Στάδιο αναγέννησης και επισκευής. Επισκευή

Επιδιόρθωση DNA- αυτή είναι η επισκευή του, δηλαδή η διόρθωση των σφαλμάτων που προκύπτουν στη δομή του μορίου. Η λέξη "reparation" προέρχεται από το αγγλικό "repair", που μεταφράζεται ως "repair", "repair" κ.λπ.

Τα σφάλματα στη δομή του DNA που μπορούν να επιδιορθωθούν σημαίνουν συχνότερα παραβίαση της αλληλουχίας των νουκλεοτιδίων - των δομικών μονάδων που αποτελούν κάθε κλώνο DNA. Το μόριο DNA αποτελείται από δύο κλώνους, συμπληρωματικές μεταξύ τους. Αυτό σημαίνει ότι εάν συμβεί ζημιά σε ένα από τα κυκλώματα, τότε χρησιμοποιώντας το δεύτερο άθικτο κύκλωμα είναι δυνατό να αποκατασταθεί το κατεστραμμένο τμήμα του πρώτου. Επιπλέον, στα ευκαρυωτικά κύτταρα, κάθε χρωμόσωμα είναι ομόλογο, δηλαδή περιέχει το ίδιο σύνολο γονιδίων (αλλά όχι αλληλόμορφα). Σε ακραίες περιπτώσεις, όταν ένα τμήμα και στα δύο σκέλη του μορίου είναι κατεστραμμένο, μπορεί να αντιγραφεί από το ομόλογο χρωμόσωμα. Επίσης, μετά τη φάση S του κυτταρικού κύκλου, όταν έχει συμβεί αντιγραφή (αυτοαντιγραφή), κάθε χρωμόσωμα αποτελείται από δύο δίκλωνες χρωματίδες που είναι πανομοιότυπες μεταξύ τους, δηλαδή ουσιαστικά δύο πανομοιότυπα μόρια DNA. Αυτό μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για την αποκατάσταση της αρχικής δομής ενός κατεστραμμένου μορίου.

Κατά τη διάρκεια της εξέλιξης, έχουν προκύψει πολλοί διαφορετικοί κυτταρικοί μοριακοί μηχανισμοί που είναι υπεύθυνοι για την επιδιόρθωση του DNA. Πρόκειται κυρίως για διάφορα ένζυμα και τα σύμπλοκά τους. Μερικά από αυτά εμπλέκονται επίσης στην αναπαραγωγή. Η βλάβη στα γονίδια που κωδικοποιούν τέτοια ένζυμα είναι ιδιαίτερα επικίνδυνη. Αυτό οδηγεί στην απώλεια ενός ή του άλλου μηχανισμού επισκευής. Σε αυτή την περίπτωση, συμβαίνει πιο γρήγορη συσσώρευση βλαβών και μεταλλάξεων στα κύτταρα. Αυτό συχνά προκαλεί την εμφάνιση ανεξέλεγκτα διαιρούμενων κυττάρων, δηλαδή την εμφάνιση όγκων.

Από την άλλη, εάν η βλάβη του DNA είναι ιδιαίτερα σοβαρή, τότε ο μηχανισμός αυτοκαταστροφής ενεργοποιείται στα κύτταρα ( απόπτωση). Έτσι, τέτοια κύτταρα δεν επιτρέπεται να διαιρεθούν, πράγμα που σημαίνει ότι η επόμενη γενιά δεν θα περιέχει σημαντική βλάβη στο DNA.

Λάθη στη δομή του DNA μπορεί να συμβούν σε διάφορα στάδια της ύπαρξής του (κατά τη σύνθεση, σε περιόδους πριν και μετά τη σύνθεση), για διάφορους λόγους (τυχαία, υπό την επίδραση χημικά δραστικών ουσιών, ακτινοβολία κ.λπ.). Επίσης, οι αλλαγές μπορεί να είναι διαφορετικές (απώλεια μιας χημικής ομάδας ενός νουκλεοτιδίου ή προσθήκη ενός επιπλέον, αντικατάσταση ενός νουκλεοτιδίου με ένα άλλο, δημιουργία χημικού δεσμού μεταξύ δύο γειτονικών νουκλεοτιδίων, θραύση αλυσίδας, απώλεια τμήματος κ.λπ.) . Λόγω αυτής της ποικιλομορφίας, είναι δύσκολο να ταξινομηθούν οι μηχανισμοί επισκευής. Συχνά χωρίζονται σε εκείνα που συμβαίνουν κατά την αντιγραφή, αμέσως μετά την αντιγραφή και κατά τον υπόλοιπο κύκλο ζωής του κυττάρου. Οι πιο μελετημένες αιτίες αλλαγών στη δομή του DNA και τις μεθόδους επιδιόρθωσης παρατίθενται παρακάτω.

Θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι δεν διορθώνονται όλα τα σφάλματα· σχετικά μικρά και μη κρίσιμα μπορούν να μεταδοθούν στην επόμενη γενιά κυττάρων και οργανισμών. Δεν μπορούν να ονομαστούν βλάβη, αλλά μάλλον μεταλλάξεις. Οι περισσότερες μεταλλάξεις είναι επιβλαβείς, αλλά αυτές που είναι ουδέτερες ή ωφέλιμες υπό δεδομένες περιβαλλοντικές συνθήκες παρέχουν υλικό για την εξέλιξη. Έτσι, η ατέλεια των μηχανισμών επιδιόρθωσης του DNA έχει εξασφαλίσει την ποικιλομορφία της ζωής στον πλανήτη μας.

Διόρθωση της νουκλεοτιδικής αλληλουχίας κατά την αντιγραφή

Οι πολυμεράσες DNA κάνουν το μεγαλύτερο μέρος της εργασίας στην αντιγραφή του DNA, προσθέτοντας νουκλεοτίδιο με νουκλεοτίδιο σε μια νέα αλυσίδα. Εκτός από την κύρια λειτουργία, πολλές πολυμεράσες είναι ικανές να αφαιρέσουν το τελευταίο νουκλεοτίδιο που είναι λανθασμένα συνδεδεμένο, δηλ. ένα που δεν είναι συμπληρωματικό με το νουκλεοτίδιο της αλυσίδας του εκμαγείου.

Η χημική δομή των νουκλεοτιδίων μπορεί να τροποποιηθεί ελαφρώς. Ταυτόχρονα, αρχίζουν να συνδέονται με δεσμούς υδρογόνου και όχι με τους συμπληρωματικούς εταίρους τους. Για παράδειγμα, η κυτοσίνη πρέπει να συνδέεται με τη γουανίνη. Αλλά η αλλοιωμένη μορφή του δημιουργεί δεσμούς υδρογόνου με την αδενίνη, με την οποία η θυμίνη θα έπρεπε να έχει συνδεθεί.

Όταν συντίθεται ένας νέος κλώνος DNA, το επόμενο νουκλεοτίδιο συνδέεται πρώτα με δεσμούς υδρογόνου στη συμπληρωματική βάση του εκμαγείου. Στη συνέχεια, η πολυμεράση τη δεσμεύει στο άκρο της αναπτυσσόμενης αλυσίδας με έναν ομοιοπολικό δεσμό.
Ωστόσο, εάν ήταν ένα τροποποιημένο νουκλεοτίδιο που συνδέθηκε ακατάλληλα στη συμπληρωματική βάση του μητρικού κλώνου, τότε συνήθως επανέρχεται γρήγορα στην αρχική του μορφή και γίνεται μη συμπληρωματικό. Οι δεσμοί υδρογόνου σπάνε, αφήνοντας το άκρο του νέου κλώνου με ένα ελεύθερα κρέμεται νουκλεοτίδιο ομοιοπολικά συνδεδεμένο με τον κλώνο που συντίθεται.

Σε αυτή την περίπτωση, η DNA πολυμεράση δεν μπορεί να προσκολλήσει το επόμενο νουκλεοτίδιο και δεν έχει άλλη επιλογή παρά να αφαιρέσει αυτό το λανθασμένο νουκλεοτίδιο.

Εάν οι δεσμοί υδρογόνου δεν σπάσουν, τότε η αλυσίδα θα συνεχίσει να αναπτύσσεται πέρα ​​από το λανθασμένο νουκλεοτίδιο και η σημειακή μετάλλαξη θα παραμείνει. Μπορεί να εξαλειφθεί μετά την αναπαραγωγή.

Επισκευάστε αμέσως μετά την αναπαραγωγή

Αφού συντεθεί ένας νέος κλώνος DNA, ορισμένα ενζυμικά σύμπλοκα αναγνωρίζουν τις κακώς ζευγαρωμένες βάσεις. Σε αυτή την περίπτωση, υπάρχει πρόβλημα προσδιορισμού της νέας και της παλιάς αλυσίδας του μορίου DNA. Το νέο διακρίνεται από την απουσία μεθυλιωμένων βάσεων και, στους ευκαρυώτες, από την παρουσία προσωρινών διακοπών. Με βάση αυτά τα χαρακτηριστικά, τα σύμπλοκα ενζύμων προσδιορίζουν τη νεοσυντιθέμενη αλυσίδα. Έτσι, στα μη συμπληρωματικά ζεύγη βάσεων, το «σφάλμα» είναι το νουκλεοτίδιο της νέας αλυσίδας.

Μόλις εντοπιστεί το σφάλμα, άλλα ένζυμα αποκόπτουν ολόκληρο το τμήμα του DNA που περιέχει τη λανθασμένη βάση, και όχι μόνο ένα νουκλεοτίδιο. Μετά από αυτό, η πολυμεράση αναδομεί αυτό το τμήμα και η λιγάση το συνδέει σταυρωτά με την υπόλοιπη αλυσίδα. Αυτός ο μηχανισμός, όταν ένα κομμάτι DNA αποκόπτεται και συντίθεται ξανά, ονομάζεται επισκευή εκτομής(από τη λέξη εκτομή - κοπή, κοπή), είναι αρκετά καθολική και χρησιμοποιείται σε πολλές περιπτώσεις επισκευής, και όχι μόνο κατά τον «έλεγχο» του DNA αμέσως μετά την αντιγραφή.

Μηχανισμοί επιδιόρθωσης για βλάβες στο DNA

Το DNA ενός οργανισμού μπορεί να αλλάξει όχι μόνο λόγω σφαλμάτων κατά την αντιγραφή. Το κύτταρο ζει, εκτίθεται σε δυσμενείς εξωτερικούς παράγοντες, το εσωτερικό του βιοχημικό περιβάλλον μπορεί να αλλάξει, προκαλώντας αντιδράσεις επιβλαβείς για το DNA. Ως αποτέλεσμα, το γενετικό υλικό καταστρέφεται με τον ένα ή τον άλλο τρόπο. Ανάλογα με το είδος της βλάβης και την κλίμακα της, ενεργοποιούνται διάφοροι μηχανισμοί επιδιόρθωσης, που περιλαμβάνουν ελαφρώς διαφορετικά σύνολα ενζυματικών συμπλεγμάτων.

