Mecanisme de conservare a secvenței de nucleotide ADN. Repara

Sub influența agenților de alchilare, de exemplu N-metil-TG-nitrozouree sau N-metil-nitrozoguanidină, în ADN se formează resturi de guanină O6-metil- sau O6-alchil-substituite. Astfel de resturi de guanină modificate pot fi dealchilate cu participarea enzimelor prezente în celulele bacteriene și de mamifere. O 6-metilguanină ADN alchiltransferaza catalizează transferul grupărilor alchil la grupările sulfhidril ale reziduurilor de cisteină ale enzimei, iar proteina acceptor este inactivată. Conținutul de alchiltransferază din celulele E. coli crește în prezența O6-alchilguaninei, dar o inductibilitate similară nu este observată în celulele de mamifere.

Când ADN-ul este iradiat cu lumină ultravioletă, formează dimeri de ciclobutan între bazele pirimidinice adiacente. Astfel de compuși blochează replicarea ADN-ului și trebuie îndepărtați pentru a menține viabilitatea celulară. O modalitate de a elimina dimerii de pirimidină este transformarea lor enzimatică în monomeri prin iluminarea soluției cu lumină vizibilă în intervalul de lungimi de undă 300-600 nm. Astfel de enzime fotoreactivatoare sunt prezente în bacterii și organismele eucariote inferioare, dar nu se găsesc în celulele mamiferelor. Enzima formează un complex stabil cu dimerul de pirimidină și, folosind energia luminii absorbită de acesta, distruge dimerul fără a rupe firele de ADN.

b. Reparare prin înlocuirea reziduurilor modificate

Înlocuirea unei nucleotide modificate are loc de obicei în patru etape. În primul rând, enzima recunoaște această nucleotidă și taie lanțul de polinucleotide din apropierea acesteia sau rupe legătura glicozidică dintre baza modificată și dezoxiriboză. În al doilea rând, exonucleaza îndepărtează nucleotida modificată și/sau nucleotidele adiacente, lăsând un mic gol. În al treilea rând, regiunea ștearsă este sintetizată din nou de la capătul 3-OH terminal folosind catena opusă ca matriță. În al patrulea rând, capetele ruperii formate ca rezultat al reparației sunt unite pentru a restabili integritatea covalentă a firului reparat.

Locurile unde a avut loc depurinarea sau depirimidinizarea sunt scindate de enzime numite endonucleaze AP. În celulele pro- și eucaryane există multe endonucleaze AP diferite, adesea mai multe tipuri diferite. Unele endonucleaze AP taie lanțul de pe partea de 3" a situsului AP, în timp ce altele scindează legătura diester de pe partea de 3"; în orice caz, se formează capete 3"-hidroxil şi 5"-fosforil. Ruperea legăturii fosfodiester pe o parte sau pe cealaltă a situsului de ruptură permite exonucleazei să îndepărteze reziduurile adiacente de ambele părți ale situsului de clivaj și apoi să resintetizeze secvența șters.

În repararea purinelor N-alchilate și a altor baze modificate, un rol cheie îl joacă N-glicozilazele specifice - enzime care scindează legătura glicozidică dintre bazele modificate și dezoxiriboză. N-glicozilazele sunt, de asemenea, utilizate în corectarea tulburărilor constând în dezaminarea spontană a citozinei sau adeninei și conversia lor în uracil sau respectiv hipoxantină. Enzimele uracil glicozilaza și hipoxantin glicozilaza scindează uracilul și, respectiv, hipoxantina din ADN, lăsând goluri la locul clivajului. Și din nou, folosind mecanismul de clivaj-resinteză, secvența originală a lanțului deteriorat este restaurată.

Uracil glicozilaza joacă, de asemenea, un rol antimutagenic foarte important în corectarea erorilor care apar atunci când dUTP este utilizat în loc de dTTP în timpul replicării. Deoarece dUMP se asociază cu șablonul aproape la fel de bine ca dTMP, Pol III nu îl recunoaște, iar dacă dUMP nu este excizat în mod specific, dGMP poate fi încorporat în noua catenă în timpul rundei ulterioare de replicare. Astfel, g-glicozilaza protejează celulele de posibilele consecințe mutagene ale includerii dUMP în lanțul ADN.

Repararea dimerilor de timină poate avea loc și în întuneric într-unul din următoarele două moduri. În celulele E. coli sunt sintetizate trei polipeptide, codificate de genele uvrA, uvrB și uvrC, care formează complexul enzimatic uvrLBC-endonuclează. Această enzimă taie catena de ADN care conține dimerul de pirimidină la o distanță de opt legături fosfodiester pe partea de 5" și patru sau cinci legături pe partea de 3" a dimerului de pirimidină. Îndepărtarea regiunii deteriorate pare a fi catalizată de o helicază codificată de o altă genă, uvrD. Aceasta elimină dimerul de timină și aproximativ 12 alte nucleotide care îl înconjoară. Golul rezultat este umplut cu ajutorul lui Pol I, iar ADN ligaza completează reparația prin unirea a două baze adiacente ale lanțului. Unele organisme folosesc un mecanism diferit pentru a repara daunele cauzate de formarea dimerilor de pirimidină. Reparația se efectuează cu participarea dimerului de pirimidină-g-glicozilazei, care creează un loc de apirimidină. Legătura glicozidică dintre una dintre timine și deoxiriboză este tăiată astfel încât dimerul timinei să rămână la capătul de 5" al lanțului rupt, iar gruparea 3"-OH rămâne pe dezoxiriboză. Capătul 3"-AP rezultat este scindat folosind activitatea exonucleazei 3"-5" a ADN polimerazei și apoi, prin translație și ligatură, nucleotida este îndepărtată împreună cu dimerul de timină adiacent, golul rezultat este umplut și capetele lanțului sunt cusute.

V. Importanța reparării ADN-ului

În procesul de evoluție, celulele au dezvoltat un mecanism complex de eliminare a leziunilor care apar în ADN sub influența unei largi varietati de factori chimici și fizici, precum și din cauza erorilor din timpul replicării sau recombinării. Și acest lucru este destul de de înțeles: majoritatea daunelor blochează transferul informațiilor genetice către generația următoare, iar restul, dacă nu este eliminat, va rămâne în genomul descendenților și va duce la modificări dramatice ale moleculelor de proteine, inclusiv ale enzimelor necesare menținerii. viata celulei. Atunci când anumite părți ale sistemului de reparare sunt deteriorate, celulele devin deosebit de vulnerabile la anumiți agenți chimici și fizici. De exemplu, celulele E. coli, care au un sistem perturbat de introducere a spargerilor în ADN în timpul scindării dimerilor de timină, sunt foarte sensibile la lumina UV. Celulele care nu sunt capabile să efectueze una sau alta reacție de N-glicozilază sunt mult mai susceptibile decât celulele normale la efectele mutagene sau letale ale agenților de alchilare sau ale radiațiilor ionizante. Celulele E. coli cu deficit de Pol I au redus semnificativ supraviețuirea atunci când sunt iradiate cu doze mici de lumină UV.

Eucariota inferioară Saccharomyces cerevisiae are cel puțin cinci gene care codifică proteine ​​care sunt implicate în introducerea de pauze în ADN-ul iradiat cu UV. O întrerupere a doar una dintre aceste cinci gene RAD face ca celulele să-și piardă capacitatea de a introduce rupturi de ADN și, prin urmare, de a elimina dimerii de pirimidină. În drojdie, există și mutanți cu o capacitate afectată de a elimina legăturile încrucișate dintre lanțuri, deși eliminarea daunelor induse de UV are loc în mod normal. Acest lucru sugerează că drojdia, la fel ca oamenii, are mecanisme de reparare specifice, extrem de complexe, pentru a elimina legăturile încrucișate și, poate, de asemenea, pentru a corecta multe alte modificări chimice ale ADN-ului.

Persoanele cu xeroderma pigmentosum sunt foarte sensibile la lumina ultravioletă și dezvoltă diferite forme de cancer de piele chiar și cu foarte puțină expunere la lumina soarelui. Celulele acestor oameni poartă o mutație similară cu mutația RAD din drojdie și se manifestă prin faptul că au o capacitate afectată de a scinda dimerii de pirimidină din ADN-ul iradiat cu UV. Boala poate fi cauzată de o mutație a uneia dintre cel puțin nouă gene, ceea ce sugerează un mecanism destul de complex pentru repararea ADN-ului care conține dimeri de timină la oameni. De regulă, boala este asociată cu incapacitatea de a elibera dimeri de timină. Dacă la celulele iradiate în cultură se adaugă o enzimă cu glicozilază dimer de timină și activități endonucleazei AP, atunci daunele UV pot fi eliminate.

Informații generale

După cum sa discutat în capitolul 6, membranele celulare asigură multe funcții în condiții normale. Membranele plasmatice și intracelulare fie funcționează independent - în principal datorită proteinelor integrale situate pe ambele părți ale membranei, fie participă la funcțiile celulare asociate cu acestea (datorită controlului prin receptor și proteinele de transport), precum și funcțiile structurale. componente ale celulei formate din alte proteine, lipide, zaharuri și microelemente.

În general, deteriorarea celulară este însoțită de tulburări ale proceselor genetice, biochimice și fizico-chimice care apar în ea și este asociată cu transformări ale macro și micromoleculelor, inclusiv: polinucleotide și nucleotide, polipeptide și peptide, polizaharide și monozaharide, lipide și componente ale acestora ( fosfolipide, sfingolipide, acizi grași, colesterol), precum și mișcări ale ionilor metalici și alți compuși chimici, radicali liberi, electroni, structuri atomice și atomolare.

De aceea sistemele enzimatice protectoare și restauratoare (reparatoare) sunt atât de importante pentru celulă în cazul diferitelor tipuri de leziuni. Să luăm în considerare aceste sisteme, ținând cont de datele prezentate în capitolele anterioare ale manualului privind organizarea structurală, cauzele și mecanismele de deteriorare a celulelor, precum și datele privind principalele forme de moarte celulară.

PROTECTOR SI RESTAURATOR

SISTEME ENZIMATICE ALE ORGANISMULUI

După cum știți, principalele sisteme de protecție și regenerare ale organismului includ sistemul nervos, endocrin și imunitar (vezi capitolele 13-15). Apoi (în ordinea importanței) vin sistemele de detoxifiere ale organelor interne (ficat, splină, rinichi),

țesuturi (piele și membranele mucoase) și, în sfârșit, sisteme celulare de protecție și regenerare, inclusiv: sisteme citocrom P 450, enzime dependente de glutation, superoxid dismutază (SOD), catalază, plasmalogeni, peroxidaze și fosfolipaze (în special, fosfolipide) și alte sisteme asociate cu restaurarea componentelor care formează structura celulei. O atenție deosebită merită numeroase sisteme de reparare a ADN-ului și sistemele de protecție enzimatică încă puțin studiate ale fluidelor biologice ale corpului (sânge, limfa, lichid cerebral, suc gastric și intestinal). Toate aceste sisteme de protecție și regenerare ale organismului se bazează pe acțiunea genelor unite în rețele de gene unice (vezi capitolul 2).

În primul rând, să ne uităm la cele mai cunoscute sisteme de apărare celulară.

Sisteme de detoxifiere xenobiotice

Sistemele de inactivare (detoxifiere) a unor substanțe sau xenobiotice străine organismului sunt controlate de gene de mediu care codifică sinteza numeroaselor proteine ​​enzimatice care metabolizează (degradează și detoxifică) și elimină xenobioticele din organism.

Mutațiile genelor de detoxifiere provoacă adesea o predispoziție ereditară la boli grave care afectează diferite sisteme ale corpului și organe individuale. De exemplu, legătura dintre manifestările clinice ale fibrozei chistice cauzate de o mutație majoră (CFTR) și starea genelor sistemului de detoxifiere a fost bine studiată. Principalele manifestări ale acestei boli sunt pneumonia obstructivă cronică severă, care duce la moartea prematură a copiilor bolnavi, care, de regulă, nu trăiesc până la vârsta de douăzeci de ani. La rândul lor, mutațiile în genele de detoxifiere în sine predispun adesea la dezvoltarea bolilor pulmonare: astm bronșic, bronșită obstructivă cronică, cancer, emfizem și alte patologii pulmonare.

De asemenea, sa sugerat că variantele alelice ale genelor de detoxifiere pot influența manifestările clinice în fibroza chistică. Această presupunere a fost confirmată în lucrarea lui M.A. Bakay și colab. (1999). S-a dovedit că pacienții cu o formă mixtă și un curs sever de fibroză chistică au fost fie homozigoți pentru alela „zero” a genei glutation transferazei M1 (GSTM1 0/0) -

enzima celei de-a doua faze de detoxifiere xenobiotică, sau avea o alela S lent exprimată a genei primei faze de detoxifiere - epoxihidrolaza microzomală (mEPXH).

Această lucrare a remarcat, de asemenea, o predominanță semnificativă a stării homozigote pentru alela S (sau S/S) în gena mEPXH la pacienții cu boli respiratorii cronice.

Având în vedere corelarea clară a patologiei pulmonare cu alela „lentă” a genei mEPXH și alela „nulă” a genei GSTM1, am ajuns la concluzia că la pacienții cu fibroză chistică asociată cu distribuția corespunzătoare a alelelor (mEPXH S/S și GSTM1). ), patologia pulmonară se dezvoltă cel mai des și decurge deosebit de nefavorabil. Din acest motiv, autorii au considerat oportun să clarifice nu numai natura mutației în gena fibrozei chistice, ci și să se determine la pacienții care poartă alele nefavorabile ale genelor mEPXH S/S și GSTM1. Cu alte cuvinte, această lucrare arată o influență clară a anumitor alele ale genelor DQA1 ale locusului HLA asupra severității fibrozei chistice și a bolilor respiratorii cronice.

Detoxifiere cu citocrom P 450

În membranele celulelor ER ale ficatului, precum și în alte organe și țesuturi, există sisteme de enzime monooxidază care asigură procese de biosinteză și detoxifiere pentru a neutraliza (transforma) xenobioticele (medicamente și compuși artificiali - procarcinogeni) în prima fază. de detoxifiere. Aceste sisteme sunt formate din hiperfamilii de citocrom P 450 sau monooxigenaze care metabolizează o gamă largă de substraturi exogene și endogene.

În ianuarie 2006, 1174 de proteine ​​și numărul corespunzător de gene care le codifică, legate de citocromii P 450, au fost identificate în genomul oamenilor și animalelor (Lisitsa A.V., 2007). Mai mult, numărul compușilor chimici cunoscuți care interacționează cu enzimele sistemului citocrom P 450 a fost de 1708, incluzând 1223 substraturi, 115 inductori și 484 inhibitori.

Aproximativ 50 de forme de citocromi P 450 au fost izolate în corpul uman (Helson, 1998), care participă la reacția de cataliza monooxigenazei și joacă un rol principal în aceasta datorită capacității de a se lega selectiv de substrat. Funcționarea citocromilor P 450 este determinată de interacțiunea lor cu proteinele partenere. Enzimele citocromului P 450 închid lanțul de transport de electroni și folosesc echivalenții redox rezultați pentru a oxida substratul. Ca

Partenerii proteici ai citocromului P 450 pot fi fie mai multe proteine, de exemplu NADPH-citocrom P 450 reductază și citocrom b5, precum și adrenodoxin reductază și adrenodoxină, fie poate fi o singură proteină, de exemplu reductază.

Printre genele umane care codifică enzimele citocromului P 450, a fost izolată gena aromatazei CYP19, responsabilă de sinteza unei enzime care catalizează tranziția androgenilor la estrogeni în diferite țesuturi, inclusiv în țesutul mamar. Această genă are 11 polimorfisme ADN asociate cu expresia crescută sau scăzută (alele: TTTA 7, TTTA 11 TTTA 12 etc.).

O altă genă a acestui sistem, gena CYP1A1, codifică citocromul P 450 1A1, care metabolizează hidrocarburile din fumul de tutun și are, de asemenea, propriile polimorfisme (T623C, A4489G).

Gena CYP17 codifică citocromul P 450 c17alfa. Este implicat în biosinteza steroizilor sexuali.

Trebuie remarcat faptul că localizarea citocromilor P 450 în microzomii hepatici asigură că aceștia primesc electroni din proteina flavoproteină (citocrom P 450 reductază), iar citocromilor P 450 înșiși sunt forma activă a proteinei hemoproteice. În acest caz, stabilitatea acestei proteine ​​este asigurată de stratul dublu lipidic al membranei, constând din fosfatidilcolină sau un amestec de fosfolipide microzomale.

S-a stabilit că atunci când citocromul P 450 interacționează cu un xenobiotic, acesta este inactivat, timp în care trece de la forma activă a citocromului P 420 la cea inactivă. În plus, această formă inactivă poate fi obținută prin incubarea microzomilor hepatici izolați la 37 °C.

În reacțiile „xenobiotic-citocrom P 450”, toate xenobioticele acționează fie ca substraturi exogene (agenți cancerigeni, medicamente, aditivi alimentari, toxine, otrăvuri), fie ca substraturi endogene (acizi grași, prostaglandine, steroizi, colesterol). Moleculele acestor substraturi se leagă de moleculele citocromului P 450 din membranele ER, provocând un lanț de reacții de peroxidare a lipidelor și alte modificări.

În același timp, aceștia pot acționa atât direct, cât și indirect. În al doilea caz, xenobioticele obligatorii și facultative se disting printre ele. Xenobiotice obligatorii,

de exemplu, fenobarbitalul, au un efect toxic direct asupra hepatocitelor (efectul este dependent de doză), ceea ce duce la hepatomegalie datorită inducerii enzimelor hepatice.

La rândul său, cortizonul xenobiotic provoacă ficatul gras sau steatoză prin transformare în intermediari foarte toxici, cum ar fi salicilații și hidrocarburile policiclice.

În plus, efectul direct al xenobioticelor obligatorii sau al metaboliților acestora determină perturbarea metabolismului bilirubinei (în toate etapele sintezei sale de la hem până la excreția în căile biliare), dilatarea sinusoidelor și ocluzia venelor hepatice, ceea ce duce la necroză și, mai puțin. adesea, apoptoza celulelor hepatice. provoacă reacții mediate imun care stau la baza idiosincraziilor sau intoleranțelor la compuși, cum ar fi reacțiile alergice la medicamente.

Molecula de citocrom P 450 în sine este deteriorată din cauza a două mecanisme de deteriorare: proteina însăși de către radicalii liberi și mediul lipidic al proteinei din membrană.

În general, mecanismul de detoxifiere a xenobioticelor în ficat cu participarea citocromului P 450 include trei faze.

Prima fază- contactul xenobioticului cu enzimele ER (fracția microzomală a hepatocitelor), monooxigenaze, citocrom c-reductaze, NADP redus (ca cofactor) și citocrom P 450. În timpul contactului, se produce modificarea xenobioticului cu formarea (eliberarea) grupuri.

Faza a doua- biotransformarea sau conjugarea (combinarea) a unei molecule xenobiotice cu molecule endogene cu participarea a două enzime: UDP-glucuroniltransferaza și glutation-S-transferaza, care asigură detoxifierea sau reducerea toxicității cu eliminarea accelerată a xenobioticului (vezi mai jos). În această fază, glutation-transferaza microzomală este direct asociată cu molecula de citocrom P 450, care contribuie la inactivarea rapidă a produselor metabolice intermediare sau a metaboliților de reacție ai xenobioticului.

A treia fază- transportul activ si excretia (evacuarea) produselor xenobiotice transformate cu ajutorul citocromului P 450 cu bila si urina.

Astfel, inactivarea citocromului P 450 este un indicator al deteriorarii membranelor ER din ficat. În același timp, rata de inactivare a citocromului P 450 poate fi utilizată pentru a evalua restaurarea sau repararea membranelor celulare deteriorate.

Detoxifierea hidroperoxizilor fosfolipidici

Sistemul de detoxifiere cu hidroperoxid fosfolipidic (LOOH) include trei complexe enzimatice dependente de glutation care efectuează reducerea cu doi electroni a LOOH: glutation peroxidază, peroxid fosfolipidic-glutation peroxidază și glutation transferază care conține seleniu, tip alfa (-SH-S-) sau complex GST. Aceste complexe enzimatice sunt clasificate ca antioxidanți - chinolam(enolam), sunt prezente în toate celulele, țesuturile și organele, interacționează cu vitaminele E, C și ubichinolul (coenzima Q) și sunt sisteme universale de legare a metaboliților activi. Toate cele trei sisteme antioxidante dependente de glutation îi aparțin sistemul redox enzimatic al glutationului(FRSG), care este implicat în LPO și proliferarea celulelor imunocompetente. GFSH controlează diviziunea și activitatea prooxidanților, inhibă etapele radicalilor liberi ale peroxidării, distruge peroxizii (non-radicali) și interacționează cu produșii non-peroxidici de peroxidare.

Proprietățile sistemului redox sunt determinate de starea de echilibru: „oxidare-reducere” (vezi capitolul 9).

Nivelul de activitate al enzimelor dependente de glutation în diferite celule și țesuturi reflectă starea întregului sistem antioxidant, deoarece aceste enzime sunt necesare pentru a proteja împotriva agresiunii ROS, a reacțiilor radicalilor liberi în lanț și a intensificării proceselor.

Inducerea enzimelor dependente de glutation se caracterizează prin „redundanța” activității și echilibrul acestora în raport cu oxigenarea celulelor, țesuturilor și organelor.

Un rol special revine complexului GST, care include 21 de enzime, dintre care 16 sunt cu adevărat citosolice. Sunt grupate în 6 subfamilii (clase): alfa, mu, omega, pi, theta și zeta. Fiecare clasă este un dimer format din două subunități egale sau diferite (cu propriile lor site-uri active) care acționează independent una de cealaltă. Fiecare subunitate are 2 domenii conectate printr-un lanț linker scurt de 6 resturi de aminoacizi.

Fiecare dintre cele șase clase de enzime este codificată de grupuri de gene.

Clasa alfa- clusterul de gene este situat în locusul 6p12, conținând genele GSTA1, GSTA2, GSTA3, GSTA4 și GSTA5 și 7 pseudogene

nou Genele din această clasă sunt implicate în metabolismul bilirubinei, hemului și hormonilor steroizi. Genele GSTA1 și GSTA2 sunt exprimate în toate țesuturile. Gena GSTA3 a fost izolată din placentă de 8-9 săptămâni. Gena GSTA5 nu a fost izolată din țesuturi.

Clasa Mu- clusterul este mapat la locusul 1p13.3. Include 5 gene: gena GSTM1 (reprezentată prin trei variante alelice: A, B și O; exprimată în ficat și celule sanguine); gena GSTM2 (numai în mușchi); genele GSTM3 și GSTM4 (testicule și creier); Gena GSTM5 (plămâni, creier, inimă, testicule), precum și 2 pseudogene.

Clasa Omega- clusterul este format din două gene mapate la locusul 10q25.1. Dintre acestea, gena GSTO1 codifică o enzimă unică de întreținere care elimină radicalii S-tiol formați ca răspuns la stresul oxidativ. A doua genă este GSTO2 (puțin studiată). Transcrierile acestor gene sunt larg reprezentate în toate țesuturile. Expresia maximă a acestora se observă la nivelul ficatului, mușchilor scheletici și inimii; expresia minimă are loc în plămâni, creier și placentă.

Clasa Pi- este reprezentată de o genă GSTP1, mapată la locusul 11q13, și o pseudogenă GSTPP, mapată la locusul 12q13-q14. Gena GSTP1 are 3 variante alelice asociate cu polimorfismul secvențelor de nucleotide din codonii 105 și 114, legate de centrii activi ai enzimelor. Această genă este un inhibitor al protein kinazelor implicate în proliferarea celulară și apoptoză.

Clasa Theta- clusterul său include 2 gene (GSTT1 și GSTT2), mapate la locusul 22q11.23. Gena GSTT1 există în două variante alelice (activă și nulă). Gena GSTT2 a fost slab studiată.

Clasa Zeta- este reprezentată de o genă GSTZ1, mapată la locusul 14q24.3. Gena este exprimată în celulele hepatice și, într-o măsură mai mică, în celulele musculare scheletice și ale creierului. Participă la schimbul de fenilalanină și tirozină.

Trebuie remarcat faptul că enzimele complexului GST, sintetizate de toate aceste clase de gene, funcționează pe baza a numeroase mecanisme, inclusiv:

Inactivarea catalitică a unui xenobiotic prin legătura sa cu glutation sau calea de substituție la atomii de carbon electrofili (halogen și nitroalcani), azot (trinitroglicerină), sulf (tiocianați și disulfiți) și fosfor (metil parationină);

Conjugarea (legarea) necatalitică cu substratul; substratul clasic este 1-clor-2,4-dinitrobenzen; această cale este, de asemenea, tipică pentru conjugarea oxiarenelor, epoxizilor alchenic, ionilor de nitroniu și carboniu, precum și a radicalilor liberi;

Reducerea hidroperoxizilor organici (hidroxiperoxizi lipidici și ADN) la alcooli prin expresia activității peroxidazei GSH sau glutamină redusă;

Izomerizarea prostaglandinelor și steroizilor;

Participarea la metabolismul altor compuși exogeni.

Glutation redus(GSH) se referă la tioli cu greutate moleculară mică care domină în majoritatea celulelor în proliferare. Această tripeptidă (L-gamma-glutamil-L-cisteinilglicină) participă la ciclul glutamilului și neutralizează diferiți compuși toxici transformându-i în tioesteri (aceasta atacă atomii de azot, oxigen, sulf și carbon). În timpul metabolizării ulterioare, conjugații de glutation sunt transformați în acizi mercapturici (mercaptani) și sunt excretați din organism (la o rată de aproximativ 0,1 mmol pe zi).

Importanța GSH poate fi urmărită la pacienții cu cancer, la care concentrația de glutamină liberă depinde de proprietățile citostaticelor, care epuizează aportul acestuia, determinând liza celulelor tumorale. În plus, în timpul proliferării celulare și creșterii tumorii, scăderea concentrației de tioli și disulfiți depinde de menținerea echilibrului metabolismului, de sinteza enzimelor dependente de glutation și de îndepărtarea hidroperoxizilor fosfolipide.

Detoxifierea LOOH se desfășoară conform schemelor care includ:

PLA2 stimulat cu peroxid-Ca 2 + și glutation peroxidază de-a lungul căii „hidroliză-reducere-reparare”;

PL-peroxid-glutation-peroxidazele și fosfolipazele A 2 de-a lungul căii „reducere-hidroliză-reparare”.

