ขั้นตอนของการฟื้นฟูและซ่อมแซม ซ่อมแซม

การซ่อมแซมดีเอ็นเอ- นี่คือการซ่อมแซมนั่นคือการแก้ไขข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นในโครงสร้างของโมเลกุล คำว่า "การซ่อมแซม" มาจากภาษาอังกฤษ "การซ่อมแซม" แปลว่า "การซ่อมแซม" "การซ่อมแซม" ฯลฯ

ข้อผิดพลาดในโครงสร้าง DNA ที่สามารถซ่อมแซมได้บ่อยที่สุดหมายถึงการละเมิดลำดับของนิวคลีโอไทด์ - หน่วยโครงสร้างที่ประกอบเป็นสาย DNA แต่ละเส้น โมเลกุล DNA ประกอบด้วยสองเส้นที่ประกอบกัน ซึ่งหมายความว่าหากเกิดความเสียหายในวงจรใดวงจรหนึ่ง การใช้วงจรที่สองที่ไม่เสียหายก็เป็นไปได้ที่จะกู้คืนส่วนที่เสียหายของวงจรแรกได้ นอกจากนี้ ในเซลล์ยูคาริโอต แต่ละโครโมโซมมีความคล้ายคลึงกัน กล่าวคือ มียีนชุดเดียวกัน (แต่ไม่ใช่อัลลีล) ในกรณีที่ร้ายแรง เมื่อส่วนของโมเลกุลทั้งสองเส้นเสียหาย ก็สามารถคัดลอกมาจากโครโมโซมที่คล้ายคลึงกันได้ นอกจากนี้ หลังจากระยะ S ของวัฏจักรเซลล์ เมื่อการจำลองแบบ (การคัดลอกตัวเอง) เกิดขึ้น โครโมโซมแต่ละตัวจะประกอบด้วยโครมาทิดที่มีเกลียวคู่สองตัวที่เหมือนกันซึ่งเหมือนกัน กล่าวคือ โดยพื้นฐานแล้วจะมีโมเลกุล DNA ที่เหมือนกันสองตัว นอกจากนี้ยังสามารถใช้เพื่อฟื้นฟูโครงสร้างเดิมของโมเลกุลที่เสียหายได้อีกด้วย

ในระหว่างวิวัฒนาการ กลไกระดับโมเลกุลของเซลล์ต่างๆ มากมายที่รับผิดชอบในการซ่อมแซมดีเอ็นเอได้เกิดขึ้น ส่วนใหญ่เป็นเอนไซม์และสารเชิงซ้อนต่างๆ บางส่วนเกี่ยวข้องกับการจำลองแบบด้วย ความเสียหายต่อยีนที่เข้ารหัสเอนไซม์ดังกล่าวเป็นอันตรายอย่างยิ่ง สิ่งนี้นำไปสู่การสูญเสียกลไกการซ่อมแซมอย่างใดอย่างหนึ่ง ในกรณีนี้ความเสียหายและการกลายพันธุ์จะเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วยิ่งขึ้นในเซลล์ ซึ่งมักทำให้เกิดลักษณะการแบ่งเซลล์ที่ไม่สามารถควบคุมได้ เช่น ลักษณะของเนื้องอก

ในทางกลับกัน หากความเสียหายของ DNA รุนแรงเป็นพิเศษ กลไกการทำลายตนเองจะถูกกระตุ้นในเซลล์ ( การตายของเซลล์- ดังนั้นเซลล์ดังกล่าวจึงไม่ได้รับอนุญาตให้แบ่งตัว ซึ่งหมายความว่าคนรุ่นต่อไปจะไม่มีความเสียหายต่อ DNA อย่างมีนัยสำคัญ

ข้อผิดพลาดในโครงสร้างของ DNA สามารถเกิดขึ้นได้ในขั้นตอนต่าง ๆ ของการดำรงอยู่ (ระหว่างการสังเคราะห์ในช่วงก่อนและหลังการสังเคราะห์) ด้วยเหตุผลหลายประการ (โดยบังเอิญภายใต้อิทธิพลของสารออกฤทธิ์ทางเคมี การแผ่รังสี ฯลฯ ) นอกจากนี้การเปลี่ยนแปลงอาจแตกต่างกัน (การสูญเสียกลุ่มเคมีของนิวคลีโอไทด์หรือการเติมกลุ่มเพิ่มเติม, การแทนที่นิวคลีโอไทด์ด้วยอีกกลุ่มหนึ่ง, การสร้างพันธะเคมีระหว่างนิวคลีโอไทด์ที่อยู่ใกล้เคียงสองตัว, การแตกของสายโซ่, การสูญเสียส่วน ฯลฯ ) . เนื่องจากความหลากหลายดังกล่าว จึงเป็นการยากที่จะจำแนกกลไกการซ่อมแซม มักแบ่งออกเป็นสิ่งที่เกิดขึ้นระหว่างการจำลองแบบ ทันทีหลังการจำลองแบบ และในช่วงที่เหลือของวงจรชีวิตของเซลล์ สาเหตุที่มีการศึกษามากที่สุดของการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง DNA และวิธีการซ่อมแซมมีดังต่อไปนี้

โปรดทราบว่าข้อผิดพลาดบางส่วนไม่ได้รับการแก้ไข ข้อผิดพลาดที่มีขนาดค่อนข้างเล็กและไม่สำคัญสามารถถ่ายทอดไปยังเซลล์และสิ่งมีชีวิตรุ่นต่อไปได้ ไม่สามารถเรียกว่าความเสียหายได้ แต่เรียกว่าการกลายพันธุ์ การกลายพันธุ์ส่วนใหญ่เป็นอันตราย แต่การกลายพันธุ์ที่เป็นกลางหรือเป็นประโยชน์ภายใต้สภาพแวดล้อมที่กำหนดจะเป็นปัจจัยสำคัญในการวิวัฒนาการ ดังนั้นความไม่สมบูรณ์ของกลไกการซ่อมแซม DNA จึงรับประกันความหลากหลายของสิ่งมีชีวิตบนโลกของเรา

การแก้ไขลำดับนิวคลีโอไทด์ระหว่างการจำลองแบบ

DNA polymerases ทำหน้าที่ส่วนใหญ่ในการจำลอง DNA โดยเติมนิวคลีโอไทด์ทีละนิวคลีโอไทด์ให้กับสายใหม่ นอกเหนือจากหน้าที่หลักแล้ว โพลีเมอเรสจำนวนมากยังสามารถกำจัดนิวคลีโอไทด์สุดท้ายที่ติดอยู่อย่างไม่ถูกต้อง กล่าวคือ นิวคลีโอไทด์ที่ไม่ประกอบกับนิวคลีโอไทด์ของสายโซ่เทมเพลต

โครงสร้างทางเคมีของนิวคลีโอไทด์สามารถปรับเปลี่ยนได้เล็กน้อย ในเวลาเดียวกัน พวกเขาเริ่มเชื่อมต่อกับพันธะไฮโดรเจนซึ่งไม่ใช่กับคู่ที่เสริมกัน ตัวอย่างเช่น ไซโตซีนจะต้องจับกับกัวนีน แต่รูปแบบที่เปลี่ยนแปลงไปทำให้เกิดพันธะไฮโดรเจนกับอะดีนีน ซึ่งไทมีนควรจะสร้างพันธะด้วย

เมื่อมีการสังเคราะห์ DNA สายใหม่ นิวคลีโอไทด์ถัดไปจะถูกพันธะด้วยพันธะไฮโดรเจนกับฐานเสริมของแม่แบบ จากนั้นโพลีเมอเรสจะจับมันเข้ากับส่วนท้ายของห่วงโซ่ที่กำลังเติบโตด้วยพันธะโควาเลนต์
อย่างไรก็ตาม หากเป็นนิวคลีโอไทด์ที่ถูกดัดแปลงซึ่งจับกับฐานเสริมของสายต้นกำเนิดอย่างไม่เหมาะสม มันก็มักจะคืนรูปเดิมอย่างรวดเร็วและกลายเป็นไม่เป็นส่วนเติมเต็ม พันธะไฮโดรเจนจะถูกทำลาย เหลือปลายของเกลียวใหม่ที่มีนิวคลีโอไทด์ที่แขวนอยู่อย่างอิสระจับโควาเลนต์กับเกลียวที่กำลังสังเคราะห์

ในกรณีนี้ DNA polymerase ไม่สามารถแนบนิวคลีโอไทด์ถัดไปได้ และไม่มีทางเลือกอื่นนอกจากต้องกำจัดนิวคลีโอไทด์ที่ผิดพลาดนี้ออก

หากพันธะไฮโดรเจนไม่ขาด โซ่ก็จะเติบโตต่อไปเกินกว่านิวคลีโอไทด์ที่ผิดพลาด และจุดกลายพันธุ์จะยังคงอยู่ สามารถกำจัดออกได้หลังจากการจำลองแบบ

ซ่อมแซมทันทีหลังการจำลอง

หลังจากสังเคราะห์ DNA สายใหม่แล้ว เอนไซม์เชิงซ้อนบางตัวจะจดจำเบสที่จับคู่ไม่ถูกต้อง ในกรณีนี้มีปัญหาในการระบุสายโซ่ใหม่และเก่าของโมเลกุล DNA สิ่งใหม่นี้มีความโดดเด่นด้วยการไม่มีฐานเมทิลเลตและในยูคาริโอตโดยการมีการแตกหักชั่วคราว ขึ้นอยู่กับคุณลักษณะเหล่านี้ เอนไซม์เชิงซ้อนจะระบุสายโซ่ที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่ ดังนั้นในคู่เบสที่ไม่คู่สม "ข้อผิดพลาด" คือนิวคลีโอไทด์ของสายโซ่ใหม่

เมื่อพบข้อผิดพลาด เอนไซม์อื่นๆ จะตัดส่วนของ DNA ที่มีเบสที่ไม่ถูกต้องออกทั้งหมด แทนที่จะตัดนิวคลีโอไทด์เพียงตัวเดียว หลังจากนี้ โพลีเมอเรสจะสร้างส่วนนี้ขึ้นใหม่ และลิเกสจะเชื่อมขวางกับส่วนที่เหลือของสายโซ่ กลไกนี้เรียกว่าเมื่อชิ้นส่วนของ DNA ถูกตัดออกและสังเคราะห์ใหม่อีกครั้ง การซ่อมแซมการตัดตอน(จากคำว่า การตัดออก - การตัด การตัด) ค่อนข้างเป็นสากลและใช้ในหลายกรณีของการซ่อมแซม ไม่ใช่แค่เมื่อ "ตรวจสอบ" DNA ทันทีหลังการจำลองแบบ