1. Υπάρχουν ένζυμα που αντιστρέφουν τις αλλαγές νουκλεοτιδίων in situ χωρίς να αφαιρούν τμήματα του DNA. Με άλλα λόγια, εάν υπήρχε ένα νουκλεοτίδιο στην αλυσίδα που περιέχει τη βάση γουανίνης (G), το οποίο ως αποτέλεσμα μιας χημικής αντίδρασης προσάρτησε μια μεθυλομάδα και έγινε μεθυλογουανίνη, τότε το ένζυμο θα το μετατρέψει ξανά σε γουανίνη. Βασικά, μια τέτοια επιδιόρθωση DNA αφορά την προσκόλληση και την αποκόλληση ορισμένων ομάδων ατόμων.

2. Σε περίπτωση απώλειας βάσεων πουρίνης, μπορεί να προκύψει αποκατάσταση εκτομής. Στην περίπτωση της απαμίνωσης και ορισμένων άλλων δομικών αλλαγών των βάσεων, τα ένζυμα γλυκοζυλάσης αποκόπτουν μόνο την κατεστραμμένη νουκλεοτιδική βάση. Και μόνο μετά από αυτό προχωρά η τυπική επισκευή εκτομής.

3. Ένα τμήμα κόβεται επίσης κατά τον σχηματισμό διμερών, όταν δύο γειτονικά νουκλεοτίδια συνδέονται μεταξύ τους. Τυπικά, τέτοιες αντιδράσεις συμβαίνουν ως αποτέλεσμα της έκθεσης σε υπεριώδεις ακτίνες. Ο σχηματισμός ενός διμερούς προκαλεί την απόκλιση συμπληρωματικών κλώνων DNA σε αυτήν και σε κοντινές περιοχές. Σχηματίζεται μια φυσαλίδα, η οποία αναγνωρίζεται από τα ένζυμα. Στη συνέχεια, ξεκινά η επισκευή εκτομής.

4. Υπάρχει τόσο σοβαρή βλάβη στα μόρια του DNA όταν η δομή και των δύο αλυσίδων του διαταράσσεται στο ίδιο σημείο. Στην περίπτωση αυτή, σύμφωνα με την αρχή της συμπληρωματικότητας, δεν είναι πλέον δυνατή η αποκατάσταση μιας αλυσίδας από την άλλη. Ένα παράδειγμα τέτοιας βλάβης είναι η διάσπαση ενός μορίου DNA σε δύο μέρη, για παράδειγμα, λόγω έκθεσης σε ισχυρή ραδιενεργή ακτινοβολία.

Εάν και οι δύο κλώνοι ενός μορίου DNA είναι κατεστραμμένοι, η ανασυνδυαστική επισκευή μπορεί να έρθει στη διάσωση όταν ένα τμήμα από ένα ομόλογο χρωμόσωμα ή αδελφή χρωματίδη εισάγεται αντί του κατεστραμμένου τμήματος. Σε περίπτωση θραύσης, υπάρχουν επίσης ένζυμα που μπορούν να επανασυνδέσουν το σπασμένο κομμάτι DNA. Ωστόσο, ορισμένα νουκλεοτίδια μπορεί να χαθούν, γεγονός που με τη σειρά του μπορεί να οδηγήσει σε σοβαρές μεταλλάξεις.

Η ανασυνδυαστική επιδιόρθωση στην προσυνθετική περίοδο του κυτταρικού κύκλου μπορεί να συμβεί μόνο μεταξύ ομόλογων χρωμοσωμάτων, αφού κάθε χρωμόσωμα κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου αποτελείται από μόνο μία χρωματίδα. Κατά τη μετασυνθετική περίοδο, όταν τα χρωμοσώματα αποτελούνται από δύο πανομοιότυπες χρωματίδες, μια περιοχή μπορεί να δανειστεί από μια αδελφή χρωματίδα.

Πρέπει να τονιστεί ότι οι αδελφές χρωματίδες έχουν ένα αρχικά πανομοιότυπο σύνολο αλληλόμορφων (αν δεν υπήρχε διασταύρωση). Τα ομόλογα χρωμοσώματα όχι. Έτσι, ο πραγματικός ανασυνδυασμός από γενετική άποψη συμβαίνει μόνο στην περίπτωση ανταλλαγής μεταξύ ομόλογων χρωμοσωμάτων. Αν και εδώ και στις δύο περιπτώσεις μιλάμε για ανασυνδυασμό.

Ας εξετάσουμε αυτό το παράδειγμα. Ας υποθέσουμε ότι ένα διμερές θυμίνης προέκυψε στο DNA, το οποίο δεν επισκευάστηκε πριν από την αντιγραφή. Κατά τη διαδικασία της αντιγραφής, οι κλώνοι του αρχικού μορίου DNA αποκλίνουν και ένας νέος συμπληρωματικός κλώνος χτίζεται σε κάθε έναν. Στην αλυσίδα προτύπου που περιέχει το διμερές θυμίνης, δεν μπορεί να κατασκευαστεί ένα τμήμα νέας αλυσίδας σε αυτήν την περιοχή. Απλώς δεν υπάρχει κανονικό μοτίβο σε αυτό το σημείο. Εμφανίζεται ένα κενό στο θυγατρικό νήμα, αλλά ένα διμερές παραμένει στο μητρικό νήμα. Δηλαδή, αυτό το μόριο DNA «δεν γνωρίζει» ποια είναι η σωστή αλληλουχία νουκλεοτιδίων της περιοχής.

Η μόνη διέξοδος σε αυτή την περίπτωση είναι να δανειστείτε ένα κομμάτι DNA από μια άλλη χρωματίδα. Τον κουβαλούν από μια από τις αλυσίδες της. Το κενό που σχηματίζεται εδώ δημιουργείται σύμφωνα με το πρότυπο της συμπληρωματικής αλυσίδας. Η μεταφερόμενη θέση στο κατεστραμμένο μόριο γεμίζει το κενό στη θυγατρική αλυσίδα· η μητρική αλυσίδα θα συνεχίσει να περιέχει ένα διμερές, το οποίο μπορεί να επισκευαστεί αργότερα.

Παρέχει αυτοαντιγραφή γενετικού υλικού. Ταυτόχρονα, χάρη στην αρχή της συμπληρωματικότητας, η ακρίβεια αντιστοίχισης των αλληλουχιών νουκλεοτιδίων της θυγατρικής αλυσίδας με το πρότυπο είναι πολύ υψηλή. Επιπλέον, το DNA είναι μια αρκετά χημικά αδρανής ουσία, η οποία εξασφαλίζει μεγαλύτερη σταθερότητά του σε σύγκριση, για παράδειγμα, με το RNA. Ωστόσο, αυτό δεν αρκεί, καθώς το DNA μπορεί ακόμα να καταστραφεί από εξωτερικές επιρροές και μπορεί επίσης να συμβούν σφάλματα στο στάδιο της αντιγραφής. Επομένως, τα κύτταρα πρέπει να διαθέτουν μηχανισμούς για τη διόρθωση των βλαβών και των σφαλμάτων σύνθεσης, δηλ Επιδιόρθωση DNA.

Υπάρχει ένας αριθμός μηχανισμών επιδιόρθωσης που εκτελούνται σε διαφορετικά στάδια της σύνθεσης του DNA, και επίσης ανάλογα με τον τύπο των σφαλμάτων που συμβαίνουν.

Μαζί, οι μηχανισμοί επιδιόρθωσης μειώνουν σημαντικά τη συχνότητα των σφαλμάτων στα μόρια του DNA και στοχεύουν στη διατήρηση της σταθερότητας του κληρονομικού υλικού. Ωστόσο, δεδομένου ότι δεν εξαλείφονται όλες οι αλλαγές στη δομή του DNA, συμβαίνουν μεταλλάξεις, χάρη στις οποίες προέκυψαν μια ποικιλία ζωντανών οργανισμών στη Γη.

Εξάλειψη σφαλμάτων με DNA πολυμεράση

Πρώτα απ 'όλα, η ίδια η πολυμεράση DNA, όταν αναπτύσσεται ένας νέος κλώνος DNA, ελέγχει εάν το σωστό νουκλεοτίδιο είναι προσκολλημένο στον αναπτυσσόμενο κλώνο.

Υπάρχουν αλλοιωμένες μορφές αζωτούχων βάσεων που μπορούν να συνδεθούν συμπληρωματικά σε νουκλεοτίδια εκμαγείου. Με αυτόν τον τρόπο, η αλλοιωμένη μορφή της κυτοσίνης μπορεί να συνδεθεί με την αδενίνη. Η πολυμεράση θα συνδέσει αυτό το τελικό νουκλεοτίδιο στην αναπτυσσόμενη αλυσίδα, αλλά γρήγορα θα μετατραπεί στην κανονική της μορφή - θα γίνει συνηθισμένη κυτοσίνη. Σε αυτή την περίπτωση, οι δεσμοί υδρογόνου καταστρέφονται (καθώς η συμπληρωματικότητα έχει σπάσει) και στο τέλος λαμβάνεται ένα μη ζευγαρωμένο νουκλεοτίδιο, αλλά ομοιοπολικά συνδεδεμένο με τη συντιθέμενη αλυσίδα. Η πολυμεράση δεν μπορεί να επεκτείνει περαιτέρω την αλυσίδα. Η ίδια η πολυμεράση ή ένα ένζυμο που σχετίζεται με αυτήν επεξεργασία ενδονουκλεάσηςαποκόψτε το τελευταίο «λάθος» νουκλεοτίδιο.

Ως αποτέλεσμα αυτού του μηχανισμού αυτοδιόρθωσης, η συχνότητα των σφαλμάτων αναπαραγωγής μειώνεται κατά 10 φορές. Εάν η προσθήκη ενός λανθασμένου νουκλεοτιδίου στο στάδιο της σύνθεσης του DNA είναι 10 -5, τότε η επισκευαστική δραστηριότητα της πολυμεράσης μειώνει τον αριθμό τους σε 10 -6.

Μηχανισμοί αποκατάστασης

Η DNA πολυμεράση διορθώνει ορισμένα σφάλματα αντιγραφής, αλλά όχι όλα. Επιπλέον, αλλαγές στην αλληλουχία των νουκλεοτιδίων του DNA συμβαίνουν επίσης μετά τον διπλασιασμό του DNA. Έτσι μπορούν να χαθούν οι βάσεις πουρίνης (αδενίνη και γουανίνη) και να απαμινωθεί η κυτοσίνη, μετατρέποντας σε ουρακίλη. Αυτές και άλλες αλλαγές συμβαίνουν συνήθως λόγω ορισμένων χημικά δραστικών ουσιών που περιέχονται στο περιβάλλον που περιβάλλει το χρωμόσωμα. Ένας αριθμός τέτοιων ενώσεων διαταράσσει το κανονικό ζευγάρωμα βάσεων. Υπό την επίδραση της υπεριώδους ακτινοβολίας, δύο γειτονικά υπολείμματα θυμίνης μπορούν να σχηματίσουν δεσμούς μεταξύ τους, εμφανίζονται διμερή θυμίνης.