Ambele scheme conduc la reacilarea lizofosfolipidelor.

În același timp, în condițiile unui dezechilibru între oxidanții endogeni și antioxidanți, poate apărea un exces de ROS și stres oxidativ ulterior. Mecanismul unui astfel de stres, numit „semnalizare a stresului oxidativ”, însoțește reacțiile LPO ca răspuns la niveluri periculos de ridicate sau scăzute de oxidanți.

Semnalizarea stresului oxidativ

Cu ajutorul semnalizării stresului oxidativ (OSS), celula produce un exces de antioxidanți și activează una sau mai multe clase de enzime: glutation redus (vezi mai sus), hem oxigenază-1, glutation peroxidază, catalază, SOD și feritină.

S-a demonstrat că OCC stimulează expresia genelor care controlează apoptoza, citoprotecția și alte efecte celulare.

OCC implică protein kinaza C (PK C), MAPK, hidrolaze, precum și fosfolipaze C (PL C) și A 2 (PLA 2), activate de ioni de Ca 2 +.

Mediatorii timpurii ai acestor enzime sunt LOOH (vezi mai sus), care sunt considerați „mimetici” ai efectelor factorilor de creștere (TNF-alfa), citokinelor și alți agoniști, indicând un rol al derivaților oxidativi ca mesageri secundi (vezi Capitolul 8).

După acțiunea oxidanților, care deteriorează în special membranele celulare, soarta celulei este dublă: fie supraviețuire, fie moarte prin apoptoză sau necroză - aceasta depinde de severitatea „stresului oxidativ”. De exemplu, folosind peroxizi endo sau exogeni, apoptoza poate fi declanșată în celulele leucemice. Un posibil mecanism de activare de către fosfolipaza citosolică (vezi capitolul 9), care afectează arahidonoil fosfolipidele, include fosforilarea catalizată de PKC a enzimei și translocarea acesteia în membrană (prin activarea MAPK). Acest mecanism depinde puțin de Ca 2+ și, prin urmare, este activat doar la niveluri relativ scăzute de LPO.

Sistemul superoxid dismutază

Enzima SOD catalizează reacția dintre doi radicali superoxid pentru a forma peroxid de hidrogen (H 2 O 2) și oxigen molecular (O 2). Această reacție se numește reacții de dismutare(vezi capitolele 6 și 9).

Gena SOD 1 este localizată pe cromozomul 21, iar această localizare a fost discutată de multe ori în literatură pentru a explica cauzele și mecanismele de dezvoltare a sindromului Down (ca o doză triplă a genei). Cu toate acestea, acest lucru nu a fost confirmat.

S-a dovedit că în mitocondriile celulelor normale, care servesc ca sursă de ATP și ROS,

nivelul acestuia din urmă este menținut de un sistem enzimatic protector, care, împreună cu SOD, include și citocrom oxidază, glutation peroxidază și alte enzime.

Rolul antioxidant al sângelui

După cum sa menționat în capitolele 8 și 9, mecanismele de semnalizare joacă un rol important în reglarea activității enzimelor membranare. Majoritatea acestor mecanisme se realizează prin sânge, care are propria sa activitate antioxidantă și este în contact direct cu componentele structurale ale pereților vaselor de sânge, reprezentate în principal de celulele endoteliale.

Este important de remarcat faptul că oxigenul este transportat prin sânge, efectul bactericid al fagocitelor se realizează, iar ionii metalici cu valență variabilă, care sunt catalizatori sau inhibitori ai proceselor de oxidare-reducere, se deplasează. În același timp, sângele, într-o anumită măsură, este veriga limitatoare în sistemul de apărare antioxidantă, deoarece, în comparație cu conținutul intracelular, conține puțini antioxidanți cu molecul mare, ceea ce intensifică reacțiile oxidative și nu favorizează reacțiile reductive.

Mecanisme de restaurare a membranei celulare

Biochimiștii au sugerat de mult timp că membranele celulare se adaptează la deteriorare. Acest lucru este susținut, de exemplu, de datele privind activitatea de restaurare a enzimelor datorită reacțiilor efectuate de PC C, MAPK și canalele de calciu mitocondriale dependente de ATP. În special, deschiderea canalelor de calciu în membranele mitocondriale determină depolarizarea acestora, reducând acumularea în exces de Ca 2+.

Acest mecanism este cel care promovează regenerarea celulară în timpul infarctului miocardic.

Restaurarea activității enzimatice a fost demonstrată experimental in vitro membranele microzomale deteriorate din ficatul șobolanilor atunci când li s-a adăugat PC sau un amestec de PC și lisoPC. Adăugarea acestor fosfolipide a restabilit activitatea glucozo-6-fosfatazei, Ca2+-, Na+-, K+-ATPazei, stearoil-CoA desaturazei, lipazei, UDP-glucuroniltransferazei, fenilalaninhidroxilazei și citocromului b5 reductazei.

Rezultate similare au fost obținute pentru sfingomielinazele cerebrale, beta-hidroxibutirat dehidrogenaza mitocondrială cardiacă și acetilcolinesteraza eritrocitară bovină.

În legătură cu aceste date, s-a sugerat că restabilirea activității proteinelor membranare de către fosfolipide este nespecifică, deoarece majoritatea enzimelor nu necesită anumite tipuri de fosfolipide și, prin urmare, diferite tipuri ale acestora din urmă (sau amestecuri ale acestora) pot efectua reducerea. functie pentru ei.

Este interesant însuși faptul participării fosfolipidelor membranare la restabilirea activității proteinelor enzimatice. În același timp, pentru a menține (și eventual a restabili) activitatea enzimelor membranare, este importantă compoziția în acizi grași a fosfolipidelor adăugate în celule. De exemplu, acest lucru a fost demonstrat pentru Ca 2 + -ATPaza reticulului sarcoplasmatic, când și-a înlocuit propriile fosfolipide cu DPPC (fosfatidilcolină cu un conținut ridicat de acizi grași saturați), activitatea redusă de 8 ori în comparație cu enzima parțial delipidată și când a fost înlocuită. propriile fosfolipide cu dioleil-PC viteza de reacție, dimpotrivă, a crescut brusc.

În plus, a fost remarcată importanța mobilității ridicate a lanțurilor de hidrocarburi fosfolipide pentru restabilirea activității enzimatice și prezența unei anumite sarcini de suprafață pe membrane.

Rezultate similare au fost obținute pentru:

Fosfolipidele acide (PS, PI și FA) în acțiunea lor asupra miozinfosfatazei laringiene;

Fosfolipide anionice (PS) - atunci când acționează asupra 5-monodehidrogenazei placentei umane.

Astfel, în prezent putem vorbi despre varietatea și semnificația nesfârșită a mecanismelor încă nedescoperite, dar aparent existente pentru refacerea daunelor structurale și funcționale ale membranelor celulare.

Inhibitori ai mutagenezei

După cum sa menționat în capitolul 5, mutageneza este procesul de formare a mutațiilor în materialul ereditar, induse de acțiunea diferiților factori mutageni.

Pe la mijlocul secolului al XX-lea. A. Novik și L. Szilard au arătat că ribonucleozidele apurinice reduc nivelul mutațiilor spontane și induse la E. coli, ceea ce le-a permis să identifice o nouă clasă de compuși chimici numiti antimutagene.

La sfârşitul secolului al XX-lea. S de Flora și S. Ramel au împărțit antimutagenele în două clase: extracelulare (dismutagene) și intracelulare.

Antimutageni extracelulari include trei subgrupe.

Inhibitori ai absorbției antimutagenilor și precursorilor acestora (aminoacizi aromatici, acizi grași etc.). Ele împiedică pătrunderea și accelerează eliminarea mutagenilor din organism.

Inhibitori ai formării endogene de mutageni (acid ascorbic, tocoferol, fenoli, produse lactate fermentate). Ele previn sau inhibă reacțiile de nitrozare sau modifică flora intestinală.

Dezactivatori ai mutagenilor ca rezultat al reacțiilor fizice și/sau chimice (antioxidanți, substanțe care mențin nivelurile pH-ului în fluidele biologice și tioli).

Antimutageni intracelulari include, de asemenea, trei subgrupe.

Modulatori ai metabolismului (tioli și fenoli). Ele accelerează transferul mutagenilor către celulele non-țintă și induc un mecanism de detoxifiere.

Inactivatori ai moleculelor reactive. Ei interacționează cu electrofilii, protejează regiunile nucleofile ale ADN-ului și captează radicalii de oxigen.

Modulatori ai replicării și reparării ADN-ului (arsenit de sodiu, vanilină, inhibitori de protează, cumarină, tioli, clorură de cobalt). Acestea măresc acuratețea replicării, cresc eficiența reparației și inhibă erorile de reparare.

După cum rezultă din această clasificare, același compus poate aparține mai multor grupe, de exemplu tioli.

Pe lângă antimutagenii extracelulari și intracelulari, B. Stavrik a izolat în 1992 mai mult de 25 de antimutageni sau chimiopreventori conținute în ei din diferite tipuri de produse alimentare. Acest grup include vitamine, acizi grași, calciu, carotide

noide, cumarine, fibre alimentare, acizi vegetali, seleniu, flavonoide și clorofilă.

Antimutagenii de origine vegetală includ ardeiul verde, varza, frunzele de mentă, ceapa, semințele de plante și merele.

Acțiunea antimutagenelor este specifică: se manifestă cu selectivitate ridicată și depinde de doză. În acest caz, unii antimutageni pot fi inhibitori ai mutagenilor, au efectul comutagen opus sau efectul lor poate să nu apară deloc. În special, astfel de antimutageni includ vitaminele C,

Nu poate fi exclusă posibilitatea de a proteja celulele unor țesuturi cu potențarea simultană a efectelor mutagene în celulele altor țesuturi.

În general, problema eficacității corectoarelor de mutageneza exogene și endogenă rămâne încă deschisă.

În acest sens, să trecem la considerarea celor mai cunoscute și pe larg discutate în literatura științifică și educațională a mecanismelor de recuperare într-o celulă deteriorată.

Restaurarea structurii ADN-ului folosind mecanisme de reparare

După cum se știe, celulele au o capacitate de restaurare sau capacitatea de a corecta și elimina (repara) deteriorarea moleculei de ADN, restabilind structura sa originală. Datorită acestui fapt, doar un număr limitat de mutații sunt reținute în timpul procesului de replicare, transcripție și traducere.

Cu toate acestea, dacă mutația nu este recunoscută, informația distorsionată este transcrisă în ARNm și exprimată sub forma unei proteine ​​defectuoase. Consecințele unui astfel de eveniment pentru celulă sunt adesea nesemnificative, dar uneori sunt extrem de nedorite, iar acest lucru depinde de funcțiile îndeplinite de proteina defecte.

În prezent, numeroase mecanisme de reparare au fost bine studiate, atât cunoscute încă din genetica clasică (fotoreactivarea, repararea dimerilor de timină; repararea prin excizie; repararea SOS), cât și cele descoperite în ultimii ani (vezi mai jos).

Rezumând caracteristicile acestor mecanisme, putem concluziona că repararea diferitelor tipuri de daune în molecula de ADN are loc în mai multe etape:

prima etapă- identificarea avariei și determinarea tipului acesteia;

a doua etapă- aceasta este activarea enzimelor care fie transformă direct deteriorarea în starea inițială, fie (dacă repararea directă nu este posibilă) decupează zona deteriorată, formând un gol.

În acest din urmă caz, se adaugă încă doi pași:

a treia etapă- aceasta este sinteza unei noi secțiuni a moleculei de ADN (pentru a o înlocui pe cea deteriorată);

a patra etapă- aceasta este încorporarea unei noi secțiuni în gol.

Fotoreactivarea sau repararea dimerilor de timină

Sub influența iradierii UV, într-o moleculă de ADN poate apărea o reticulare covalentă a două pirimidine adiacente (două timine) situate în diferite catene ale moleculei. În acest caz, se formează dimeri de timină (ciclobutan), blocând replicarea ADN-ului. În timpul reparării dimerilor de timină, enzima care îi „recunoaște”, fotoliaza, se combină cu ei, formând un singur complex. UVR activează această enzimă și inelul ciclobutanului se rupe pentru a forma două timine separate. A. Kellner a numit acest mecanism în 1949 fotoreactivare.

Dezaminarea (metilarea) și repararea nepotrivirii

După cum se spune în capitolul 6, în timpul dezaminare adenina este transformată în hipoxantină, care formează legături de hidrogen cu citozina. Guanina este transformată în xantină, care formează legături de hidrogen cu timina. Timina nu poate fi dezaminată (singura bază azotată din ADN). Când citozina este metabolizată, se formează uracil. Dacă procesele de dezaminare ale acestor baze azotate sunt perturbate, în molecula de ADN apar baze eronate sau împerecheate incorect. Deci, în loc de perechi AT, perechile GT se formează în lanțul ADN și în loc de perechile GC se formează perechi HA - acestea sunt erori de împerechere. Ele sunt eliminate folosind două mecanisme: GT-reparații nepotrivireŞi GA-nepotrivire-reparații respectiv. Participanții la aceste mecanisme de reparare pot include:

Produse proteice a patru gene ale familiei Mut: H, L, S și U;

Proteine ​​helicaze;

ADN polimeraze care au capacitatea de a „face un pas înapoi” după plasarea următoarei nucleotide în catena de ADN în creștere și decupează ultima nucleotidă dacă nu este complementară cu nucleotida din catena de ADN șablon, de exemplu. capabil să corecteze

creați erori de asociere;

Adenozin trifosfatază (ATP);

Deoxinucleotide fosfataze (dNTPs).

