Репликация, репарация и рекомбинация ДНК

Репликация, репарация и рекомбинация ДНК. Дуплексная структура ДНК, открытая Ватсоном и Криком позволяет ясно представить, как генетический материал предшествующего поколения дублируется последующим.

Вместе с тем, известно, что бактериальные геномы или эукариотические хромосомы состоят из одиночных молекул ДНК длинной от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Это обстоятельство вызывает множество вопросов о структурных и биохимических деталях процесса репликации этой гигантской молекулы. Как начинается репликация и как она идет вдоль по хромосоме? Какие механизмы следят за тем, чтобы перед клеточным делением осуществился лишь один цикл репликации, а не множество? Какие ферменты участвуют в синтезе ДНК и каковы их функции? Как может происходить удвоение столь длинной, сдвоенной и спутанной спирали, какой является молекула ДНК? Чтобы разобраться в процессе репликации ДНК, ученые изучают не только механику ее синтеза (т.е. сборки новых нитей ДНК путем последовательного добавления дезоксирибонуклеотидов), но и механизмы прецизионно-точного копирования хромосом путем контроля старта и завершения синтеза ДНК. Важной проблемой репликации является также механизм разделения двух новых хромосом. Ясно, что для ДНК, служащей генетической связью поколений, важно точное копирование последовательности нуклеотидов не только при образовании плода, но и при «бесчисленных» клеточных делениях в ходе всей жизни организма. Чтобы контролировать точность воспроизведения нуклеотидных последовательностей, клетки используют целый арсенал ферментов, исправляющих возможные нарушения в структуре ДНК. Блокирование этой системы контроля часто приводит к возникновению рака. Наряду с явлением независимого распределения хромосом в мейозе, важным компонентом генетической изменчивости является рекомбинация ДНК, т.е. обмен полинуклеотидными сегментами между гомологичными хромосомами. Для осуществления репликации ДНК все клетки используют одинаковый набор ферментов.
ДНК-полимеразы объединяют дезоксирибонуклеотады в новую нить. Геликаэы распучивают двойную молекулу ДНК. Определенные функции выполняют ДНК-связывающие белки и экзонуклеазы. Бактерии и дрожжи содержат три различных ДНК-полимеразы, а млекопитающие — пять. Каждый тип полимеразы выполняет специфическую функцию в ходе репликации или исправления молекулы ДНК. Некоторые из ферментов, которые отрезают и исправляют побежденные фрагменты ДНК участвуют также и в процессах генетической рекомбинации. В норме контроль репликации ДНК, ее репарации и рекомбинации осуществляется удивительно быстро и прецизионно. Эти три взаимосвязанных молекулярных механизма называют «Зр».
♦ Основные правила репликации ДНК за редким исключением применимы ко всем клеткам.
♦ Синтез ДНК начинается в особом регионе хромосомы, называемом «источником репликации». Бактериальная хромосома имеет один такой источник, а эукариотическая — несколько.
♦ Копирование дуплекса ДНК происходит в области его разветвления на две нити, называемой репликативной вилкой. Механизм копирования носит полуконсервативный характер. Это значит, что в результате копирования в составе каждого из двух дочерних дуплексов оказывается одна старая нить и одна вновь синтезированная нить, комплементарная своей партнерше.
♦ Большинство хромосом содержит двухсторонние источники репликации. Синтез ДНК в них стартует на обоих фокусах репликативной вилки и пролангается в противоположных направлениях. Это продвижение образует так называемый «пузырек» репликации.
♦ Источники репликации обычно содержат множественно повторяющиеся короткие последовательности нуклеотидов. Эти уникальные сегменты ДНК распознаются особыми белками, которые, прицепляясь к источникам репликации, обеспечивают работу необходимых Ферментов.
Двойная спираль состоит из двух антипараллельных нитей (т.е. 5’—>3′ направление одной нити является противоположным для 5′ —> 3’ направления другой нити) и эти две нити переплетены таким образом, что они не могут быть просто расправлены по всей длинне одновременно.
Чтобы ДНК-полимераза начала синтез, ей необходима «стартовая заготовка» в виде короткой молекулы ДНК или РНК, так называемый праймер нуклеиновой кислоты.
Во всех клетках одна из новых нитей ДНК синтезируется непрерывно в направлении продолжения репликатианой вилки путем наращивания цепи оснований к основаниям РНК — праймера, прикрепленного к матричной нити своим 3′ концом. Это «ведущая» нить новой ДНК. Синтез второй нити («ведомой») происходит в направлении противоположном продвижению репликативной вилки. Это происходит с помощью серии коротких РНК-праймеров, сформированных во множестве пунктов второй матричной нити. Получающиеся сегменты РНК и ДНК называют фрагментами Оказаки. Затем праймеры извлекаются и фрагменты ДНК объединяются.
Из-за ошибок копирования и при воздействии некоторых физических и химических факторов или органических мутагенов в последовательности новой ДНК происходят изменения — мутации.
Многие ошибки копирования, возникающие при репликации ДНК, исправляются самой ДНК-полимеразой прямо в ходе полимеризации благодаря особым свойствам этого фермента. Она может распознать неверные (неправильно спаренные) азотистые основания на 3′ конце растущей нити и устранять их благодаря присущей ей экзонукпеазной активности. Короткий фрагмент, содержащий ошибочное основание, опознается, устраняется и тут же собирается заново.
♦ Возможен и более серьезный ремонт, необходимый в случаях более обширных повреждений ДНК, вызванных, например, ультрафиолетовым облучением. В этих случаях крупные участки ДНК извлекаются специальной нуклеазной системой, после чего собирается правильный фрагмент взамен удаленного и с помощью лигаз устанавливается в «брешь» основной нити.
♦ Помимо этих локальных ремонтных механизмов все клетки имеют так называемые индуцируемые системы починки ДНК, которые экспрессируются, когда повреждение ДНК столь обширно, что локальные механизмы не в состоянии завершить свою работу достаточно быстро и появляется угроза завершения транскрипции при наличии неустраненных ошибок. Однако и эта индуцируемая «SOS» система не всегда помогает, особенно у бактерий. Из-за этого вероятность мутаций у них весьма высока.
♦ Механизмы коррекции побежденной ДНК, оказавшиеся неэффективными, становятся причиной закрепления мутаций. Часто повреждения ДНК, вызванные радиацией или мутагенами, приводят организм к раку.
Во время гомологичной рекомбинации дуплекс молекул ДНК распадается и фрагменты нитей обмениваются. Этот процесс (кроссинговер), происходящий спонтанно и хаотачно в геномах всех организмов, играет важную роль в генетической изменчивости.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *