особый тип ДНК-полимеразы — SOS-полимераза, которая способна в противоположность другим ферментам заполнять брешь в дочерней цепи, используя в качестве матрицы материнскую цепь, содержащую димеры. Против димера, как правило, возникают ошибки (мутации). Дей-свительно, в опытах Рэдмана клеточные экстракты SOS-культуры tif-1 Е. coli обладали способностью репариро-вать УФ-повреждения в синтетических поли-dT-dA-HyK-леотидах с ошибочной заменой димеров тимина на гуании и цитозин. Предполагается, что SOS-полимераза может быть продуктом дерепрессироваиия гена или модифицированной иидуцибельным фактором ДНК-полиме-разой III. Гипотетическая схема участия SOS-полимера-зы в эксцизионнои и пострепликативной репарации при* ведена на рис. 58. Следует отметить, что для проявления SOS-репарации необходимы продукты геиов гее А и lex А. В рамках SOS-гипотезы предполагается, что повреждения ДНК инициирует регуляторный сигнал, приводящий к активации различных функций, направленных на выживание клетки в экстремальных условиях.

a f

v V

Рис. 58. SOS-репарация в ходе эксцизионного (а) и пострепликатнвного (б) репарационных процессов (Witkin Е., 1977)

а: 1—2 — вырезание продукта и деградация участка цепи ДНК; 2—3 — репарационная репликация останавливается у димера, деградация цепи продолжается; 3—4 — SOS-полимераза застраивает брешь после фотопродукта, при этом возникает мутация; 4—5— второй фотопродукт элиминируется по типу эксци-зиониой репарации, обе цепи несут мутантную информацию; б: 1—2 — репликация ДНК и образование перекрывающихся брешей в сестринских цепях; 2—3 — застройка бреши в одной из дочерних цепей с помощью SOS-гюлимера-зы; '3—4* — вторая брешь репарируется в ходе рекомбинации; 3—4" — вторая брешь также застраивается с помощью SOS-полимеразы

С участием SOS-системы осуществляется и репарация межнитевых сшивок ДНК, относящихся к высоколетальным повреждениям. Г. Б. Завильгельским показано, чт.о межнитевые.сшивки в ДНК плазмид, фагов и бак

теряй репарируются по двум механизмам в зависимости от количества геномов, содержащихся в клетке. Схематично репарация сшивки в одиночном геноме может быть представлена так:

uvr- система

На первом этапе происходит выщепление плеча сшивки ферментами uvr-системы — системы эксцизии, на втором — защита однотяжевого участка от действия нуклеаз с помощью фермента рестрикции-модификации (RMA), который в обычных условиях обеспечивает клетке способность узнавать и разрушать чужеродную ДНК, на третьем — заполнение бреши в ходе синтеза de novo при помощи продуктов генов гес А и lex А. Если же в клетке представлен второй геном, неповрежденный в данном сайте, то заполнение бреши идет рекомбинационным путем, контролируемым продуктами гена гес А.

Активность и согласованность работы специфических ферментов темновой репарации определяет эффективность всей системы в целом, которая сильно варьирует у различных клеток. Например, у некоторых фоторезистентных штаммов Е. coli репарируется 90—98% повреждений, а у клеток человека в культуре (HeLa) — только 40%. Известны также микроорганизмы, дефектные по ферментам системы темновой репарации и поэтому обладающие повышенной фоточувствительностью.

Одновременное повреждение, локусов ДНК, ответственных за синтез ферментов темновой репарации (uvr~) и рекомбинации (гес-) у двойных мутантов, приводит к столь резкому повышению фоточувствительности (LD37=0,02 Дж/м2), что клетка гибнет при образовании лишь одного пиримидинового димера.

К настоящему времени получено и классифицировано большое количество мутантов с генетическим повреждением структурных цистронов, контролирующих синтез различных ферментов репарирующей системы. Их использование в значительной мере способствовало выяснению внутренних механизмов темновой репарации.

Необходимо отметить, что разнообразные пострадиационные воздействия, препятствующие репликации ДНК и делению клеток — длительное (несколько часов) выдерживание в средах, лишенных источников полноценного питания (вода, буфер, физиологический раствор, синтетические среды без глюкозы или азотистых веществ), добавление ингибиторов макромолекулярных синтезов и дыхания и т. д., снижают степень биологического повреждения их благодаря созданию оптимальных условий для работы системы темновой репарации.

Система темновой репарации клетки-хозяина устраняет также фотохимические повреждения ДНК бактериофагов.

С другой стороны, бактериофаги Т2, Т4, Т6 не восстав навливаются системой темновой репарации клетки-хозяина, но их геном содержит специальные гены, определяющие синтез в клетке-хозяине особых репарирующих ферментов.

Наконец, у вирусов описано явление неспецифической репарации — множественной и перекрестной реактивации, прямо ие связанной с системой темновой репарации. Обнаруженная Лурия множественная реактивация заключается в восстановлении жизнеспособности фагов при инфицировании клетки большим числом убитых ультрафиолетовым светом фагов, когда из инакти-вироваиных фаговых частиц образуется полноценное потомство. Под перекрестной реактивацией понимают восстановление жизнеспособности убитого фага при множественном инфицировании клетки этим фагом и другим, необлученным, отличающимся от первого своим геномом. Это явление нередко называют «спасением маркеров». В основе множественной и перекрестной реактивации лежит реконструкция интактной ДНК из неповрежденных фрагментов нескольких молекул ДНК фагов в ходе генетической комплементации и рекомби* нации.

Рекомендуемая литература

Белогуров А. А., Завнльгельскнй Г. Б. Участие системы рестрикции «К> в репарации межннтевых сшивок ДНК.— Докл. АН СССР, 1977, 235, 208.

Завильгельская Н. Е., Завильгельский Г. Б. Фото-реактнвнрующий фермент из дрожжей: выделение и физико-химические свойства.— В сб.: Биологическое дей

страница 54
< 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 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69

Скачать книгу "Фотобиология" (3.60Mb)


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

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(17.11.2019)