ซ่อมแซมกลไกความเสียหายของ DNA

DNA ของสิ่งมีชีวิตสามารถเปลี่ยนแปลงได้ไม่เพียงแต่เนื่องจากข้อผิดพลาดระหว่างการจำลองแบบเท่านั้น ชีวิตของเซลล์สัมผัสกับปัจจัยภายนอกที่ไม่เอื้ออำนวย สภาพแวดล้อมทางชีวเคมีภายในสามารถเปลี่ยนแปลงได้ กระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาที่เป็นอันตรายต่อ DNA เป็นผลให้สารพันธุกรรมได้รับความเสียหายไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง ขึ้นอยู่กับประเภทของความเสียหายและขนาดของมัน กลไกการซ่อมแซมต่างๆ จะเริ่มทำงาน เกี่ยวข้องกับชุดของเอนไซม์เชิงซ้อนที่แตกต่างกันเล็กน้อย

1. มีเอนไซม์ที่ย้อนกลับการเปลี่ยนแปลงนิวคลีโอไทด์ในแหล่งกำเนิดโดยไม่ต้องถอดส่วนของ DNA ออก กล่าวอีกนัยหนึ่ง ถ้ามีนิวคลีโอไทด์ในสายโซ่ที่มีกัวนีนเบส (G) ซึ่งเป็นผลมาจากปฏิกิริยาทางเคมีที่เกาะกลุ่มเมทิลและกลายเป็นเมทิลกัวนีน เอนไซม์จะเปลี่ยนกลับไปเป็นกัวนีน โดยพื้นฐานแล้วการซ่อมแซม DNA ดังกล่าวเกี่ยวข้องกับการเกาะติดและการหลุดออกของอะตอมบางกลุ่ม

2. ในกรณีที่สูญเสียเบสพิวรีน อาจทำการซ่อมแซมแบบตัดตอนได้ ในกรณีของการปนเปื้อนและการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของเบส เอนไซม์ไกลโคซิเลสจะตัดเฉพาะเบสนิวคลีโอไทด์ที่เสียหายเท่านั้น และหลังจากนี้เท่านั้น การซ่อมแซมการตัดตอนมาตรฐาน จะดำเนินการต่อไป

3. ส่วนถูกตัดออกในระหว่างการก่อตัวของไดเมอร์เมื่อมีนิวคลีโอไทด์สองตัวที่อยู่ใกล้เคียงเชื่อมต่อกัน โดยทั่วไปแล้ว ปฏิกิริยาดังกล่าวเกิดขึ้นจากการสัมผัสกับรังสีอัลตราไวโอเลต การก่อตัวของไดเมอร์จะกระตุ้นให้เกิดความแตกต่างของสายดีเอ็นเอเสริมในบริเวณนี้และพื้นที่ใกล้เคียง ฟองสบู่เกิดขึ้นซึ่งเอนไซม์รับรู้ได้ ต่อไปจะเริ่มการซ่อมแซมการตัดตอน

4. มีความเสียหายร้ายแรงต่อโมเลกุล DNA เมื่อโครงสร้างของสายโซ่ทั้งสองถูกรบกวนในที่เดียวกัน ในกรณีนี้ตามหลักการของการเกื้อกูลกันจะไม่สามารถเรียกคืนห่วงโซ่หนึ่งจากที่อื่นได้อีกต่อไป ตัวอย่างหนึ่งของความเสียหายดังกล่าวคือการแตกของโมเลกุล DNA ออกเป็นสองส่วน เช่น เนื่องจากการสัมผัสกับรังสีกัมมันตภาพรังสีที่รุนแรง

หากโมเลกุล DNA ทั้งสองเส้นเสียหาย การซ่อมแซมแบบรวมตัวใหม่สามารถช่วยได้เมื่อชิ้นส่วนจากโครโมโซมที่คล้ายคลึงกันหรือโครมาทิดน้องสาวถูกแทรกเข้าไปแทนส่วนที่เสียหาย ในกรณีที่เกิดการแตกหัก ก็ยังมีเอ็นไซม์ที่สามารถติดชิ้นส่วน DNA ที่เสียหายกลับเข้าไปใหม่ได้ อย่างไรก็ตาม นิวคลีโอไทด์บางส่วนอาจหายไป ซึ่งอาจนำไปสู่การกลายพันธุ์ที่ร้ายแรงได้

การซ่อมแซมแบบรวมตัวกันใหม่ในช่วงก่อนการสังเคราะห์ของวัฏจักรเซลล์สามารถเกิดขึ้นได้ระหว่างโครโมโซมที่คล้ายคลึงกันเท่านั้น เนื่องจากแต่ละโครโมโซมในช่วงเวลานี้ประกอบด้วยโครมาทิดเพียงอันเดียวเท่านั้น ในช่วงหลังการสังเคราะห์ เมื่อโครโมโซมประกอบด้วยโครมาทิดที่เหมือนกันสองตัว พื้นที่สามารถยืมมาจากโครมาทิดน้องสาวได้

ควรเน้นย้ำว่าซิสเตอร์โครมาทิดมีชุดอัลลีลที่เหมือนกันตั้งแต่แรก (หากไม่มีการข้าม) โครโมโซมที่คล้ายคลึงกันไม่ได้ ดังนั้นการรวมตัวกันใหม่ที่แท้จริงจากมุมมองทางพันธุกรรมจึงเกิดขึ้นเฉพาะในกรณีของการแลกเปลี่ยนระหว่างโครโมโซมที่คล้ายคลึงกัน แม้ว่าในทั้งสองกรณีเรากำลังพูดถึงการรวมตัวกันอีกครั้ง

ลองพิจารณาตัวอย่างนี้ สมมติว่าไทมีนไดเมอร์เกิดขึ้นใน DNA ซึ่งไม่ได้รับการซ่อมแซมก่อนการจำลอง ในระหว่างกระบวนการจำลองแบบ สายของโมเลกุล DNA ดั้งเดิมจะแยกออกจากกันและมีการสร้างสายเสริมใหม่ขึ้นในแต่ละสาย บนเชนเทมเพลตที่มีไดเมอร์ไทมีน ส่วนของเชนใหม่ไม่สามารถสร้างได้ในภูมิภาคนี้ ไม่มีรูปแบบปกติในตอนนี้ ช่องว่างปรากฏขึ้นในเธรดสายหลัก แต่ยังมีช่องว่างเหลืออยู่ในเธรดหลัก นั่นคือโมเลกุล DNA นี้ "ไม่รู้" ว่าลำดับนิวคลีโอไทด์ที่ถูกต้องของบริเวณนั้นคืออะไร

ทางออกเดียวในกรณีนี้คือการยืมชิ้นส่วน DNA จากโครมาทิดอื่น เขาถูกหามออกจากโซ่ตรวนอันหนึ่งของเธอ ช่องว่างที่เกิดขึ้นที่นี่ถูกสร้างขึ้นตามเทมเพลตของลูกโซ่เสริม ตำแหน่งที่ถูกถ่ายโอนบนโมเลกุลที่เสียหายจะเติมเต็มช่องว่างในสายโซ่ลูก โดยสายโซ่แม่จะยังคงมีไดเมอร์อยู่ ซึ่งสามารถซ่อมแซมได้ในภายหลัง

ให้การคัดลอกสารพันธุกรรมด้วยตนเอง ในเวลาเดียวกัน ด้วยหลักการเสริมกัน ความแม่นยำในการจับคู่ลำดับนิวคลีโอไทด์ของสายลูกโซ่ลูกกับเทมเพลตจึงสูงมาก นอกจากนี้ DNA ยังเป็นสารที่ค่อนข้างเฉื่อยทางเคมี ซึ่งทำให้มั่นใจได้ถึงความเสถียรที่มากกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับ RNA เช่น อย่างไรก็ตาม นี่ยังไม่เพียงพอ เนื่องจาก DNA ยังคงได้รับความเสียหายจากอิทธิพลภายนอก และข้อผิดพลาดก็สามารถเกิดขึ้นได้ในขั้นตอนการจำลองแบบด้วย ดังนั้นเซลล์จะต้องมีกลไกในการแก้ไขความเสียหายและข้อผิดพลาดในการสังเคราะห์เช่น ดำเนินการ การซ่อมแซมดีเอ็นเอ.

มีกลไกการซ่อมแซมหลายอย่างที่ดำเนินการในขั้นตอนต่างๆ ของการสังเคราะห์ DNA และขึ้นอยู่กับประเภทของข้อผิดพลาดที่เกิดขึ้นด้วย

กลไกการซ่อมแซมร่วมกันช่วยลดความถี่ของข้อผิดพลาดในโมเลกุล DNA ได้อย่างมาก และมีเป้าหมายเพื่อรักษาเสถียรภาพของวัสดุทางพันธุกรรม อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง DNA ไม่ได้ถูกกำจัดไปทั้งหมด การกลายพันธุ์จึงเกิดขึ้น ต้องขอบคุณสิ่งมีชีวิตหลากหลายชนิดที่เกิดขึ้นบนโลก

ขจัดข้อผิดพลาดด้วย DNA polymerase

ประการแรก DNA polymerase เองเมื่อสร้างสาย DNA ใหม่ จะตรวจสอบว่านิวคลีโอไทด์ที่ถูกต้องติดอยู่กับสายที่กำลังเติบโตหรือไม่

มีฐานไนโตรเจนหลายรูปแบบที่เปลี่ยนแปลงไปซึ่งสามารถจับกับนิวคลีโอไทด์ของแม่แบบได้อย่างสมบูรณ์ ด้วยวิธีนี้ไซโตซีนที่เปลี่ยนแปลงไปสามารถจับกับอะดีนีนได้ โพลีเมอเรสจะยึดนิวคลีโอไทด์สุดท้ายนี้เข้ากับห่วงโซ่ที่กำลังเติบโต แต่มันจะเปลี่ยนเป็นรูปแบบปกติอย่างรวดเร็ว - มันจะกลายเป็นไซโตซีนธรรมดา ในกรณีนี้ พันธะไฮโดรเจนจะถูกทำลาย (เนื่องจากส่วนเสริมถูกทำลาย) และในตอนท้ายจะได้นิวคลีโอไทด์ที่ไม่ได้จับคู่ แต่เชื่อมต่อโควาเลนต์กับสายโซ่สังเคราะห์ โพลีเมอเรสไม่สามารถยืดสายโซ่ออกไปได้อีก โพลีเมอเรสเองหรือเอนไซม์ที่เกี่ยวข้อง การแก้ไขเอนโดนิวคลีเอสแยกนิวคลีโอไทด์ที่ "ผิด" สุดท้ายออก

ด้วยกลไกการแก้ไขตัวเองนี้ ความถี่ของข้อผิดพลาดในการจำลองจึงลดลง 10 เท่า หากการเติมนิวคลีโอไทด์ที่ผิดพลาดในขั้นตอนการสังเคราะห์ DNA คือ 10 -5 กิจกรรมการซ่อมแซมของโพลีเมอเรสจะลดจำนวนลงเหลือ 10 -6