Υπάρχει άμεση αποκατάσταση, όταν, εάν είναι δυνατόν, η αρχική δομή των νουκλεοτιδίων αποκαθίσταται ενζυματικά, χωρίς εκτομή.

Επισκευή εκτομής

Η εκτομή ή η προ-αντιγραφική επισκευή πραγματοποιείται πριν από τον επόμενο κύκλο αντιγραφής.

Υπάρχει μια κατηγορία ενζύμων που ανιχνεύουν αλλοιωμένες αλληλουχίες νουκλεοτιδίων σε έναν από τους συμπληρωματικούς κλώνους DNA. Μετά από αυτό, το λανθασμένο τμήμα αφαιρείται και αντικαθίσταται με ένα νεοσυντιθέμενο. Σε αυτήν την περίπτωση, η μήτρα είναι ένα τμήμα του συμπληρωματικού "σωστού" νήματος.

Τα ένζυμα επιδιόρθωσης συνήθως ανιχνεύουν σφάλματα στη νέα αλυσίδα του DNA και όχι στο πρότυπο. Υπάρχει μια μικρή διαφορά μεταξύ των δύο κλώνων του ίδιου μορίου DNA στον βαθμό μεθυλίωσης των αζωτούχων βάσεων. Στην αλυσίδα της κόρης υστερεί σε σχέση με τη σύνθεση. Τα ένζυμα αναγνωρίζουν μια τέτοια αλυσίδα και σε αυτήν διορθώνουν τμήματα που με τον ένα ή τον άλλο τρόπο δεν είναι συμπληρωματικά με τα τμήματα της παλιάς αλυσίδας. Επιπλέον, σπασίματα στο νήμα, το οποίο στους ευκαρυώτες συντίθεται σε θραύσματα, μπορούν να χρησιμεύσουν ως σήματα.

Ενζυμο ενδονουκλεάσηικανό να ανιχνεύσει απώλεια βάσεων πουρινών. Αυτό το ένζυμο σπάει τον φωσφοεστερικό δεσμό στο σημείο της βλάβης. Ακολουθεί το ένζυμο εξωνουκλεάση, το οποίο καταργεί την ενότητα που περιέχει το σφάλμα. Μετά από αυτό, η τρύπα δημιουργείται σύμφωνα με τη συμπληρωματικότητα της μήτρας.

DNA γλυκοζυλάσες- μια ολόκληρη κατηγορία ενζύμων που αναγνωρίζουν βλάβη του DNA ως αποτέλεσμα απαμίνωσης, αλκυλίωσης και άλλων δομικών αλλαγών στις βάσεις του. Οι γλυκοζυλάσες αφαιρούν βάσεις αντί για νουκλεοτίδια. Μετά από αυτό, τμήματα του κλώνου DNA χωρίς βάσεις επισκευάζονται με τον ίδιο τρόπο όπως κατά την «επισκευή» των πουρινών.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η απαμίνωση των αζωτούχων βάσεων μπορεί να καταστήσει αδύνατη την αποκατάσταση της αρχικής αλληλουχίας νουκλεοτιδίων. Ορισμένα ζεύγη βάσεων αντικαθίστανται από άλλα (για παράδειγμα, το C-G θα αντικατασταθεί από το T-A).

Τα ένζυμα που αφαιρούν περιοχές με διμερή θυμίνης δεν αναγνωρίζουν μεμονωμένες λανθασμένες βάσεις, αλλά μάλλον μεγαλύτερες τομές αλλοιωμένου DNA. Και εδώ αφαιρείται ένα τμήμα και στη θέση του συντίθεται ένα νέο. Επιπλέον, τα διμερή θυμίνης μπορούν να εξαλειφθούν αυθόρμητα υπό την επίδραση του φωτός - τα λεγόμενα ελαφριά αποκατάσταση.

Επισκευή μετά την αντιγραφή

Εάν η προ-αντιγραφική επισκευή δεν διορθώσει τις αλλοιωμένες τομές DNA, τότε αυτές σταθεροποιούνται κατά την αντιγραφή. Ένα από τα θυγατρικά μόρια DNA θα περιέχει αλλαγές και στους δύο κλώνους του. Σε αυτό, μερικά ζεύγη συμπληρωματικών νουκλεοτιδίων αντικαθίστανται από άλλα ή εμφανίζονται κενά στη νέα συντιθέμενη αλυσίδα απέναντι από τα αλλαγμένα τμήματα του προτύπου.

Το σύστημα επιδιόρθωσης μετά την αντιγραφή είναι ικανό να αναγνωρίζει τέτοιες αλλαγές στο DNA. Σε αυτό το στάδιο, η επιδιόρθωση της βλάβης του DNA πραγματοποιείται με την ανταλλαγή θραυσμάτων (δηλαδή, ανασυνδυασμό) μεταξύ δύο νέων μορίων DNA, το ένα από τα οποία περιέχει τη βλάβη, το άλλο όχι.

Αυτό συμβαίνει με διμερή θυμίνης που δεν αφαιρέθηκαν στα προηγούμενα βήματα. Υπάρχουν ομοιοπολικοί δεσμοί μεταξύ δύο γειτονικών θυμινών. Εξαιτίας αυτού, δεν είναι σε θέση να σχηματίσουν δεσμούς υδρογόνου με την ομοιοπολική αλυσίδα. Ως αποτέλεσμα, όταν συντίθεται μια θυγατρική αλυσίδα στην αλυσίδα εκμαγείου που περιέχει το διμερές θυμίνης, σχηματίζεται ένα κενό σε αυτήν. Αυτό το σπάσιμο αναγνωρίζεται από τα ένζυμα επιδιόρθωσης. Είναι σαφές ότι αυτό το μόριο DNA δεν έχει τη σωστή τομή (ο ένας κλώνος περιέχει ένα διμερές θυμίνης, ο άλλος μια τρύπα). Ως εκ τούτου, η μόνη διέξοδος είναι να ληφθεί ένα τμήμα DNA από ένα «υγιεινό» μόριο, το οποίο λαμβάνεται από τον κλώνο μήτρας αυτού του μορίου DNA. Η τρύπα που εμφανίζεται εδώ γεμίζεται σύμφωνα με την αρχή της συμπληρωματικότητας.

Σύστημα SOS

Ένα σημαντικό μέρος της βλάβης του DNA επιδιορθώνεται χρησιμοποιώντας τους περιγραφόμενους μηχανισμούς επιδιόρθωσης. Ωστόσο, εάν υπάρχουν πάρα πολλά σφάλματα, τότε συνήθως ενεργοποιείται το λεγόμενο σύστημα SOS, το οποίο αποτελείται από τη δική του ομάδα ενζύμων που μπορούν να γεμίσουν τρύπες χωρίς απαραίτητα να τηρούν την αρχή της συμπληρωματικότητας. Επομένως, η ενεργοποίηση του συστήματος SOS συχνά προκαλεί μεταλλάξεις.

Εάν η αλλαγή του DNA είναι πολύ σημαντική, τότε η αναπαραγωγή εμποδίζεται και το κύτταρο δεν θα διαιρεθεί.

Γενετική αποκατάσταση- η διαδικασία εξάλειψης της γενετικής βλάβης και αποκατάστασης του κληρονομικού μηχανισμού, που εμφανίζεται στα κύτταρα των ζωντανών οργανισμών υπό την επίδραση ειδικών ενζύμων. Η ικανότητα των κυττάρων να επιδιορθώνουν τη γενετική βλάβη ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά το 1949 από τον Αμερικανό γενετιστή A. Kellner. Στη συνέχεια, μελετήθηκαν διάφοροι μηχανισμοί για την αφαίρεση κατεστραμμένων περιοχών κληρονομικού υλικού και ανακαλύφθηκε ότι η γενετική αναγέννηση είναι εγγενής σε όλους τους ζωντανούς οργανισμούς. Προφανώς, η ικανότητα επιδιόρθωσης γενετικής βλάβης εμφανίστηκε στα πρώτα στάδια της ανάπτυξης της ζωής στη Γη και βελτιώθηκε με την εξέλιξη των έμβιων όντων: τα επισκευαστικά ένζυμα υπάρχουν στους αρχαιότερους εκπροσώπους του φυτικού και ζωικού κόσμου. Μέχρι σήμερα έχει ανακαλυφθεί μεγάλος αριθμός εξειδικευμένων επισκευαστικών ενζύμων, καθώς και γονιδίων (βλ. Γονίδιο) που ελέγχουν τη σύνθεσή τους στα κύτταρα. Έχει αποδειχθεί ότι οι αλλαγές σε αυτά τα γονίδια αυξάνουν την ευαισθησία του οργανισμού σε δυσμενείς και επιβλαβείς παράγοντες, συμβάλλουν στην αύξηση των κληρονομικών αλλαγών - μεταλλάξεων (βλ. Μεταλλαξιγένεση), εμφάνιση ασθενειών και πρόωρη γήρανση. Έχει διαπιστωθεί ότι ορισμένες κληρονομικές ασθένειες του ανθρώπου αναπτύσσονται λόγω διαταραχών στη σύνθεση των επισκευαστικών ενζύμων. Δύο μορφές γενετικής επιδιόρθωσης έχουν μελετηθεί λεπτομερώς - η φωτοενεργοποίηση και η σκοτεινή επιδιόρθωση.

Φωτοεπανενεργοποίηση, ή μείωση του φωτός, ανακαλύφθηκε το 1949. Ο A. Kellner, μελετώντας τις βιολογικές επιδράσεις της ακτινοβολίας σε πειράματα σε μικροσκοπικούς μύκητες και βακτήρια, ανακάλυψε ότι τα κύτταρα που εκτίθενται στην ίδια δόση υπεριώδους ακτινοβολίας επιβιώνουν πολύ καλύτερα εάν, μετά από ακτινοβολία στο σκοτάδι, τοποθετούνται σε συνθήκες κανονικού φυσικού φωτός. Με βάση αυτό, προτάθηκε ότι το φως εξαλείφει ορισμένες από τις βλάβες στις γενετικές δομές των κυττάρων που συμβαίνουν υπό την επίδραση της υπεριώδους ακτινοβολίας.

