Дезаминирование азотистых оснований.
Дезаминированию в клетке подвергается цитозин, аденин и гуанин. При дезаминировании цитозина образуется урацил:
Наиболее часто дезаминированию подвергается цитозин, в клетке человека в течение суток дезаминируется около 100 этих азотистых оснований. Дезаминирование цитозина приводит к появлению в молекуле ДНК неспаренных оснований, т.к. образовавшийся урацил комплементарен аденину, а не гуанину. В клетках эукариот цитозин может подвергаться метилированию, в результате которого образуется 5-метилцитозин:
Дезаминирование 5-метилцитозина опасно, поскольку может привести к мутации, так как после репликации в одной из двух дочерних молекул ДНК пара ЦГ будет заменена на ТА.
Алкилирование.
При участии алкилирующих факторов может происходить алкилирование азотистых оснований. В результате алкилирования гуанина может образоваться, например, 6О-метилгуанин или 7-этилгуанин:
Алкилированные азотистые основания могут образовывать неканонические пары, например, 7-этилгуанин с тимином, а также способствовать апуринизации. Образование тиминовых димеров может происходить под действием ультрафиолетового света:
Окисление азотистых оснований происходит при участии активных форм кислорода (супероксиданион-радикала О2-, одноэлектронного гидроксила ОН и др.). Например, в результате окисления цитозина образуется 5-гидроксицитозин и 5-гидроксиурацил:
Окисленные азотистые основание способны образовывать неканонические пары. Окислении азотистых основание может привести к размыканию пуринового кольца:
В ДНК также могут возникать одноцепочечные и двухцепочечные разрывы ДНК, и межцепочечные сшивки.
ПРЯМАЯ РЕПАРАЦИЯ
В случае прямой репарации восстановление исходной структуры ДНК происходит в одну стадию.
А) Фотореактивация
В этом типе репарации ключевая роль принадлежит ферменту –фотолиазе. Фотолиаза, активированная светом, распознает тимидиновый димер в ДНК, образует с ним комплекс и разрывает возникшие между пиримидиновыми кольцами ковалентные связи:
После этого фотолиаза теряет сродство к ДНК и отделяется. Структура ДНК восстановлена.
Б) Репарация алкилированных оснований
Данную репарацию осуществляет метилтрансфераза. Этот фермент удаляет метильные или этильные группы с модифицированных оснований и благодаря этому восстанавливает исходную структуру ДНК:
Метилтрансфераза, переносит метильную или этильную группу на один из своих остатков цистеина, при этом фермент инактивируется.
В) Репарация одноцепочечных разрывов ДНК
Репарацию одноцепочечных разрывов осуществляет ДНК-лигаза. Она соединяет разорванные цепи в молекуле ДНК (рис).
Репарация одноцепочечных разрывов ДНК
Г) Репарация АР-сайтов
Образовавшиеся в результате удаления пурина АР-сайты могут быть залечены ферментами инсертазами (от англ. insert – вставлять).
Эти ферменты могут встраивать в брешь, присоединив к дезоксирибозе, такое же основание, какое было до поражения (рис). В результате структура ДНК восстанавливается.
. Репарация АР-сайтов
ЭКСЦИЗИОННАЯ РЕПАРАЦИЯ
В результате эксцизионной репарации, вначале поврежденные участки удаляются из цепи ДНК (термин «эксцизионная репарация» происходит от англ. excision – вырезание), а затем происходит восстановление исходной структуры ДНК.
Различают два варианта эксцизионной репарации:
Вар. 1. В этом варианте эксцизионной репарации важную роль играют особые ферменты – гликозилазы. Гликозилазы способны узнавать поврежденные основания и разрывать гликозидные связи между модифицированным азотистым основанием и дезоксирибозой. В результате их действия образуются АР-сайты. На следующей стадии АР-сайт узнается АР-эндонуклеазой, которая делает разрыв в цепи молекулы ДНК. Далее в работу включается фосфодиэстераза. Этот фермент удаляет сахарофосфатную группу, от которой гликозилаза удалила основание. В появившуюся брешь в цепи ДНК размером в один нуклеотид ДНК-полимераза встраивает недостающий нуклеотид, комплементарный азотистому основанию противоположной цепи. И на последней стадии ДНК-лигаза соединяет разрыв цепи ДНК (рис.). В итоге повреждение устранено.
Рис. Репарация ДНК при участии гликозилазы
Вар. 2. В этом варианте эксцизионной репарации происходит удаление протяженных участков ДНК. Процесс можно разделить на четыре стадии (рис.):
1) распознавание поврежденного участка ДНК;
2) внесение одноцепочечных разрывов ДНК по обеим сторонам
поврежденного участка и его удаление;
3) заполнение образовавшейся бреши с помощью ДНК-полимеразы;
4) лигирование одноцепочечного разрыва ДНК.
Эксцизионная репарация, включающая удаление протяженных участков ДНК
РЕПАРАЦИЯ ОШИБОК РЕПЛИКАЦИИ ДНК
Во время репликации ДНК происходят ошибки спаривания, в результате которых в дочернюю цепь ДНК оказываются включенными нуклеотиды, некомплементарные нуклеотидам материнской цепи. Поскольку ошибки возникают на дочерней цепи, система репарации только на ней должна проводить замену некомплементарных оснований. С целью распознавания материнской и дочерней цепей ДНК система репарации использует различие в их структуре. В материнской цепи ДНК часть азотистых оснований аденина метилирована, в то время как в дочерней цепи сразу после репликации они еще не метилированы. И только через некоторое время после окончания репликации метилазы присоединяют метильные группы к аденинам в последовательностях ГАТЦ. Пока они остаются неметилированными, система репарации распознает дочернюю цепь и исправляет ошибки (рис.).
Репарация ошибок репликации ДНК
РЕКОМБИНАЦИОННАЯ (ПОСТРЕПЛИКАТИВНАЯ)
РЕПАРАЦИЯ ДНК
До начала репликации не все повреждения могут быть залечены. Тогда в процессе репликации при копировании поврежденной (например, при наличии тиминового димера) материнской цепи ДНК в одной из синтезируемых дочерних цепей может образоваться брешь (рис.). Вторая же дочерняя цепь ДНК копируется с неповрежденной материнской цепи ДНК и, следовательно, она не будет дефектной. Чтобы залечить имеющее повреждение, клетка использует фрагмент неповрежденной цепи ДНК для застраивания бреши.
. Рекомбинационная (пострепликативная) репарация ДНК
Результатом рекомбинации является появление теперь уже бреши в исходно неповрежденной цепи, которая далее может быть заполнена ДНК-полимеразой и затем лигирована ДНК-лигазой.