Проблемы стабильности генетического материала. Типы структурных повреждений в ДНК и репарационные процессы.




Стабильность генетическая * genetic stability - - стабильность генотипа, т.е. тенденция особи или группы особей, хорошо приспособленных к преобладающим условиям внешней среды, воспроизводить потомство такой же генетической конституции. С. г. является результатом отбора и имеет существенное значение для выживания в относительно короткие промежутки времени, т.к. в течение более длительного времени могут произойти такие изменения условий среды, преодоление которых возможно только за счет способности к изменчивости.

 

Восстановление повреждений в клетке получило название репарации.

Различают две группы репараций: дорепликативная - репарация, происходящая во время репликации;фотореактивация - сводится к тому, что фотореактивирующий фермент в клетке на свету способен разрывать связи между тиминами. эксцизионная – восстанавливает повреждения, возникающие под действием не только ультрафиолетовых лучей, но и ионизирующей радиации и химических мутагенов в темноте.пострепликативная - происходящая после репликации.

Эксцизионная репарация

Эксцизионную репарацию, связанную с удалением поврежденного участка ДНК, называют также репарацией по типу выщепления-замещения Происходит также нарушение процесса транскрипции, причем не только его блокирование, но и искажение «смысла» генетической информации. Эксцизионная репарация — многоэтапный процесс, заключающийся в: узнавании димера, надрезании моноспирали ДНК вблизи димера — инцизии, удалении димера — эксцизии, ресинтезе ДНК;восстановлении непрерывности репарируемой цепи за счет образования ковалентных связей сахарофосфатного скелета молекулы.

Узнавание повреждения в ДНК осуществляет фермент УФ-эндонуклеаза, Она распознает повреждения, возникающие после обработки химическими агентами, такими, как азотистый и серный иприты, нитрохинолиноксид. Эндонуклеаза ответственна и за инцизию, т.е. надрезание одной спирали ДНК непосредственно около димера с 5'-конца в поврежденной цепи. Эксцизию, или вырезание димера из молекулы ДНК, осуществляет другая эндонуклеаза или УФ-экзонуклеаза. Удаление димера происходит в составе короткого олигонуклеотида (3-5 оснований) и может сопровождаться дальнейшей деградацией поврежденной моноспирали. Ресинтез ДНК, в результате которого заполняются бреши, происходит с использованием интактной цепи в качестве матрицы. Основной фермент, ответственный за репаративный синтез ДНК — ДНК-полимераза I

Последний этап эксцизионной репарации заключается в восстановлении непрерывности спирали ДНК, которую осуществляет фермент полинуклеотидлигаза
50.Генетический контроль и механизмы эксцизионной пострепликативной репарации, репарация неспаренных оснований, репаративный синтез ДНК. Нарушения в процессах репарации как причина наследственных молекулярных болезней.

Экстизионная,пострепликативная репарация.Нарушение репарации.

Восстановление повреждений в клетке получило название репарации.

Различают две группы репараций: дорепликативная - репарация, происходящая во время репликации;фотореактивация - сводится к тому, что фотореактивирующий фермент в клетке на свету способен разрывать связи между тиминами. эксцизионная – восстанавливает повреждения, возникающие под действием не только ультрафиолетовых лучей, но и ионизирующей радиации и химических мутагенов в темноте.пострепликативная - происходящая после репликации.

Эксцизионная репарация

Эксцизионную репарацию, связанную с удалением поврежденного участка ДНК, называют также репарацией по типу выщепления-замещения Происходит также нарушение процесса транскрипции, причем не только его блокирование, но и искажение «смысла» генетической информации. Эксцизионная репарация — многоэтапный процесс, заключающийся в: узнавании димера, надрезании моноспирали ДНК вблизи димера — инцизии, удалении димера — эксцизии, ресинтезе ДНК;восстановлении непрерывности репарируемой цепи за счет образования ковалентных связей сахарофосфатного скелета молекулы.