Χρειάστηκαν σχεδόν δύο δεκαετίες για να αποκρυπτογραφηθεί το φαινόμενο της φωτοενεργοποίησης που ανακάλυψε ο A. Kellner. Αποδείχθηκε ότι η υπεριώδης ακτινοβολία έχει την ικανότητα να διαταράσσει τη δομή των μορίων του δεοξυριβονουκλεϊκού οξέος (συντομογραφία ως DNA - βλέπε Νουκλεϊκά οξέα), τα οποία μεταφέρουν γενετικές πληροφορίες. Το μόριο DNA περιέχει τέσσερις τύπους αποκαλούμενων αζωτούχων βάσεων: αδενίνη, γουανίνη, κυτοσίνη και θυμίνη - και αποτελείται από δύο κλώνους στριμμένους σε μια σπείρα. Συχνά, σε ένα νήμα, πανομοιότυπες βάσεις βρίσκονται η μία δίπλα στην άλλη. Υπό την επίδραση της υπεριώδους ακτινοβολίας, οι χημικοί δεσμοί σπάνε σε ορισμένες αζωτούχες βάσεις και, αν συμβεί αυτό, για παράδειγμα, σε κοντινές βάσεις θυμίνης, συνδυάζονται μεταξύ τους, σχηματίζοντας το λεγόμενο διμερές θυμίνης. Τα διμερή θυμίνης διαταράσσουν δραματικά τη δομή της διπλής έλικας του DNA, με αποτέλεσμα να αλλάζει η έννοια του γενετικού αρχείου, γεγονός που οδηγεί είτε σε κληρονομικά ελαττώματα που στη συνέχεια μεταδίδονται στους απογόνους είτε σε κυτταρικό θάνατο. Για να «θεραπεύσουν» και να εξαλείψουν αυτές τις βλάβες, ορισμένα κύτταρα έχουν ειδικά ένζυμα που ονομάζονται ένζυμα φωτοενεργοποίησης. Αυτά τα ένζυμα είναι σε θέση να «αναγνωρίζουν» περιοχές του DNA που έχουν καταστραφεί από την υπεριώδη ακτινοβολία, να προσκολλώνται σε αυτές και να καταστρέφουν τους δεσμούς που σχηματίζονται μεταξύ δύο θυμινών, αποκαθιστώντας την αρχική (φυσιολογική) δομή του DNA. Ωστόσο, το «θεραπευτικό αποτέλεσμα» των φωτοενεργοποιητικών ενζύμων - η διάσπαση των συνδεδεμένων τμημάτων του μορίου του DNA και η αποκατάσταση της αρχικής του φυσιολογικής δομής - εμφανίζεται μόνο με τη συμμετοχή της φωτεινής ενέργειας. Στη συνέχεια, από εδώ, το φως παίζει το ρόλο ενός παράγοντα ενεργοποίησης σε αυτές τις διεργασίες, πυροδοτώντας την αντίδραση φωτοαντίδρασης. Μέχρι τώρα, αυτό παραμένει το μόνο παράδειγμα βιοχημικών αντιδράσεων στις οποίες η φωτεινή ενέργεια δρα ως ενεργοποιητής.

Αρχικά, η ικανότητα φωτοενεργοποίησης ανακαλύφθηκε σε μικροοργανισμούς· αργότερα, φωτοενεργοποιητικά ένζυμα βρέθηκαν στα κύτταρα ορισμένων ψαριών, πτηνών, αμφιβίων, εντόμων, ανώτερων φυτών και φυκιών. Για πολύ καιρό, αυτό το είδος επισκευής δεν μπορούσε να ανιχνευθεί σε θηλαστικά και ανθρώπους. Μόλις το 1969 αποδείχθηκε ότι τα κύτταρα των μαρσιποφόρων έχουν την ικανότητα να φωτοενεργοποιούνται. Αυτό το γεγονός εξηγήθηκε από τις ιδιαιτερότητες της βιολογίας αυτών των αρχαίων κατοίκων της Γης: πιστεύεται ότι η παρουσία ενός φωτοενεργοποιητικού ενζύμου στα μαρσιποφόρα είναι εξαιρετικής σημασίας, καθώς μόνο σε αυτά (μεταξύ άλλων θηλαστικών) το έμβρυο εκτίθεται στο ηλιακό φως (συμπεριλαμβανομένης της υπεριώδους ακτινοβολίας) στη διαδικασία μεταφοράς στην τσάντα της μητέρας. Πρόσφατες μελέτες υποδεικνύουν την πιθανότητα παρουσίας ενός φωτοενεργοποιητικού ενζύμου στα κύτταρα του ανθρώπινου δέρματος. Αυτός μπορεί να είναι ο λόγος που η μαζική υπεριώδης ακτινοβολία, για παράδειγμα κατά την ηλιοθεραπεία, δεν προκαλεί βλάβη στον ανθρώπινο γενετικό μηχανισμό.

Σκοτεινή αποκατάσταση, σε αντίθεση με τη φωτοεπανενεργοποίηση, είναι καθολική. Εξαλείφει διάφορες δομικές βλάβες στο DNA που εμφανίζονται ως αποτέλεσμα διαφόρων ακτινοβολιών και χημικών επιδράσεων. Η ικανότητα για σκοτεινή επιδιόρθωση έχει βρεθεί σε όλα τα κυτταρικά συστήματα και οργανισμούς. Η ικανότητα των μικροβιακών κυττάρων να επιδιορθώνουν τη γενετική βλάβη στο σκοτάδι ανακαλύφθηκε το 1955, αλλά οι λεπτομέρειες αυτής της διαδικασίας άρχισαν να αποσαφηνίζονται μόλις το 1964. Αποδείχθηκε ότι οι μηχανισμοί της σκοτεινής επιδιόρθωσης είναι θεμελιωδώς διαφορετικοί από τον μηχανισμό της φωτοαντίδρασης. Η πρώτη διαφορά είναι ότι εάν, κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης στο φως, ένα φωτοενεργοποιητικό ένζυμο διασπά τμήματα του μορίου DNA που συνδέονται με υπεριώδη ακτινοβολία, τότε κατά τη διάρκεια της σκοτεινής επισκευής τα κατεστραμμένα τμήματα αφαιρούνται από το μόριο DNA. Η δεύτερη διαφορά σχετίζεται με τον αριθμό των «θεραπεύσιμων» τραυματισμών. Το φωτοενεργοποιητικό ένζυμο είναι ενεργό έναντι ενός μόνο τύπου βλάβης του DNA - του σχηματισμού διμερών θυμίνης υπό την επίδραση της υπεριώδους ακτινοβολίας. Τα ένζυμα που πραγματοποιούν σκοτεινή επιδιόρθωση είναι ικανά να εξαλείψουν διάφορες δομικές βλάβες στο DNA που εμφανίζονται ως αποτέλεσμα διαφόρων επιδράσεων στα κύτταρα - χημικές και ακτινοβολίες. Ως αποτέλεσμα της σκοτεινής επιδιόρθωσης, πραγματοποιείται ένα είδος μοριακής «χειρουργικής» παρέμβασης: οι κατεστραμμένες περιοχές «κόβονται» και τα προκύπτοντα «κενά» γεμίζονται με τοπική σύνθεση ή ανταλλαγή τμημάτων μεταξύ κατεστραμμένων και άθικτων κλώνων DNA, όπως με αποτέλεσμα να αποκατασταθεί η αρχική του κανονική δομή. Η επιδιόρθωση του σκούρου πραγματοποιείται υπό τον έλεγχο ενός μεγάλου αριθμού ενζύμων, καθένα από τα οποία είναι υπεύθυνο για ένα ορισμένο στάδιο αυτής της πολύπλοκης διαδικασίας. Δύο τύποι σκοτεινής επιδιόρθωσης έχουν μελετηθεί λεπτομερώς - η εκτομή και η μετα-αντιγραφική. Με την επισκευή εκτομής, το κατεστραμμένο τμήμα του DNA κόβεται και αντικαθίσταται πριν από την έναρξη του επόμενου κύκλου αναπαραγωγής κυττάρων, ή ακριβέστερα πριν από την έναρξη του διπλασιασμού (αντιγραφής) των μορίων DNA. Το βιολογικό νόημα αυτής της διαδικασίας είναι να αποτρέψει την παγίωση κληρονομικών αλλαγών (μεταλλαγών) στους απογόνους και την επακόλουθη αναπαραγωγή αλλοιωμένων μορφών. Η αποκατάσταση της εκτομής είναι η πιο οικονομική και αποτελεσματική μορφή γενετικής αποκατάστασης. Έχει διαπιστωθεί ότι κατά την κανονική λειτουργία του σε μικροοργανισμούς, έως και το 90% της υπάρχουσας γενετικής βλάβης αφαιρείται πριν από την έναρξη της αντιγραφής του DNA και έως και το 70% αφαιρείται από τα κύτταρα ανώτερων οργανισμών. Η επισκευή εκτομής πραγματοποιείται σε διάφορα στάδια.

Πρώτα, ένα ειδικό ένζυμο «κόβει» έναν από τους κλώνους του DNA, κοντά στην κατεστραμμένη περιοχή, στη συνέχεια αφαιρείται εντελώς η κατεστραμμένη περιοχή και το προκύπτον «κενό» γεμίζει με ειδικά ένζυμα (DNA polymerases), τα οποία παρέχουν τους κρίκους που λείπουν. δανείζοντάς τα από το άθικτο σκέλος. Η ικανότητα επιδιόρθωσης εκτομής έχει εδραιωθεί στα κύτταρα μικροοργανισμών, ανώτερων φυτών και ζώων, καθώς και στον άνθρωπο.

