Репарация ДНК

Репарация ДНКРепарация ДНК

План лекцииПлан лекции

1.Типы повреждений ДНК1.Типы повреждений ДНК 2.Репарация ДНК, типы и механизмы:2.Репарация ДНК, типы и механизмы: ПрямаяПрямая ЭксцизионнаяЭксцизионная ПострепликативнаяПострепликативная SOSSOS репарация репарация 3. Репарация и наследственные болезни3. Репарация и наследственные болезни

Процесс восстановления исходной нативной Процесс восстановления исходной нативной структуры ДНК называют структуры ДНК называют репарацией ДНКрепарацией ДНК, или , или генетической репарацией, а системы, участвующие в генетической репарацией, а системы, участвующие в нем нем -- репарационными.репарационными.

В настоящее время известно несколько механизмов В настоящее время известно несколько механизмов

генетической репарации. Одни из них более просты генетической репарации. Одни из них более просты и «включаются» сразу же после повреждения ДНК, и «включаются» сразу же после повреждения ДНК, другие требуют индукции большого числа другие требуют индукции большого числа ферментов, и их действие растянуто во времени. ферментов, и их действие растянуто во времени.

С позиций молекулярного механизма С позиций молекулярного механизма первичные повреждения в молекулах ДНК первичные повреждения в молекулах ДНК могут быть устранены тремя путями:могут быть устранены тремя путями:

1.прямым возвращением к исходному 1.прямым возвращением к исходному состоянию;состоянию;

2. вырезанием поврежденного участка и 2. вырезанием поврежденного участка и заменой его нормальным;заменой его нормальным;

3. рекомбинационным восстановлением в 3. рекомбинационным восстановлением в обход поврежденного участка.обход поврежденного участка.

По отношению к процессу репликации различают два основные типа репарации ДНК:

дорепликативную (фотореактивация и эксцизионная форма

пострепликативную (рекомбинационная)

Спонтанные повреждения Спонтанные повреждения ДНКДНК

Ошибки репликации (появление Ошибки репликации (появление некомплементарных пар некомплементарных пар нуклеотидовнуклеотидов))

АпуринизацияАпуринизация (отщепление (отщепление азотистых оснований из азотистых оснований из нуклеотида)нуклеотида)

Дезаминирование (отщепление Дезаминирование (отщепление аминогруппыаминогруппы))

Индуцированные Индуцированные повреждения ДНКповреждения ДНК

Димеризация (сшивание соседних Димеризация (сшивание соседних пиримидиновых оснований с пиримидиновых оснований с образованием димера)образованием димера)

Разрывы в ДНК: однонитевые и Разрывы в ДНК: однонитевые и двунитевыедвунитевые

Поперечные сшивки между Поперечные сшивки между нитями ДНКнитями ДНК

Типы повреждений ДНКТипы повреждений ДНК

ПРЯМАЯ РЕПАРАЦИЯ ДНКПРЯМАЯ РЕПАРАЦИЯ ДНК

Этот тип репарации обеспечивает прямое Этот тип репарации обеспечивает прямое восстановление исходной структуры ДНК или восстановление исходной структуры ДНК или удаление повреждения. удаление повреждения.

Широко распространенная система репарации Широко распространенная система репарации такого рода — фотореактивация такого рода — фотореактивация пиримидиновых димеров. пиримидиновых димеров.

Это пока единственная, известная ферментная Это пока единственная, известная ферментная реакция, в которой фактором активации служит реакция, в которой фактором активации служит не химическая энергия, а энергия видимого не химическая энергия, а энергия видимого света. света.

При этом активизируется фермент фотолиаза, При этом активизируется фермент фотолиаза, которая разъединяет димерыкоторая разъединяет димеры..

ФоторепарацияФоторепарацияСхематически световая репарация выглядит следующим образом:

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

Световая репарацияСветовая репарация

Установлено, что большинство полимераз кроме Установлено, что большинство полимераз кроме 5'-3'-полимеразной активности имеют 3'-5'-5'-3'-полимеразной активности имеют 3'-5'-экзонуклеазную активность, благодаря которой экзонуклеазную активность, благодаря которой обеспечивается коррекция возможных ошибок.обеспечивается коррекция возможных ошибок.

Эта коррекция осуществляется в два этапа: Эта коррекция осуществляется в два этапа: сначала идет проверка соответствия каждого сначала идет проверка соответствия каждого нуклеотида матрице перед включением его в нуклеотида матрице перед включением его в состав растущей цепи, а затем — перед состав растущей цепи, а затем — перед включением в цепь следующего за ним включением в цепь следующего за ним нуклеотида. нуклеотида.

РЕПАРАЦИЯ ДНК ЗА СЧЕТ ЭКЗОНУКЛЕАЗНОЙ РЕПАРАЦИЯ ДНК ЗА СЧЕТ ЭКЗОНУКЛЕАЗНОЙ АКТИВНОСТИ АКТИВНОСТИ ДНК-ПОЛИМЕРАЗДНК-ПОЛИМЕРАЗ

При встраивании неправильного нуклеотида При встраивании неправильного нуклеотида двойная спираль деформируется. Это позволяет двойная спираль деформируется. Это позволяет ДНК-П распознать в большинстве случаев дефект ДНК-П распознать в большинстве случаев дефект в растущей цепи. Если ошибочно встроенный в растущей цепи. Если ошибочно встроенный нуклеотид не способен формировать водородную нуклеотид не способен формировать водородную связь с комплементарным основанием, ДНК-П связь с комплементарным основанием, ДНК-П приостановит процесс репликации до тех пор, приостановит процесс репликации до тех пор, пока нужный нуклеотид не встанет на его место. пока нужный нуклеотид не встанет на его место. У эукариот ДНК-П не обладает 3У эукариот ДНК-П не обладает 3’’-5-5’’ экзонуклеазной активностью. экзонуклеазной активностью.

Репарация алкилирующих Репарация алкилирующих поврежденийповреждений

Генетические повреждения, вызываемые Генетические повреждения, вызываемые присоединением алкильных или метильных присоединением алкильных или метильных групп, могут репарироваться в результате групп, могут репарироваться в результате удаления этих групп специфическими удаления этих групп специфическими ферментами. Специфический фермент Оферментами. Специфический фермент О6 6

метилгуанин трансфераза распознает Ометилгуанин трансфераза распознает О66 метилгуанин в ДНК и удаляет метильную метилгуанин в ДНК и удаляет метильную группу и возвращает основание в исходную группу и возвращает основание в исходную форму.форму.

Действие полинуклеотидлигазыДействие полинуклеотидлигазы

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

Этапы эксцизионной репарацииЭтапы эксцизионной репарации

1. Узнавание повреждения 1. Узнавание повреждения ДНК эндонуклеазойДНК эндонуклеазой

2. Инцизия (надрезание) 2. Инцизия (надрезание) цепи ДНК ферментом по цепи ДНК ферментом по обе стороны от обе стороны от поврежденияповреждения

3. Эксцизия (вырезание и 3. Эксцизия (вырезание и удаление) повреждения удаление) повреждения при помощи геликазыпри помощи геликазы

4. Ресинтез: ДНК-П 4. Ресинтез: ДНК-П застраивает брешь и застраивает брешь и лигаза соединяет концы лигаза соединяет концы ДНКДНК

Мисмэтч-репарацияМисмэтч-репарация

Во время репликации ДНК бывают Во время репликации ДНК бывают ошибки спаривания, когда вместо ошибки спаривания, когда вместо комплементарных пар А-Т, Г-Ц комплементарных пар А-Т, Г-Ц образуются некомплементарные образуются некомплементарные пары. Неправильное спаривание пары. Неправильное спаривание затрагивает только дочернюю цепь. затрагивает только дочернюю цепь. Система репарации мисмэтч должна Система репарации мисмэтч должна найти дочернюю цепь и произвести найти дочернюю цепь и произвести замену некомплементарных замену некомплементарных нуклеотидов.нуклеотидов.

Мисмэтч репарацияМисмэтч репарация

Как отличить дочернюю цепь от материнской?Как отличить дочернюю цепь от материнской? Оказывается, специальные ферменты метилазы Оказывается, специальные ферменты метилазы

присоединяют метильные группы к аденинам в присоединяют метильные группы к аденинам в последовательности ГАТЦ на материнскую цепь последовательности ГАТЦ на материнскую цепь и она становится метилированной, в отличие и она становится метилированной, в отличие неметилированной дочерней. У неметилированной дочерней. У E.coli E.coli продукты продукты 4-х генов отвечают зп мисмэтч репарацию: 4-х генов отвечают зп мисмэтч репарацию: mut S, mut S, mut L, mut H, mut U.mut L, mut H, mut U.

МисмэтчМисмэтч

репарацрепарацияия

ПОСТРЕПЛИКАТИВНАЯ РЕПАРАЦИЯ ДНКПОСТРЕПЛИКАТИВНАЯ РЕПАРАЦИЯ ДНК Пострепликативная репарация осуществляется в

тех случаях, когда повреждение доживает до фазы репликации (слишком много повреждений, или повреждение возникло непосредственно перед репликацией) или имеет такую природу, которая делает невозможным его исправление с помощью эксцизионной репарации (например, сшивка цепей ДНК).