กลไกการซ่อมแซม

DNA polymerase แก้ไขข้อผิดพลาดในการจำลองบางอย่าง แต่ไม่ใช่ทั้งหมด นอกจากนี้การเปลี่ยนแปลงลำดับของนิวคลีโอไทด์ของ DNA ยังเกิดขึ้นหลังจากที่ DNA เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า นี่คือวิธีที่สามารถสูญเสียฐานพิวรีน (อะดีนีนและกัวนีน) และไซโตซีนสามารถถูกกำจัดออกและกลายเป็นยูราซิล การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้และอื่นๆ มักเกิดขึ้นเนื่องจากสารเคมีบางชนิดที่มีอยู่ในสิ่งแวดล้อมรอบๆ โครโมโซม สารประกอบดังกล่าวจำนวนหนึ่งขัดขวางการจับคู่เบสตามปกติ ภายใต้อิทธิพลของรังสีอัลตราไวโอเลต ไทมีนที่ตกค้างสองตัวที่อยู่ใกล้เคียงสามารถสร้างพันธะซึ่งกันและกันได้ ไดเมอร์ของไทมีนจะปรากฏขึ้น

มีอยู่ การซ่อมแซมโดยตรงหากเป็นไปได้ โครงสร้างดั้งเดิมของนิวคลีโอไทด์จะถูกฟื้นฟูด้วยเอนไซม์โดยไม่มีการตัดออก

การซ่อมแซมการตัดตอน

การตัดตอนหรือการจำลองล่วงหน้า การซ่อมแซมเกิดขึ้นก่อนรอบการจำลองแบบถัดไป

มีเอนไซม์ประเภทหนึ่งที่ตรวจจับลำดับนิวคลีโอไทด์ที่เปลี่ยนแปลงไปในสาย DNA เสริมเส้นใดเส้นหนึ่ง หลังจากนั้นส่วนที่ผิดพลาดจะถูกลบออกและแทนที่ด้วยส่วนที่สังเคราะห์ใหม่ ในกรณีนี้เมทริกซ์เป็นส่วนหนึ่งของเธรด "ถูกต้อง" เสริม

เอนไซม์ซ่อมแซมมักจะตรวจจับข้อผิดพลาดบนสาย DNA ใหม่แทนที่จะเป็นเทมเพลต มีความแตกต่างเล็กน้อยระหว่างสองสายของโมเลกุล DNA เดียวกันในระดับเมทิลเลชั่นของฐานไนโตรเจน ในสายโซ่ลูกนั้นช้ากว่าการสังเคราะห์ เอนไซม์รู้จักสายโซ่ดังกล่าวและแก้ไขส่วนที่ไม่เข้ากันกับส่วนของสายโซ่เก่าไม่ทางใดก็ทางหนึ่ง นอกจากนี้การแตกหักของเส้นใยซึ่งในยูคาริโอตถูกสังเคราะห์เป็นชิ้น ๆ สามารถทำหน้าที่เป็นสัญญาณได้

เอนไซม์ เอนโดนิวคลีเอสสามารถตรวจจับการสูญเสียเบสของพิวรีนได้ เอนไซม์นี้จะทำลายพันธะฟอสโฟเอสเตอร์บริเวณที่เกิดความเสียหาย ถัดมาเป็นเอนไซม์ เอ็กโซนิวคลีเอสซึ่งจะลบส่วนที่ประกอบด้วยข้อผิดพลาดออก หลังจากนั้น หลุมจะถูกสร้างขึ้นตามความเสริมของเมทริกซ์

ดีเอ็นเอไกลโคซิเลส- เอนไซม์ทั้งคลาสที่รับรู้ความเสียหายของ DNA อันเป็นผลมาจากการปนเปื้อน อัลคิเลชัน และการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างอื่น ๆ ในฐาน ไกลโคซิเลสจะกำจัดเบสมากกว่านิวคลีโอไทด์ หลังจากนั้น ส่วนของสาย DNA ที่ไม่มีฐานจะได้รับการซ่อมแซมในลักษณะเดียวกับในระหว่างการ "ซ่อมแซม" พิวรีน

ควรสังเกตว่าการกำจัดเบสไนโตรเจนอาจทำให้ไม่สามารถคืนลำดับนิวคลีโอไทด์ดั้งเดิมได้ คู่เบสบางคู่จะถูกแทนที่ด้วยคู่อื่น ๆ (เช่น C-G จะถูกแทนที่ด้วย T-A)

เอนไซม์ที่กำจัดพื้นที่ที่มีไทมีนไดเมอร์จะไม่จดจำเบสที่ผิดพลาดของแต่ละบุคคล แต่จะจดจำส่วนที่ยาวกว่าของ DNA ที่ถูกเปลี่ยนแปลง ที่นี่ส่วนหนึ่งจะถูกลบออกและส่วนใหม่จะถูกสังเคราะห์เข้ามาแทนที่ นอกจากนี้ ไทมีนไดเมอร์สามารถถูกกำจัดได้เองตามธรรมชาติภายใต้อิทธิพลของแสง - สิ่งที่เรียกว่า การซ่อมแซมแสง.

การซ่อมแซมหลังการจำลอง

หากการซ่อมแซมก่อนการจำลองไม่สามารถแก้ไขส่วน DNA ที่เปลี่ยนแปลงได้ ก็จะได้รับการแก้ไขในระหว่างการจำลองแบบ โมเลกุล DNA ลูกสาวตัวหนึ่งจะมีการเปลี่ยนแปลงในทั้งสองสาย ในนั้นนิวคลีโอไทด์เสริมบางคู่จะถูกแทนที่ด้วยคู่อื่น หรือมีช่องว่างปรากฏในสายโซ่ที่สังเคราะห์ใหม่ตรงข้ามส่วนที่เปลี่ยนแปลงของเทมเพลต

ระบบการซ่อมแซมหลังการจำลองสามารถรับรู้การเปลี่ยนแปลงของ DNA ดังกล่าวได้ ในขั้นตอนนี้ การซ่อมแซมความเสียหายของ DNA ดำเนินการโดยการแลกเปลี่ยนชิ้นส่วน (เช่น การรวมตัวกันใหม่) ระหว่างโมเลกุล DNA ใหม่สองโมเลกุล โดยโมเลกุลหนึ่งมีความเสียหาย ส่วนอีกโมเลกุลไม่มีความเสียหาย

สิ่งนี้เกิดขึ้นกับไทมีนไดเมอร์ที่ไม่ได้ถูกลบออกในขั้นตอนก่อนหน้านี้ มีพันธะโควาเลนต์ระหว่างไทมีนสองตัวที่อยู่ติดกัน ด้วยเหตุนี้พวกมันจึงไม่สามารถสร้างพันธะไฮโดรเจนกับสายโซ่โควาเลนต์ได้ เป็นผลให้เมื่อโซ่ลูกถูกสังเคราะห์บนห่วงโซ่แม่แบบที่มีไดเมอร์ไทมีน จะมีช่องว่างเกิดขึ้น การแตกหักนี้รับรู้ได้จากเอนไซม์ซ่อมแซม เห็นได้ชัดว่าโมเลกุล DNA นี้ไม่มีส่วนที่ถูกต้อง (สายหนึ่งมีไทมีนไดเมอร์ ส่วนอีกสายหนึ่งมีรู) ดังนั้น ทางออกเดียวคือนำส่วนหนึ่งของ DNA มาจากโมเลกุลที่ "แข็งแรง" ซึ่งนำมาจากแม่แบบของโมเลกุล DNA นี้ รูที่ปรากฏตรงนี้ถูกเติมเต็มตามหลักการเกื้อกูลกัน

ระบบสัญญาณขอความช่วยเหลือ

ความเสียหายของ DNA ส่วนสำคัญได้รับการซ่อมแซมโดยใช้กลไกการซ่อมแซมที่อธิบายไว้ อย่างไรก็ตาม หากมีข้อผิดพลาดมากเกินไป ระบบที่เรียกว่า SOS มักจะเปิดใช้งาน ซึ่งประกอบด้วยกลุ่มเอนไซม์ของตัวเองที่สามารถอุดรูโดยไม่จำเป็นต้องปฏิบัติตามหลักการเสริมกัน ดังนั้นการเปิดใช้งานระบบ SOS มักทำให้เกิดการกลายพันธุ์

หากการเปลี่ยนแปลง DNA สำคัญเกินไป การจำลองแบบจะถูกปิดกั้น และเซลล์จะไม่แบ่งตัว

การซ่อมแซมทางพันธุกรรม- กระบวนการกำจัดความเสียหายทางพันธุกรรมและฟื้นฟูกลไกทางพันธุกรรมที่เกิดขึ้นในเซลล์ของสิ่งมีชีวิตภายใต้อิทธิพลของเอนไซม์พิเศษ ความสามารถของเซลล์ในการซ่อมแซมความเสียหายทางพันธุกรรมถูกค้นพบครั้งแรกในปี 1949 โดยนักพันธุศาสตร์ชาวอเมริกัน เอ. เคลล์เนอร์ ต่อมาได้ศึกษากลไกต่างๆ ในการกำจัดบริเวณที่เสียหายของสารพันธุกรรม และพบว่าการงอกใหม่ของยีนมีอยู่ในสิ่งมีชีวิตทุกชนิด เห็นได้ชัดว่าความสามารถในการซ่อมแซมความเสียหายทางพันธุกรรมปรากฏขึ้นในช่วงแรกของการพัฒนาสิ่งมีชีวิตบนโลกและปรับปรุงตามวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิต: เอนไซม์ซ่อมแซมมีอยู่ในตัวแทนที่เก่าแก่ที่สุดของโลกพืชและสัตว์ จนถึงปัจจุบัน มีการค้นพบเอนไซม์ซ่อมแซมเฉพาะทางจำนวนมาก เช่นเดียวกับยีน (ดูยีน) ที่ควบคุมการสังเคราะห์ในเซลล์ ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าการเปลี่ยนแปลงในยีนเหล่านี้เพิ่มความไวของร่างกายต่อปัจจัยที่ไม่เอื้ออำนวยและทำลาย ส่งผลให้การเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมเพิ่มขึ้น - การกลายพันธุ์ (ดูการกลายพันธุ์) การเกิดขึ้นของโรค และการแก่ก่อนวัย เป็นที่ทราบกันดีว่าโรคทางพันธุกรรมในมนุษย์บางชนิดเกิดจากการรบกวนการสังเคราะห์เอนไซม์ซ่อมแซม มีการศึกษาการซ่อมแซมทางพันธุกรรมในรายละเอียดสองรูปแบบ ได้แก่ การกระตุ้นด้วยแสงและการซ่อมแซมความมืด

การเปิดใช้งานแสงหรือการบูรณะด้วยแสงถูกค้นพบในปี 1949 A. Kellner ศึกษาผลกระทบทางชีวภาพของรังสีในการทดลองกับเชื้อราและแบคทีเรียด้วยกล้องจุลทรรศน์ ค้นพบว่าเซลล์ที่ได้รับรังสีอัลตราไวโอเลตในปริมาณเท่ากันจะอยู่รอดได้ดีกว่ามาก หากหลังจากการฉายรังสีในที่มืด วางไว้ในสภาพแสงธรรมชาติปกติ จากข้อมูลนี้ แนะนำว่าแสงช่วยลดความเสียหายบางส่วนต่อโครงสร้างทางพันธุกรรมของเซลล์ที่เกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของการฉายรังสีอัลตราไวโอเลต