Επισκευή μετά την αντιγραφή- η τελευταία ευκαιρία για το κύτταρο να εξαλείψει την υπάρχουσα γενετική βλάβη και να προστατεύσει τους απογόνους από αλλαγές στα κληρονομικά χαρακτηριστικά. Εάν προκύψουν τόσες πολλές βλάβες στο DNA που κατά την επιδιόρθωση της εκτομής το κύτταρο δεν έχει χρόνο να τις εξαλείψει εντελώς ή εάν τα γονίδια που καθορίζουν τη δυνατότητα επιδιόρθωσης της εκτομής καταστραφούν, τότε κατά τη διαδικασία πολλαπλασιασμού (διπλασιασμός, αντιγραφή) το DNA στο θυγατρικά σκέλη στο σημείο της βλάβης που υπάρχουν στα μητρικά νήματα, σχηματίζονται "κενά". Αυτό συμβαίνει λόγω του γεγονότος ότι το ένζυμο που είναι υπεύθυνο για την αντιγραφή του DNA (σύνθεση του θυγατρικού κλώνου στον μητρικό κλώνο του DNA) δεν μπορεί να «διαβάσει» τις παραμορφωμένες πληροφορίες στο κατεστραμμένο σημείο του μητρικού κλώνου. Επομένως, φτάνοντας σε ένα κατεστραμμένο σημείο που έμεινε αδιόρθωτο κατά την επισκευή της εκτομής, αυτό το ένζυμο σταματά, και στη συνέχεια αργά (με ταχύτητα εκατοντάδες φορές πιο αργή από το συνηθισμένο) διέρχεται από την κατεστραμμένη περιοχή και συνεχίζει την κανονική σύνθεση του θυγατρικού κλώνου, απομακρύνοντας από αυτό το μέρος . Αυτό συμβαίνει σε όλα τα σημεία όπου ο μητρικός κλώνος του DNA παραμένει κατεστραμμένος στην αρχή της αντιγραφής. Φυσικά, εάν ο αριθμός των βλαβών είναι πολύ μεγάλος, η αναπαραγωγή σταματά εντελώς και το κύτταρο πεθαίνει. Αλλά ένα κύτταρο δεν μπορεί να υπάρχει για πολύ με μόρια DNA που φέρουν κενά. Επομένως, μετά την αντιγραφή, αλλά πριν από την κυτταρική διαίρεση, ξεκινά η διαδικασία της μετα-αντιγραφικής επιδιόρθωσης. Πριν από τη διαίρεση ενός κυττάρου, σχηματίζονται δύο δίκλωνα μόρια DNA. Εάν ένας από αυτούς έχει βλάβη σε κάποιο σημείο σε έναν κλώνο και κενό στον αντίθετο κλώνο, τότε στο άλλο μόριο δίκλωνου DNA και οι δύο κλώνοι σε αυτό το σημείο θα είναι κανονικοί. Σε αυτήν την περίπτωση, μπορεί να συμβεί ανταλλαγή τμημάτων DNA - ανασυνδυασμός (βλ. Γονίδιο, ανταλλαγή γονιδίων): ένα άθικτο τμήμα θα αποκοπεί από ένα κανονικό μόριο DNA και θα εισαχθεί στη θέση ενός κατεστραμμένου τμήματος σε άλλο μόριο, λόγω του οποίου το το κατεστραμμένο γενετικό υλικό θα αντικατασταθεί από ένα κανονικό. Κατόπιν αυτού, ειδική τα ένζυμα (πολυμεράσες DNA) θα κλείσουν τα «κενά» (τώρα θα μπορούν να το κάνουν αυτό, αφού δεν θα υπάρξει ζημιά και στα δύο μόρια σε αυτό το μέρος), οι νεοσυντιθέμενοι και οι παλιοί κλώνοι θα συνδεθούν μεταξύ τους και Η αρχική δομή του DNA θα είναι το αποτέλεσμα να έχει αποκατασταθεί πλήρως. Σύμφωνα με τη φύση της διαδικασίας που σχετίζεται με την υλοποίηση του ανασυνδυασμού, αυτός ο τύπος μετα-αναπαραγωγικής επισκευής ονομάζεται επίσης ανασυνδυασμός.

Προφανώς, ο περιγραφόμενος μηχανισμός δεν είναι ο μόνος τρόπος για την αποκατάσταση της φυσιολογικής δομής του DNA μετά τον διπλασιασμό του (αντιγραφή). Σε κάθε περίπτωση, είναι γνωστός ένας μηχανισμός στον οποίο εισάγονται σύνδεσμοι σε κενά που δεν αντιστοιχούν στην αρχική δομή του DNA που επισκευάζεται, δηλαδή συμβαίνουν μεταλλάξεις. Είναι πιθανό αυτό να συμβαίνει σε περιπτώσεις όπου ένα κύτταρο, για τον έναν ή τον άλλον λόγο, δεν μπορεί να επιδιορθώσει το DNA του χρησιμοποιώντας οποιαδήποτε από τις μεθόδους που περιγράφονται παραπάνω και έχει μια τελευταία ευκαιρία - είτε να επιβιώσει με το κόστος των μεταλλάξεων είτε να πεθάνει. Η αλληλεπίδραση διαφόρων συστημάτων επισκευής, η ρύθμιση της δραστηριότητάς τους στο κύτταρο και ο ακριβής χρόνος λειτουργίας δεν έχουν ακόμη μελετηθεί επαρκώς. Έχει βρεθεί ότι σε ορισμένες περιπτώσεις εμφανίζεται στο κύτταρο μια συντονισμένη δράση εκτομής και μετα-αντιγραφικών ενζύμων επιδιόρθωσης. Για παράδειγμα, εάν δύο κλώνοι DNA συνδέονται μεταξύ τους (ραμμένες), το οποίο εμφανίζεται υπό την επίδραση πολλών δηλητηρίων (για παράδειγμα, η δηλητηριώδης ουσία αέριο μουστάρδας), τότε πρώτα η αντίδραση επισκευής ξεκινά με ένα ένζυμο επιδιόρθωσης εκτομής, το οποίο κόβει ένας κλώνος του DNA, και στη συνέχεια τα μετα-αντιγραφικά επισκευαστικά ένζυμα μπαίνουν σε δράση, ολοκληρώνοντας τη διαδικασία.

Σε ανθρώπινα κύτταρα έχουν βρεθεί συστήματα ενζύμων επιδιόρθωσης μετά την αντιγραφή. Δεν έχει ακόμη πλήρως αποσαφηνιστεί ποιοι είναι οι ακριβείς ενζυματικοί μηχανισμοί που παρέχουν αυτό το είδος επιδιόρθωσης στα ανθρώπινα κύτταρα, αλλά είναι γνωστό ότι ο ανασυνδυασμός και η τυχαία πλήρωση κενών με την εμφάνιση μεταλλάξεων μπορεί να συμβεί στα ανθρώπινα κύτταρα. Η σχετική αποτελεσματικότητα των γνωστών διαδικασιών γενετικής επιδιόρθωσης είναι επίσης ασαφής. Έχει διαπιστωθεί, για παράδειγμα, ότι τα κύτταρα E. coli που ακτινοβολούνται με υπεριώδες φως, υπό την προϋπόθεση ότι το σύστημα επιδιόρθωσης εκτομής λειτουργεί κανονικά, είναι ικανά να αφαιρέσουν έως και 1000 βλάβες από το DNA. Όταν εμφανιστεί περισσότερη βλάβη στο DNA, το κύτταρο πεθαίνει. Εάν το σύστημα αποκατάστασης εκτομής είναι απενεργοποιημένο, τότε μόνο περίπου 100 βλάβες μπορούν να αφαιρεθούν με μετα-αντιγραφική αποκατάσταση. Εάν απουσιάζουν και τα δύο συστήματα επιδιόρθωσης, το κύτταρο πεθαίνει από μία μόνο βλάβη που συμβαίνει στο DNA.

Αποκατάσταση και μεταλλάξεις. Στη συνέχεια, στις πρώτες μελέτες γενετικής επιδιόρθωσης, διαπιστώθηκε μια στενή σχέση μεταξύ της εξάλειψης των κατεστραμμένων περιοχών και της μείωσης της συχνότητας των μεταλλάξεων. Αργότερα αποδείχθηκε ότι οι διαταραχές στη δραστηριότητα των επισκευαστικών ενζύμων οδηγούν σε απότομη αύξηση του αριθμού των μεταλλάξεων. Ταυτόχρονα, έχει πλέον διαπιστωθεί ότι μεταλλάξεις μπορούν επίσης να εμφανιστούν κατά τη διάρκεια των ίδιων των διεργασιών γενετικής επιδιόρθωσης λόγω «σφαλμάτων» στη λειτουργία των επισκευαστικών ενζύμων. Αν και η υπόθεση ότι οι διεργασίες επιδιόρθωσης πραγματοποιούνται κατά κύριο λόγο χωρίς σφάλματα και ότι μόνο η μετα-αναπαραγόμενη αντίδραση επισκευής στην οποία ενσωματώνονται τυχαίες βάσεις στα κενά προκαλεί μεταλλάξεις έχει λάβει τη μεγαλύτερη αναγνώριση, ένας αυξανόμενος αριθμός πειραματικών δεδομένων συσσωρεύεται υποδεικνύοντας ότι ακόμη και ένας σχετικά μικρός αριθμός επιδιόρθωσης σφαλμάτων οδηγεί στην εμφάνιση σημαντικού αριθμού μεταλλάξεων, οι οποίες ανιχνεύονται τόσο υπό φυσιολογικές (φυσικές) συνθήκες όσο και όταν τα κύτταρα εκτίθενται σε επιβλαβείς παράγοντες.

Αποκατάσταση σε διαφορετικά στάδια ατομικής ανάπτυξης των οργανισμών. Η ικανότητα πραγματοποίησης ενός ή άλλου τύπου γενετικής αποκατάστασης μπορεί να αλλάξει σε διαφορετικά στάδια ανάπτυξης του οργανισμού. Η έρευνα δείχνει ότι η μέγιστη αποτελεσματικότητα όλων των διεργασιών αποκατάστασης στα θηλαστικά (συμπεριλαμβανομένων των ανθρώπων) εκδηλώνεται κατά τη στιγμή της εμβρυϊκής (ενδομήτριας) ανάπτυξης και στα αρχικά στάδια ανάπτυξης του σώματος. Για παράδειγμα, για μεγάλο χρονικό διάστημα δεν ήταν δυνατό να βρεθεί η αντίδραση επιδιόρθωσης εκτομής σε τρωκτικά (χάμστερ, αρουραίος, ποντίκι και άλλα) και μόλις πρόσφατα ανακαλύφθηκε ότι αυτός ο τύπος επισκευής λαμβάνει χώρα στο εμβρυϊκό στάδιο ανάπτυξης και σταματά σε μεταγενέστερα στάδια. Συχνά πραγματοποιείται μόνο σε διαιρούμενα κύτταρα, για παράδειγμα στα αναπτυσσόμενα νευρικά κύτταρα του εμβρύου. Εάν δημιουργήσετε συνθήκες κάτω από τις οποίες καταστέλλεται η διαίρεση αυτών των κυττάρων, τότε η επισκευή των σπασίματος του DNA μονής έλικος που προκαλούνται, για παράδειγμα, από ακτινοβολία ακτίνων Χ, εξαλείφεται επίσης.