Узнавание повреждения в ДНК осуществляет фермент УФ-эндонуклеаза, Она распознает повреждения, возникающие после обработки химическими агентами, такими, как азотистый и серный иприты, нитрохинолиноксид. Эндонуклеаза ответственна и за инцизию, т.е. надрезание одной спирали ДНК непосредственно около димера с 5'-конца в поврежденной цепи. Эксцизию, или вырезание димера из молекулы ДНК, осуществляет другая эндонуклеаза или УФ-экзонуклеаза. Удаление димера происходит в составе короткого олигонуклеотида (3-5 оснований) и может сопровождаться дальнейшей деградацией поврежденной моноспирали. Ресинтез ДНК, в результате которого заполняются бреши, происходит с использованием интактной цепи в качестве матрицы. Основной фермент, ответственный за репаративный синтез ДНК — ДНК-полимераза I

Последний этап эксцизионной репарации заключается в восстановлении непрерывности спирали ДНК, которую осуществляет фермент полинуклеотидлигаза Нарушения процессов репарации ДНК обнаружены у людей, пораженных наследственным заболеванием — пигментной ксеродермой. Известно несколько типов этой болезни, общие симптомы которых — повышенная чувствительность к солнечному свету, приводящая к развитию рака кожи. Культура клеток больных чувствительна к ультрафиолетовому свету, но не к ионизирующим излучениям. У этих больных дефект эксцизионной репарации связан с отсутствием активности УФ-эндонуклеазы. XPII характеризуется чувствительностью к ультрафиолетовому и рентгеновскому излучению. Клетки XPII не способны репарировать ДНК, имеющую однонитевые разрывы. Это связано, по-видимому, с отсутствием в них ДНК-полимеразы I. Наконец, в клетках больных третьего типа — ХРIII, нормально осуществляется выщепление димеров тимина, а дефект связан с иным типом репарации — пострепликативной. Гибридизация соматических клеток позволила обнаружить 6 групп комплементации мутаций, приводящих к развитию признаков пигментной ксеродермы.

Пострепликативная репарация

Пострепликативная репарация открыта в клетках мутантов Е. coli, не способных выщеплять тиминовые димеры. В таких клетках после ультрафиолетового облучения происходит редупликация ДНК, но медленнее, чем в клетках дикого типа. Механизм пострепликативной репарации наименее специфичен, так как не требует этапа узнавания повреждения. Рекомбинационная пострепликативная репарация - это быстрый способ восстановления нативной структуры, по крайней мере, у части дочерних молекул ДНК. При этом тиминовые димеры остаются в исходных родительских спиралях. Быстрая репарация, происходящая уже в первые минуты после облучения, зависит, скорее всего, от механизма, работающего конститутивно. Существует и другая разновидность - медленная пострепликативная репарация, которая требует для своего осуществления нескольких часов и зависит от нормального состояния Пострепликативная репарация существует не только у бактерий, но и в клетках эукариот. Она обнаружена и у млекопитающих, для которых получены данные о том, что заполнение пострепликативных брешей может происходить не за счет рекомбинации, а за счет синтеза ДНК

Репаративный синтез ДНК.

Одна из причин мутаций - возможность существования оснований ДНК в нескольких таутомерных формах. Если аденин находится в обычной аминной форме, он спаривается с тимином. Будучи в редкой иминоформе, аденин образует пары с цитозином. Этот таутомерный переход аденина при последующей репликации может обеспечивать транзиции ATGC. Редкий енольный таутомер тимина способен образовать пару с гуанином и это также приведет к замене пары нуклеотидов. В дальнейшем расчеты показали, что все транзиции и трансверсии можно объяснить некоторой неоднозначностью соответствия между отдельными нуклеотидами в комплементарных цепях ДНК. Прямым указанием на участие процесса репликации в мутагенезе было открытие мутагенного эффекта аналогов оснований ДНК: 5-бромурацила и 2-аминопурина, вызывающих мутации у бактериофагов и бактерий. 5-бромурацил включается в ДНК вместо тимина и образует пары с аденином. При этом возможно ошибочное спаривание с гуанином при репликации ДНК, уже включившей 5-бромурацил (ошибка репликации), а возможна ошибка при включении аналога в ДНК (ошибка включения). В первом случае в результате ошибки репликации происходят транзиции АТ — GC, а во втором — в результате ошибки включения — транзиции GC — AT. Аналогичны ошибки включения и ошибки репликации и при действии другого аналога оснований — 2-аминопурина.Необходима репликация и для мутаций, индуцированных азотистой кислотой, дезаминирующей аденин, цитозин и гуанин. Взаимодействие азотистой кислоты с первыми двумя основаниями приводит соответственно к транзициям АТ-GC и GC— AT. Продукт дезаминирования гуанина — ксантин образует пары так же, как гуанин с цитозином, поэтому мутации не возникают. Азотистая кислота - высокоэффективный мутаген для вирусов, бактерий и эукариот. Спонтанная мутабильность повышается в результате мутационного изменения генов, контролирующих репликацию ДНК