ต้องใช้เวลาเกือบสองทศวรรษในการถอดรหัสเอฟเฟกต์การกระตุ้นด้วยแสงที่ค้นพบโดย A. Kellner ปรากฎว่าการฉายรังสีอัลตราไวโอเลตมีความสามารถในการทำลายโครงสร้างของโมเลกุลของกรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก (เรียกย่อว่า DNA - ดูกรดนิวคลีอิก) ซึ่งมีข้อมูลทางพันธุกรรม โมเลกุล DNA ประกอบด้วยเบสไนโตรเจนสี่ประเภท: อะดีนีน กวานีน ไซโตซีน และไทมีน และประกอบด้วยสองเส้นบิดเป็นเกลียว บ่อยครั้งในเธรดเดียวฐานที่เหมือนกันจะตั้งอยู่ติดกัน ภายใต้อิทธิพลของการฉายรังสีอัลตราไวโอเลต พันธะเคมีจะถูกทำลายในเบสไนโตรเจนบางชนิด และหากเกิดเหตุการณ์นี้ขึ้น เช่น ในเบสไทมีนใกล้เคียง พันธะเคมีก็จะรวมตัวเข้าด้วยกันจนกลายเป็นสิ่งที่เรียกว่าไดเมอร์ไทมีน ไทมีนไดเมอร์ทำลายโครงสร้างของเกลียวคู่ของ DNA อย่างมาก ซึ่งเป็นผลมาจากความหมายของบันทึกทางพันธุกรรมเปลี่ยนแปลงไป ซึ่งนำไปสู่ข้อบกพร่องทางพันธุกรรมที่ส่งต่อไปยังผู้สืบทอดหรือไปสู่การตายของเซลล์ เพื่อ “รักษา” และกำจัดความเสียหายเหล่านี้ เซลล์บางชนิดมีเอนไซม์พิเศษที่เรียกว่าเอนไซม์ปฏิกิริยาไวแสง เอนไซม์เหล่านี้สามารถ "รับรู้" บริเวณต่างๆ ของ DNA ที่เสียหายจากรังสีอัลตราไวโอเลต เกาะติดกับพวกมันและทำลายพันธะที่เกิดขึ้นระหว่างไทมีนสองตัว เพื่อฟื้นฟูโครงสร้าง DNA ดั้งเดิม (ปกติ) อย่างไรก็ตาม "ผลการรักษา" ของเอนไซม์ที่กระตุ้นปฏิกิริยาแสง - การแตกแยกส่วนที่เชื่อมโยงกันของโมเลกุล DNA และการฟื้นฟูโครงสร้างปกติดั้งเดิม - จะปรากฏเฉพาะเมื่อมีส่วนร่วมของพลังงานแสง จากนั้น จากตรงนี้ แสงจะมีบทบาทเป็นปัจจัยกระตุ้นในกระบวนการเหล่านี้ ซึ่งกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาปฏิกิริยาด้วยแสง จนถึงขณะนี้ นี่เป็นเพียงตัวอย่างเดียวของปฏิกิริยาทางชีวเคมีที่พลังงานแสงทำหน้าที่เป็นตัวกระตุ้น

เริ่มแรก ความสามารถในการกระตุ้นปฏิกิริยาด้วยแสงถูกค้นพบในจุลินทรีย์ ต่อมาพบเอนไซม์ที่กระตุ้นปฏิกิริยาด้วยแสงในเซลล์ของปลา นก สัตว์ครึ่งบกครึ่งน้ำ แมลง พืชชั้นสูงและสาหร่ายบางชนิด เป็นเวลานานแล้วที่การซ่อมแซมประเภทนี้ไม่สามารถตรวจพบได้ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมและมนุษย์ เฉพาะในปี 1969 เท่านั้นที่ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเซลล์ของสัตว์ที่มีกระเป๋าหน้าท้องมีความสามารถในการกระตุ้นแสงด้วยแสง ข้อเท็จจริงนี้อธิบายได้โดยลักษณะเฉพาะของชีววิทยาของผู้อาศัยในโลกโบราณเหล่านี้: เชื่อกันว่าการมีเอนไซม์ไวแสงในกระเป๋าหน้าท้องมีความสำคัญเป็นพิเศษเนื่องจากมีเพียงในพวกมันเท่านั้น (ในบรรดาสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมอื่น ๆ ) ตัวอ่อนสัมผัสกับแสงแดด (รวมถึงการฉายรังสีอัลตราไวโอเลต) ในกระบวนการถ่ายโอนไปยังกระเป๋าของคุณแม่ การศึกษาล่าสุดบ่งชี้ถึงความเป็นไปได้ที่จะมีเอนไซม์ที่กระตุ้นการทำงานของแสงในเซลล์ผิวหนังของมนุษย์ นี่อาจเป็นเหตุผลว่าทำไมการฉายรังสีอัลตราไวโอเลตปริมาณมาก เช่น ขณะอาบแดด จึงไม่ก่อให้เกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์ทางพันธุกรรมของมนุษย์

การซ่อมแซมความมืดต่างจากการกระตุ้นด้วยแสง ที่เป็นสากล ช่วยลดความเสียหายทางโครงสร้างต่างๆ ของ DNA ที่ปรากฏอันเป็นผลมาจากรังสีและอิทธิพลทางเคมีต่างๆ ความสามารถในการซ่อมแซมความมืดพบได้ในระบบเซลล์และสิ่งมีชีวิตทั้งหมด ความสามารถของเซลล์จุลินทรีย์ในการซ่อมแซมความเสียหายทางพันธุกรรมในความมืดถูกค้นพบในปี 1955 แต่รายละเอียดของกระบวนการนี้เริ่มได้รับการชี้แจงในปี 1964 เท่านั้น ปรากฎว่ากลไกการซ่อมแซมความมืดนั้นแตกต่างโดยพื้นฐานจากกลไกของการกระตุ้นด้วยแสง ข้อแตกต่างประการแรกก็คือ ถ้าในระหว่างการทำปฏิกิริยาในแสง เอนไซม์ที่ทำปฏิกิริยากับแสงจะแยกส่วนของโมเลกุล DNA ที่เชื่อมโยงกันด้วยการฉายรังสีอัลตราไวโอเลต จากนั้นในระหว่างการซ่อมแซมในที่มืด ส่วนที่เสียหายจะถูกกำจัดออกจากโมเลกุล DNA ข้อแตกต่างประการที่สองเกี่ยวข้องกับจำนวนการบาดเจ็บที่ "รักษาได้" เอนไซม์ที่กระตุ้นปฏิกิริยาด้วยแสงจะออกฤทธิ์ต่อความเสียหายของ DNA เพียงประเภทเดียว นั่นคือการก่อตัวของไทมีนไดเมอร์ภายใต้อิทธิพลของการฉายรังสีอัลตราไวโอเลต เอนไซม์ที่ทำการซ่อมแซมความมืดสามารถกำจัดความเสียหายทางโครงสร้างต่าง ๆ ของ DNA ที่ปรากฏเป็นผลมาจากผลกระทบต่าง ๆ ต่อเซลล์ - ทั้งทางเคมีและการฉายรังสี อันเป็นผลมาจากการซ่อมแซมที่มืดการแทรกแซง "การผ่าตัด" ระดับโมเลกุลได้ดำเนินการ: พื้นที่ที่เสียหายจะถูก "ตัดออก" และ "ช่องว่าง" ที่เกิดขึ้นจะถูกเติมเต็มด้วยการสังเคราะห์ในท้องถิ่นหรือการแลกเปลี่ยนส่วนระหว่างเส้น DNA ที่เสียหายและไม่เสียหาย ส่งผลให้โครงสร้างเดิมกลับมาปกติอีกครั้ง การซ่อมแซมความมืดนั้นดำเนินการภายใต้การควบคุมของเอนไซม์จำนวนมาก ซึ่งแต่ละเอนไซม์มีหน้าที่รับผิดชอบในขั้นตอนหนึ่งของกระบวนการที่ซับซ้อนนี้ มีการศึกษาการซ่อมแซมสีเข้มสองประเภทโดยละเอียด - การตัดตอนและหลังการจำลอง ด้วยการซ่อมแซมแบบตัดตอน ส่วนที่เสียหายของ DNA จะถูกตัดออกและแทนที่ก่อนที่จะเริ่มวงจรการสืบพันธุ์ของเซลล์ถัดไป หรืออย่างแม่นยำมากขึ้นก่อนที่จะเริ่มการเพิ่มเป็นสองเท่า (การจำลอง) ของโมเลกุล DNA ความหมายทางชีวภาพของกระบวนการนี้คือการป้องกันการรวมการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรม (การกลายพันธุ์) ในลูกหลานและการสืบพันธุ์ของรูปแบบที่เปลี่ยนแปลงในภายหลัง การซ่อมแซมแบบตัดตอนเป็นรูปแบบการซ่อมแซมทางพันธุกรรมที่ประหยัดและมีประสิทธิภาพที่สุด เป็นที่ยอมรับกันว่าในระหว่างการทำงานตามปกติในจุลินทรีย์ ความเสียหายทางพันธุกรรมที่มีอยู่มากถึง 90% จะถูกกำจัดออกก่อนที่จะเริ่มการจำลองดีเอ็นเอ และมากถึง 70% จะถูกกำจัดออกจากเซลล์ของสิ่งมีชีวิตระดับสูง การซ่อมแซมการตัดตอนจะดำเนินการในหลายขั้นตอน

ขั้นแรก เอนไซม์พิเศษจะ "ตัด" เส้น DNA เส้นใดเส้นหนึ่งใกล้กับบริเวณที่เสียหาย จากนั้นบริเวณที่เสียหายจะถูกกำจัดออกจนหมด และ "ช่องว่าง" ที่เกิดขึ้นนั้นจะถูกเติมเต็มด้วยเอนไซม์พิเศษ (DNA polymerases) ซึ่งทำหน้าที่จัดหาลิงก์ที่ขาดหายไป ยืมมาจากเกลียวที่ไม่เสียหาย ความสามารถในการซ่อมแซมแบบตัดตอนได้ถูกสร้างขึ้นในเซลล์ของจุลินทรีย์ พืชและสัตว์ชั้นสูง รวมถึงในมนุษย์