Trebuie remarcat faptul că mecanismele reparații neconcordante operați pe șuvița fiică și înlocuiți bazele necomplementare numai în ea.

La scurt timp după terminarea replicării, enzimele metilaze adaugă grupări metil la adenine în secvențele GATC (guanină-adenină-timină-citozină).

În timpul replicării următoare, catenele de ADN devin distinse: catena mamă conține adenine metilate, iar adeninele din catenele fiice nu sunt încă metilate până la sfârșitul replicării. Metilarea lor va începe numai după încheierea replicării. Prin urmare, în timp ce adeninele nu sunt metilate, celulele trebuie să aibă timp să „repare” nepotrivirile. Repararea bazelor nepotrivite poate avea loc în timpul dezaminării ADN-ului, când enzima N-glicozilaza recunoaște baza, rupe legătura covalentă N-glicozidică și o îndepărtează. În plus, repararea nepotrivirii poate avea loc în timpul metilării ADN-ului (vezi capitolul 7).

Dacă formarea perechilor de baze clasice „Watson-Crick” este în general dificilă, atunci pot apărea erori de împerechere (erori de replicare) în timpul replicării și pot apărea și nepotriviri. Pentru a le elimina, sunt implicate și alte enzime: în primul rând, endonucleaza rupe o catenă de ADN în locurile în care perechile AT sau GC nu s-au format încă, apoi fosfodiesteraza desprinde în aceste locuri de rupere acele grupări zahăr-fosfat (situri AP) la care nu s-au format. bazele sunt atașate. Golurile care apar în lanțul de molecule (cu dimensiunea unei nucleotide) sunt umplute de ADN polimeraza I, după care enzima ligaza coase capetele ADN-ului, restabilind starea inițială a moleculei.

Alchilarea și repararea guaninei O 6-alchilată (metilată) și a timinei O 4-alchilată

alchilare - este adăugarea de grupări laterale alchil (metil, etil, propil sau butii) la bazele purinice sau pirimidinice ale unei molecule de ADN prin acțiunea unui număr de mutageni chimici (agenți de alchilare). De exemplu, metilnitrozo-guanit alchilați (metilați) guanina prin adăugarea unei grupări metil la aceasta.

În timpul repararea guaninei O 6 -alchilate(Aproximativ 6 mega) gruparea metil este scindată din guanină datorită oxigenului asociat cu al șaselea atom, iar în acest moment structura ADN-ului este restabilită. Acest mecanism a fost descoperit de I.A. Rapoport în 1944

S-a stabilit că în timpul alchilării, proteinele sunt sintetizate în celule - metiltransferaze, care captează grupările sale metil din guanina modificată, restabilind structura originală a ADN-ului. Mai mult, metiltransferazele care au capturat astfel de grupuri nu mai pot scăpa de ele, ceea ce indică faptul că nu aparțin clasei de enzime care nu se modifică în timpul numeroaselor reacții. Pe lângă acest mecanism, există repararea timinei O 4 -alchilate(O4-alT).

În consecință, dacă presupunem că pentru fiecare act de reparare directă a ADN-ului sunt necesare noi molecule proteice, atunci în cazul deteriorării de către agenții de alchilare celula este forțată să-și organizeze sinteza în raportul: o moleculă pentru o leziune. Prin urmare, procesele de formare a leziunilor ADN și repararea lor sunt interconectate. De obicei, mii de astfel de molecule se acumulează în interiorul celulei. De exemplu, în timpul unui ciclu celular care are loc în Escherichia coli timp de 30 de minute, se pot acumula aproximativ 3000 de metiltransferaze, capabile să neutralizeze 3000 de daune ADN.

Apurinizare și reparare prin excizie Apurinizare -

aceasta este formarea situsurilor AP în lanțul de nucleotide

După cum se știe, fiecare celulă somatică, atunci când funcționează, pierde aproximativ 10 mii de purine și pirimidine pe zi și, ca urmare, în molecula sa de ADN se formează situsuri apurine sau grupuri de zahăr-fosfat fără baze (situamente AP). Dacă site-urile AP nu ar fi corectate, ar fi un dezastru.

În timpul eliminării situsurilor AP, enzimele insertaze rupe legătura covalentă N-glicozidică dintre bază și dezoxiriboză și apoi are loc inserția directă a purinelor. Acest mecanism a fost descoperit de T. Lindahl în 1979.

Cauzele apurinizării: creșterea temperaturii, modificarea pH-ului, radiații ionizante.

Dacă celula nu poate face față deteriorării bazelor și nucleotidelor din molecula de ADN folosind mecanismele de reparare enumerate mai sus, atunci intră în joc mecanisme de reparare mai complexe, dintre care unul este repararea prin excizie,

efectuată prin tăierea (excizia) unei baze deteriorate dintr-o nucleotidă sau o secțiune mai extinsă a moleculei. Deteriorarea bazelor are loc cu ajutorul ADN-glicozilazelor, care recunosc deteriorarea bazelor care rezultă din metilare, oxidare, reducere, dezaminare, adăugare de grupări formidă și alte reacții.

Familia ADN glicozilazei include 11 tipuri de enzime care se leagă de substraturi sau ținte deteriorate: ura- (conține uracil); hmu-(hidroximetiluracil); 5-tC-(metilcitozină); Hx-(hipoxantina); 3ntA-, tip I (3-metiladenină) și tip II (conține metiladenină, 7-metilguanină sau 3-metilguanină); FaPy-(reziduuri de formidopirimidină sau 8-hidroxiguanină); 5,6-HT sau endonucleaza III (5,6 resturi de timină hidratate); PD-(dimeri de pirimidină); nepotrivire timină (conține o pereche de baze GT necomplementară); substrat mutY (conține o pereche GA necomplementară).

ADN glicozilazele se atașează de leziuni și rup legăturile glicozidice dintre baza modificată și dezoxiriboză, rezultând formarea de situsuri AP.

Siturile AP rezultate sunt recunoscute de enzima AP endonucleaza (capabilă de a rupe lanțul din interiorul unei molecule de ADN sau ARN). După ce apare ruptura, intră în acțiune enzima fosfodiesteraza, care scindează din ADN grupa fosfat de zahăr de care nu mai este atașată baza.

Ca rezultat, într-o catenă de ADN apare un decalaj de dimensiunea unei nucleotide. Vizavi de golul din catena opusă de ADN există o nucleotidă intactă, iar o altă enzimă (ADN polimeraza I) inserează o nucleotidă complementară în decalaj, atașând-o la capătul liber de 3" OH. Acest capăt al catenei de ADN și cel 5. Capatele formate anterior atunci cand catena este rupta sunt conectate intre ele sub actiunea polinucleotid ligazei. După aceasta, întreaga structură este considerată a fi complet restaurată: baza incorectă este îndepărtată, fosfatul de zahăr de care a fost atașată baza este tăiat, golul este umplut cu nucleotida corectă și ruptura monocatenului este reparată.

Repararea prin excizie a nucleotidelor deteriorate

Mecanismul de reparare a exciziei este un mecanism mai complex și mai consumator de energie asociat cu tăierea nu doar a bazei deteriorate, ci și a unei secțiuni semnificative a lanțului.

ADN-ul înainte și după deteriorare. La Escherichia coli, o astfel de reparare este efectuată de un complex multienzimatic de endonucleaze codificat de trei gene de reparare ultravioletă sau gene uvr (A, B și C) și numit complex de excinuclează (Fig. 50). Acest mecanism a fost descris de R. Setlow și V.N. Soifer în 1970. Include următoarele etape:

Recunoașterea daunelor de către proteinele uvr A și B;

Îndoirea moleculei de ADN și modificarea conformației proteinei uvr B;

Efectuarea a două tăieturi de ADN monocatenar pe ambele părți ale daunei folosind proteinele uvr B și C;

Derularea ADN-ului în zona dintre două tăieturi utilizând proteina uvr D (helicaza II);

Detașarea unui fragment care conține un defect de 12 nucleotide în lungime (12-mer) cu formarea unui gol, care consumă energia unei molecule de ATP;

Umplerea golului rezultat folosind ADN polimerază;

Unirea capetelor libere ale coloanei vertebrale zahăr-fosfat a ADN-ului folosind ADN ligază.

Un mecanism similar există la om. În același timp, complexul său de excinuclează este format din 17 proteine, umplând golul

Orez. 50. Mecanismul repararii exciziei la E. Coli. (după Elliot W., Elliot D., 2002)

apare cu participarea ADN polimerazelor O&E, iar secțiunea excizată din catena de ADN deteriorată are 29 de nucleotide (în loc de 12 în E. coli).

Repararea nucleotidelor deteriorate include repararea nepotrivirii sau repararea perechilor de baze non-complementare (non-canonice) sau non-Watson-Crick - aceasta este așa-numita reparație a nepotrivirii (vezi mai sus).

Repararea rupurilor ADN-ului monocatenar și dublu

În plus față de mecanismele de reparare discutate mai sus, sunt mecanisme de reparare a rupurilor monocatenare (rupturi ale legăturilor între baze dintr-o catenă a unei molecule de ADN) și rupturi dublu catenare (rupturi ale legăturilor dintre baze din două catene ale unei molecule de ADN) cunoscut.

Repararea rupurilor ADN-ului monocatenar

Repararea rupurilor ADN-ului monocatenar - asta reparatie directa. Este cauzata ca raspuns la actiunea radiatiilor ionizante si este asigurata de actiunea secventiala a enzimelor: 3"-fosfodiesteraza, ADN polimeraza-b si ADN ligaza (ADN polinucleotide ligaza). Refacerea unei astfel de ruperi are loc folosind un complementar intact. catenă de ADN ca șablon.

Repararea rupurilor ADN-ului dublu catenar

Rupturile duble ale catenelor din molecula de ADN sunt cel mai periculos tip de deteriorare a ADN-ului pentru celule. Ele conduc de obicei la dezvoltarea instabilității genetice, apariția mutațiilor punctuale și a aberațiilor cromozomiale și moartea ulterioară a celulelor.

Există două mecanisme cunoscute pentru repararea rupurilor ADN-ului dublu catenar: reuniunea neomoloagă a capetelor rupte și recombinarea omoloagă.

Reunificarea neomologă a ADN-ului rupt se încheie

Reunificarea neomologă a capetelor rupte de ADN are loc între capete ale moleculei care au secvențe de nucleotide neomolog de lungimi diferite sau regiuni omoloage foarte scurte. Acest mecanism de reparare nu este infailibil și servește adesea ca o sursă de mutații punctuale, deoarece restaurarea structurii originale a moleculei de ADN este posibilă numai prin reunirea capetelor aceleiași catene. Dacă această condiție nu este îndeplinită, atunci se formează aberații cromozomiale: deleții, dublări,

inversiuni, inserții și translocații (vezi capitolul 5). La mamifere, reunificarea neomologă are loc cu participarea proteinei Rad50, a proteinelor înrudite, a factorilor Ku, a ADN ligazei IV și a factorilor de tăcere.

Recombinare omologa

Mecanismul recombinării omoloage a fost studiat la Drosophila melanogaster. Se presupune că ar trebui să existe în celulele umane, dar dovezi convingătoare în acest sens nu au fost încă obținute. Se crede că în timpul recombinării omoloage se formează un gol pe una dintre catenele de ADN, de dimensiune egală cu elementul îndepărtat din bacterii (element P). Repararea golului are loc cu participarea unei copii a elementului P situat pe cromatida soră și folosit ca șablon pentru sinteza reparației.

Cu toate acestea, în timpul replicării, se poate forma un decalaj monocatenar în fața secțiunii nereparate, iar această situație nu poate fi corectată fără eroare fără implicarea unei alte molecule de ADN.

Prin urmare, acest mecanism asigură recuperarea numai în cazurile în care ambele catene de ADN sunt deteriorate.

Proteinele Alberts și rolul lor în replicarea și repararea ADN-ului

În 1968, au fost descoperite proteinele Alberts, sau proteinele SSB, implicate în repararea ADN-ului. Aceste proteine, datorită organizării structurii lor terțiare, au capacitatea de a se lega electrostatic de ADN. Proteinele SSB conțin un grup de reziduuri de aminoacizi încărcate pozitiv, dar sarcina lor totală rămâne negativă, datorită faptului că au o afinitate crescută pentru ADN-ul monocatenar.

Dacă, din cauza tulburărilor în structura secundară a ADN-ului dublu catenar, „secțiunile topite” se formează în fire individuale ale helixului său, atunci proteinele Alberts se leagă de ele, se așează cu ușurință pe ele și le „îndreaptă”. În același timp, proteinele SSB care se așează pe lanțurile complementare ale moleculei nu le permit să se „prabușească”, deoarece datorită interacțiunilor electrostatice au o sarcină negativă puternică, manifestând afinitate unele pentru altele și acoperind „zona topită” cu un strat continuu - acesta cantitatea stoechiometrică de proteine. Cu alte cuvinte, aceste proteine ​​nu denaturează molecula de ADN, ci doar îi fixează starea monocatenară.

Participarea proteinelor SSB la replicarea moleculei de ADN este absolut necesară pentru celulă: ele mențin ambele catene șablon într-o stare monocatenară în furca de replicare, protejând fiecare catenă de acțiunea nucleazelor și stimulând selectiv activitatea ADN-ului. polimerază (ARN polimeraza nu utilizează ADN monocatenar acoperit cu SSB).

Astfel, rolul proteinelor SSB în repararea rupurilor ADN-ului monocatenar și dublu a fost acum pe deplin dovedit.

Repararea ADN-ului post-replicativ (recombinare).

În 1968, W. Rapp și P. Howard-Flanders au descoperit că bacteriile tratate cu raze UV reparație post-replicativă sau repararea recombinațională a unei catene de ADN șablon, care conținea mulți dimeri de timină netăiați, iar în momentul în care replicarea principală a ADN-polimerazei a ajuns la primul dimer, a „înghețat” în acest moment timp de 10 s, apoi a trecut dincolo de dimerul de timină (cumva într-un mod de neînțeles) și a reluat sinteza în spatele defectului până când a „locuit” de următorul dimer. Astfel, secțiunile catenei fiice au conținut goluri (nu sunt duplicate în timpul sintezei ADN), iar defecte nevindecate au rămas în secțiuni ale catenei matricei opuse golurilor. Aceasta a fost urmată de repararea post-replicativă a zonelor deteriorate, la care au participat proteine ​​rec A, ligaze și ADN polimeraze. Acest mecanism semăna cu mecanismul recombinării: în primul rând, molecula de proteină rec A atașată la zona de gol, unde, sub controlul său, a avut loc recombinarea, în timpul căreia o secțiune a lanțului complementar al catenei soră a fost transferată în zona de gol, decalajul a fost creat în timpul sintezei replicative, iar ligaza a conectat capetele catenelor noi și vechi de molecule.

Repararea ADN-ului SOS

Repararea ADN-ului SOS este ultima opțiune pentru ADN-ul dintr-o celulă care s-a apropiat de replicare cu daune care nu au fost reparate de toate mecanismele de reparare enumerate mai sus. În acest caz, celula poate muri, deoarece replicarea se poate „înceta” la prima daune nereparată.

În același timp, celula are un mecanism extrem de riscant conceput în astfel de scopuri, numit Repararea ADN-ului SOS. Acest mecanism a fost descoperit pentru prima dată în 1953 de J. Wagle și

numită în 1974 de M. Radman W-reactivare(capacitatea dimerilor de timină de a „supraviețui” până la următoarea replicare). În timpul mecanismului de reparare SOS, sinteza proteinelor este indusă care se atașează la complexul ADN polimerază și „întărește” activitatea acestuia în așa fel încât complexul deteriorat devine capabil să construiască o catenă ADN fiică opusă legăturilor defecte ale catenei matricei, și în același timp apar multe erori pe firul fiice (mutații). Ca urmare, celula este salvată de la moarte în acest stadiu și poate realiza mitoză, deși vor exista erori și un risc ridicat de moarte celulară.

Trebuie remarcat faptul că mecanismele de mai sus de reparare a moleculei de ADN se referă în principal la realizările geneticii clasice. În același timp, în ultimele decenii, datorită realizărilor programului științific internațional „Genom uman” (vezi capitolul 1), lista generală a mecanismelor de reparare a ADN-ului a fost completată semnificativ de alte mecanisme puțin cunoscute și noi anterior.

Repararea unei molecule de ADN folosind mecanisme descoperite în ultimii ani

Mecanismul de reparare care implică enzima poli-ADP-riboză polimerază

Proteina-enzima poli-ADP-riboză polimeraza (PARP) este unul dintre factorii nucleari care recunosc pentru prima dată deteriorarea ADN-ului. Acest factor controlează lansarea mecanismului de reparare a ADN-ului în celulele vii, pornind de la locul lezării ADN-ului și face parte dintr-un complex multiproteic (complex MP), care include și factorul XRCC1, ADN ligaza III și beta-ADN polimeraza.

Prezența PARP în acest complex asigură direcția tuturor participanților la repararea ADN-ului către locurile de deteriorare a ADN-ului in vivo, ceea ce facilitează restaurarea moleculei de ADN.

Factorul XRCC1, care face parte din complexul MR, se referă în mod convențional la „schelă”, interacționând individual cu fiecare componentă a complexului ca structură moleculară de susținere. Deoarece a fost descoperită poliADP-ribozilarea acestui factor in vitro, s-a sugerat că PARP este capabil să regleze activitatea complexului MP prin modificarea proteinei XRCO in vivo, care perturbă interacţiunea acestuia cu alte componente ale complexului. Această presupunere a fost susținută de datele conform cărora supraexprimarea factorului XRCC1 suprimă activitatea PARP in vivo.

În prezent, această ipoteză continuă să fie studiată; este confirmat de datele că ADN ligaza III, care face parte din complexul MP, inhibă activitatea PARP in vitro, când cantitatea acestuia depăşeşte cantitatea de PARP.

Model de reparare cu efect anti-recombinare al enzimei poli-ADP-riboză polimerază

În ultimii ani, a fost propus un model de reparare a ADN-ului cu efect anti-recombinare al PARP (Satoh și Lindahl, 1992). Conform acestui model, PARP interacționează cu rupturile ADN-ului și, împreună cu reacțiile de poli-ADP-ribozilare ale proteinelor învecinate, protejează în mod specific capetele ADN-ului de acțiunea nucleazelor și/sau blochează procesul de recombinare. Acest lucru este confirmat de exemplul animalelor experimentale cu deficit de gena PARP. S-a demonstrat că absența PARP stimulează procesul de recombinare și duce la creșterea incidenței formării limfomului la acestea. În plus, PARP poate recruta factori de reparare a ADN-ului prin modificarea proteinelor cromatinei.

Repararea ADN-ului folosind metiltransferaze

Cu ajutorul enzimelor de susținere citozin-ADN metiltransferaze (M-taz), este posibil să se efectueze metilarea de novo a resturilor de citozină din ADN pentru a forma 5-metilcitozină (5-mC), precum și metilarea oligonucleotidelor care conțin baze greșite. .

Repararea ADN-ului folosind helicaze

Dintre enzimele implicate în repararea ADN-ului, se acordă multă atenție grupului de ADN helicaze (chilaze). Acestea sunt enzime stabile din punct de vedere filogenetic capabile să separe lanțurile unei molecule de ADN, transformând-o dintr-o stare nativă într-una monocatenară. Helicazele sunt implicate în toate procesele genetice fundamentale cu separarea catenelor părinte ale moleculei de ADN sau procese bazate pe o astfel de separare: replicare, transcriere, recombinare, reparare, segregare cromozomală, procesare și splicing de pre-ARNm, transportul ARNm în citoplasma şi translaţia acesteia pe ribozomi (vezi. capitolele 2 şi 3). În timpul acestor procese, chilazele oferă acces la secțiunile monocatenar ale moleculei de ADN pe care le deschid pentru acțiunea altor enzime. Chilazele diferă unele de altele în direcțiile de activitate (3" - 5" și 5" - 3") ale lanțului de ADN, afinitatea preferențială pentru capetele de 3" și 5" ale lanțului de ADN și afinitatea pentru cofactori - trifosfații de nucleotide . Aceste fermente dependente de energie

mentele consumă energie generată în timpul hidrolizei nucleotidelor 5"-trifosfați (de obicei ATP) și acționează în prezența ionilor de Mg 2 +. La desfășurarea oricărui proces genetic, chilazele, de regulă, se combină în complexe.

Pe baza afinității lor pentru substrat, chilazele sunt împărțite în grupuri: ADN helicaze, ARN helicaze și helicaze care funcționează pe molecule hibride ARN/ARN. Primele sunt implicate în inițierea transcripției, recombinării, reparației și segregării cromozomilor. Aceștia din urmă sunt implicați în biogeneza ribozomilor, transcripția ARNm, splicingul pre-ARNm, maturarea și transportul ARNm în citoplasmă și translația acestuia pe ribozomi.

Chilazele sunt clasificate după activitate (capacitatea de a se mișca de-a lungul unei molecule de ADN, împărțind-o în lanțuri separate), prezența a 7 motive specifice secvenței de aminoacizi care sunt inerente întregii familii de chilaze, dar nu sunt necesare pentru cele individuale. Aceste motive sunt desemnate prin numere: I, Ia, II, III, IV, V și VI (acestea asigură conexiuni între chilaze și ADN și coordonarea mișcării în timpul catalizei). Deși aceste motive sunt specifice chilazelor, ele se găsesc și în proteinele care folosesc trifosfații de nucleotide ca cofactor (cum ar fi chilazele). Mutațiile acestor motive provoacă o deficiență a activității chilazei dependente de ATP. Alături de chilaze, au fost izolate proteine ​​cu motive care nu au activitate de chilază. Au fost și 7 dintre ei și au primit numele proteine ​​candidate pentru chilaze. Se crede că astfel de proteine ​​ar trebui să fie implicate și în reglarea proceselor genetice intracelulare.

În plus, au fost identificate 2 mecanisme pentru mișcarea chilazelor la viteze diferite de-a lungul lanțului nucleotidic al unei molecule de ADN: un model cu rulare activă și un model cu alunecare treptată.

Primul mecanism este realizat de un dimer ADN helicaza, care într-un ciclu (rotația moleculei) separă un anumit număr de bp.

Al doilea mecanism efectuată de un monomer ADN helicază care se deplasează cu o anumită viteză.

Numărul și proprietățile genelor care codifică helicaze în genomul uman nu au fost pe deplin determinate, dar unele gene au fost bine studiate. Acestea sunt gene helicaze aparținând familiilor TFIIH și RecQ. Mai mult, prima familie este principalul factor de transcripție, constând din nouă subunități, inclusiv două chilaze (XPB și XPD), 4 proteine ​​(p62, p52, p44 și p34), complexul SAC,

kinaza de activare (kinază de activare CDK) și 2 cicline (H și Cdk7).

TFIIH are activități helicaze și kinaze dependente de ATP, care sunt controlate de subunitățile XPB și, respectiv, XPD. Activitatea kinazei este asigurată și de complexul SAC.

De asemenea, s-a demonstrat că TFIIH este implicat în repararea ADN-ului („recunoaște” o secțiune de ADN de 20-30 bp în lungime care conține leziuni și o decupează) și servește ca factor de transcripție (interacționează cu regiunea promotoare, derulând o secțiune de ADN). de 11-13 bp în jurul locului de inițiere a transcripției).

Repararea transcriptelor ARNm fără sens

Aproximativ o treime din bolile moștenite și multe forme de cancer sunt cauzate de transcrieri prostii sau mutații de deplasare a cadrelor(vezi capitolul 5). Ca urmare a acestor mutații, apar PSC și apar proteine ​​defecte.

În același timp, există sisteme în celule care recunosc și distrug majoritatea transcrierilor prostii. Două astfel de sisteme (universale pentru eucariote) sunt numite: NMD și SMD (vezi capitolul 7).

Încheind luarea în considerare a sistemelor de reparare a ADN-ului celular, trebuie remarcat faptul că refacerea defectelor care apar în molecula de ADN ca urmare a influenței factorilor mutageni asupra acesteia este cea mai importantă proprietate a tuturor organismelor vii.

Printre numărul tot mai mare de mecanisme de reparare a ADN-ului se numără mecanismele simplu, declanșat imediat după deteriorarea moleculei de ADN și complex, prelungit în timp şi necesitând sinteza unui număr de enzime. Acestea din urmă includ mecanisme asociate cu diferite etape ale ciclului de viață celular, precum și salvarea celulei în ordinea SOS sau ordinea introducerii de noi mutații în molecula de ADN. Toate mecanismele de restaurare au caracteristici patogenetice comune și sunt strâns legate de procesele de carcinogeneză, mutageneză, teratogeneză și îmbătrânire a celulelor și organismelor.

BOLI ALE GENOMULUI

Bolile genomului (instabilitatea genetică) sunt reprezentate în toate domeniile medicinei moleculare. Încă din vremurile geneticii clasice, cele mai cunoscute dintre ele sunt bolile reparatorii

În Rusia în anii 80-90 ai secolului XX. Bolile de reparare a ADN-ului au fost studiate sub denumirea de boli ale instabilității genetice (cromozomiale), ceea ce corespundea caracteristicii lor principale - fragilitatea crescută a cromozomilor.

În prezent, gama acestor boli s-a extins semnificativ. Alături de bolile clasice de reparare a ADN-ului, cum ar fi ataxia-telangiectazia (AT), anemia Fanconi (AF), xeroderma pigmentosum (XP), progeria Hutchinson-Gilford (HG), sindromul Bloom (BS), următoarele grupuri de boli aparțin acestui clasa:

Boli autoimune: lupus eritematos sistemic, sclerodermie, artrita reumatoida etc.;

Enzimopatii ereditare: Knapp-Komrover, Lesch-Nyan, Pendred etc.;

Sindroame cromozomale: Down, Klinefelter, Patau, Shereshevsky-Turner și Edwards; retinoblastom cauzat de deleția cromozomului 13 (13q14);

Boli monogenice: ataxie Friedreich, boala Darier-White, sindrom Gardner, nevus bazocelular, Marfan, Rothmund-Thomson, Cornelia de Lange, feminizare testiculară, fotodermatoză etc.;

Boli poligenice: psoriazis, scleroză sistemică etc. Instabilitatea genetică se manifestă și practic în

purtători sănătoși de rearanjamente cromozomiale echilibrate, de exemplu, cu translocare de tip Robertsonian între cromozomi

Manifestările clinice frecvente ale bolilor genomice sunt: ​​manifestări neurologice pronunțate, scăderea speranței de viață, simptome de îmbătrânire prematură și o incidență crescută a tumorilor maligne.