Рекомбинация: гомологический кроссинговер, сайтспецифическая рекомбинация, транспозиции. Доказательство механизма общей рекомбинации по схеме «разрыв-воссоединение».

Генетическая рекомбинация подразумевает несколько типов перераспределения наследственных факторов: 1. Рекомбинация хромосомных и нехромосомных генов. Примером в данном случае может служить рекомбинация ядерных и неядерных генов, происходящая в результате гетерогамии у эукариотических организмов, а также перераспределение «хромосомы» и нехромосомных элементов типа плазмид и эписом у бактерий. 2. Рекомбинация целых негомологичных хромосом. 3. Рекомбинация участков хромосом или иных генофоров, представленных непрерывными молекулами ДНК. Этот тип рекомбинации принято подразделять на три подтипа.

Регулярная, или общая, рекомбинация, представляющая собой кроссинговер, т. е. обмен гомологичными участками в различных точках гомологичных хромосом, приводящий к появлению нового сочетания сцепленных генов. Это, как правило, и подразумевают под словом рекомбинация, неоправданно сужая значение термина.

В отличие от общей рекомбинации, сайт-специфическая рекомбинация происходит под контролем ферментов, опознающих специфические последовательности нуклеотидов, присутствующие на одной или двух рекомбинирующих молекулах. С помощью этого типа рекомбинации бактериальные вирусы и мобильные элементы перемещаются по геному.

Сайт-специфическая рекомбинация была открыта в результате исследований механизма перемещения бактериофага А по хромосоме Е.coli. В интегрированном состоянии вирус внедрен в бактериальную хромосому и реплицируется как часть ДНК клетки-хозяина. Когда вирус проникает в клетку, на матрице вирусного гена синтезируется фермент А-интеграза. Этот фермент и катализирует процесс рекомбинации, начинающийся тогда, когда несколько молекул белка интегразы плотно связываются со специфическими последовательностями на кольцевой хромосоме фага. Получившийся ДНК-белковый комплекс теперь связывается со сходными, но не идентичными последовательностями на бактериальной хромосоме, сближая тем самым бактериальную и фаговую хромосомы. Затем интеграза делает надрезы в молекулах ДНК, формируя маленький участок сочленения гетеродуплекса.

Интеграза напоминает ДНК-топоизомеразу в том отношении, что она формирует ковалентную связь с ДНК в тех же местах, где и разрывает. Тот же самый механизм сайт-специфической рекомбинации приходит в действие, только в обратном направлении, когда фаг l вырезается из сайта интеграции.

Иногда в результате мейоза получаются три копии материнского аллеля и только одна копия отцовского, что свидетельствует об изменении одной копии отцовского аллеля в материнский. Это явление называется генной конверсией. Оно часто происходит в связи с событиями общей рекомбинации и репарации ДНК.

Незаконная, или неправильная, рекомбинация, включающая негомологичные обмены, т. е. транслокации, инверсии, а также случаи неравного кроссинговера.

Современные представления о механизме кроссинговера восходят к представлениям школы Т. Моргана, согласно которым рекомбинация сцепленных генов заключается в разрыве гомологичных хроматид с последующим реципрокным соединением их в новом сочетании (гипотеза разрыв — слияние).