Επιδιόρθωση διαταραχών και ανθρώπινων ασθενειών. Το 1968, ο Άγγλος επιστήμονας D. Cleaver απέδειξε ότι μια κληρονομική ανθρώπινη ασθένεια είναι η μελαγχρωστική ξηροδερμία, τα σημάδια της οποίας είναι η ερυθρότητα, ο σχηματισμός αναπτύξεων, συχνά με κακοήθη εκφύλιση των περιοχών του δέρματος στο σημείο έκθεσης στο ηλιακό φως, καθώς και η οπτική βλάβη, νευρικό σύστημα και άλλα, που προκαλούνται από ελάττωμα στη δραστηριότητα των ενζύμων αποκατάστασης της εκτομής. Αργότερα διαπιστώθηκε ότι ορισμένες πιο κληρονομικές ανθρώπινες ασθένειες προκαλούνται από παραβιάσεις των διαδικασιών γενετικής αποκατάστασης. Αυτές οι ασθένειες περιλαμβάνουν το σύνδρομο Hutchinson, το οποίο προκαλεί νανισμό, πρόωρη γήρανση και προοδευτική άνοια. Η βλάβη στα γονίδια που κωδικοποιούν τα ένζυμα αποκατάστασης είναι υπεύθυνη για την εμφάνιση ενός αριθμού μορφών μιας τόσο κοινής ασθένειας όπως ο συστηματικός ερυθηματώδης λύκος και άλλες.

Η μελέτη της μοριακής φύσης αυτών των ασθενειών δίνει αφορμή για ελπίδες για τη σχετικά γρήγορη ανάπτυξη μεθόδων θεραπείας τους. Η πρόοδος προς αυτή την κατεύθυνση εξαρτάται τόσο από τη μελέτη των λεπτομερειών των διαδικασιών γενετικής επιδιόρθωσης όσο και από τη μελέτη της δυνατότητας απομόνωσης ενεργά ενεργών ενζύμων από φυσιολογικούς οργανισμούς (ιδιαίτερα μικρόβια) με την επακόλουθη εισαγωγή τους στο σώμα του ασθενούς, όσο και από μεθόδους αντικατάστασης νοσούντων γονιδίων με υγιή. βλέπε Γενετική Μηχανική). Ενώ το δεύτερο μονοπάτι παραμένει μόνο στη σφαίρα των υποθέσεων, η πειραματική εργασία έχει ξεκινήσει προς την πρώτη κατεύθυνση. Έτσι, οι Ιάπωνες ερευνητές K. Tanaka, M. Bekguchi και I. Okada ανέφεραν στα τέλη του 1975 την επιτυχή χρήση ενός από τα επισκευαστικά ένζυμα που απομονώθηκαν από βακτηριακά κύτταρα μολυσμένα με βακτηριακό ιό για την εξάλειψη ενός ελαττώματος σε κύτταρα που ελήφθησαν από έναν ασθενή που έπασχε. από χρωστική ανεπάρκεια ξηροδερμία. Προκειμένου αυτό το ένζυμο να διεισδύσει επιτυχώς σε ανθρώπινα κύτταρα που καλλιεργήθηκαν υπό τεχνητές συνθήκες, χρησιμοποιήθηκε ένας σκοτωμένος ιός Sendai. Ωστόσο, μέχρι σήμερα, τέτοιες εργασίες δεν έχουν πραγματοποιηθεί στο ανθρώπινο σώμα. Μια άλλη κατεύθυνση σχετίζεται με την ανάπτυξη μεθόδων έγκαιρης διάγνωσης ασθενειών που προκαλούνται από ελαττώματα στα επισκευαστικά ένζυμα.

Παρά την υψηλή ακρίβεια των ενζύμων που πραγματοποιούν την αντιγραφή του DNA, καθώς και την ύπαρξη μηχανισμού διόρθωσης, εξακολουθούν να συμβαίνουν σφάλματα κατά τη σύνθεση νέων αλυσίδων DNA λόγω της συμπερίληψης μη συμπληρωματικών νουκλεοτιδίων στη σύνθεσή τους. Επιπλέον, τα μόρια DNA στα κύτταρα εκτίθενται σε μια ποικιλία φυσικών και χημικών παραγόντων που διαταράσσουν τη δομή τους. Οι πιο συχνές βλάβες στο DNA περιλαμβάνουν τα ακόλουθα:

Σπάσιμο των (b-N)-γλυκοσιδικών δεσμών μεταξύ πουρίνης και δεσοξυριβόζης (αποπουρίνωση), που τις περισσότερες φορές είναι συνέπεια αυξημένης θερμοκρασίας. Από 5.000 έως 10.000 πράξεις πραγματοποιούνται σε ένα ανθρώπινο κύτταρο την ημέρα. αποπούρωση;

Αυθόρμητη απαμίνωση των υπολειμμάτων κυτοσίνης και αδενίνης για σχηματισμό υπολειμμάτων ουρακίλης και υποξανθίνης, αντίστοιχα (περίπου 100 συμβάντα ανά γονιδίωμα την ημέρα).

Αλκυλίωση αζωτούχων βάσεων υπό την επίδραση χημικών ουσιών ειδικής κατηγορίας ( αλκυλιωτικοί παράγοντες);

- παρένθεση(εισαγωγή) ορισμένων συνδέσεων μεταξύ γειτονικών ζευγών νουκλεοτιδίων.

Σχηματισμός ομοιοπολικών σταυροδεσμών μεταξύ αλυσίδων DNA υπό την επίδραση διλειτουργικών παραγόντων.

Ο σχηματισμός διμερών κυκλοβουτανίου (Εικ. 2.2) μεταξύ γειτονικών πυριμιδινών στην αλυσίδα που συμβαίνει κατά την απορρόφηση του υπεριώδους φωτός (UV).

Οι περισσότερες από τις αναφερόμενες βλάβες διαταράσσουν τις διαδικασίες αντιγραφής και γονιδιακής έκφρασης· για παράδειγμα, κάθε διμερές θυμίνης στο DNA του E. coli καθυστερεί την αντιγραφή κατά 10 δευτερόλεπτα. Επιπλέον, αυτές οι βλάβες αποτελούν πηγή μεταλλάξεων εάν δεν διορθωθούν πριν ξεκινήσει η αντιγραφή του DNA.

Τις περισσότερες φορές, τέτοιες παραβιάσεις συμβαίνουν μόνο σε έναν από τους κλώνους του DNA, ενώ ο δεύτερος κλώνος απέναντι από τη βλάβη στις περισσότερες περιπτώσεις περιέχει τη «σωστή» ακολουθία, η οποία μπορεί να χρησιμεύσει ως μήτρα για τη διόρθωση σφαλμάτων. Έτσι, η διπλή έλικα του DNA, καθώς και το γεγονός ότι κωδικοποιεί πληροφορίες για τη δομή των επισκευαστικών ενζύμων, καθιστά δυνατό έναν μοναδικό μηχανισμό διόρθωσης σφαλμάτων - επιδιόρθωση, χαρακτηριστικό μόνο μιας κατηγορίας μορίων - το DNA.

Υπάρχουν πολλά συστήματα και μηχανισμοί επισκευής που υπάρχουν σε διαφορετικούς οργανισμούς, μεταξύ αυτών υπάρχουν εκείνα που είναι ειδικά για τη διόρθωση βλαβών ενός είδους και υπάρχουν επίσης λιγότερο ειδικοί. Για ευκολία, όλες οι επί του παρόντος γνωστές διαδικασίες επισκευής μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες: 1) εκείνες που δεν απαιτούν τη συμμετοχή της αναπαραγωγής και αντιπροσωπεύουν άμεση διόρθωση παραβιάσεων του DNA. 2) πιο πολύπλοκες διαδικασίες κατά τις οποίες λαμβάνει χώρα η αναπαραγωγή επισκευής. Οι καλύτερα μελετημένοι μηχανισμοί επιδιόρθωσης σε σχέση με την αποκατάσταση της βλάβης που προκαλείται από την υπεριώδη ακτινοβολία είναι τα διμερή πυριμιδίνης (Εικ. 2.2).

Δεδομένου ότι τα ένζυμα που εξαρτώνται από την υπεριώδη ακτινοβολία συμμετέχουν στις πιο γνωστές διαδικασίες αποκατάστασης των συνεπειών της υπεριώδους ακτινοβολίας, οι μηχανισμοί επιδιόρθωσης χωρίζονται επίσης σε φωτεινούς (μπορεί να πραγματοποιηθούν μόνο σε ορατό φως) και σκοτεινούς (δεν απαιτούν τη συμμετοχή ορατού φως) επισκευή.

Οι μηχανισμοί επιδιόρθωσης για την άμεση αποκατάσταση της βλάβης περιλαμβάνουν αποαλκυλίωση υπολειμμάτων γουανίνης και μονομερισμό διμερών κυκλοβουτανίου μεταξύ γειτονικών βάσεων πυριμιδίνης. Η αποαλκυλίωση των υπολειμμάτων μεθυλγουανίνης ανήκει στη σκοτεινή επιδιόρθωση και λαμβάνει χώρα με τη συμμετοχή ενζύμων που υπάρχουν στα βακτηριακά κύτταρα και τα θρεπτικά συστατικά. Η αλκυλοτρανσφεράση DNA της O6-μεθυλγουανίνης καταλύει τη μεταφορά αλκυλομάδων σε σουλφυδρυλομάδες υπολειμμάτων κυστεΐνης του ενζύμου (Εικ. 2.3).

Η διάσπαση των διμερών μεταξύ των νουκλεοτιδίων πυριμιδίνης λαμβάνει χώρα στη διαδικασία φωτοεπανενεργοποίηση- αποκατάσταση της δομής των μορίων DNA που έχουν καταστραφεί από την υπεριώδη ακτινοβολία ως αποτέλεσμα της επακόλουθης έκθεσης στο ορατό φως (επισκευή φωτός). Είναι γνωστή η μη ενζυματική φωτοαντίδραση βραχέων κυμάτων, η οποία συνίσταται στον μονομερισμό διμερών υπό τη δράση της υπεριώδους ακτινοβολίας με μήκος κύματος 240 nm, καθώς και στην ενζυματική φωτοενεργοποίηση. Το τελευταίο εννοείται συνήθως με την ίδια τη φωτοεπανενεργοποίηση. Αυτή η διαδικασία απαιτεί τη συμμετοχή ορατού φωτός με μήκος κύματος 300-600 nm και πραγματοποιείται υπό τη δράση ειδικών φωτοενεργοποιητικών ενζύμων (δεοξυριβοπυριμιδίνη φωτολυάση). Το υπόστρωμα της φωτολυάσης είναι διμερή βάσεων πυριμιδίνης, με τα οποία σχηματίζει σύμπλοκο (το ένζυμο δεν δεσμεύεται με ανέπαφο DNA). Χρησιμοποιώντας την ενέργεια του απορροφούμενου φωτός, το ένζυμο καταστρέφει το διμερές χωρίς να σπάσει τους κλώνους του DNA (Εικ. 2.4).