În primul rând, să ne uităm la exemple de boli clasice ale genomului sau boli de reparare a ADN-ului.

Boli monogenice asociate cu fotosensibilitate crescută și repararea afectată a exciziei ADN

Cea mai cunoscută boală din această clasă este PC. Frecvența sa în populație este de 1:40-250 mii de oameni. PC-ul este prima boală Repararea ADN-ului descrisă la om. Este eterogen: are 7 grupe de completare - A, B, C, D, E, F și G. În special,

Grupul A este larg răspândit în Japonia, unde reprezintă aproximativ 20% din toți pacienții cu PC și este asociat cu un defect al sistemului de reparare post-replicativă (ChRta1). Grupele de completare B și C sunt comune în țările europene, iar grupurile D, E, F și G sunt comune în alte țări ale lumii.

Gena PC a grupului A este localizată la locusul 9q34.1. Produsul său este o proteină care leagă ADN-ul care are două motive de degete de zinc (vezi capitolul 8).

Gena PC de grup B este mapată la locusul 2q21, produsul său proteic este o helicază, care face parte din factorul de transcripție TFIIH (vezi mai sus).

Gena PC de grup C este mapată la cromozomul 3 și codifică proteina p125. Funcția acestei proteine ​​nu a fost pe deplin determinată, deși se știe că, împreună cu proteina p58, este implicată în restabilirea activității de reparare.

Gena PC din grupul D este mapată la locusul 19q13.2-q13.3. Produsul său proteic (ca produsul genei PC din grupul B) este caracterizat prin activitate de helicază; Se crede că ambele produse genice sunt două subunități ale aceluiași factor TFIIH.

Gena PC de grup F este mapată la locusul 16p13.13, produce o endonuclează care taie ADN-ul din partea de 5".

Gena PC a grupului G este mapată la locusul 13q33 și, de asemenea, produce o endonuclează, dar taie ADN-ul din partea opusă de 3".

Principalele simptome ale acestei boli sunt: ​​sensibilitate ridicată la acțiunea razelor ultraviolete, pigmentare, uscăciune, ulcerații și cicatrici ale pielii. Pacienții dezvoltă cancer de piele și mucoase (melanom, carcinom).

În fiecare al doilea sau al treilea caz, simptomele neurologice sunt exprimate (asociate cu moartea apoptotică precoce a neuronilor).

În ultimii ani, s-a stabilit că 3 din 7 grupe de completare PC (grupele B, D și G) se pot manifesta ca genocopii ale unei alte boli de reparare a ADN-ului - sindromul Cockayne (CS), cauzat de defecte ale endonucleazelor de excizie. sistem de reparații.

În astfel de cazuri, pacienții cu PC pot avea semne clinice comune cu MC, inclusiv sensibilitate crescută la radiațiile ultraviolete. Prin urmare, diagnosticele la astfel de pacienți sunt desemnate ca PKV/SK, PKD/SK, PKG/SK.

În același timp, SK este a doua boala(după PC), descrisă ca boală de reparare a exciziei. Acest sindrom se manifestă prin nanism (cu nivel normal al hormonului de creștere), calcificare a oaselor craniului, atrofie a nervilor optici, surditate și îmbătrânire accelerată. În acest sindrom, au fost identificate două grupuri de complementare: A și B. Gena CK a grupului A este localizată în locusul 5p12-p14, ea codifică o proteină care face parte din complexul de transcripție TFIIH (vezi mai sus). Gena grupului CK B este localizată în locusul 10q11.2, codifică o proteină care are secvențe de nucleotide comune cu un factor care controlează transcripția și repararea în E. coli, iar la oameni se pare că recrutează proteine ​​de reparare prin excizie în regiunea oprită; transcriere.

A treia boală Repararea ADN-ului este tricotnodistrofia (TCD). Cu această boală, hipersensibilitatea la radiațiile ultraviolete se manifestă la aproximativ jumătate dintre pacienți.

Boala este însoțită de o fragilitate crescută a părului, care este asociată cu o scădere a concentrației de proteine ​​care conțin sulf în ele, care au un deficit de cisteină.

La complexul principal de simptome includ: anomalii în dezvoltarea dinților și a pielii, ihtioza, întârzierea dezvoltării sexuale, întârzierea fizică și psihică, predispoziția la cancer de piele.

Într-un număr de cazuri, s-a stabilit că defectul de reparare a ADN-ului în TCD corespunde defectelor de reparare observate în toate grupele de completare PC, cu excepția grupului B.

Această corespondență este comună în special pentru gena PC din grupul D. În acest sens, s-a presupus că gena PC D este polifuncțională și produsul său proteic participă la repararea exciziei și transcripția dependentă de ARN polimeraza P. În plus, în celule a pacienților cu TCD, nu două, ci patru subunități ale factorului de transcripție TFIIH.

A patra boală asociat cu fotosensibilitate crescută și repararea afectată a ADN-ului este sindromul Bloom (BS).

Gena SB, sau gena BLM (mutația Bloom), este mapată la locusul 15q26 lângă protoncogena fes. Se presupune că această genă are activități ATPază dependentă de ADN și helicază dependentă de ADN, prima fiind asociată cu menținerea stabilității cromozomilor în celulele somatice, iar cea din urmă jucând un rol cheie în repararea ADN-ului.

Simptomele SB:întârziere proporțională a creșterii pre și postnatale, hiper sau hipopigmentare a pielii, roșeață

față în formă de fluture, predispoziție la tumori, nivel ridicat de aberații cromozomiale spontane și SCO.

Bolile monogenice asociate cu ruperea ADN-ului dublu catenar în absența completă a reparației prin excizie

Singurul exemplu de boală asociată cu rupturile ADN-ului dublu catenar în absența completă a mecanismelor de reparare prin excizie este AT sau sindromul Louis-Bar.

Boala apare cu o frecvență de 1:40-100 mii de persoane și se caracterizează prin ataxie cerebeloasă, telangiectazie, imunodeficiență, fragilitate cromozomală mare și predispoziție la tumori maligne (vezi capitolul 5).

În ultimele trei decenii, au fost studiate o serie de caracteristici genetice ale acestei boli. S-a dovedit că cromozomii pacienților cu AT au telomerii scurtați de aproape 3 ori ei (cromozomii) sunt foarte sensibili la acțiunea radiațiilor ionizante și a radiomimeticelor chimice, care se manifestă printr-o creștere a incidenței anomaliilor cromozomiale (dublu-; rupturi de caten) și o scădere a supraviețuirii celulelor somatice, care se caracterizează prin sinteza ADN-ului radiorezistent, care se manifestă prin absența sintezei proteinei p53, care este în mod normal responsabilă de întârzierea (oprirea) ciclului mitotic la nivelul Stadiile G 1 -S și G 2 -M, necesare pentru repararea leziunilor ADN. Cu alte cuvinte, celulele de la pacienții cu AT „pur și simplu nu au timp” să restabilească structura normală a ADN-ului folosind mecanisme de reparare prin excizie. Prin urmare, mecanismele de reparare post-replicativă sunt folosite pentru a elimina rupturile ADN-ului dublu catenar din astfel de celule.

Boli monogenice cu repararea defectuoasă a exciziei care nu sunt legate de fotosensibilitate și rupturi ADN dublu catenar

Bolile cu repararea afectată prin excizie care nu sunt legate de fotosensibilitate și rupturi de ADN dublu catenar includ: anemia Fanconi (FA) și sindroamele progeroidiene Hutchinson-Gilford și Werner.

Anemia Fanconi

FA este o anemie familială hipo sau aplastică cu deficiență congenitală a germenului hematopoietic al măduvei osoase, tulburări de pigmentare a pielii, telangiectazie, tulburare bipolară și melanom.

(vezi capitolul 23), predispoziție la leucemie mieloidă și alte simptome.

FA este o boală eterogenă care are 8 grupe de completare (A, B, C, D, E, F, G și H), inclusiv pentru grupurile A și C, genele sunt mapate la locusul 9q22.3, dar produsele lor proteice au nu a fost suficient studiat. Trebuie remarcat faptul că există inconsecvență în datele privind absența fotosensibilității crescute a ADN-ului la pacienții cu FA, deși astfel de date au fost obținute anterior (Higurashi M., Cohen P.E., 1975).

Progeria Hutchinson-Gilford

PCP este o boală rară (incidență 1:1 milion de persoane). Speranța de viață a pacienților nu depășește de obicei 15 ani. Gena bolii nu este localizată.

Simptome principale: statură mică, „profil de pasăre” al feței, predominanța părții cerebrale a craniului asupra părții faciale, rețea venoasă pe scalp și frunte, piele uscată uzată, absența sprâncenelor și a genelor, adesea alopecie totală, defecte de număr și forma dinților, absența completă a grăsimii subcutanate, întârzierea dezvoltării fizice, psihomotorii și psihice; în urină - conținut ridicat de acid hialuronic. Pacienții sunt de obicei infertili.

Cauzele morții precoce: infarctul miocardic cu ateroscleroză și fibroză generalizată, degenerarea grasă a țesutului cerebral și a organelor parenchimatoase.

Au fost stabilite defecte în repararea legăturilor încrucișate ADN-proteină induse de compuși chimici în celulele pacienților cu PRCH; numărul Hayflick redus drastic și relația acestuia cu scurtarea telomerilor congenital.

Prin analogie cu KS (vezi mai sus), se presupune un tip de moștenire autozomal recesiv pentru progeria copilăriei (CP), deși este posibilă o mutație autozomal dominantă nou apărută care provoacă scurtarea telomerilor.

sindromul Werner

Sindromul Werner (WS) sau progeria adultului se caracterizează prin îmbătrânire prematură, care apare abia după pubertate. Pacienții devin gri și chel devreme (până la 20 de ani).

Gena bolii (gena WRN) este localizată în locusul 8p12-p21, produce enzima helicază, dar nu face parte din complexul principal de transcripție TFIIN. Această caracteristică distinge SV de grupele B și D PC și grupul B SC, în care activitatea helicazei este direct legată de repararea legată de transcripție.

Simptome principale:„piele îmbătrânită” (hiperpigmentare, hiperkeratoză, riduri, uscăciune, telangiectazie), voce plictisitoare, modificări ale organelor interne caracteristice unui organism îmbătrânit (ateroscleroza inimii și a vaselor de sânge, cataractă, osteoporoză, diabet zaharat; tumori benigne sau maligne), în urină - conținut ridicat de acid hialuronic. Numărul Hayflick este puternic limitat nu numai în numărul de diviziuni, ci și în durata ciclului celular (de 3-5 ori mai mică decât în ​​mod normal). Spre deosebire de situația cu PRCG, cu SV cromozomii pacienților nu au telomeri scurtați.

Boli oncologice asociate cu repararea afectată

De la descrierea retinoblastomului cauzat de o deleție a cromozomului 13 (13q14; vezi capitolele 17 și 25), au început cercetări intensive asupra rolului mutațiilor genetice în formele ereditare de cancer. În multe forme de cancer, s-a demonstrat că mutațiile genice afectează repararea nepotrivirilor care apar ca erori de replicare (datorită unor mici ștergeri sau inserții). Astfel de mutații sunt similare cu mutația din gena mutS din E. coli, ceea ce duce la defecte în repararea nepotrivirii.

La om, o mutație într-o copie a genei MSN2 este foarte asociată cu dezvoltarea cancerului de colon familial nonpolipoz (HNPCC) și a cancerului endometrial. De asemenea, s-a stabilit că în aceste boli, a doua copie a genei este absentă în celulele tumorale și se observă o frecvență extrem de mare a repetărilor microsateliților (de 100 de ori mai mare decât în ​​mod normal). În plus, formele de cancer de sân asociate cu genele BRC1 și BRC2, formele bolii Alzheimer asociate cu patru gene (PS1-PS4) și gena proteinei prionice, precum și alte exemple de copiere a genelor a unui număr de boli monogenice și poligenice. asociate cu tumori au fost identificate la om (vezi capitolele 17 și 25).

Pentru a menține principalele caracteristici ale unei celule sau organism pe tot parcursul vieții sale, precum și pe parcursul unui număr de generații, materialul ereditar trebuie să fie rezistent la influențele externe sau trebuie să existe mecanisme de corectare a modificărilor care apar în el. În natura vie, se folosesc ambii factori. Al treilea factor este acuratețea copierii secvențelor de nucleotide ale ADN-ului matern în timpul replicării sale.

Orez. 3. 13. Proteine ​​implicate în procesul de replicare a ADN-ului

ADN helicaza derulează dubla helix ADN, separându-i lanțurile polinucleotidice; proteinele destabilizatoare îndreptă o secțiune a lanțului ADN; ADN-topoizomeraza rupe legătura fosfodiesterică dintr-unul dintre lanțurile de policarbonat ale ADN-ului, ameliorând tensiunea cauzată de desfășurarea helixului și divergența lanțurilor din furca de replicare; ARN primaza sintetizează primeri ARN pentru catena fiică și pentru fiecare fragment Okazaki; ADN polimeraza realizează sinteza continuă a catenei conducătoare și sinteza fragmentelor Okazaki ale catenei întârziate; ADN ligaza unește fragmentele Okazaki împreună după îndepărtarea primerului ARN

În ceea ce privește reactivitatea, moleculele de ADN aparțin categoriei de substanțe inerte din punct de vedere chimic. Se știe că nu numai ADN-ul, ci și ARN-ul (unii virusuri) pot juca rolul unei substanțe a eredității. Se crede că alegerea în favoarea ADN-ului se datorează reactivității sale mai mici în comparație cu ARN.

