Световая репарация (фотореактивация)
Световая репарация представляет собой механизм восстановления структуры ДНК, поврежденной воздействием ультрафиолетового (УФ) излучения. Под влиянием ультрафиолета в генетическом коде образуются патологические сшивки — димеры пиримидиновых оснований. К ним относятся тиминовые, цитозиновые и смешанные тимино-цитозиновые димеры.
Для устранения этих дефектов клетка использует специализированный фермент — фотолиазу. Процесс восстановления запускается исключительно при условии поглощения кванта видимого света. Механизм состоит из следующих этапов:
- Фотолиаза распознает повреждение и присоединяется к области образовавшегося димера.
- Активируясь светом, фермент расщепляет неправильные связи между соседними пиримидиновыми основаниями.
- Пространственная структура молекулы ДНК возвращается в норму.
Эксцизионная репарация
Название процесса происходит от латинского слова excision, что переводится как «вырезание». Это сложный многоступенчатый механизм, суть которого заключается в физическом удалении поврежденного участка цепи. Выделяют два основных вида по времени протекания: дорепликативную репарацию (проходит в $G_1$-периоде клеточного цикла, до начала удвоения ДНК) и репликативную (происходит непосредственно в ходе репликации).
Механизм эксцизионного восстановления строго последователен:
- Узнавание и инцизия (разрезание). Специфические ферменты, главным образом эндонуклеаза, сканируют ДНК, распознают поврежденный фрагмент и аккуратно его вырезают.
- Ресинтез. В работу включается фермент ДНК-полимераза. Используя неповрежденную комплементарную нить в качестве матрицы, она синтезирует новые нуклеотиды и заполняет образовавшуюся брешь.
- Лигация (сшивание). Фермент лигаза соединяет (сшивает) концы заново синтезированного фрагмента с основной нитью молекулы, полностью восстанавливая ее целостность.
Отдельно рассматривается репликативная репарация, которая исправляет ошибки спаривания нуклеотидов прямо во время синтеза. Если в дочернюю цепь встраиваются некомплементарные основания (нарушается правило Чаргаффа: А=Т, Г=Ц), формируются неправильные пары. В биологии такие некомплементарные пары принято называть мисмэтчами (от английского mismatch — плохое сочетание).
Пострепликативная и SOS-репарация
Если повреждения не были ликвидированы до или во время удвоения генетического материала, клетка задействует резервные системы.
Пострепликативная репарация осуществляется в $G_2$-периоде клеточного цикла (уже после репликации). Ее механизм основан на процессе рекомбинации — обмене фрагментами между двумя новыми спиралями ДНК. Если в матричной цепи остается дефект (например, тиминовый димер), ДНК-полимераза не может через него пройти, и во вновь синтезируемой цепи образуется «пробел». Эта брешь заполняется участком из соответствующей цепи второй дочерней молекулы. Затем целостность первой дочерней цепи восстанавливается, а недостающий фрагмент во второй молекуле синтезируется на основе комплементарной матрицы.
SOS-репарация — это механизм экстренного спасения, открытый Мирославом Радманом в 1974 году. Он включается, когда клетке необходимо завершить репликацию, но в ДНК присутствуют множественные неустраненные дефекты. Главная цель — модифицировать поврежденный участок так, чтобы снять блок репликации. Для этого в клетке индуцируется синтез особого белка, который связывается с ДНК-полимеразой. Измененный фермент обретает способность достраивать дочернюю цепь даже напротив дефектных звеньев матрицы. В результате ДНК успешно удваивается, и клетка продолжает делиться, однако расплачивается за это огромным количеством мутаций (ошибок).
Клиническое значение: патологии систем репарации
Сбои в механизмах репарации напрямую связаны с развитием наследственных болезней и онкогенезом. Считается, что до 90% всех онкологических заболеваний могут быть обусловлены нарушениями в системах восстановления ДНК.
Ярким примером патологии, возникающей из-за дефекта репарирующих систем, является пигментная ксеродерма (Xeroderma pigmentosum). Этиологическая природа этого заболевания была доказана исследователем Джеймсом Кливером в 1968 году. В основе одной из форм ксеродермы лежит значительное снижение или полная потеря активности фермента УФ-эндонуклеазы.
Клиническая картина начинается с появления характерных красных пятен на коже при воздействии ультрафиолета. Со временем эти поражения переходят в нарастающую коросту и в конечном итоге трансформируются в злокачественную раковую опухоль. Данное заболевание является неизлечимым, так как клетка полностью теряет способность исправлять УФ-повреждения.
Коротко: ответы на вопросы по теме
В чем заключается разница между эксцизионной репарацией оснований (BER) и эксцизионной репарацией нуклеотидов (NER)?
Разница между эксцизионной репарацией оснований (BER) и нуклеотидов (NER) заключается в типе устраняемых повреждений и наборе специфических ферментов.
| Характеристика | BER | NER |
|---|---|---|
| Тип повреждений | Не искажающие сильно структуру спирали (например, дезаминирование) | Объемные повреждения, искажающие спираль (пиримидиновые димеры) |
| Узнающий фермент | ДНК-гликозилаза | Специфический белковый комплекс |
| Разрезание цепи | АП-эндонуклеаза разрезает остов в АП-сайте | УФ-эндонуклеаза делает надрезы с 3'- и 5'-концов |
| Синтез ДНК | ДНК-полимераза $\beta$ | ДНК-полимераза $\delta$ или $\epsilon$ |
Для запоминания трех главных этапов эксцизионной репарации используйте аббревиатуру «УРЛ»: Узнавание (эндонуклеаза режет), Ресинтез (ДНК-полимераза строит), Лигация (лигаза сшивает).
Вопросы с занятий и экзамена
Какой фермент является ключевым в процессе световой репарации?
Главную роль играет фермент фотолиаза. После активации квантом видимого света она разрушает связи в димерах пиримидиновых оснований, образовавшихся под воздействием УФ-излучения.
Что такое «мисмэтч»?
Мисмэтч (англ. mismatch — плохое сочетание) — это ошибка спаривания нуклеотидов, при которой в дочернюю цепь ДНК включаются некомплементарные основания, нарушающие правило Чаргаффа.
В чем заключается опасность SOS-репарации для клетки?
SOS-система позволяет ДНК-полимеразе игнорировать повреждения матрицы, чтобы любой ценой завершить удвоение ДНК. В результате клетка выживает и делится, но накапливает огромное количество потенциально опасных мутаций.
Что ещё разобрать по теме
- Строение и функции фермента фотолиазы
- Механизм образования тиминовых димеров под действием УФ-излучения
- Процесс генетической рекомбинации в пострепликативной репарации
- Молекулярные основы патогенеза пигментной ксеродермы
Разберите тему целиком в курсе «Биология»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Репарация ДНК» и ещё 3 793 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 124 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Молекулярная генетика»
Бесплатные видеоуроки: биологияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.