Молекулярно-генетический уровень жизни. Репликация и репарация

Реализация фундаментальных свойств живых организмов – размножения и роста – на молекулярно-генетическом уровне
! РЕПЛИКАЦИЯ !
! репарация !

Репликация
Репликация – удвоение молекулы ДНК
Возможные способы репликации
консервативный
полуконсервативный
М. Мезельсон,
Ф. Сталь; 1957 г.
дисперсный

Репликация. Этапы
Подготовительный этап
Собственно репликация:
Инициация
Элонгация
Терминация

Ферменты подготовительного этапа:
ДНК-гираза (Топоизомераза I) разрешает топологические проблемы, связанные со спирализацией–деспирализацией ДНК, оборачивается вокруг ДНК и вносит разрыв, который позволяет спирали ДНК вращаться и снимает напряжение, после релаксации топоизомераза соединяет разорванные концы,
Х(Г)еликаза – разрывает водородные связи между азотистыми основаниями;
ДНК-связывающие белки – препятствует соединению цепей между собой. Формируется «вилка» репликации.
Подготовительный этап

Репликация

Начало репликации ВСЕГДА начинается с определенного участка – сайта инициации = ori (от англ. origin – начало). Ori содержит ок. 250-300 нуклеотидов.
Репликон – участок ДНК, содержащий ori – это единица репликации, в пределах которой она начинается и заканчивается
Собственно репликация

Особенности репликации эукариот:
меньшая скорость репликации
образование сразу нескольких репликационных «вилок»

ИНИЦИАЦИЯ РЕПЛИКАЦИИ
Построение новых цепей на матрице старых осуществляется ДНК-полимеразой.
Она неспособна начать синтез новой цепи путем простого связывания двух нуклеотидов – необходим 3'-ОН-конец какой-либо полинуклеотидной цепи, спаренной с матричной цепью ДНК, к которой ДНК-полимераза может лишь добавлять новые нуклеотиды.
Такую полинуклеотиднуй цепь называют затравкой или праймером.
Роль затравки для синтеза полинуклеотидных цепей ДНК в ходе репликации выполняют короткие последовательности РНК, образуемые при участии фермента РНК-праймазы (РНК-полимеразы). 10 нуклеотидов
РНК-праймаза
ПРАЙМЕР

Элонгация репликации
Построение новых цепей на матрице старых осуществляется ДНК-полимеразой.
Способна осуществлять сборку полинуклеотида в направлении от 5'- к 3‘- концу.
При антипараллельном соединении двух цепей ДНК означает, что процесс репликации должен протекать на них по-разному.
Различают ведущую цепь и отстающую цепь.

Ведущая цепь синтезируется в направлении от 5' к 3' концу (при этом синтез на родительской цепи начинается с 3' конца поскольку все ДНК-полимеразы нуждаются в свободных 3' - концах) непрерывно.
Отстающая цепь синтезируется в виде коротких фрагментов Оказаки, синтез каждого фрагмента осуществляется от 5' к 3' концу. У прокариот фрагменты Оказаки содержат от 1000 до 2000 нуклеотидов, у эукариот – от 100 до 200 нуклеотидов. Вновь образованный фрагмент с помощью фермента ДНК-лигазы соединяется с предшествующим фрагментом после удаления его РНК-затравки, которая осуществляется ДНК-полимеразой.
В связи с указанными особенностями репликационная вилка является асимметричной.
Элонгация репликации

Происходит при достижении репликационной вилкой теломер (концевой участок хоромосом).
Теломеры состоят из повторяющихся нуклеотидных участков и набора специальных белков, особым образом организующих эти участки в пространстве.
Теломерные повторы – весьма консервативные последовательности, например, повторы всех позвоночных состоят из шести нуклеотидов – TTAGGG, повторы всех насекомых из пяти – TTAGG, повторы большинства растений из семи – TTTAGGG. Благодаря наличию в теломерах устойчивых повторов клеточная система репарации не путает теломерный участок со случайным разрывом.
Таким путём обеспечивается стабильность хромосом: конец одной хромосомы не может соединиться с разрывом другой.
Терминация репликация

Терминация репликации
Теломераза участвует в репликации теломерных (концевых) участков линейной ДНК.
ДНК-полимеразная система, описанная выше, оставляет недореплицированными 3′-концы материнских цепей ДНК, т. е. новые цепи оказываются укороченными с 5′-концов. Пропуск, образовавшийся после удаления крайнего праймера на 5′-конце дочерней цепи ДНК, заполнен быть не может, поскольку любая из полимераз не способна действовать «с нуля», а лишь удлиняет 3′-конец имеющегося полинуклеотида.
В результате выступающие 3′-концевые участки материнской цепи ДНК остаются однотяжевыми, недореплицированными. Подобные концы ДНК называют острыми, или оверхенгами. Каждый раунд репликации ДНК будет приводить к ее укорочению на 50-60 нуклеотидов.