Το φαινόμενο της φωτοενεργοποίησης είναι ευρέως διαδεδομένο στη φύση και έχει βρεθεί ακόμη και σε τέτοιους πρωτόγονους μικροοργανισμούς όπως τα μυκόπλασμα. Φωτοενεργοποιητικά ένζυμα βρίσκονται σε ορισμένα ανώτερα φυτά και ζώα, καθώς και σε όλα τα βακτήρια που μελετήθηκαν, με εξαίρεση τον Deinococcus radiodurans, ο οποίος, ωστόσο, είναι εξαιρετικά ανθεκτικός στη δράση της υπεριώδους ακτινοβολίας: αυτά τα βακτήρια αντέχουν σε δόσεις 1000 φορές υψηλότερες από αυτές που σκοτώστε το E. coli. Παρά την παντελή απουσία της ικανότητας φωτοενεργοποίησης, το D. radiodurans διαθέτει ένα ισχυρό σύστημα επιδιόρθωσης εκτομής.

Τα συμβάντα επισκευής που σχετίζονται με την αντικατάσταση παραμορφωμένων περιοχών δεν απαιτούν τη συμμετοχή του ορατού φωτός και, εκτός από άλλα ένζυμα, δύο τύποι νουκλεασών παίζουν σημαντικό ρόλο σε αυτά: οι εξω- και οι ενδονουκλεάσες. Οι εξωνουκλεάσες διασπούν το DNA ξεκινώντας από τα άκρα των αλυσίδων και οι ενδονουκλεάσες επιτίθενται στις αλυσίδες στα εσωτερικά μέρη, σχηματίζοντας ρήξεις μονής έλικος στο DNA. Μεταξύ της ποικιλίας των διαφορετικών τύπων επιδιόρθωσης που σχετίζονται με τη σύνθεση επιδιόρθωσης DNA, μπορούν να διακριθούν δύο κύριοι: εκτομήΚαι μετα-αντιγραφικόςαποζημίωση.

Επισκευή εκτομής.Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα της αποκατάστασης της εκτομής είναι η αφαίρεση του κατεστραμμένου τμήματος DNA. Αυτός ο τύπος επιδιόρθωσης δεν είναι τόσο ειδικός για τη βλάβη του DNA όσο η φωτοενεργοποίηση και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διόρθωση όχι μόνο των διμερών πυριμιδίνης, αλλά και πολλών άλλων αλλαγών στη δομή του DNA. Η επισκευή εκτομής (Εικ. 2.5, Α) είναι μια διαδικασία πολλαπλών σταδίων και περιλαμβάνει τα ακόλουθα συμβάντα:

1) αναγνώριση της βλάβης στο DNA, η οποία πραγματοποιείται από συγκεκριμένες ενδονουκλεάσες, οι οποίες εκτελούν επίσης το επόμενο στάδιο.

2) κόψιμο ενός κλώνου DNA κοντά στη ζημιά - τομή(κάνει ενδονουκλεάσες)

3) αφαίρεση μιας ομάδας νουκλεοτιδίων μαζί με βλάβη - εκτομή(διεξάγει εξωνουκλεάσες).

4) Ανασύνθεση DNA - πλήρωση του προκύπτοντος κενού (δραστηριότητα πολυμεράσης DNA).

5) αποκατάσταση της συνέχειας της επισκευασμένης αλυσίδας λόγω του σχηματισμού ομοιοπολικών δεσμών στη σακχαροφωσφορική ραχοκοκαλιά του μορίου.

Ο μηχανισμός επιδιόρθωσης της εκτομής μελετάται καλύτερα χρησιμοποιώντας το παράδειγμα της σκοτεινής απομάκρυνσης διμερών πυριμιδίνης από Ε. coli DNA που ακτινοβολείται με υπεριώδες φως. Στα κύτταρα Escherichia coli, τα γονίδια uvrA-D (κωδικοποιούν τη δομή των ενζύμων που κόβουν ένα τμήμα της αλυσίδας του DNA με ένα διμερές), καθώς και το polA (καθορίζουν τη δομή της DNA πολυμεράσης Ι, η οποία πραγματοποιεί την αναγεννητική σύνθεση του DNA), είναι υπεύθυνοι για αυτή τη διαδικασία. Ένα χαρακτηριστικό αυτής της μεθόδου επιδιόρθωσης εκτομής είναι ο σχηματισμός μονόκλωνων τομών και στις δύο πλευρές του διμερούς θυμίνης.

Για την επιδιόρθωση βλαβών, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που σχετίζονται με το σχηματισμό διμερών θυμίνης, ορισμένοι οργανισμοί χρησιμοποιούν έναν άλλο τύπο επιδιόρθωσης εκτομής, που περιλαμβάνει τη συμμετοχή ενός ειδικού ενζύμου, της Ν-γλυκοζυλάσης, στη διαδικασία. Σε αυτή την περίπτωση, το πρώτο επανορθωτικό γεγονός είναι η διάσπαση του γλυκοσιδικού δεσμού μεταξύ της κατεστραμμένης βάσης (για παράδειγμα, μιας από τις θυμίνες του διμερούς, μιας Ν-αλκυλιωμένης πουρίνης, κ.λπ.) και της δεοξυριβόζης. Έτσι, υπάρχει ένα τοπικό απουρινοποίηση, ή απυριμιδινοποίηση; εμφανίζεται μια αποκαλούμενη θέση ΑΡ, που αναγνωρίζεται από μια ειδική για ΑΡ ενδονουκλεάση, η οποία διασπά τον φωσφοδιεστερικό δεσμό δίπλα στη θέση ΑΡ. Το κενό στη συνέχεια συμπληρώνεται με κανονική σύνθεση επισκευής.

Ένας αριθμός διαφορετικών Ν-γλυκοζυλασών έχει βρεθεί σε βακτηριακά και ευκαρυωτικά κύτταρα. Για παράδειγμα, η γλυκοζυλάση DNA ουρακίλης αναγνωρίζει ένα εσφαλμένο ζεύγος dG/dU που προκύπτει από αυθόρμητη απαμίνωση ενός υπολείμματος δεοξυκυτοσίνης από ένα ζεύγος dG/dC. Η απαμίνωση της κυτοσίνης μπορεί να οδηγήσει στην εμφάνιση ενός ζεύγους μεταλλαγμένων νουκλεοτιδίων dA/dT κατά την αντιγραφή, καθώς από την άποψη του σχηματισμού δεσμών υδρογόνου, η ουρακίλη συμπεριφέρεται παρόμοια με τη θυμίνη. Ένα άλλο ευρέως διαδεδομένο ένζυμο αυτού του τύπου είναι η διμερής-Ν-γλυκοζυλάση πυριμιδίνης, η οποία δημιουργεί μια θέση απυριμιδίνης στην αποκατάσταση της βλάβης που σχετίζεται με το σχηματισμό διμερών πυριμιδίνης.

Οι τοποθεσίες όπου έχει συμβεί αποπουρινοποίηση ή αποπυριμιδινοποίηση διασπώνται από ΑΡ (απουρινικές και απυριμιδινικές) ενδονουκλεάσες. Υπάρχουν πολλές διαφορετικές ενδονουκλεάσες AR σε προ- και ευκαρυωτικά κύτταρα. Μερικά από αυτά κόβουν τον κλώνο στην 3' πλευρά της θέσης AP, ενώ άλλα διασπούν τον διεστερικό δεσμό στην 5' πλευρά. Σε κάθε περίπτωση, σχηματίζονται άκρα 3'-υδροξυλίου και 5'-φωσφορυλίου. Αυτό επιτρέπει στην εξωνουκλεάση να αφαιρέσει τα παρακείμενα υπολείμματα και στις δύο πλευρές της τομής μαζί με τη ζημιά.

Διάφοροι τύποι επισκευής εκτομής είναι ευρέως διαδεδομένοι σε προ- και ευκαρυωτικούς οργανισμούς, συμπεριλαμβανομένων των θηλαστικών. Διαταραχές στις διαδικασίες επιδιόρθωσης εκτομής μπορεί να οδηγήσουν σε δραματικές συνέπειες. Έτσι, μια κληρονομική ασθένεια είναι γνωστή στους ανθρώπους - ξηρόδερμα pigmentosum, τα κύρια συμπτώματα της οποίας είναι η αυξημένη ευαισθησία στο ηλιακό φως, που οδηγεί στην ανάπτυξη καρκίνου του δέρματος. Σε αυτούς τους ασθενείς βρέθηκαν διάφορα ελαττώματα αποκατάστασης της εκτομής.

Επισκευή μετά την αντιγραφή. Αυτός ο τύπος επιδιόρθωσης απαιτεί τη συμμετοχή γονιδιακών προϊόντων που εμπλέκονται επίσης σε γεγονότα ανασυνδυασμού (γονίδια rec) και δεν πραγματοποιείται σε rec μεταλλαγμένα κύτταρα, γι' αυτό ονομάζεται και επιδιόρθωση ανασυνδυασμού. Η μετα-αντιγραφική επισκευή ανασυνδυασμού βασίζεται στις διαδικασίες αντιγραφής και ανασυνδυασμού του κατεστραμμένου DNA· είναι ο λιγότερο συγκεκριμένος από όλους τους τύπους επισκευής που εξετάζονται, δεδομένου ότι στερείται του σταδίου αναγνώρισης βλάβης. Αυτή είναι μια αρκετά γρήγορη μέθοδος αποκατάστασης ντόπιοςΔομές DNA σε θυγατρικές (νέο συντεθειμένες) κλώνους: έχει αποδειχθεί ότι η επιδιόρθωση συμβαίνει ήδη στα πρώτα λεπτά μετά την ακτινοβόληση. Ένα χαρακτηριστικό αυτής της διαδικασίας είναι η διατήρηση της ζημιάς στις αρχικές (μητρικές) αλυσίδες (Εικ. 2.5, B).

Μαζί με τη γρήγορη, υπάρχει και αργή μετα-αναπαραγωγική επισκευή, η οποία απαιτεί αρκετές ώρες. Παράγεται από ένα σύστημα ενζύμων που απουσιάζει στα μη ακτινοβολημένα κύτταρα και το οποίο προκαλείται από την ακτινοβολία. Αυτός ο μηχανισμός ονομάζεται επισκευή SOS. Η εκπληκτική διαφορά του είναι η σημαντική αύξηση της συχνότητας των μεταλλάξεων, παρά το γεγονός ότι το DNA είναι ήδη κατεστραμμένο. Αυτό μπορεί να είναι συνέπεια της χρήσης ενός κλώνου DNA που περιέχει βλάβη ως πρότυπο.

Η μεταδιπλασιαστική επιδιόρθωση δεν υπάρχει μόνο σε βακτήρια, αλλά και σε ευκαρυωτικά κύτταρα, συμπεριλαμβανομένων των θηλαστικών.

