Самокорекція і репарація ДНК

Унаслідок дії фізичних і хімічних агентів, а також при нор­мальному біосинтезі ДНК можуть виникати ушкодження. Ви­явилося, що клітини мають механізми виправлення ушкоджень у нитках ДНК. Здатність клітин до виправлення ушкоджень у мо­лекулі ДНК одержала назву репарації (від лат. rерaratіоп — від­новлення).

Процес репарації ДНК полягає в тому, що генетична інфор­мація подана в ДНК двома копіями — по одній у кожному з двох ланцюгів подвійної спіралі ДНК. Завдяки цьому випадкове ушко­дження в одному з ланцюгів може бути видалене реплікаційним ферментом, і ушкоджена ділянка ланцюга буде ресинтезована у своєму нормальному вигляді за рахунок інформації, що містить­ся в неушкодженому ланцюгу.

За часом здійснення у клітинному циклі розрізняють дореплі-кативну, реплікативну і постреплікативну репарацію.

Дореплікативна репарація — це процес, який пов'язаний з відновленням ушкодженої ДНК до її подвоєння. У найпростіших випадках розриви можуть бути відновлені ферментом лігазою. В інших випадках використовується повна ферментативна система репарації.

Реплікативна репарація — це сукупність процесів відновлен­ня ДНК у ході реплікації; ушкоджена ділянка видаляється впро­довж реплікації в зоні росту ланцюга. У забезпеченні високої точ­ності реплікації значна роль належить механізму самокорекції, який здійснюється ДНК-полімеразою або тісно зв'язаним з нею ферментом ендонуклеазою. Цей процес пов'язаний із визначен­ням помилково включеного в ланцюг нуклеотиду, відщепленням його і заміною на відповідний. У результаті цього частота поми­лок знижується в 10 разів (з 10 ⁵ до 10 ⁶).

Постреплікативна репарація — її механізм вивчений не­достатньо. У процесі постреплікативної репарації вирізається ушкоджена ділянка і зшиваються кінці. При цьому клітина може зберігати життєдіяльність і передавати дефектну ДНК дочірнім клітинам. Припускають ймовірність різних варіантів синтезу ДНК на ушкодженій матриці.

За механізмами розвитку репарації бувають: ексцизійна, не-ексцизійна та рекомбінативна.

Ексцизійна репарація (вирізальна). У процесі ексцизійної ре­парації усуваються ушкодження, які з'явилися під впливом йоні-заційного випромінювання, хімічних речовин та інших факторів. Це основний тип репарації, виявлений як у прокаріотів, так і в клітинах еукаріотів.

Ексцизійна репарація ДНК відзначається тим, що не тільки розрізаються димери (як при світловій), а й вирізаються великі ділянки молекули ДНК (до кількох сотень нуклеотидів). Очевид­но, можуть видалятися цілі гени, після чого відбувається репа-ративний комплементарний матричний синтез за допомогою фер­менту ДНК-полімерази.

На основі однієї із запропонованих моделей установлено п'ять послідовних етапів ексцизійної репарації: 1) "розпізнавання" ушкодження ДНК ендонуклеазою; 2) розрізування ендонукле­азою одного з ланцюгів молекули ДНК поблизу ушкодження; 3) "вирізання" ушкодженої ділянки та її розширення екзонукле­нзою; 4) матричний синтез нового ланцюга ДНК-полімеразою (ре-паративна реплікація); 5) з'єднання новоутвореної ділянки з нит­кою ДНК під впливом ферментів ДНК-лігази.

Неексцизійна (світлова) репарація, або фоторепарація. Здат­ність до репарації була виявлена в бактерій, які зазнавали впливу ультрафіолетових променів. У результаті опромінення цілісність молекул ДНК порушується, тому що в них виникають димери, тобто зчеплені між собою сусідні піримідинові основи. Димери можуть формуватися між двома тимінами, тиміном і цитози­ном, двома цитозинами, тиміном і урацилом, двома урацилами. Однак опромінені клітини на світлі виживають набагато краще, ніж у темряві. Після ретельного аналізу причин цього явища встановлено, що в ушкоджених клітинах на світлі відбувається репарація ДНК (фоторепарація). Вона здійснюється спеціальним ферментом ДНК-фотолігазою, яка активується квантами види­мого світла. Фермент з'єднується з ушкодженою ДНК, роз'єднує зв'язки в димерах і відновлює цілісність нитки ДНК. Фермент ДНК-фотолігаза, що фотореактивує, не є видоспецифічним, тоб­то діє на різні види ДНК. У ньому є ціанокобаламін (вітамін В_І2), що поглинає кванти видимого світла та передає енергію молеку­лі ферменту. На ранніх стадіях еволюції живих організмів, коли не було озонового екрана, який затримує велику частину потоку згубних для організмів сонячних ультрафіолетових променів, фо­торепарація відігравала особливо важливу роль.

Рекомбінативна репарація. Якщо, наприклад, димери тиміну не усунуті до рекомбінації, то це призводить до зміни структури дочірніх ДНК. Такі порушення можуть усуватися безпосередньо В процесі кросинговеру. Але при цьому не усувається димер, він видаляється вже після реплікації.

Наслідки порушення процесу репарації. Вивчено кілька мута­цій, які спричинюють тяжкі природжені захворювання, пов'язані із порушенням процесу репарації. Наприклад, пігментна ксеро­дерма — рецесивна аутосомна мутація, що трапляється досить рідко. Діти, гомозиготні за геном цієї мутації, при народженні виглядають нормально, але вже в ранньому віці під впливом уль­трафіолетових променів сонячного світла в них з'являються змі­ни шкіри: ластовиння, розширення капілярів, ороговіння шкіри, ураження очей, що пов'язано з ушкодженням ДНК. У фіброблас­тах, узятих із шкіри хворих на пігментну ксеродерму, процес репарації після ультрафіолетового опромінення затягується до

ЗО год (у клітинах здорових людей — 6 год) і не досягає рівня нор­мального. Тривалий вплив ультрафіолетових променів призво­дить, зрештою, до виникнення раку шкіри і летального кінця. У таких дітей немає одного із ферментів репарації ДНК.