การซ่อมแซมหลังการจำลอง- โอกาสสุดท้ายสำหรับเซลล์ในการกำจัดความเสียหายทางพันธุกรรมที่มีอยู่และปกป้องลูกหลานจากการเปลี่ยนแปลงลักษณะทางพันธุกรรม หากมีความเสียหายมากมายเกิดขึ้นใน DNA ซึ่งในระหว่างการซ่อมแซมเซลล์ไม่มีเวลาที่จะกำจัดพวกมันได้อย่างสมบูรณ์หรือหากยีนที่กำหนดความเป็นไปได้ในการซ่อมแซมส่วนที่ตัดตอนได้รับความเสียหายจากนั้นในระหว่างกระบวนการคูณ (สองเท่าการจำลองแบบ) DNA ใน ลูกสาวตีเกลียวตรงบริเวณที่เกิดความเสียหายในด้ายแม่ เกิด "ช่องว่าง" สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากความจริงที่ว่าเอนไซม์ที่รับผิดชอบในการจำลอง DNA (การสังเคราะห์สายลูกสาวบนสายแม่ของ DNA) ไม่สามารถ "อ่าน" ข้อมูลที่บิดเบี้ยว ณ จุดที่เสียหายของสายแม่ได้ ดังนั้นเมื่อไปถึงบริเวณที่เสียหายซึ่งไม่ถูกแก้ไขระหว่างการซ่อมแซมส่วนที่ตัดออก เอนไซม์นี้จะหยุด จากนั้นค่อย ๆ (ด้วยความเร็วที่ช้ากว่าปกติหลายร้อยเท่า) ผ่านบริเวณที่เสียหายและกลับมาสังเคราะห์เส้นใยลูกสาวตามปกติอีกครั้ง โดยเคลื่อนตัวออกไปจากสถานที่นี้ . สิ่งนี้เกิดขึ้นในทุกจุดที่สายแม่ของ DNA ยังคงได้รับความเสียหายตั้งแต่เริ่มต้นการจำลอง แน่นอนว่าหากจำนวนความเสียหายมากเกินไป การจำลองแบบจะหยุดลงอย่างสมบูรณ์และเซลล์จะตาย แต่เซลล์ไม่สามารถดำรงอยู่ได้นานด้วยโมเลกุล DNA ที่มีช่องว่าง ดังนั้นหลังจากการจำลองแบบ แต่ก่อนการแบ่งเซลล์ กระบวนการซ่อมแซมหลังการจำลองจึงเริ่มต้นขึ้น ก่อนที่เซลล์จะแบ่งตัว โมเลกุล DNA ที่มีเกลียวคู่ 2 โมเลกุลจะถูกสร้างขึ้น หากหนึ่งในนั้นเสียหาย ณ จุดใดจุดหนึ่งบนเกลียวหนึ่งและมีช่องว่างในเกลียวตรงข้าม ดังนั้นในโมเลกุล DNA ที่มีเกลียวคู่อีกอันหนึ่ง ทั้งสองเกลียว ณ จุดนั้นก็จะเป็นเรื่องปกติ ในกรณีนี้ การแลกเปลี่ยนส่วนของ DNA สามารถเกิดขึ้นได้ - การรวมตัวกันอีกครั้ง (ดูยีน การแลกเปลี่ยนยีน): ส่วนที่ไม่ได้รับความเสียหายจะถูกตัดออกจากโมเลกุล DNA ปกติและแทรกเข้าไปในตำแหน่งของส่วนที่เสียหายในโมเลกุลอื่น เนื่องจาก สารพันธุกรรมที่เสียหายจะถูกแทนที่ด้วยสารพันธุกรรมปกติ ต่อจากนี้พิเศษ. เอนไซม์ (DNA polymerases) จะปิด "ช่องว่าง" (ตอนนี้จะสามารถทำได้แล้ว เนื่องจากจะไม่มีความเสียหายในโมเลกุลทั้งสองในที่นี้) เส้นสังเคราะห์ใหม่และเส้นเก่าจะเชื่อมต่อกัน และ โครงสร้างดีเอ็นเอดั้งเดิมจะเป็นผลมาจากการฟื้นฟูอย่างสมบูรณ์ ตามลักษณะของกระบวนการที่เกี่ยวข้องกับการดำเนินการรวมตัวกันใหม่ การซ่อมแซมหลังการจำลองประเภทนี้เรียกอีกอย่างว่าการรวมตัวใหม่

เห็นได้ชัดว่ากลไกที่อธิบายไว้ไม่ใช่วิธีเดียวที่จะฟื้นฟูโครงสร้างปกติของ DNA หลังจากที่มันเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า (การจำลองแบบ) ไม่ว่าในกรณีใด กลไกเป็นที่ทราบกันว่ามีการแทรกลิงก์เข้าไปในช่องว่างที่ไม่สอดคล้องกับโครงสร้างดั้งเดิมของ DNA ที่กำลังซ่อมแซม กล่าวคือ มีการกลายพันธุ์เกิดขึ้น อาจเป็นไปได้ว่าเหตุการณ์นี้เกิดขึ้นในกรณีที่เซลล์ไม่สามารถซ่อมแซม DNA ของมันได้ไม่ว่าจะด้วยเหตุผลใดก็ตามด้วยวิธีใดวิธีหนึ่งที่อธิบายไว้ข้างต้น และมีโอกาสสุดท้ายที่จะมีชีวิตรอดโดยต้องแลกมาด้วยการกลายพันธุ์หรือเสียชีวิต ปฏิสัมพันธ์ของระบบการซ่อมแซมต่างๆ การควบคุมกิจกรรมในเซลล์ และระยะเวลาการทำงานที่แน่นอนยังไม่ได้รับการศึกษาอย่างเพียงพอ พบว่าในบางกรณีมีการประสานกันของเอนไซม์ที่ตัดตอนและการซ่อมแซมหลังการจำลองเกิดขึ้นในเซลล์ ตัวอย่างเช่น หาก DNA สองเส้นเชื่อมต่อกัน (เย็บ) ซึ่งเกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของสารพิษหลายชนิด (เช่น ก๊าซมัสตาร์ดที่เป็นพิษ) อันดับแรกปฏิกิริยาการซ่อมแซมจะเริ่มต้นด้วยเอนไซม์ซ่อมแซมส่วนที่ตัดตอนซึ่งจะตัด DNA หนึ่งเส้น จากนั้นเอนไซม์ซ่อมแซมหลังการจำลองจะเกิดขึ้น และทำให้กระบวนการเสร็จสมบูรณ์

พบระบบเอนไซม์ซ่อมแซมหลังการจำลองในเซลล์ของมนุษย์ ยังไม่ได้รับการอธิบายอย่างแน่ชัดว่ากลไกของเอนไซม์ที่แน่นอนที่ให้การซ่อมแซมประเภทนี้ในเซลล์ของมนุษย์คืออะไร แต่เป็นที่ทราบกันดีว่าการรวมตัวกันอีกครั้งและการเติมช่องว่างแบบสุ่มพร้อมกับการเกิดการกลายพันธุ์สามารถเกิดขึ้นได้ในเซลล์ของมนุษย์ ประสิทธิภาพสัมพัทธ์ของกระบวนการซ่อมแซมทางพันธุกรรมที่ทราบยังไม่ชัดเจนเช่นกัน ตัวอย่างเช่น มีการพิสูจน์แล้วว่าเซลล์ E. coli ที่ถูกฉายรังสีด้วยแสงอัลตราไวโอเลต โดยมีเงื่อนไขว่าระบบซ่อมแซมส่วนที่ตัดตอนทำงานได้ตามปกติ สามารถกำจัดรอยโรคออกจาก DNA ได้มากถึง 1,000 ชิ้น เมื่อ DNA เกิดความเสียหายมากขึ้น เซลล์ก็จะตาย หากระบบการซ่อมแซมส่วนที่ตัดตอนถูกปิดใช้งาน จะมีเพียงประมาณ 100 รอยโรคเท่านั้นที่สามารถถูกลบออกโดยการซ่อมแซมหลังการจำลอง หากไม่มีระบบการซ่อมแซมทั้งสองระบบ เซลล์จะตายจากความเสียหายเพียงครั้งเดียวที่เกิดขึ้นใน DNA

การซ่อมแซมและการกลายพันธุ์ ต่อจากนั้น ในการศึกษาครั้งแรกเกี่ยวกับการซ่อมแซมทางพันธุกรรม มีความเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดระหว่างการกำจัดพื้นที่ที่เสียหายและความถี่ของการกลายพันธุ์ที่ลดลง ต่อมาได้รับการพิสูจน์แล้วว่าการรบกวนการทำงานของเอนไซม์ซ่อมแซมทำให้จำนวนการกลายพันธุ์เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ในเวลาเดียวกัน มีการพิสูจน์แล้วว่าการกลายพันธุ์สามารถเกิดขึ้นได้ในระหว่างกระบวนการซ่อมแซมทางพันธุกรรมด้วยตัวมันเอง เนื่องจาก "ข้อผิดพลาด" ในการทำงานของเอนไซม์ซ่อมแซม แม้ว่าสมมติฐานที่ว่ากระบวนการซ่อมแซมดำเนินไปโดยส่วนใหญ่ปราศจากข้อผิดพลาด และมีเพียงปฏิกิริยาการซ่อมแซมหลังการจำลองซึ่งมีการสร้างฐานสุ่มเข้าไปในช่องว่างที่ทำให้เกิดการกลายพันธุ์เท่านั้นที่ได้รับการยอมรับมากที่สุด แต่ข้อมูลการทดลองจำนวนมากขึ้นกำลังสะสมบ่งชี้ว่าแม้แต่ การซ่อมแซมข้อผิดพลาดจำนวนค่อนข้างน้อยทำให้เกิดการกลายพันธุ์จำนวนมากซึ่งตรวจพบได้ทั้งภายใต้สภาวะปกติ (ตามธรรมชาติ) และเมื่อเซลล์สัมผัสกับปัจจัยที่สร้างความเสียหาย

การซ่อมแซมในระยะต่าง ๆ ของการพัฒนาสิ่งมีชีวิตส่วนบุคคล ความสามารถในการดำเนินการซ่อมแซมทางพันธุกรรมประเภทใดประเภทหนึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงได้ในแต่ละขั้นตอนของการพัฒนาสิ่งมีชีวิต การวิจัยแสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพสูงสุดของกระบวนการซ่อมแซมทั้งหมดในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม (รวมถึงมนุษย์) จะแสดงออกมาในช่วงเวลาของการพัฒนาของตัวอ่อน (ในมดลูก) และในระยะเริ่มแรกของการเจริญเติบโตของร่างกาย ตัวอย่างเช่น เป็นเวลานานที่ไม่สามารถค้นหาปฏิกิริยาการซ่อมแซมการตัดตอนในสัตว์ฟันแทะ (หนูแฮมสเตอร์ หนูเมาส์ และอื่น ๆ) และเมื่อเร็ว ๆ นี้พบว่าการซ่อมแซมประเภทนี้เกิดขึ้นในขั้นตอนการพัฒนาของตัวอ่อนและหยุดลง ในระยะต่อมา มักดำเนินการเฉพาะในการแบ่งเซลล์เท่านั้น เช่น ในเซลล์ประสาทที่กำลังพัฒนาของเอ็มบริโอ หากคุณสร้างเงื่อนไขที่ระงับการแบ่งตัวของเซลล์เหล่านี้ การซ่อมแซมการแตกของ DNA เส้นเดี่ยวที่เกิดจากการฉายรังสีเอกซ์ก็จะถูกกำจัดเช่นกัน