Η σύνθεση του DNA γίνεται σύμφωνα με έναν ημι-συντηρητικό μηχανισμό: κάθε κλώνος DNA αντιγράφεται. Η σύνθεση γίνεται σε τμήματα. Υπάρχει ένα σύστημα που εξαλείφει τα σφάλματα στον αναδιπλασιασμό του DNA (φωτοεπιδιόρθωση, προ-αναπαραγωγική και μετα-αναπαραγωγική αποκατάσταση). Η διαδικασία αποκατάστασης είναι πολύ μεγάλη: έως 20 ώρες και πολύπλοκη. Τα περιοριστικά ένζυμα κόβουν το ακατάλληλο τμήμα του DNA και το ξαναχτίζουν ξανά. Οι επανορθώσεις δεν προχωρούν ποτέ με 100% αποτελεσματικότητα· αν το έκαναν, δεν θα υπήρχε εξελικτική παραλλαγή. Ο μηχανισμός επιδιόρθωσης βασίζεται στην παρουσία δύο συμπληρωματικών αλυσίδων στο μόριο του DNA. Η παραμόρφωση της νουκλεοτιδικής αλληλουχίας σε ένα από αυτά ανιχνεύεται από συγκεκριμένα ένζυμα. Στη συνέχεια αφαιρείται το αντίστοιχο τμήμα και αντικαθίσταται από ένα νέο, που συντίθεται στον δεύτερο συμπληρωματικό κλώνο DNA. Αυτό το είδος αποκατάστασης ονομάζεται εκτομή,εκείνοι. με κοπή. Πραγματοποιείται πριν από τον επόμενο κύκλο αντιγραφής, γι' αυτό και ονομάζεται προ-αντιγραφικός.Στην περίπτωση που το σύστημα επιδιόρθωσης εκτομής δεν διορθώσει μια αλλαγή που έχει προκύψει σε έναν κλώνο DNA, κατά την αντιγραφή αυτή η αλλαγή σταθεροποιείται και γίνεται ιδιοκτησία και των δύο κλώνων DNA. Αυτό οδηγεί στην αντικατάσταση ενός ζεύγους συμπληρωματικών νουκλεοτιδίων με ένα άλλο ή στην εμφάνιση θραυσμάτων στη νεοσυντιθέμενη αλυσίδα έναντι των αλλαγμένων τμημάτων. Η αποκατάσταση της φυσιολογικής δομής του DNA μπορεί επίσης να συμβεί μετά την αντιγραφή. Μετεορθωτική αποκατάστασηπραγματοποιείται με ανασυνδυασμό μεταξύ δύο νεοσχηματισμένων διπλών ελίκων DNA. Κατά την προ-αντιγραφική και μετα-αντιγραφική επισκευή, το μεγαλύτερο μέρος της κατεστραμμένης δομής του DNA αποκαθίσταται. Εάν το μέγεθος της βλάβης σε ένα κύτταρο, παρά την επισκευή που έχει πραγματοποιηθεί, παραμένει υψηλό, οι διαδικασίες αντιγραφής του DNA μπλοκάρονται σε αυτό. Αυτό το κελί δεν διαιρείται.

19.Γονίδιο, οι ιδιότητές του. Γενετικός κώδικας, οι ιδιότητές του. Δομή και τύποι RNA. Επεξεργασία, μάτισμα. Ο ρόλος του RNA στη διαδικασία υλοποίησης κληρονομικών πληροφοριών.

Γονίδιο – ένα τμήμα ενός μορίου DNA που μεταφέρει πληροφορίες σχετικά με τη δομή μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας ή μακρομορίου. Τα γονίδια σε ένα χρωμόσωμα είναι διατεταγμένα γραμμικά, σχηματίζοντας μια ομάδα σύνδεσης. Το DNA σε ένα χρωμόσωμα εκτελεί διαφορετικές λειτουργίες. Υπάρχουν διαφορετικές αλληλουχίες γονιδίων, υπάρχουν αλληλουχίες γονιδίων που ελέγχουν την έκφραση γονιδίων, την αντιγραφή, κ.λπ. Υπάρχουν γονίδια που περιέχουν πληροφορίες σχετικά με τη δομή της πολυπεπτιδικής αλυσίδας και, τελικά, τις δομικές πρωτεΐνες. Τέτοιες αλληλουχίες νουκλεοτιδίων μήκους ενός γονιδίου ονομάζονται δομικά γονίδια. Τα γονίδια που καθορίζουν τον τόπο, τον χρόνο και τη διάρκεια της ενεργοποίησης των δομικών γονιδίων είναι ρυθμιστικά γονίδια.

Τα γονίδια είναι μικρού μεγέθους, αν και αποτελούνται από χιλιάδες ζεύγη νουκλεοτιδίων. Η παρουσία ενός γονιδίου διαπιστώνεται με την εκδήλωση του γονιδιακού χαρακτηριστικού (το τελικό προϊόν). Ένα γενικό διάγραμμα της δομής της γενετικής συσκευής και της λειτουργίας της προτάθηκε το 1961 από τους Jacob και Monod. Πρότειναν ότι υπάρχει ένα τμήμα ενός μορίου DNA με μια ομάδα δομικών γονιδίων. Δίπλα σε αυτή την ομάδα βρίσκεται μια περιοχή 200 ζευγών νουκλεοτιδίων - ο προαγωγέας (η περιοχή δίπλα στην εξαρτώμενη από το DNA πολυμεράση RNA). Αυτή η περιοχή βρίσκεται δίπλα στο γονίδιο χειριστή. Το όνομα ολόκληρου του συστήματος είναι όπερον. Η ρύθμιση πραγματοποιείται από ένα ρυθμιστικό γονίδιο. Ως αποτέλεσμα, η πρωτεΐνη καταστολέα αλληλεπιδρά με το γονίδιο χειριστή και το οπερόνιο αρχίζει να λειτουργεί. Το υπόστρωμα αλληλεπιδρά με το γονίδιο με ρυθμιστές και το οπερόνιο μπλοκάρεται. Αρχή ανατροφοδότησης. Η έκφραση του οπερονίου ενσωματώνεται στο σύνολό της.

Στους ευκαρυώτες, η γονιδιακή έκφραση δεν έχει μελετηθεί. Ο λόγος είναι σοβαρά εμπόδια:

Οργάνωση γενετικού υλικού με τη μορφή χρωμοσωμάτων

Στους πολυκύτταρους οργανισμούς, τα κύτταρα είναι εξειδικευμένα και επομένως ορισμένα γονίδια απενεργοποιούνται.

Η παρουσία πρωτεϊνών ιστόνης, ενώ τα προκαρυωτικά έχουν «γυμνό» DNA.

Το DNA είναι ένα μακρομόριο, δεν μπορεί να εισέλθει στο κυτταρόπλασμα από τον πυρήνα και να μεταδώσει πληροφορίες. Η πρωτεϊνοσύνθεση είναι δυνατή χάρη στο m-RNA. Σε ένα ευκαρυωτικό κύτταρο, η μεταγραφή λαμβάνει χώρα με τεράστια ταχύτητα. Πρώτον, εμφανίζεται το pro-i-RNA ή το pre-i-RNA. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι στους ευκαρυώτες το mRNA σχηματίζεται ως αποτέλεσμα της επεξεργασίας (ωρίμανσης). Το γονίδιο έχει ασυνεχή δομή. Οι περιοχές κωδικοποίησης είναι εξόνια και οι μη κωδικοποιητικές περιοχές είναι εσώνια. Το γονίδιο στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς έχει δομή εξωνίου-ιντρονίου. Το εσώνιο είναι μακρύτερο από το εξόνιο. Κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας, τα εσώνια "κόβονται" - μάτισμα. Μετά το σχηματισμό του ώριμου mRNA, μετά από αλληλεπίδραση με μια ειδική πρωτεΐνη, περνά σε ένα σύστημα - ένα πληροφορόσωμα, το οποίο μεταφέρει πληροφορίες στο κυτταρόπλασμα. Τώρα τα συστήματα εξονίου-ιντρονίου έχουν μελετηθεί καλά (για παράδειγμα, το ογκογονίδιο P-53). Μερικές φορές τα εσώνια ενός γονιδίου είναι εξόνια ενός άλλου, τότε το μάτισμα είναι αδύνατο. Η επεξεργασία και το μάτισμα είναι ικανά να συνδυάζουν δομές που είναι απομακρυσμένες η μία από την άλλη σε ένα μόνο γονίδιο, επομένως έχουν μεγάλη εξελικτική σημασία. Τέτοιες διαδικασίες απλοποιούν την ειδογένεση. Οι πρωτεΐνες έχουν δομή μπλοκ. Για παράδειγμα, το ένζυμο είναι η πολυμεράση του DNA. Είναι μια συνεχής πολυπεπτιδική αλυσίδα. Αποτελείται από τη δική του πολυμεράση DNA και μια ενδονουκλεάση, η οποία διασπά το μόριο DNA από το τέλος. Το ένζυμο αποτελείται από 2 τομείς, οι οποίοι σχηματίζουν 2 ανεξάρτητα συμπαγή σωματίδια που συνδέονται με μια πολυπεπτιδική γέφυρα. Στο όριο μεταξύ των 2 ενζυμικών γονιδίων υπάρχει ένα εσώνιο. Οι τομείς ήταν κάποτε ξεχωριστά γονίδια, αλλά στη συνέχεια έγιναν πιο κοντά. Οι παραβιάσεις αυτής της γονιδιακής δομής οδηγούν σε γονιδιακές ασθένειες. Η παραβίαση της δομής του ιντρονίου είναι φαινοτυπικά αόρατη· μια παραβίαση στην αλληλουχία των εξονίων οδηγεί σε μετάλλαξη (μετάλλαξη γονιδίων σφαιρίνης).

Το 10-15% του RNA σε ένα κύτταρο είναι RNA μεταφοράς. Υπάρχουν συμπληρωματικές περιοχές. Υπάρχει μια ειδική τριάδα - ένα αντικωδικόνιο, μια τριάδα που δεν έχει συμπληρωματικά νουκλεοτίδια - GGC. Η αλληλεπίδραση των δύο ριβοσωμικών υπομονάδων και του mRNA οδηγεί στην έναρξη. Υπάρχουν 2 θέσεις - πηκτιδύλιο και αμινοακύλιο. Αντιστοιχούν σε αμινοξέα. Η σύνθεση πολυπεπτιδίου λαμβάνει χώρα βήμα προς βήμα. Επιμήκυνση - η διαδικασία κατασκευής μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας συνεχίζεται έως ότου φτάσει σε ένα ανόητο κωδικόνιο, και στη συνέχεια λαμβάνει χώρα ο τερματισμός. Η σύνθεση του πολυπεπτιδίου τελειώνει, το οποίο στη συνέχεια εισέρχεται στα κανάλια ER. Οι υπομονάδες απομακρύνονται. Διάφορες ποσότητες πρωτεΐνης συντίθενται σε ένα κύτταρο.