Эксцизионная репарация.
Эксцизионная репарация включает удаление поврежденных азотистых оснований из ДНК и последующее восстановление нормальной структуры молекулы. Здесь принимают участие несколько ферментов, а сам процесс затрагивает не только поврежденный, но и соседние с ним нуклеотиды. Для эксцизионной репарации необходима вторая (комплементарная) цепь ДНК.
Первым этапом эксцизионной репарации является вырезание аномальных азотистых оснований. Его катализируют группа ДНК-N-гликозилаз - ферменты, расщепляющие гликозидную связь между дезоксирибозой и азотистым основанием. В результате действия ДНК-N-гликозилаз образуется АР-сайт, который атакуется ферментом АР-эндонуклеазой. Она разрывает сахаро-фосфатный остов молекулы ДНК в АР-сайте и тем самым создает условия для работы следующего фермента - экзонуклеазы, которая последовательно отщепляет несколько нуклеотидов от поврежденного участка одной цепи ДНК. Далее в освобожденное место заполняется соответствующими нуклеотидами при участии ДНК-полимеразы , ориентирующейся на вторую (комплементарную) цепь ДНК. Окончательное сшивание репарированных участков осуществляет ДНК-лигаза.
Репарация ошибок репликации днк путем метилирования.
Ошибки спаривания азотистых оснований во время репликации ДНК происходят достаточно часто (у бактерий один раз на 10 тыс. нуклеотидов), в результате которых в дочернюю цепь ДНК включаются некомплементарные нуклеотидам материнской цепи нуклеотиды - мисмэтчи (англ. mismatch - не соответствовать).
В этом случае репарация происходит с использованием определенной системы, связанной с метилированием ДНК. Действие этой системы репарации основано на том, что после репликации через определенное время (несколько минут) ДНК подвергается метилированию. Метилируется в основном аденин с образованием N6-мeтил-аденина. При этом вновь синтезированная (дочерняя) цепь остается неметилированной. Если в такой цепи есть неспаренные нуклеотиды, то она подвергается репарации. В устранении неспаренных нуклеотидов в полуметилированной молекуле ДНК принимает участие комплекс ферментов репарации, который сканирует поверхность молекулы ДНК, вырезает участок дочерней цепи, прибегающей к мисмэтчам, а затем создает условия для застраивания его нужными (комплементарными) нуклеотидами. Различные компоненты этого комплекса обладают разными активностями нуклеазной (необходима для внесения разрывов в ДНК и выщепления нуклеотидов), хеликазной (расплетание двойной спирали ДНК), АТФазной (энергетическое обеспечение движения комплекса вдоль репарируемой части молекулы).
Сходный по структуре и функциям комплекс ферментов репарации выявлен и у человека.
Рекомбинантная (пострепликативная) репарация у бактерий.
В тех случаях, когда по тем или иным причинам вышерассмотренные системы репарации оказываются нарушенными, в цепях ДНК могут образовываться бреши (недорепарированные участки), имеющие существенные размеры, что может привести к нарушением системы репликации и гибели клеток. В этом случае клетка в состоянии использовать для репарации одной молекулы ДНК другую полученную после репликации молекулу ДНК, т. е. привлечь для этой цели механизм рекомбинации.
У бактерий в рекомбинантной репарации принимает участие белок Rec А, связывающийся с одноцепочечным участком ДНК и вовлекающий его в рекомбинацию с комплиментарными участками неповрежденных цепей другой молекулы ДНК. В результате и разорванная (содержащая бреши), и неповрежденная цепи репарируемой молекулы ДНК оказываются спаренными с неповрежденными комплементарными участками ДНК, что открывает возможность репарации путем описанных выше систем.
SOS-репарация.
Существование этой системы впервые постулировал М. Радман в 1974 г. Он же дал название этому механизму, включив в него международный сигнал бедствия "SOS". Эта система включается тогда, когда повреждений в ДНК становится настолько много, что угрожает жизни клетки. В этом случае происходит индукция активности разнообразной группы генов, задействованных в различных клеточных процессах, сопряженных с репарацией ДНК. Включение тех или иных генов, определяемых количеством повреждений в ДНК, приводит к разным по значимости клеточным ответам (начиная со стандартной репарации поврежденных нуклеотидов и заканчивая подавлением клеточного деления).
Последствия нарушений в системе репарации
Нарушения в системе репарации могут приводить к преждевременному старению, развитию онкологических заболеваний, болезням аутоиммунной системы и целому ряду других генетически обусловленных дефектов. Так, у людей, страдающих пигментной ксеродермой (наследственное заболевание, выражающееся в очагах рака кожи), нарушение системы репарации приводит к тому, что они не могут бывать на солнечном свету в силу полной незащищенности от УФ-облучения.
В специальных наблюдениях установлено, что в геноме зародышевой линии клеток млекопитающих и человека происходит в среднем 6 нуклеотидных замен в год. Вероятно, и в соматических клетках происходит такое же количество мутаций. Их накопление с возрастом повышает вероятность ракового перерождения клеток. В целом полагают, что 80 - 90% всех раковых заболеваний связаны с отсутствием репарации ДНК. Многие другие наследственные болезни человека также связаны с дефектами в работе системы репарации.