Mecanismul de replicare discutat mai sus este caracterizat de o acuratețe extrem de ridicată în reproducerea structurii ADN. Când ADN-ul este dublat, apar erori cu o frecvență medie de 1·10 -6 perechi de baze complementare.

În menținerea acurateței de replicare ridicate, un rol important îi revine în primul rând enzimei ADN polimeraza. Această enzimă selectează nucleotidele necesare dintre trifosfații nucleozidici (ATP, TTP, GTP, CTP) prezenți în seva nucleară, le atașează cu precizie de catena de ADN șablon și le încorporează în catena fiică în creștere (vezi Fig. 3.10). Frecvența de includere a nucleotidelor incorecte în acest stadiu este de 1·10 -5 perechi de baze.

Astfel de erori în funcționarea ADN polimerazei sunt asociate cu apariția unor forme modificate de baze azotate care formează perechi „ilegale” cu bazele lanțului mamă. De exemplu, o formă alterată de citozină, în loc de guanină, se leagă de hidrogen de adenină. Ca rezultat, o nucleotidă eronată este inclusă în lanțul de ADN în creștere. Tranziția rapidă a formei modificate a unei astfel de baze la cea obișnuită întrerupe legarea acesteia la matrice și apare un capăt nepereche de 3"-OH al lanțului de ADN în creștere. În această situație, mecanism de autocorecție realizat de ADN polimeraza (sau o enzimă strâns legată de aceasta - editarea endonucleazei). Autocorecția constă în scindarea unei nucleotide care este inclusă în mod eronat în lanțul ADN și nu este asociată cu șablonul (Fig. 3.14). Consecința autocorectării este o scădere a ratei de eroare de 10 ori (de la 10 -5 la 10 -6).

În ciuda eficacității autocorecției, erorile sunt detectate în timpul replicării după duplicarea ADN-ului. Acest lucru este observat mai ales când concentrația a patru nucleozide trifosfați în substratul înconjurător este perturbată. O parte semnificativă a modificărilor are loc și în moleculele de ADN ca urmare a proceselor care apar spontan asociate cu pierderea bazelor purinice - adenina și guanina (apurinizare) - sau dezaminarea citozinei, care este transformată în uracil. Frecvența modificărilor recente ajunge la 100 per 1 genom/zi.

Bazele conținute în ADN pot fi modificate de compuși reactivi care perturbă împerecherea lor normală, precum și de radiațiile ultraviolete, care pot provoca formarea unei legături covalente între două resturi de timină adiacente din ADN (dimeri de timină). Aceste modificări în următorul ciclu de replicare ar trebui să conducă fie la pierderea perechilor de baze din ADN-ul fiică, fie la înlocuirea unor perechi cu altele. Aceste modificări însoțesc de fapt fiecare ciclu de replicare a ADN-ului, dar frecvența lor este mult mai mică decât ar trebui să fie. Acest lucru se explică prin faptul că majoritatea modificărilor de acest fel sunt eliminate datorită acțiunii mecanismului reparatii(restaurarea moleculară) a secvenței originale de nucleotide ADN.

Mecanismul de reparare se bazează pe prezența a două lanțuri complementare în molecula de ADN. Distorsiunea secvenței de nucleotide într-una dintre ele este detectată de enzime specifice. Apoi secțiunea corespunzătoare este îndepărtată și înlocuită cu una nouă, sintetizată pe a doua catenă complementară de ADN. Acest tip de reparație se numește excizie, aceste. cu „tăiere” (Fig. 3.15). Se efectuează înainte de următorul ciclu de replicare, motiv pentru care se mai numește pre-replicativ.

Orez. 3.14. Schema procesului de corecție în timpul sintezei ADN:

eu-includerea în lanțul ADN a unei nucleotide cu o formă alterată (tautomeră) de citoeină, care se asociază „ilegal” cu adenina; II- trecerea rapidă a citozinei la forma sa normală perturbă împerecherea acesteia cu adenina; capătul 3"-OH nepereche al lanțului sintetizat previne alungirea ulterioară a acestuia sub acțiunea ADN polimerazei; III - ADN polimeraza elimină nucleotida ilegală, făcându-l să reapară împreună cu șablonul 3 "- OH-capăt; IV- ADN polimeraza continuă să extindă lanțul la capătul 3"-OH

Restaurarea structurii originale a ADN-ului necesită participarea unui număr de enzime. Un punct important în declanșarea mecanismului de reparare este detectarea unei erori în structura ADN-ului. Adesea, astfel de erori apar în lanțul nou sintetizat în timpul procesului de replicare. Enzimele de reparare trebuie să detecteze acest lanț special. La multe specii de organisme vii, catena de ADN nou sintetizată diferă de cea maternă prin gradul de metilare a bazelor sale azotate, care rămâne în urma sintezei. În acest caz, lanțul nemetilat suferă reparații. Ruperele catenei de ADN pot fi recunoscute și de enzimele de reparare. În organismele superioare, unde sinteza ADN-ului nu are loc continuu, ci în repliconi separate, catena de ADN nou sintetizată are rupturi, ceea ce face posibilă recunoașterea acesteia.

Restabilirea structurii ADN-ului atunci când bazele purinice ale unuia dintre lanțurile sale sunt pierdute implică detectarea defectului folosind enzima endonucleaza, care rupe legătura fosfoesterică la locul deteriorării lanțului. Apoi secțiunea modificată cu mai multe nucleotide adiacente este îndepărtată de enzima exonuclează, iar în locul ei, în conformitate cu ordinea bazelor lanțului complementar, se formează secvența corectă de nucleotide (Fig. 3.15).

Orez. 3.15. Schema de excizie, repararea ADN-ului pre-replicativ

Când una dintre bazele din lanțul ADN-ului se modifică, aproximativ 20 de enzime ADN glicozilaze iau parte la restabilirea structurii originale. Ele recunosc în mod specific daunele cauzate de deaminare, alchilare și alte transformări structurale ale bazelor. Astfel de baze modificate sunt îndepărtate. Zonele lipsite de baze apar si sunt reparate, ca si la pierderea purinelor. Dacă structura normală nu este restabilită, de exemplu în cazul dezaminării bazelor azotate, unele perechi de baze complementare sunt înlocuite cu altele - perechea C-G poate fi înlocuită cu o pereche T-A etc. (vezi secțiunea 3.4.2.3).

Formarea dimerilor de timină (T-T) în lanțurile de polinucleotide sub influența razelor UV necesită participarea enzimelor care nu recunosc bazele individuale modificate, ci o deteriorare mai extinsă a structurii ADN-ului. Procesul de reparare în acest caz este, de asemenea, asociat cu îndepărtarea regiunii care poartă dimerul și restabilirea secvenței normale de nucleotide prin sinteză pe catena de ADN complementară.

În cazul în care sistemul de reparare prin excizie nu corectează o modificare care a avut loc într-o catenă de ADN, în timpul replicării această modificare este fixată și devine proprietatea ambelor catene de ADN. Acest lucru duce la înlocuirea unei perechi de nucleotide complementare cu alta sau la apariția unor rupturi (goluri) în lanțul nou sintetizat față de secțiunile modificate. Restaurarea structurii normale a ADN-ului poate avea loc și după replicare.

Reparație post-replicativă realizat prin recombinare (schimb de fragmente) între două elice duble de ADN nou formate. Un exemplu de astfel de reparare post-replicativă este refacerea structurii normale a ADN-ului atunci când dimerii de timină (T-T) apar atunci când nu sunt eliminați spontan sub influența luminii vizibile ( reparatie usoara) sau în timpul reparației excizie pre-replicative.

Legăturile covalente care apar între resturile de timină adiacente le fac incapabile să se lege de nucleotidele complementare. Ca urmare, în lanțul de ADN nou sintetizat apar rupturi (lacune), recunoscute de enzimele de reparare. Restaurarea integrității noului lanț de polinucleotide a unuia dintre ADN-ul fiică este efectuată datorită recombinării cu lanțul părinte normal corespunzător al altui ADN fiică. Golul format în lanțul mamă este apoi umplut prin sinteză pe un lanț polinucleotidic complementar acestuia (Fig. 3.16). O manifestare a unei astfel de reparații post-replicative, efectuată prin recombinare între lanțurile a două molecule de ADN fiice, poate fi considerată schimbul de material des observat între cromatidele surori (Fig. 3.17).

Orez. 3.16. Schema de reparare post-replicativă a ADN-ului:

eu- apariția unui dimer de timină într-unul dintre lanțurile ADN;

II- formarea unui „gol” în lanțul nou sintetizat împotriva secțiunii modificate a moleculei mamă după replicare (săgeata arată umplerea ulterioară a „golului” cu o secțiune din lanțul corespunzător al celei de-a doua molecule de ADN fiică);

III- restabilirea integrității lanțului fiice al moleculei superioare datorită recombinării și în molecula inferioară datorită sintezei pe lanțul complementar

Orez. 3.17. Schimburi intercromatide (indicate prin săgeți)

În timpul reparației pre-replicative și post-replicative, cea mai mare parte a daunelor aduse structurii ADN-ului este restaurată. Cu toate acestea, dacă în materialul ereditar al celulei apar prea multe leziuni și o parte din acesta nu este eliminată, sistemul de enzime de reparare inductibile (stimulate) (sistemul SOS) este activat. Aceste enzime umplu golurile, restabilind integritatea lanțurilor de polinucleotide sintetizate fără a respecta strict principiul complementarității. Acesta este motivul pentru care uneori procesele de reparare în sine pot servi ca o sursă de modificări permanente în structura ADN-ului (mutații). Această reacție se aplică și sistemului SOS.

Dacă într-o celulă, în ciuda reparării efectuate, cantitatea de deteriorare a structurii ADN-ului rămâne mare, procesele de replicare a ADN-ului în ea sunt blocate. O astfel de celulă nu se împarte, ceea ce înseamnă că nu transmite modificările rezultate descendenților săi.

Oprirea ciclului celular cauzată de deteriorarea ADN-ului, combinată cu imposibilitatea reparării moleculare a materialului ereditar alterat, poate, cu participarea unei proteine ​​a cărei sinteză este controlată de gena p53, să conducă la activarea procesului de autodistrugere (apoptoză). ) a celulei defecte pentru a o elimina din organism.

Astfel, un set extins de diferite enzime de reparare „inspectează” continuu ADN-ul, îndepărtând zonele deteriorate din acesta și ajutând la menținerea stabilității materialului ereditar. Acțiunea combinată a enzimelor de replicare (ADN polimerază și endonuclează de editare) și a enzimelor de reparare asigură o frecvență destul de scăzută a erorilor în moleculele de ADN, care se menține la un nivel de 1 × 10 -9 perechi de nucleotide modificate per genom. Cu dimensiunea genomului uman de 3 × 10 9 perechi de nucleotide, aceasta înseamnă apariția a aproximativ 3 erori per genom care se replica. În același timp, chiar și acest nivel este suficient pentru formarea unei diversități genetice semnificative sub formă de mutații genetice în timpul existenței vieții pe Pământ.

perechi de altele. Aceste modificări însoțesc de fapt fiecare ciclu de replicare a ADN-ului, dar frecvența lor este mult mai mică decât ar trebui să fie. Acest lucru se explică prin faptul că majoritatea modificărilor de acest fel sunt eliminate datorită acțiunii mecanismului de reparare (restaurare moleculară) a secvenței originale de nucleotide ADN.

Mecanismul de reparare se bazează pe prezența a două lanțuri complementare în molecula de ADN. Distorsiunea secvenței de nucleotide într-una dintre ele este detectată de enzime specifice. Apoi secțiunea corespunzătoare este îndepărtată și înlocuită cu una nouă, sintetizată pe a doua catenă complementară de ADN. Acest tip de reparație se numește reparație prin excizie, adică. cu „tăiere” (Fig. 3.15). Se efectuează înainte de următorul ciclu de replicare, motiv pentru care se mai numește

pre-replicativ.

Orez. 3.14. Schema procesului de corecție în timpul sintezei ADN: I - includerea în lanțul ADN a unei nucleotide cu o formă alterată (tautomeră) a citoeinei, care se asociază „ilegal” cu adenina; II - tranziție rapidă

citozina în forma sa normală întrerupe împerecherea cu adenina; capătul 3"-OH nepereche al lanțului sintetizat împiedică alungirea lui ulterioară sub acțiunea ADN polimerazei; III - ADN polimeraza îndepărtează nucleotida ilegală, în urma căreia capătul 3"-OH împerecheat cu matricea reapare; IV - ADN polimeraza continuă extensia lanțului la capătul 3"-OH

Restaurarea structurii originale a ADN-ului necesită participarea unui număr de enzime. Un punct important în declanșarea mecanismului de reparare este detectarea unei erori în structura ADN-ului. Adesea, astfel de erori apar în lanțul nou sintetizat în timpul procesului de replicare. Enzimele de reparare trebuie să detecteze acest lanț special. La multe specii de organisme vii, catena de ADN nou sintetizată diferă de cea maternă prin gradul de metilare a bazelor sale azotate, care rămâne în urma sintezei. În acest caz, lanțul nemetilat suferă reparații. Ruperele catenei de ADN pot fi recunoscute și de enzimele de reparare. În organismele superioare, unde sinteza ADN-ului nu are loc continuu, ci în repliconi separate, catena de ADN nou sintetizată are rupturi, ceea ce face posibilă recunoașterea acesteia.