ซ่อมแซมความผิดปกติและโรคของมนุษย์ ในปี 1968 นักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ D. Cleaver พิสูจน์ว่าโรคทางพันธุกรรมของมนุษย์คือ xeroderma pigmentosa ซึ่งมีอาการเป็นสีแดงการก่อตัวของการเจริญเติบโตมักมีความเสื่อมของผิวหนังในบริเวณที่สัมผัสกับแสงแดดเช่นเดียวกับการมองเห็น ความบกพร่องของระบบประสาทและอื่น ๆ ที่เกิดจากความบกพร่องในการทำงานของเอนไซม์ซ่อมแซมส่วนที่ตัดตอน ต่อมาพบว่าโรคทางพันธุกรรมในมนุษย์บางชนิดมีสาเหตุมาจากการละเมิดกระบวนการซ่อมแซมทางพันธุกรรม โรคเหล่านี้รวมถึงกลุ่มอาการฮัทชินสัน ซึ่งทำให้เกิดแคระแกร็น แก่ก่อนวัย และภาวะสมองเสื่อมแบบก้าวหน้า ความเสียหายต่อเอ็นไซม์ซ่อมแซมการเข้ารหัสยีนมีส่วนทำให้เกิดโรคหลายรูปแบบเช่นโรคลูปัส erythematosus ระบบและอื่น ๆ

การศึกษาลักษณะทางโมเลกุลของโรคเหล่านี้ทำให้เกิดความหวังในการพัฒนาวิธีการรักษาที่ค่อนข้างรวดเร็ว ความคืบหน้าในทิศทางนี้ขึ้นอยู่กับทั้งการศึกษารายละเอียดของกระบวนการซ่อมแซมทางพันธุกรรมและการศึกษาความเป็นไปได้ของการแยกเอนไซม์ที่ทำงานอย่างแข็งขันออกจากสิ่งมีชีวิตปกติ (โดยเฉพาะจุลินทรีย์) ด้วยการนำเข้าสู่ร่างกายของผู้ป่วยในเวลาต่อมาและวิธีการแทนที่ยีนที่เป็นโรคด้วยยีนที่มีสุขภาพดี ( ดูพันธุวิศวกรรม) ในขณะที่เส้นทางที่สองยังคงอยู่ในขอบเขตของสมมติฐานเท่านั้น งานทดลองได้เริ่มต้นขึ้นในทิศทางที่หนึ่ง ดังนั้นนักวิจัยชาวญี่ปุ่น K. Tanaka, M. Bekguchi และ I. Okada เมื่อปลายปี พ.ศ. 2518 รายงานว่าประสบความสำเร็จในการใช้เอนไซม์ซ่อมแซมตัวหนึ่งที่แยกได้จากเซลล์แบคทีเรียที่ติดเชื้อไวรัสแบคทีเรียเพื่อกำจัดข้อบกพร่องในเซลล์ที่นำมาจากผู้ป่วยที่ทุกข์ทรมาน จากเม็ดสีไม่เพียงพอ xeroderma เพื่อให้เอนไซม์นี้สามารถเจาะเซลล์ของมนุษย์ที่เพาะเลี้ยงภายใต้สภาวะเทียมได้สำเร็จ จึงมีการใช้ไวรัสเซนไดที่ถูกฆ่า อย่างไรก็ตาม จนถึงปัจจุบัน งานดังกล่าวยังไม่ได้ดำเนินการกับร่างกายมนุษย์ อีกทิศทางหนึ่งเกี่ยวข้องกับการพัฒนาวิธีการวินิจฉัยโรคตั้งแต่เนิ่นๆ ที่เกิดจากข้อบกพร่องในเอนไซม์ซ่อมแซม

แม้จะมีความแม่นยำสูงของเอนไซม์ที่ทำการจำลอง DNA เช่นเดียวกับการมีอยู่ของกลไกการพิสูจน์อักษร แต่ข้อผิดพลาดยังคงเกิดขึ้นในระหว่างการสังเคราะห์สายโซ่ DNA ใหม่เนื่องจากการรวมนิวคลีโอไทด์ที่ไม่ประกอบเข้าด้วยกันในองค์ประกอบ นอกจากนี้ โมเลกุล DNA ในเซลล์ยังต้องเผชิญกับปัจจัยทางกายภาพและเคมีที่หลากหลายซึ่งขัดขวางโครงสร้างของเซลล์ ความเสียหายของ DNA ที่พบบ่อยที่สุดมีดังต่อไปนี้:

การแตกของพันธะ (b-N)-ไกลโคซิดิกระหว่างพิวรีนและดีออกซีไรโบส (การขจัดออกซีไรโบส) ซึ่งส่วนใหญ่มักเป็นผลมาจากอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น มีการกระทำ 5,000 ถึง 10,000 การกระทำในเซลล์ของมนุษย์ต่อวัน การชำระล้าง;

การปนเปื้อนที่เกิดขึ้นเองของไซโตซีนและอะดีนีนที่ตกค้างเพื่อสร้างยูราซิลและไฮโปแซนทีน ตามลำดับ (ประมาณ 100 เหตุการณ์ต่อจีโนมต่อวัน)

อัลคิเลชันของฐานไนโตรเจนภายใต้อิทธิพลของสารเคมีประเภทพิเศษ ( สารอัลคิลเลต);

- การอวสาน(การแทรก) การเชื่อมต่อบางอย่างระหว่างนิวคลีโอไทด์คู่ที่อยู่ติดกัน

การก่อตัวของการเชื่อมโยงข้ามโควาเลนต์ระหว่างสายโซ่ DNA ภายใต้อิทธิพลของสารสองฟังก์ชัน

การก่อตัวของไซโคลบิวเทนไดเมอร์ (รูปที่ 2.2) ระหว่างไพริมิดีนที่อยู่ติดกันในสายโซ่ที่เกิดขึ้นเมื่อดูดซับแสงอัลตราไวโอเลต (UV)

ความเสียหายที่ระบุไว้ส่วนใหญ่ขัดขวางกระบวนการจำลองแบบและการแสดงออกของยีน ตัวอย่างเช่น ไทมีนไดเมอร์แต่ละตัวใน E. coli DNA จะชะลอการจำลองแบบ 10 วินาที นอกจากนี้ รอยโรคเหล่านี้เป็นสาเหตุของการกลายพันธุ์หากไม่ได้รับการแก้ไขก่อนที่จะเริ่มการจำลองดีเอ็นเอ

บ่อยครั้งที่การละเมิดดังกล่าวเกิดขึ้นในสาย DNA เพียงเส้นเดียวเท่านั้น ในขณะที่เส้นที่สองที่อยู่ตรงข้ามกับความเสียหายในกรณีส่วนใหญ่จะมีลำดับที่ "ถูกต้อง" ซึ่งสามารถใช้เป็นเมทริกซ์สำหรับแก้ไขข้อผิดพลาดได้ ดังนั้นเกลียวคู่ของ DNA รวมถึงความจริงที่ว่ามันเข้ารหัสข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างของเอนไซม์ซ่อมแซมทำให้กลไกการแก้ไขข้อผิดพลาดที่เป็นเอกลักษณ์เป็นไปได้ - การซ่อมแซมซึ่งเป็นลักษณะเฉพาะของโมเลกุลระดับเดียวเท่านั้น - DNA

มีระบบและกลไกการซ่อมแซมมากมายที่มีอยู่ในสิ่งมีชีวิตต่าง ๆ โดยในนั้นมีระบบและกลไกการซ่อมแซมเฉพาะสำหรับการแก้ไขความเสียหายประเภทเดียวเท่านั้นและยังมีกลไกเฉพาะน้อยกว่าอีกด้วย เพื่อความสะดวก กระบวนการซ่อมแซมที่ทราบในปัจจุบันทั้งหมดสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: 1) กระบวนการที่ไม่จำเป็นต้องมีส่วนร่วมของการจำลองแบบและแสดงถึงการแก้ไขการละเมิด DNA โดยตรง; 2) กระบวนการที่ซับซ้อนมากขึ้นในระหว่างที่เกิดการจำลองการซ่อมแซม กลไกการซ่อมแซมที่ได้รับการศึกษาดีที่สุดเกี่ยวกับการซ่อมแซมความเสียหายที่เกิดจากการฉายรังสี UV คือไพริมิดีนไดเมอร์ (รูปที่ 2.2)

เนื่องจากเอนไซม์ที่อาศัยแสง UV มีส่วนร่วมในกระบวนการซ่อมแซมผลที่ตามมาของการฉายรังสี UV ที่รู้จักกันดีที่สุด กลไกการซ่อมแซมจึงแบ่งออกเป็นแสง (สามารถทำได้ในแสงที่มองเห็นได้เท่านั้น) และความมืด (ไม่จำเป็นต้องมีส่วนร่วมของแสงที่มองเห็นได้) แสง) ซ่อมแซม

กลไกการซ่อมแซมสำหรับการซ่อมแซมความเสียหายโดยตรงประกอบด้วยการแยกตัวของกัวนีนเรซิดิวและการทำให้เป็นโมโนเมอไรเซชันของไซโคลบิวเทนไดเมอร์ระหว่างฐานไพริมิดีนที่อยู่ติดกัน การกำจัดสารตกค้างของเมทิลกัวนีนเป็นของการซ่อมแซมที่มืดและเกิดขึ้นจากการมีส่วนร่วมของเอนไซม์ที่มีอยู่ในเซลล์แบคทีเรียและสารอาหาร O 6 -methylguanine DNA อัลคิลทรานสเฟอเรสกระตุ้นการถ่ายโอนของกลุ่มอัลคิลไปยังกลุ่มซัลไฮดริลของซิสเตอีนที่ตกค้างของเอนไซม์ (รูปที่ 2.3)

ความแตกแยกของไดเมอร์ระหว่างนิวคลีโอไทด์ของไพริมิดีนเกิดขึ้นในกระบวนการนี้ การเปิดใช้งานแสง- ฟื้นฟูโครงสร้างโมเลกุล DNA ที่ได้รับความเสียหายจากรังสียูวีอันเป็นผลมาจากการสัมผัสกับแสงที่มองเห็นได้ในภายหลัง (การซ่อมแซมแสง) เป็นที่ทราบกันดีว่าการเกิดปฏิกิริยาด้วยแสงคลื่นสั้นแบบไม่ใช้เอนไซม์ซึ่งประกอบด้วยการทำให้เป็นโมโนเมอไรเซชันของไดเมอร์ภายใต้การกระทำของรังสีอัลตราไวโอเลตที่มีความยาวคลื่น 240 นาโนเมตรเช่นเดียวกับปฏิกิริยาด้วยแสงของเอนไซม์ อย่างหลังมักหมายถึงการกระตุ้นด้วยแสงนั่นเอง กระบวนการนี้ต้องอาศัยการมีส่วนร่วมของแสงที่มองเห็นได้ซึ่งมีความยาวคลื่น 300-600 นาโนเมตร และดำเนินการภายใต้การกระทำของเอนไซม์ที่ทำปฏิกิริยาด้วยแสงจำเพาะ (ดีออกซีไรโบไพริมิดีน โฟโตไลเอส) สารตั้งต้นของโฟโตไลเอสคือไดเมอร์ของฐานไพริมิดีน ซึ่งก่อให้เกิดสารเชิงซ้อน (เอนไซม์ไม่จับกับดีเอ็นเอที่ไม่บุบสลาย) เอนไซม์จะทำลายไดเมอร์โดยไม่ทำลายสายดีเอ็นเอโดยใช้พลังงานของแสงที่ดูดซับ (รูปที่ 2.4)