Эта система играет особенно важную роль у эукариот, обеспечивая возможность копирования даже с поврежденной матрицы (хотя и с увеличенным количеством ошибок). Одна из разновидностей этого типа репарации ДНК - рекомбинационная репарация.

Рекомбинационная репарация

SOS -SOS -репарациярепарация Обнаружена в 1974 г. М.Радманом. Он дал Обнаружена в 1974 г. М.Радманом. Он дал

название, включив в него международный сигнал название, включив в него международный сигнал бедствия. Включается тогда, когда повреждений в бедствия. Включается тогда, когда повреждений в ДНК настолько много, что они угрожают жизни ДНК настолько много, что они угрожают жизни клетки. Индуцируется синтез белков, которые клетки. Индуцируется синтез белков, которые присоединяются к ДНК-П комплексу и строят присоединяются к ДНК-П комплексу и строят дочернюю цепь ДНК напротив дефектной дочернюю цепь ДНК напротив дефектной матричной. В результате ДНК удваивается с матричной. В результате ДНК удваивается с ошибкой и может произойти клеточное деление. ошибкой и может произойти клеточное деление. Но если были задеты жизненно важные функции Но если были задеты жизненно важные функции клетка погибнет.клетка погибнет.

SOS - репарация

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, СКВ, болезнь Альцгеймера)

Болезни, связанные с Болезни, связанные с нарушением репарациинарушением репарации

Пигментная ксеродермаПигментная ксеродерма Атаксия-телеангиэктазия или синдром Луи-БарАтаксия-телеангиэктазия или синдром Луи-Бар Синдром БлумаСиндром Блума Трихотиодистрофия (ТТД)Трихотиодистрофия (ТТД) Синдром КоккейнаСиндром Коккейна Анемия ФанкониАнемия Фанкони Прогерия детей (синдром Хатчинсона-Гилфорда)Прогерия детей (синдром Хатчинсона-Гилфорда) Прогерия взрослых (синдром Вернера)Прогерия взрослых (синдром Вернера)

Пигментная ксеродерма

А-Р тип наследования Повышенная чуствительность к (УФ)

солнечному свету: пигментация, сухость кожи, язвы, рубцы. Есть неврологические симптомы, связанные с ранней гибелью нейронов.

Нарушения эксцизионной репарации.

Атаксия-телеангиэктазия или синдром Луи-Бар: А-Р, мозжечковая атаксия, нарушение координации движений, телеангиэктазы – локальное чрезмерное расширение мелких сосудов, иммунодефицит, предрасположенность к онкозаболеваниям.

Синдром Блума: А-Р, высокая чувствительность к УФ лучам, гиперпигментация, краснота на лице в виде бабочки.

Трихотиодистрофия: А-Р, нехватка серы в клетках волос, ломкость, напоминают тигровый хвост, аномалии кожи, зубов, дефекты полового развития.

Синдром Коккейна: А-Р, карликовость при норме гормонов роста, глухота, атрофия зрительного нерва, ускорение старения, чувствительны к солнечному свету.

Анемия Фанкони: уменьшение кол-ва всех клеточных элементов крови, скелетные нарушения, микроцефалия, глухота. Причина- нарушение вырезания пиримидиновых димеров и нарушение репарации межцепочечных сшивок ДНК.

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 Прогерия взрослых- синдром ВернераВернера

Симптомы старения проявляются после полового созревания:

Седина, выпадение волос, морщины, гиперпигментация, сухость, голос утрачивает звонкость

Ребенку 12 лет Вес около 11,5 кг Рост около 1 м

Прогерия детейПрогерия детей

Мальчик 1996 года Мальчик 1996 года рождения. Первые рождения. Первые признаки заболевания признаки заболевания проявились в 5 лет..проявились в 5 лет..

Прогерия детей

Прогерия

Нуржан Оркешбаев. В 2001 году ему поставлен диагноз – прогерия. Он житель Атырауской

области, ему 9 лет.

Литература:

1. Генетика. Под ред. Иванова В.И. М., 2006.2. Жимулев И.Ф. Общая и молекулярная генетика. Новосибирск, 2007.3. Муминов Т.А., Куандыков Е.У. Основы молекулярной биологии (курс лекций). Алматы, 2007.4. Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Л. Молекулярная биология. М., 2003.  

Назовите типы повреждений Назовите типы повреждений ДНКДНК

Контрольные вопросы (обратная связь):

1. Репарация, определение, типы.2. Механизмы световой репарации.3. Механизмы эксцизионной репарации.4. Пострепликативная репарация.5. SOS – репарация.