Restabilirea structurii ADN-ului atunci când bazele purinice ale unuia dintre lanțurile sale sunt pierdute implică detectarea defectului folosind enzima endonucleaza, care rupe legătura fosfoesterică la locul deteriorării lanțului. Apoi secțiunea modificată cu mai multe nucleotide adiacente este îndepărtată de enzima exonuclează, iar în locul ei, în conformitate cu ordinea bazelor lanțului complementar, se formează secvența corectă de nucleotide (Fig. 3.15).

Orez. 3.15. Schema de excizie, repararea pre-replicativă a ADN-ului Când una dintre bazele din lanțul ADN se modifică în restaurarea originalului

structuri, participă aproximativ 20 de enzime ADN glicozilaze. Ele recunosc în mod specific daunele cauzate de dezaminare, alchilare și alte transformări structurale ale bazelor. Astfel de baze modificate sunt îndepărtate. Zonele lipsite de baze apar si sunt reparate, ca si la pierderea purinelor. Dacă structura normală nu este restabilită, de exemplu în cazul dezaminării bazelor azotate, unele perechi de baze complementare sunt înlocuite cu altele - perechea C-G poate fi înlocuită cu o pereche T-A etc. (vezi secțiunea 3.4.2.3).

Formarea dimerilor de timină (T-T) în lanțurile de polinucleotide sub influența razelor UV necesită participarea enzimelor care nu recunosc bazele individuale modificate, ci o deteriorare mai extinsă a structurii ADN-ului. Procesul de reparare în acest caz este, de asemenea, asociat cu îndepărtarea regiunii care poartă dimerul și restabilirea secvenței normale de nucleotide prin sinteză pe catena de ADN complementară.

În cazul în care sistemul de reparare prin excizie nu corectează o modificare care a avut loc într-o catenă de ADN, fixarea are loc în timpul replicării

această schimbare și devine proprietatea ambelor catene de ADN. Acest lucru duce la înlocuirea unei perechi de nucleotide complementare cu alta sau la apariția unor rupturi (goluri) în lanțul nou sintetizat față de secțiunile modificate. Restaurarea structurii normale a ADN-ului poate avea loc și după replicare.

Reparație post-replicativă realizată prin recombinare (schimb de fragmente) între două elice duble de ADN nou formate. Un exemplu de astfel de reparare post-replicativă este refacerea structurii normale a ADN-ului atunci când dimerii de timină (T-T) apar atunci când nu sunt eliminați spontan sub influența luminii vizibile ( reparatie usoara) sau în timpul reparației excizie pre-replicative.

Legăturile covalente care apar între resturile de timină adiacente le fac incapabile să se lege de nucleotidele complementare. Ca urmare, în lanțul de ADN nou sintetizat apar rupturi (lacune), recunoscute de enzimele de reparare. Restaurarea integrității noului lanț de polinucleotide a unuia dintre ADN-ul fiică este efectuată datorită recombinării cu lanțul părinte normal corespunzător al altui ADN fiică. Golul format în lanțul mamă este apoi umplut prin sinteză pe un lanț polinucleotidic complementar acestuia (Fig. 3.16). O manifestare a unei astfel de reparații post-replicative, efectuată prin recombinare între lanțurile a două molecule de ADN fiice, poate fi considerată schimbul de material des observat între cromatidele surori (Fig. 3.17).

Orez. 3.16. Schema reparării ADN-ului post-replicativ: I - apariția unui dimer de timină într-unul din lanțurile ADN;

II - formarea unui „gol” în lanțul nou sintetizat împotriva secțiunii modificate a moleculei mamă după replicare (săgeata arată umplerea ulterioară a „golului” cu o secțiune din lanțul corespunzător al celei de-a doua molecule de ADN fiică);

III - restabilirea integrității catenei fiice a moleculei superioare datorită recombinării și a moleculei inferioare datorită sintezei pe lanțul complementar

Orez. 3.17. Schimburi intercromatide (indicate prin săgeți)

În timpul reparației pre-replicative și post-replicative, cea mai mare parte a daunelor aduse structurii ADN-ului este restaurată. Cu toate acestea, dacă în materialul ereditar al celulei apar prea multe leziuni și o parte din acesta nu este eliminată, sistemul de enzime de reparare inductibile (stimulate) (sistemul SOS) este activat. Aceste enzime umplu golurile, restabilind integritatea lanțurilor de polinucleotide sintetizate fără a respecta strict principiul complementarității. Acesta este motivul pentru care uneori procesele de reparare în sine pot servi ca o sursă de modificări permanente în structura ADN-ului (mutații). Această reacție se aplică și sistemului SOS.

Dacă într-o celulă, în ciuda reparării efectuate, cantitatea de deteriorare a structurii ADN-ului rămâne mare, procesele de replicare a ADN-ului în ea sunt blocate. O astfel de celulă nu se împarte, ceea ce înseamnă că nu transmite modificările rezultate descendenților săi.

Oprirea ciclului celular cauzată de deteriorarea ADN-ului, combinată cu imposibilitatea reparării moleculare a materialului ereditar alterat, poate, cu participarea unei proteine ​​a cărei sinteză este controlată de gena p53, să conducă la activarea procesului de autodistrugere (apoptoză). ) a celulei defecte pentru a o elimina din organism.

Astfel, un set extins de diferite enzime de reparare „inspectează” continuu ADN-ul, îndepărtând zonele deteriorate din acesta și ajutând la menținerea stabilității materialului ereditar. Acțiunea combinată a enzimelor de replicare (ADN polimerază și endonuclează de editare) și a enzimelor de reparare asigură o frecvență destul de scăzută a erorilor în moleculele de ADN, care se menține la un nivel de 1 × 10-9 perechi de nucleotide modificate per genom. Având în vedere dimensiunea genomului uman de 3 × 109 perechi de nucleotide, aceasta înseamnă aproximativ 3 erori pentru fiecare genom care se replica. În același timp, chiar și acest nivel este suficient pentru formarea unei diversități genetice semnificative sub formă de mutații genetice în timpul existenței vieții pe Pământ.

3.4.2.3. Modificări ale secvențelor de nucleotide ADN. Mutații genetice

Modificările necorectate ale structurii chimice a genelor, reproduse în cicluri succesive de replicare și manifestate la descendenți sub forma unor noi variante de trăsături, se numesc mutații genetice.

Modificările în structura ADN-ului care formează o genă pot fi împărțite în trei grupuri. Mutațiile primului grup constau în înlocuirea unor baze cu altele. Ele reprezintă aproximativ 20% din modificările genice care apar spontan. Al doilea grup de mutații este cauzat de o schimbare a cadrului de citire care are loc atunci când numărul de perechi de nucleotide din genă se modifică. În cele din urmă, al treilea grup este reprezentat de mutații asociate cu o modificare a ordinii secvențelor de nucleotide în cadrul unei gene (inversie).

Mutații după tipul de înlocuire a bazelor azotate. Aceste mutații apar din mai multe motive specifice. Una dintre ele poate fi o modificare a structurii unei baze incluse deja în spirala ADN care are loc accidental sau sub influența unor agenți chimici specifici. Dacă o astfel de formă alterată a bazei rămâne nedetectată de enzimele de reparare, atunci în timpul următorului ciclu de replicare se poate atașa o altă nucleotidă. Un exemplu este dezaminarea citozinei, care este transformată în uracil spontan sau sub influența acidului azotat (Fig. 3.18). Uracilul rezultat, neobservat de enzimăADN glicozilaza,în timpul replicării, se leagă de adenină, care ulterior atașează o nucleotidă timidil. Drept urmare, un cuplu C-G este înlocuit în ADN cu o pereche T-A (Fig. 3.19, I ). Dezaminarea citozinei metilate o transformă în timină (vezi Figura 3.18). Nucleotida de timidil, fiind o componentă naturală a ADN-ului, nu este detectată ca o modificare de către enzimele de reparare și atașează o nucleotidă adenil în timpul următoarei replicări. Drept urmare, în loc de o pereche C-G în molecula de ADN apare și o pereche T-A (Fig. 3.19, II).

Orez. 3.18. Dezaminarea spontană a citozinei

Un alt motiv pentru substituția bazei poate fi includerea eronată în lanțul de ADN sintetizat a unei nucleotide care poartă o formă modificată chimic a bazei sau a analogului acesteia. Dacă această eroare rămâne nedetectată de enzimele de replicare și reparare, baza modificată este inclusă în procesul de replicare, ceea ce duce adesea la înlocuirea unei perechi cu alta. Un exemplu în acest sens este adăugarea unei nucleotide cu 5-bromoracil (5-BU), similar nucleotidei timidil, la adenina lanțului mamă în timpul replicării. În timpul replicării ulterioare, 5-BU se leagă mai ușor de guanina decât de adenina. Guanina, în timpul duplicării ulterioare, formează o pereche complementară cu citozina. Ca rezultat, perechea A-T este înlocuită în molecula de ADN cu o pereche G-C (Fig. 3.20).

Orez. 3. 19. Mutații după tipul de substituție a bazelor (dezaminarea bazelor azotate din lanțul ADN):

I - conversia citozinei în uracil, înlocuirea perechii C-G cu o pereche T-A;

II - conversia metil citozinei în timină, înlocuirea perechii C-G cu o pereche T-A

Din exemplele de mai sus este clar că schimbările în structura moleculei de ADN, cum ar fi înlocuirea bazei, au loc fie înainte, fie în timpul procesului de replicare, inițial într-un lanț polinucleotidic. Dacă astfel de modificări nu sunt corectate în timpul reparației, atunci în timpul replicării ulterioare ele devin proprietatea ambelor catene de ADN.

Orez. 3.20. Mutații de substituție a bazelor

(încorporarea unui analog de bază azotat în timpul replicării ADN)

Consecința înlocuirii unei perechi de nucleotide complementare cu alta este formarea unui nou triplet în secvența de nucleotide ADN care codifică secvența de aminoacizi din lanțul peptidic. Acest lucru poate să nu afecteze structura peptidei dacă noul triplet este „sinonim” cu cel anterior, adică. va codifica același aminoacid. De exemplu, aminoacidul valină este criptat de patru tripleți: CAA, CAG, CAT, CAC. Înlocuirea bazei a treia în oricare dintre aceste triplete nu îi va schimba sensul (degenerarea codului genetic).

ÎN În cazul în care tripletul nou apărut criptează un alt aminoacid, structura lanțului peptidic și proprietățile proteinei corespunzătoare se modifică. În funcție de natura și locația înlocuirii care are loc, proprietățile specifice ale proteinei se modifică în grade diferite. Există cazuri în care înlocuirea unui singur aminoacid într-o peptidă afectează în mod semnificativ proprietățile proteinei, care se manifestă prin modificări ale caracteristicilor mai complexe. Un exemplu este modificarea proprietăților hemoglobinei umane când anemie falciforme (fig. 3.21). Într-o astfel de hemoglobină (HbS) (spre deosebire de HbA normală) - în lanțurile p-globinei din poziția a șasea, acidul glutamic este înlocuit cu valină. Aceasta este o consecință a înlocuirii uneia dintre bazele din tripletul care codifică acidul glutamic (CTT sau TTC). Rezultatul este un triplet care criptează valina (CAT sau TsAT). În acest caz, înlocuirea unui aminoacid în peptidă schimbă în mod semnificativ proprietățile globinei, care face parte din hemoglobină (capacitatea acesteia de a se lega de O2 scade), iar persoana dezvoltă semne de anemie falciformă.

ÎN În unele cazuri, înlocuirea unei baze cu alta poate duce la apariția uneia dintre triplete prostii (ATT, ATC, ACT), care nu criptează niciun aminoacid. Consecința unei astfel de înlocuiri va fi întreruperea sintezei lanțului peptidic. Se estimează că substituțiile de nucleotide într-un triplet duc la formarea de tripleți sinonimi în 25% din cazuri; în 2-3 - tripleți fără sens, în 70-75% - apariția unor mutații genice adevărate.

Astfel, mutațiile de substituție a bazei pot apărea fie ca urmare a modificărilor spontane ale structurii bazei într-una dintre catenele unei duble helix ADN existent, fie în timpul replicării într-o catenă nou sintetizată. Dacă aceste modificări nu sunt corectate în timpul procesului de reparare (sau, dimpotrivă, apar în timpul reparației), ele sunt fixate în ambele lanțuri și vor fi apoi reproduse în ciclurile de replicare ulterioare. Prin urmare, o sursă importantă de astfel de mutații este întreruperea proceselor de replicare și reparare.

Mutații de schimbare a cadrului. Acest tip de mutație reprezintă o proporție semnificativă a mutațiilor spontane. Ele apar ca urmare a pierderii sau inserării uneia sau mai multor perechi de nucleotide complementare în secvența de nucleotide ADN. Majoritatea mutațiilor studiate care provoacă