Терминация репликации

Репарация
устранение из ДНК возникающих в ней повреждений, восстановление исходной (нативной) структуры молекулы
ДНК-полимеразы

Репарационные системы:
простые (одноэтапные) – фотореактивация, деалкилирование;
сложные (многоэтапные, многокомпонентные).
Основная цель этих систем – повышение надежности защиты генома и расширение возможности обеспечения его работы в онтогенезе и при различных физиологических условиях
Репарация

Типы повреждений ДНК
1. Спонтанные повреждения:
ошибки репликации (появление некомплементарных пар нуклеотидов);
апуринизация (отщепление азотистых оснований из нуклеотида);
дезаминирование (отщепление аминогруппы).
Репарация

Типы повреждений ДНК
2. Индуцированные повреждения:
димеризация (сшивание соседних пиримидиновых оснований с образованием димера);
разрывы в ДНК: однонитевые и двунитевые;
поперечные сшивки между нитями ДНК.
Репарация

.
Типы повреждений ДНК

С позиций молекулярного механизма первичные повреждения в молекулах ДНК могут быть устранены тремя путями:
прямым возвращением к исходному состоянию;
вырезанием поврежденного участка и заменой его нормальным;
рекомбинационным восстановлением в обход поврежденного участка.
Репарация

По отношению к процессу репликации различают два основные типа репарации ДНК:
дорепликативную (фотореактивация и эксцизионная форма);
пострепликативную (рекомбинационная).
Репарация

Этот тип репарации обеспечивает прямое восстановление исходной структуры ДНК или удаление повреждения.
Реакциями прямой репарации являются:
фотореактивация;
репарация с помощью метилтрансфераз (репарация алкилированного гуанина);
прямая вставка пуринов инсертазой;
прямое зашивание однонитевых разрывов полинуклеотидлигазой.
Дореплекативная репарация

Репарация ДНК (фотореактивация)
1. Нормальная молекула ДНК
↓
Облучение УФ-светом
↓
2. Мутантная молекула ДНК – образование пиримидиновых димеров
↓
Действие видимого света
↓
3. Синтез фермента фотолиазы
↓
4. Расщепление димеров пиримидиновых оснований
↓
5. Восстановление нормальной структуры ДНК

Репарация ДНК (фотореактивация)

Репарация ДНК при алкилирующих повреждениях
Генетические повреждения, вызываемые присоединением алкильных или метильных групп, могут репарироваться в результате удаления этих групп специфическими ферментами.
Специфический фермент О6метилгуанинтрансфераза распознает О6метилгуанин в ДНК, удаляет метильную группу и возвращает основанию исходную форму.

Репарация ДНК – прямая вставка пуринов
При некоторых типах повреждений пуриновых оснований ковалентная связь между основанием и сахаром (гликозидная связь) может рваться. Тогда в молекуле ДНК на месте этих оснований образуется брешь, названная АР-сайтом (все случаи выщепления оснований с образованием и апуриновых и апиримидиновых сайтов).
Ферменты – инсертазы могут вставлять в брешь такое же основание, какое было до повреждения, и соединять его с сахаром.

Репарация ДНК при однонитевых разрывах
Например, под действием ионизирующего облучения могут возникнуть однонитевые разрывы ДНК.
Фермент полинуклеотидлигаза воссоединяет разорванные концы ДНК.

Репарация ДНК (эксцизионная)
Этот сложные реакции восстановления, когда поврежденные участки вырезаются из цепи ДНК (excision – вырезание), а затем образовавшиеся бреши заполняются неповрежденным материалом.
1. Узнавание повреждения ДНК эндонуклеазой
2. Инцизия (надрезание) цепи ДНК ферментом по обе стороны от повреждения
3. Эксцизия (вырезание и удаление) повреждения при помощи геликазы
4. Ресинтез: ДНК-П застраивает брешь и лигаза соединяет концы ДНК

Репарация ДНК (mismatch repair, MMR)
Во время репликации ДНК происходят ошибки спаривания, в результате которых вместо комплементарной пары нуклеотидов
А + Т или Г + Ц в дочернюю цепь ДНК оказываются включенными нуклеотиды, некомплементарные нуклеотидам в материнской нити и образующие с ними неправильные пары. Такие пары называют мисмэтчами – mismatch.
Неправильное спаривание затрагивает только дочернюю цепь.
Система репарации мисмэтч должна найти дочернюю цепь и произвести замену некомплементарных нуклеотидов.

Специальные ферменты метилазы присоединяют метильные группы к аденинам в последовательности ГАТЦ на материнскую цепь и она становится метилированной, в отличие от неметилированной дочерней.
Репарация ДНК (mismatch repair, MMR)

Пострепликативная репарация
Осуществляется в тех случаях, когда повреждение доживает до фазы репликации или имеет такую природу, которая делает невозможным его исправление с помощью эксцизионной репарации.
Эта система играет особенно важную роль у эукариот, обеспечивая возможность копирования даже с поврежденной матрицы (хотя и с увеличенным количеством ошибок).

Рекомбинационная репарация

Репарация ДНК (SOS-система)
Обнаружена в 1974 г. М.Радманом.
Включается тогда, когда повреждений в ДНК настолько много, что они угрожают жизни клетки.
Индуцируется синтез белков, которые присоединяются к ДНК-полимеразному комплексу и строят дочернюю цепь ДНК напротив дефектной матричной. В результате ДНК удваивается с ошибкой и может произойти клеточное деление.
Но если были задеты жизненно важные функции клетка погибнет.

Репарация ДНК (SOS-система)

Репарация ДНК и наследственные болезни человека
Нарушение системы репарации у человека является причиной:
преждевременного старения;
онкозаболеваний (80-90% всех раковых заболеваний);
аутоиммунных заболеваний (ревматоидный артрит, болезнь Альцгеймера).

Прогерия детей – синдром Хатчинсона-Гилфорда
маленький рост
птичье лицо с клювообразным профилем
преобладание мозгового черепа над лицевым
выпадение бровей, ресниц
продожительность жизни -13 лет
Причина: нарушение репарации – сшивки ДНК

Прогерия взрослых- синдром Вернера
Симптомы старения проявляются после полового созревания:
Седина, выпадение волос, морщины, гиперпигментация, сухость, голос утрачивает звонкость
24 года
26 лет