ปรากฏการณ์การเกิดปฏิกิริยาด้วยแสงนั้นแพร่หลายในธรรมชาติและพบได้แม้กระทั่งในจุลินทรีย์ดึกดำบรรพ์เช่นไมโคพลาสมา เอนไซม์ที่กระตุ้นปฏิกิริยาด้วยแสงพบได้ในพืชและสัตว์ชั้นสูงบางชนิด เช่นเดียวกับในแบคทีเรียทุกชนิดที่ศึกษา ยกเว้น Deinococcus radiodurans ซึ่งมีความทนทานต่อการกระทำของแสง UV ได้อย่างมาก แบคทีเรียเหล่านี้ทนต่อปริมาณที่สูงกว่า 1,000 เท่า ฆ่าอี.โคไล แม้ว่าจะไม่มีความสามารถในการกระตุ้นด้วยแสงอย่างสมบูรณ์ แต่ D. radiodurans ก็มีระบบซ่อมแซมการตัดตอนที่ทรงพลัง

เหตุการณ์การซ่อมแซมที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนพื้นที่ที่บิดเบี้ยวไม่จำเป็นต้องมีส่วนร่วมของแสงที่มองเห็นได้ และนอกเหนือจากเอนไซม์อื่น ๆ แล้ว นิวคลีเอสสองประเภทก็มีบทบาทสำคัญ: exo- และ endonucleases เอ็กโซนิวคลีเอสแยก DNA โดยเริ่มจากปลายสายโซ่ และเอนโดนิวคลีเอสโจมตีสายโซ่ในส่วนภายใน ทำให้เกิดการแตกตัวของสายเดี่ยวใน DNA ในบรรดาการซ่อมแซมประเภทต่างๆ ที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์การซ่อมแซม DNA นั้นมี 2 ประเภทหลักที่สามารถแยกแยะได้: ตัดตอนและ หลังการจำลองแบบการชดใช้

การซ่อมแซมการตัดตอนลักษณะเด่นของการซ่อมแซมแบบตัดตอนคือการกำจัดส่วน DNA ที่เสียหายออก การซ่อมแซมประเภทนี้ไม่ได้เฉพาะเจาะจงสำหรับความเสียหายของ DNA เท่ากับการกระตุ้นด้วยแสง และสามารถใช้เพื่อแก้ไขไม่เพียงแต่ pyrimidine dimer เท่านั้น แต่ยังรวมถึงการเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง DNA อื่นๆ อีกมากมายด้วย การซ่อมแซมการตัดตอน (รูปที่ 2.5, A) เป็นกระบวนการแบบหลายขั้นตอนและรวมถึงเหตุการณ์ต่อไปนี้:

1) การรับรู้ความเสียหายใน DNA ซึ่งดำเนินการโดยเอนโดนิวคลีเอสเฉพาะซึ่งดำเนินการในขั้นตอนต่อไปด้วย

2) ตัดสาย DNA หนึ่งเส้นใกล้กับความเสียหาย - แผล(ดำเนินการเอ็นโดนิวคลีเอส);

3) การกำจัดกลุ่มนิวคลีโอไทด์พร้อมกับความเสียหาย - ตัดตอน(ดำเนินการ exonucleases);

4) การสังเคราะห์ DNA ใหม่ - เติมช่องว่างที่เกิดขึ้น (กิจกรรม DNA polymerase)

5) การฟื้นฟูความต่อเนื่องของโซ่ที่ได้รับการซ่อมแซมเนื่องจากการก่อตัวของพันธะโควาเลนต์ของกระดูกสันหลังของน้ำตาลฟอสเฟตของโมเลกุล

ศึกษากลไกของการซ่อมแซมส่วนที่ตัดออกได้ดีที่สุดโดยใช้ตัวอย่างการกำจัดไพริมิดีนไดเมอร์ในความมืดออกจาก DNA ของ E. coli ที่ได้รับการฉายรังสีด้วยแสงอัลตราไวโอเลต ในเซลล์ Escherichia coli ยีน uvrA-D (เข้ารหัสโครงสร้างของเอนไซม์ที่ตัดส่วนของสายโซ่ DNA ออกด้วยไดเมอร์) เช่นเดียวกับ polA (กำหนดโครงสร้างของ DNA polymerase I ซึ่งดำเนินการสังเคราะห์การสร้างใหม่ของ DNA) มีหน้าที่รับผิดชอบในกระบวนการนี้ คุณลักษณะของวิธีการซ่อมแซมแบบตัดตอนนี้คือการเกิดรอยตัดแบบเกลียวเดี่ยวที่ทั้งสองด้านของไดเมอร์ไทมีน

เพื่อซ่อมแซมความเสียหาย รวมถึงสิ่งที่เกี่ยวข้องกับการก่อตัวของไทมีน ไดเมอร์ สิ่งมีชีวิตบางชนิดใช้การซ่อมแซมแบบตัดตอนอีกประเภทหนึ่ง ซึ่งเกี่ยวข้องกับการมีส่วนร่วมของเอนไซม์พิเศษ N-glycosylase ในกระบวนการนี้ ในกรณีนี้ เหตุการณ์การซ่อมแซมครั้งแรกคือการแตกออกของพันธะไกลโคซิดิกระหว่างเบสที่เสียหาย (ตัวอย่างเช่น หนึ่งในไทมีนในไดเมอร์, พิวรีนที่มี N-อัลคิเลต เป็นต้น) และดีออกซีไรโบส จึงมีความเป็นท้องถิ่น การทำอะพิวริไนซ์, หรือ อะไพริมิไดไนเซชัน- สิ่งที่เรียกว่า AP site จะปรากฏขึ้น ซึ่งเป็นที่รู้จักโดยเอ็นโดนิวคลีเอสเฉพาะของ AP ซึ่งแยกพันธะฟอสโฟไดสเตอร์ที่อยู่ติดกับตำแหน่ง AP จากนั้นช่องว่างจะถูกเติมเต็มด้วยการสังเคราะห์การซ่อมแซมตามปกติ

พบ N-glycosylases หลายชนิดในเซลล์แบคทีเรียและยูคาริโอต ตัวอย่างเช่น ยูราซิล DNA ไกลโคซิเลสจดจำคู่ dG/dU ที่ไม่ถูกต้องซึ่งเป็นผลมาจากการปนเปื้อนตามธรรมชาติของสารตกค้างดีออกซีไซโตซีนจากคู่ dG/dC การปนเปื้อนของไซโตซีนสามารถนำไปสู่การปรากฏตัวของคู่นิวคลีโอไทด์กลายพันธุ์ dA/dT ในระหว่างการจำลอง เนื่องจากจากมุมมองของการก่อตัวของพันธะไฮโดรเจน ยูราซิลจะมีพฤติกรรมคล้ายกับไทมีน เอนไซม์ที่แพร่หลายอีกชนิดหนึ่งในประเภทนี้คือ pyrimidine dimer-N-glycosylase ซึ่งสร้างบริเวณ apyrimidine ในการซ่อมแซมความเสียหายที่เกี่ยวข้องกับการก่อตัวของ pyrimidine dimers

ไซต์ที่เกิด depurinization หรือ depyrimidinization จะถูกแยกออกโดย AP (apurinic และ apyrimidinic) endonucleases มีเอ็นโดนิวคลีเอส AR ที่แตกต่างกันมากมายในเซลล์โปรและยูคาริโอต บางส่วนก็แยกเกลียวที่ด้าน 3 'ของไซต์ AP ในขณะที่บางอันก็แยกพันธะ diester ที่ด้าน 5'; ไม่ว่าในกรณีใด ปลาย 3'-ไฮดรอกซิลและ 5'-ฟอสโฟรีลจะเกิดขึ้น ซึ่งช่วยให้เอ็กโซนิวคลีเอสกำจัดสิ่งตกค้างที่อยู่ติดกันทั้งสองด้านของการตัดพร้อมกับความเสียหาย

การซ่อมแซมการตัดตอนประเภทต่างๆ แพร่หลายในสิ่งมีชีวิตโปรและยูคาริโอต รวมถึงในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม การรบกวนในกระบวนการซ่อมแซมส่วนที่ตัดออกอาจนำไปสู่ผลลัพธ์ที่ตามมาอย่างมาก ดังนั้นโรคทางพันธุกรรมจึงเป็นที่รู้จักในมนุษย์ - ซีโรเดอร์มา รงควัตถุโนซัมซึ่งอาการหลักคือความไวต่อแสงแดดเพิ่มขึ้นนำไปสู่การพัฒนาของมะเร็งผิวหนัง พบข้อบกพร่องในการซ่อมแซมการตัดตอนต่างๆ ในผู้ป่วยเหล่านี้

การซ่อมแซมหลังการจำลอง- การซ่อมแซมประเภทนี้ต้องอาศัยการมีส่วนร่วมของผลิตภัณฑ์ยีนที่เกี่ยวข้องกับเหตุการณ์การรวมตัวกันใหม่ (ยีน rec) และไม่ได้ดำเนินการในเซลล์กลายพันธุ์ rec ซึ่งเป็นสาเหตุที่เรียกว่าการซ่อมแซมการรวมตัวกันใหม่ การซ่อมแซมหลังการจำลองแบบรวมตัวกันใหม่จะขึ้นอยู่กับกระบวนการจำลองแบบและการรวมตัวกันใหม่ของ DNA ที่เสียหาย โดยเป็นการซ่อมแซมประเภทที่เฉพาะเจาะจงน้อยที่สุดที่พิจารณา เนื่องจากขาดขั้นตอนการรับรู้ความเสียหาย นี่เป็นวิธีการกู้คืนที่ค่อนข้างรวดเร็ว พื้นเมืองโครงสร้างดีเอ็นเอในสายลูก (สังเคราะห์ใหม่): การซ่อมแซมเกิดขึ้นแล้วในนาทีแรกหลังจากการฉายรังสี คุณลักษณะของกระบวนการนี้คือการรักษาความเสียหายในโซ่ (แม่) ดั้งเดิม (รูปที่ 2.5, B)

นอกจากความรวดเร็วแล้ว ยังมีการซ่อมแซมหลังการจำลองที่ช้าอีกด้วย ซึ่งต้องใช้เวลาหลายชั่วโมง ผลิตโดยระบบเอนไซม์ที่ไม่มีอยู่ในเซลล์ที่ไม่ได้รับการฉายรังสีและเกิดจากการฉายรังสี กลไกนี้เรียกว่าการซ่อมแซม SOS ความแตกต่างที่น่าประหลาดใจคือความถี่ของการกลายพันธุ์เพิ่มขึ้นอย่างมาก แม้ว่า DNA จะเสียหายไปแล้วก็ตาม นี่อาจเป็นผลมาจากการใช้สาย DNA ที่มีความเสียหายเป็นแม่แบบ

การซ่อมแซมหลังการจำลองแบบไม่เพียงมีอยู่ในแบคทีเรียเท่านั้น แต่ยังอยู่ในเซลล์ยูคาริโอต รวมถึงในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมด้วย

การสังเคราะห์ DNA เกิดขึ้นตามกลไกกึ่งอนุรักษ์นิยม: DNA แต่ละเส้นจะถูกคัดลอก การสังเคราะห์เกิดขึ้นในส่วนต่างๆ มีระบบกำจัดข้อผิดพลาดในการทำซ้ำ DNA (การซ่อมแซมด้วยแสง การซ่อมแซมก่อนการเจริญพันธุ์ และหลังการเจริญพันธุ์- กระบวนการซ่อมแซมใช้เวลานานมาก ถึง 20 ชั่วโมง และซับซ้อน เอนไซม์จำกัดจะตัดส่วนที่ไม่เหมาะสมของ DNA ออกแล้วสร้างใหม่อีกครั้ง การชดใช้ไม่เคยดำเนินการอย่างมีประสิทธิภาพ 100% หากเป็นเช่นนั้น ความแปรปรวนทางวิวัฒนาการก็จะไม่เกิดขึ้น กลไกการซ่อมแซมขึ้นอยู่กับการมีอยู่ของสายโซ่เสริมสองสายในโมเลกุล DNA การบิดเบือนลำดับนิวคลีโอไทด์ในหนึ่งในนั้นถูกตรวจพบโดยเอนไซม์เฉพาะ จากนั้นส่วนที่เกี่ยวข้องจะถูกลบออกและแทนที่ด้วยส่วนใหม่ ซึ่งสังเคราะห์บนสาย DNA เสริมที่สอง การชดใช้เช่นนี้เรียกว่า ตัดตอน,เหล่านั้น. ด้วยการตัด จะดำเนินการก่อนรอบการจำลองครั้งต่อไป ซึ่งเป็นสาเหตุที่เรียกว่า การจำลองล่วงหน้าในกรณีที่ระบบซ่อมแซมส่วนที่ตัดตอนไม่สามารถแก้ไขการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นใน DNA เส้นเดียวได้ ในระหว่างการทำซ้ำ การเปลี่ยนแปลงนี้จะได้รับการแก้ไขและกลายเป็นสมบัติของ DNA ทั้งสองเส้น สิ่งนี้นำไปสู่การแทนที่นิวคลีโอไทด์เสริมหนึ่งคู่ด้วยอีกคู่หนึ่งหรือการปรากฏตัวของการแตกในสายโซ่ที่สังเคราะห์ใหม่กับส่วนที่เปลี่ยนแปลง การฟื้นฟูโครงสร้าง DNA ปกติสามารถเกิดขึ้นได้หลังการจำลองแบบ การซ่อมแซมหลังการซ่อมแซมดำเนินการโดยการรวมตัวกันอีกครั้งระหว่างเอนริเก้คู่ DNA ที่สร้างขึ้นใหม่สองอัน ในระหว่างการซ่อมแซมก่อนการจำลองและหลังการจำลอง โครงสร้าง DNA ที่เสียหายส่วนใหญ่จะได้รับการฟื้นฟู หากปริมาณความเสียหายในเซลล์ แม้จะดำเนินการซ่อมแซมแล้ว แต่ยังคงสูงอยู่ กระบวนการจำลองแบบ DNA จะถูกขัดขวาง เซลล์นี้ไม่แบ่งตัว

19.ยีน คุณสมบัติของมัน รหัสพันธุกรรมคุณสมบัติของมัน โครงสร้างและประเภทของ RNA การประมวลผลการประกบ บทบาทของ RNA ในกระบวนการรับรู้ข้อมูลทางพันธุกรรม

ยีน – ส่วนหนึ่งของโมเลกุล DNA ที่นำข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างของสายโซ่โพลีเปปไทด์หรือโมเลกุลขนาดใหญ่ ยีนบนโครโมโซมหนึ่งถูกจัดเรียงเป็นเส้นตรง ก่อตัวเป็นกลุ่มเชื่อมโยง DNA ในโครโมโซมทำหน้าที่ต่างกัน มีลำดับของยีนที่แตกต่างกัน มีลำดับของยีนที่ควบคุมการแสดงออกของยีน การจำลองแบบ ฯลฯ มียีนที่มีข้อมูลเกี่ยวกับโครงสร้างของสายโซ่โพลีเปปไทด์ และสุดท้ายคือโปรตีนที่มีโครงสร้าง ลำดับของนิวคลีโอไทด์ดังกล่าวมียีนยาวหนึ่งยีนเรียกว่ายีนโครงสร้าง ยีนที่กำหนดสถานที่ เวลา และระยะเวลาในการกระตุ้นการทำงานของยีนโครงสร้างนั้นเป็นยีนควบคุม

ยีนมีขนาดเล็กแม้ว่าจะประกอบด้วยนิวคลีโอไทด์หลายพันคู่ก็ตาม การมีอยู่ของยีนนั้นเกิดจากการสำแดงลักษณะของยีน (ผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย) แผนภาพทั่วไปของโครงสร้างของเครื่องมือทางพันธุกรรมและการทำงานของมันถูกเสนอในปี 1961 โดย Jacob และ Monod พวกเขาเสนอว่ามีส่วนหนึ่งของโมเลกุล DNA ที่มีกลุ่มของยีนโครงสร้าง ที่อยู่ติดกับกลุ่มนี้คือบริเวณที่มีนิวคลีโอไทด์ 200 คู่ - โปรโมเตอร์ (บริเวณที่อยู่ติดกับ RNA polymerase ที่ขึ้นกับ DNA) ภูมิภาคนี้อยู่ติดกับยีนตัวดำเนินการ ชื่อของทั้งระบบคือโอเปอเรเตอร์ การควบคุมดำเนินการโดยยีนควบคุม เป็นผลให้โปรตีนรีเพรสเซอร์มีปฏิกิริยากับยีนของผู้ปฏิบัติงาน และโอเปอเรเตอร์ก็เริ่มทำงาน สารตั้งต้นมีปฏิกิริยากับยีนกับสารควบคุม และโอเปอเรเตอร์ถูกบล็อก หลักการตอบรับ การแสดงออกของโอเปอเรเตอร์จะรวมอยู่ในภาพรวม

ในยูคาริโอต ไม่ได้มีการศึกษาการแสดงออกของยีน เหตุผลก็คืออุปสรรคร้ายแรง:

การจัดระเบียบของสารพันธุกรรมในรูปของโครโมโซม

ในสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์ เซลล์มีความเชี่ยวชาญเป็นพิเศษ ดังนั้น ยีนบางตัวจึงถูกปิด

การมีอยู่ของโปรตีนฮิสโตนในขณะที่โปรคาริโอตมี DNA "เปล่า"

DNA เป็นโมเลกุลขนาดใหญ่ ไม่สามารถเข้าสู่ไซโตพลาสซึมจากนิวเคลียสและส่งข้อมูลได้ การสังเคราะห์โปรตีนเป็นไปได้ด้วย m-RNA ในเซลล์ยูคาริโอต การถอดรหัสเกิดขึ้นที่ความเร็วมหาศาล ขั้นแรก pro-i-RNA หรือ pre-i-RNA จะปรากฏขึ้น สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่า mRNA ในยูคาริโอตนั้นเกิดขึ้นจากการประมวลผล (การสุก) ยีนมีโครงสร้างไม่ต่อเนื่อง ขอบเขตการเข้ารหัสคือ exons และขอบเขตที่ไม่เข้ารหัสคืออินตรอน ยีนในสิ่งมีชีวิตยูคาริโอตมีโครงสร้างเอ็กซอน-อินตรอน อินตรอนยาวกว่าเอ็กซอน ในระหว่างการประมวลผล อินตรอนจะถูก "ตัดออก" - เป็นการประกบกัน หลังจากการก่อตัวของ mRNA ที่เป็นผู้ใหญ่หลังจากทำปฏิกิริยากับโปรตีนพิเศษมันจะผ่านเข้าสู่ระบบ - อินฟอร์โมโซมซึ่งนำข้อมูลเข้าสู่ไซโตพลาสซึม ขณะนี้ระบบเอ็กซอน-อินตรอนได้รับการศึกษาอย่างดี (เช่น oncogene P-53) บางครั้งอินตรอนของยีนหนึ่งเป็น exon ของอีกยีนหนึ่ง ดังนั้นการต่อรอยจึงเป็นไปไม่ได้ การประมวลผลและการต่อสามารถรวมโครงสร้างที่อยู่ห่างจากกันให้เป็นยีนเดียวได้ ดังนั้นจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อวิวัฒนาการ กระบวนการดังกล่าวทำให้การเก็งกำไรง่ายขึ้น โปรตีนมีโครงสร้างเป็นบล็อก ตัวอย่างเช่น เอนไซม์คือ DNA polymerase เป็นสายโซ่โพลีเปปไทด์ต่อเนื่องกัน ประกอบด้วย DNA polymerase และ endonuclease ของตัวเองซึ่งแยกโมเลกุล DNA ออกจากส่วนท้าย เอนไซม์ประกอบด้วย 2 โดเมน ซึ่งก่อตัวเป็นอนุภาคขนาดเล็กอิสระ 2 ชิ้นที่เชื่อมต่อกันด้วยสะพานโพลีเปปไทด์ ที่ขอบระหว่างยีนของเอนไซม์ 2 ยีนจะมีอินตรอน โดเมนครั้งหนึ่งเคยเป็นยีนที่แยกจากกัน แต่แล้วพวกเขาก็ใกล้ชิดกันมากขึ้น การละเมิดโครงสร้างยีนดังกล่าวทำให้เกิดโรคของยีน การละเมิดโครงสร้างของอินตรอนนั้นมองไม่เห็นทางฟีโนไทป์ การละเมิดลำดับ exon นำไปสู่การกลายพันธุ์ (การกลายพันธุ์ของยีนโกลบิน)

10-15% ของ RNA ในเซลล์มีการถ่ายโอน RNA มีภูมิภาคที่เสริมกัน มีแฝดพิเศษ - แอนติโคดอนซึ่งเป็นแฝดที่ไม่มีนิวคลีโอไทด์เสริม - GGC ปฏิสัมพันธ์ของหน่วยย่อยไรโบโซมทั้งสองและ mRNA นำไปสู่การเริ่มต้น มี 2 ​​ไซต์คือ เพคติดิล และอะมิโนเอซิล พวกมันสอดคล้องกับกรดอะมิโน การสังเคราะห์โพลีเปปไทด์เกิดขึ้นทีละขั้นตอน การยืดตัว - กระบวนการสร้างสายโซ่โพลีเปปไทด์ดำเนินต่อไปจนกระทั่งถึงรหัสไร้สาระ จากนั้นการสิ้นสุดก็เกิดขึ้น การสังเคราะห์โพลีเปปไทด์สิ้นสุดลง ซึ่งจะเข้าสู่ช่อง ER หน่วยย่อยแยกย้ายกันไป โปรตีนจำนวนต่างๆ ถูกสังเคราะห์ขึ้นในเซลล์