В 1930 г. Х. Винклер выдвинул гипотезу конверсии, согласно которой в гетерозиготе могут происходить направленные превращения одного аллеля в другой по типу:В результате такого процесса при гаметогенезе образуются все четыре типа гамет, наблюдаемые при расщеплении дигетерозиготы. Еще одна гипотеза, пытавшаяся объяснить появление рекомбинантных потомков у дигетерозигот по сцепленным генам, предложена в 1931 г. Дж. Беллингом. Согласно ей при воспроизведении хромосом в первую очередь удваиваются хромомеры, а затем происходит удвоение хромонем, которые могут соединить дочерние хромомеры в прежней или в рекомбинантной последовательности.

Гипотеза Дж. Беллинга была оставлена, как и гипотеза Х. Винклера, и возрождена позже в модифицированной форме для объяснения тех случаев, когда в расщеплении дигетерозиготы появляется только один из двух реципрокных рекомбинантов. В частности, при изучении рекомбинации у бактериофагов оказалось, что некоторые клетки Е. coli, совместно инфицированные двумя генетически различными частицами одного и того же бактериофага, продуцируют лишь один из реципрокных рекомбинантных классов. Объяснение этого явления заключалось в том, что при размножении бактериофага редупликация ДНК может происходить частично по матрице одного, а частично по матрице другого фага. Такой гипотетический механизм,, назван копированием со сменой матриц. В соответствии с этой гипотезой синтез ДНК должен происходить не по полуконсервативному, а по консервативному типу, что противоречит механизму редупликации, который был доказан в экспериментах М. Мезельсона и Ф. Сталя.

Гомологичная рекомбинация происходит между двумя дуплексными молекулами ДНК. Следует подчеркнуть, что ферменты, участвующие в этом процессе, могут использовать в качестве субстрата любую пару гомологичных последовательностей. Гомологичные хромосомы притягиваются друг к другу, конъюгируют в одном или более районе, формируя биваленты. Когда процесс спаривания хромосом завершен, хромосомы соединяются латерально за счет структуры, называемой синаптонемальным комплексом. Рекомбинация между хромосомами подразумевает физический обмен частями, происходящий по принципу «разрыв и воссоединение», в ходе которых две несестринские хроматиды рвутся и затем воссоединяются. Когда хромосомы начинают расходиться, их контакты между собой остаются в виде так называемых хиазм. Традиционно считается, что хиазмы представляют собой отражение существования кроссинговера, хотя формальных доказательств этой связи до сих пор не получено. первым шагом к началу рекомбинации ДНК является сближение двух дуплексных молекул ДНК. Существует много доказательств того, что даже единственной бреши только в одной цепи молекулы ДНК достаточно для инициации общей рекомбинации. Химические препараты или облучение, приводящие к образованию однонитчатых брешей, будут стимулировать рекомбинацию. Первым шагом в синапсисе является спаривание комплементарных последовательностей нуклеотидов. В результате образуется трехцепочечная структура. После этого короткий участок, в котором нити из двух различных молекул начинали спариваться, увеличивается из-за «миграции ветви». «Миграция ветви» может происходить в любой точке, где две одиночные цепи ДНК, имеющие одинаковые последовательности, конкурируют за возможность спариваться с одной и той же комплементарной цепью. Неспаренный участок одной из одиночных цепей заменяется спаренным районом другой, двигая точку ветвления. Спонтанное движение ветви равновероятно в любом направлении.

После этого у большинства изученных организмов наступает стадия формирования перекрестного обмена цепей, или структур Холлидея В этих структурах две гомологичные молекулы ДНК, которые раньше были спарены, теперь удерживаются вместе за счет сформировавшихся обменов между двумя из четырех цепей: по одной из каждой молекулы ДНК. Структура Холлидея имеет две особенности: 1) точка обмена между цепями может быстро мигрировать вперед и назад; 2) она состоит из двух пар цепей — одна пара пересекающихся и одна пара непересекающихся. Для того чтобы восстановить две раздельные спирали ДНК и таким образом закончить процесс спаривания молекул, две пересекающиеся цепи должны быть разрезаны. Если они разрезаны до изомеризации, две исходные спирали отделяются одна от другой почти неизмененными. Если пересекающиеся нити разрезаны после изомеризации, одна секция каждой из исходных спиралей ДНК соединяется с секцией другой молекулы, другими словами, две спирали ДНК испытывают кроссинговер.




Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-04-20 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: