Yenilenme ve onarım aşaması. Tamirat
DNA onarımı- bu onun onarımıdır, yani molekülün yapısında ortaya çıkan hataların düzeltilmesidir. "Onarım" kelimesi İngilizce "onarım" kelimesinden gelir ve "onarım", "onarım" vb. olarak çevrilir.
DNA yapısındaki onarılabilen hatalar çoğunlukla, her bir DNA zincirini oluşturan yapısal birimler olan nükleotid dizisinin ihlali anlamına gelir. DNA molekülü birbirini tamamlayan iki iplikten oluşur. Bu, devrelerden birinde hasar meydana gelirse, ikinci hasarsız devreyi kullanarak birincinin hasarlı bölümünü eski haline döndürmenin mümkün olduğu anlamına gelir. Ek olarak ökaryotik hücrelerde her kromozom homologdur, yani aynı gen setini içerir (ancak alelleri içermez). Aşırı durumlarda, molekülün her iki ipliğindeki bir bölüm hasar gördüğünde, homolog kromozomdan kopyalanabilir. Ayrıca, hücre döngüsünün S fazından sonra, replikasyon (kendi kendini kopyalama) meydana geldiğinde, her kromozom birbiriyle aynı olan iki çift sarmallı kromatitten, yani esasen iki özdeş DNA molekülünden oluşur. Bu aynı zamanda hasarlı bir molekülün orijinal yapısını eski haline döndürmek için de kullanılabilir.
Evrim süreci boyunca DNA onarımından sorumlu birçok farklı hücresel moleküler mekanizma ortaya çıkmıştır. Bunlar esas olarak çeşitli enzimler ve bunların kompleksleridir. Bazıları aynı zamanda çoğaltma işlemine de katılıyor. Bu tür enzimleri kodlayan genlerin hasar görmesi özellikle tehlikelidir. Bu, bir veya başka bir onarım mekanizmasının kaybına yol açar. Bu durumda hücrelerde daha hızlı hasar birikimi ve mutasyonlar meydana gelir. Bu genellikle kontrolsüz şekilde bölünen hücrelerin ortaya çıkmasına, yani tümörlerin ortaya çıkmasına neden olur.
Öte yandan DNA hasarının çok şiddetli olması durumunda hücrelerde kendi kendini yok etme mekanizması devreye girer ( apoptoz). Böylece bu tür hücrelerin bölünmesine izin verilmez, bu da bir sonraki neslin önemli bir DNA hasarına sahip olmayacağı anlamına gelir.
DNA'nın yapısındaki hatalar, varlığının çeşitli aşamalarında (sentez sırasında, sentez öncesi ve sonrası dönemlerde), çeşitli nedenlerle (kazara, kimyasal olarak aktif maddelerin, radyasyonun vb. etkisi altında) ortaya çıkabilir. Ayrıca değişiklikler farklı olabilir (bir nükleotidin kimyasal grubunun kaybı veya ilave bir nükleotidin eklenmesi, bir nükleotidin bir başkasıyla değiştirilmesi, iki komşu nükleotid arasında kimyasal bir bağın kurulması, zincir kırılması, bir bölümün kaybı vb.) . Bu çeşitlilik nedeniyle onarım mekanizmalarını sınıflandırmak zordur. Çoğunlukla replikasyon sırasında, replikasyondan hemen sonra ve hücrenin yaşam döngüsünün geri kalanında meydana gelenler olarak ikiye ayrılırlar. DNA yapısındaki değişikliklerin en çok incelenen nedenleri ve onarım yöntemleri aşağıda listelenmiştir.
Tüm hataların düzeltilmediği, nispeten küçük ve kritik olmayan hataların yeni nesil hücre ve organizmalara aktarılamayacağı akılda tutulmalıdır. Bunlara hasar denilemez, bunun yerine mutasyon denilebilir. Mutasyonların çoğu zararlıdır, ancak belirli çevresel koşullar altında nötr veya faydalı olanlar evrim için malzeme sağlar. Böylece DNA onarım mekanizmalarının kusurlu olması gezegenimizdeki yaşamın çeşitliliğini sağlamıştır.
Replikasyon sırasında nükleotid dizisinin düzeltilmesi
DNA polimerazlar, DNA replikasyonunda işin büyük kısmını yapar ve yeni bir zincire nükleotid nükleotid ekler. Ana fonksiyona ek olarak birçok polimeraz, yanlış bağlanmış son nükleotidi, yani şablon zincirin nükleotidine tamamlayıcı olmayan son nükleotidi çıkarma yeteneğine sahiptir.
Nükleotidlerin kimyasal yapısı biraz değiştirilebilir. Aynı zamanda tamamlayıcı partnerleriyle değil, hidrojen bağlarıyla bağlanmaya başlarlar. Örneğin sitozinin guanin'e bağlanması gerekir. Ancak değiştirilmiş formu, timin'in bağlanması gereken adenin ile hidrojen bağları oluşturur.
Yeni bir DNA zinciri sentezlendiğinde, bir sonraki nükleotid ilk önce hidrojen bağları ile şablonun tamamlayıcı bazına bağlanır. Polimeraz daha sonra onu büyüyen zincirin ucuna kovalent bir bağla bağlar.
Bununla birlikte, ana ipliğin tamamlayıcı bazına uygun olmayan bir şekilde bağlanan değiştirilmiş bir nükleotid ise, o zaman genellikle hızlı bir şekilde orijinal formuna geri döner ve tamamlayıcı olmayan hale gelir. Hidrojen bağları kırılır ve yeni ipliğin ucu, sentezlenen ipliğe kovalent olarak bağlı, serbest asılı bir nükleotid ile kalır.
Bu durumda DNA polimeraz bir sonraki nükleotidi bağlayamaz ve bu hatalı nükleotidi çıkarmaktan başka seçeneği kalmaz.
Hidrojen bağları kırılmazsa zincir hatalı nükleotidin ötesinde büyümeye devam edecek ve nokta mutasyonu devam edecektir. Çoğaltma sonrasında ortadan kaldırılabilir.
Çoğaltma sonrasında hemen onarın
Yeni bir DNA zinciri sentezlendikten sonra bazı enzim kompleksleri hatalı eşleşmiş bazları tanır. Bu durumda DNA molekülünün yeni ve eski zincirlerinin belirlenmesinde sorun ortaya çıkar. Yeni olan, metillenmiş bazların bulunmaması ve ökaryotlarda geçici kırılmaların varlığı ile ayırt edilir. Bu özelliklere dayanarak enzim kompleksleri yeni sentezlenen zinciri tanımlar. Dolayısıyla tamamlayıcı olmayan baz çiftlerinde “hata” yeni zincirin nükleotididir.
Hata bulunduğunda, diğer enzimler tek bir nükleotid yerine yanlış bazı içeren DNA bölümünün tamamını keser. Bundan sonra polimeraz bu bölümü yeniden oluşturur ve ligaz onu zincirin geri kalanıyla çapraz bağlar. Bir DNA parçasının kesilip yeniden sentezlenmesine neden olan bu mekanizmaya denir. eksizyon onarımı(eksizyon - kesme, kesme kelimesinden), oldukça evrenseldir ve yalnızca replikasyondan hemen sonra DNA'yı "kontrol ederken" değil, birçok onarım durumunda kullanılır.
DNA hasarını onarma mekanizmaları
Bir organizmanın DNA'sı yalnızca kopyalama sırasındaki hatalardan dolayı değişemez. Hücre yaşar, olumsuz dış etkenlere maruz kalır, iç biyokimyasal ortamı değişebilir, DNA'ya zararlı reaksiyonlara neden olabilir. Bunun sonucunda genetik materyal öyle ya da böyle zarar görüyor. Hasarın türüne ve ölçeğine bağlı olarak, biraz farklı enzim kompleksleri içeren çeşitli onarım mekanizmaları etkinleştirilir.
1. DNA bölümlerini çıkarmadan nükleotid değişikliklerini yerinde tersine çeviren enzimler vardır. Başka bir deyişle, guanin (G) bazını içeren zincirde, kimyasal reaksiyon sonucunda bir metil grubuna bağlanan ve metil guanin haline gelen bir nükleotid varsa, enzim onu tekrar guanine dönüştürecektir. Temel olarak, bu tür DNA onarımı belirli atom gruplarının bağlanması ve ayrılmasıyla ilgilidir.
2. Pürin bazlarının kaybı durumunda eksizyon onarımı meydana gelebilir. Bazların deaminasyonu ve diğer bazı yapısal değişiklikleri durumunda, glikosilaz enzimleri yalnızca hasarlı nükleotid bazını kesip çıkarır. Ve ancak bundan sonra standart eksizyon onarımı devam eder.
3. İki komşu nükleotid birbirine bağlandığında dimer oluşumu sırasında da bir bölüm kesilir. Tipik olarak, bu tür reaksiyonlar ultraviyole ışınlarına maruz kalmanın bir sonucu olarak ortaya çıkar. Bir dimerin oluşumu, bu ve yakın bölgelerdeki tamamlayıcı DNA iplikçiklerinin farklılaşmasına neden olur. Enzimler tarafından tanınan bir kabarcık oluşur. Daha sonra eksizyon onarımı başlar.
4. Her iki zincirin yapısı aynı yerden bozulduğunda DNA molekülünde o kadar ciddi hasar meydana gelir ki. Bu durumda tamamlayıcılık ilkesine göre bir zinciri diğerinden geri yüklemek artık mümkün değildir. Bu tür hasarlara bir örnek, örneğin güçlü radyoaktif radyasyona maruz kalma nedeniyle bir DNA molekülünün iki parçaya ayrılmasıdır.
Bir DNA molekülünün her iki ipliği de hasar görmüşse, hasarlı bölüm yerine homolog kromozomdan veya kardeş kromatidden bir bölüm yerleştirildiğinde rekombinatif onarım kurtarmaya gelebilir. Bir kırılma durumunda DNA'nın kopan parçasını yeniden birleştirebilecek enzimler de vardır. Ancak bazı nükleotidler kaybolabilir ve bu da ciddi mutasyonlara yol açabilir.
Hücre döngüsünün presentetik döneminde rekombinatif onarım yalnızca homolog kromozomlar arasında gerçekleşebilir, çünkü bu dönemde her kromozom yalnızca bir kromatidden oluşur. Kromozomların iki özdeş kromatidden oluştuğu sentez sonrası dönemde, kardeş kromatitten bir bölge ödünç alınabilir.
Kardeş kromatidlerin başlangıçta aynı alel setine sahip olduğu vurgulanmalıdır (eğer geçiş yoksa). Homolog kromozomlar yoktur. Dolayısıyla genetik açıdan gerçek rekombinasyon yalnızca homolog kromozomlar arasındaki değişim durumunda meydana gelir. Her iki durumda da burada rekombinasyondan bahsediyoruz.
Bu örneği ele alalım. DNA'da replikasyondan önce onarılmayan bir timin dimerinin oluştuğunu varsayalım. Çoğaltma işlemi sırasında, orijinal DNA molekülünün şeritleri birbirinden ayrılır ve her birinin üzerine yeni bir tamamlayıcı iplik inşa edilir. Timin dimerini içeren şablon zincirde bu bölgede yeni bir zincirin bir bölümü oluşturulamaz. Bu noktada normal bir model yok. Yardımcı iplikte bir boşluk belirir ancak ana iplikte bir dimer kalır. Yani bu DNA molekülü, bölgenin doğru nükleotid dizisinin ne olduğunu “bilmez”.
Bu durumda tek çıkış yolu başka bir kromatidden bir DNA parçası ödünç almaktır. Zincirlerinden birinden taşınıyor. Burada oluşan boşluk tamamlayıcı zincirin şablonuna göre oluşturulur. Hasar görmüş moleküldeki aktarılan bölge, yavru zincirdeki boşluğu doldurur; ana zincir, daha sonra onarılabilecek bir dimer içermeye devam edecektir.
Genetik materyalin kendi kendine kopyalanmasını sağlar. Aynı zamanda tamamlayıcılık ilkesi sayesinde, yavru zincirin nükleotid dizilerinin şablon zincirle eşleştirilmesinin doğruluğu çok yüksektir. Ek olarak DNA, kimyasal olarak oldukça inert bir maddedir ve bu, örneğin RNA ile karşılaştırıldığında daha fazla stabilite sağlar. Ancak bu yeterli değildir, çünkü DNA hala dış etkilerden zarar görebilir ve kopyalama aşamasında da hatalar meydana gelebilir. Bu nedenle hücrelerin hasarı ve sentez hatalarını düzeltecek mekanizmalara sahip olması gerekir; DNA onarımı.
DNA sentezinin farklı aşamalarında ve ayrıca meydana gelen hataların türüne bağlı olarak gerçekleştirilen çok sayıda onarım mekanizması vardır.
Onarım mekanizmaları birlikte, DNA moleküllerindeki hata sıklığını önemli ölçüde azaltır ve kalıtsal materyalin stabilitesini korumayı amaçlar. Ancak DNA yapısındaki tüm değişiklikler ortadan kaldırılmadığından mutasyonlar meydana gelir ve bu sayede Dünya'da çeşitli canlı organizmalar ortaya çıkar.
DNA polimeraz ile hataları ortadan kaldırmak
Her şeyden önce, DNA polimerazın kendisi, yeni bir DNA ipliği büyürken, büyüyen zincire doğru nükleotidin bağlanıp bağlanmadığını kontrol eder.
Kalıp nükleotidlere tamamlayıcı olarak bağlanabilen nitrojenli bazların değiştirilmiş formları vardır. Bu şekilde sitozinin değiştirilmiş formu adenine bağlanabilir. Polimeraz bu son nükleotidi büyüyen zincire bağlayacak, ancak hızla normal formuna dönüşecek - sıradan sitozin haline gelecektir. Bu durumda, hidrojen bağları yok edilir (tamamlayıcılık bozulduğu için) ve sonunda eşleştirilmemiş bir nükleotid elde edilir, ancak sentezlenen zincire kovalent olarak bağlanır. Polimeraz zinciri daha fazla uzatamaz. Polimerazın kendisi veya onunla ilişkili bir enzim endonükleaz düzenleme son "yanlış" nükleotidi keser.
Bu kendi kendini düzeltme mekanizması sonucunda replikasyon hatalarının sıklığı 10 kat azalır. DNA sentezi aşamasında hatalı bir nükleotidin eklenmesi 10-5 ise, polimerazın onarım aktivitesi bunların sayısını 10-6'ya düşürür.
Onarım mekanizmaları
DNA polimeraz bazı replikasyon hatalarını düzeltir, ancak hepsini değil. Ayrıca DNA ikiye katlandıktan sonra DNA nükleotid dizisinde de değişiklikler meydana gelir. Pürin bazları (adenin ve guanin) bu şekilde kaybolabilir ve sitozin deaminasyona uğrayarak urasile dönüşebilir. Bu ve diğer değişiklikler genellikle kromozomu çevreleyen ortamda bulunan bazı kimyasal olarak aktif maddeler nedeniyle meydana gelir. Bu tür bileşiklerin bir kısmı normal baz eşleşmesini bozar. Ultraviyole radyasyonun etkisi altında, iki komşu timin kalıntısı birbiriyle bağ oluşturabilir, timin dimerleri ortaya çıkar.
Var doğrudan tazminat mümkünse nükleotidlerin orijinal yapısı, eksizyon olmadan enzimatik olarak restore edildiğinde.
Eksizyon onarımı
Eksizyon veya replikasyon öncesi onarım, bir sonraki replikasyon döngüsünden önce gerçekleşir.
Tamamlayıcı DNA iplikçiklerinden birindeki değiştirilmiş nükleotid dizilerini tespit eden bir enzim sınıfı vardır. Bundan sonra hatalı bölüm kaldırılır ve yeni sentezlenen bölümle değiştirilir. Bu durumda matris, tamamlayıcı "doğru" iş parçacığının bir bölümüdür.
Onarım enzimleri genellikle şablon yerine yeni DNA zincirindeki hataları tespit eder. Aynı DNA molekülünün iki ipliği arasında azotlu bazların metilasyon derecesi açısından küçük bir fark vardır. Kız zincirde sentezin gerisinde kalıyor. Enzimler böyle bir zinciri tanır ve eski zincirin bölümlerini şu veya bu şekilde tamamlayıcı olmayan bölümleri düzeltirler. Ayrıca ökaryotlarda parçalar halinde sentezlenen filamentteki kırılmalar da sinyal görevi görebilir.
Enzim endonükleaz pürin bazlarının kaybını tespit edebilme yeteneğine sahiptir. Bu enzim hasar yerindeki fosfoester bağını kırar. Daha sonra enzim geliyor ekzonükleaz, hatayı içeren bölümü kaldırır. Bundan sonra delik matrisin tamamlayıcılığına göre oluşturulur.
DNA glikozilazları- bazlarındaki deaminasyon, alkilasyon ve diğer yapısal değişikliklerin bir sonucu olarak DNA hasarını tanıyan bütün bir enzim sınıfı. Glikozilazlar nükleotidler yerine bazları uzaklaştırır. Bundan sonra, DNA zincirinin bazsız bölümleri, pürinlerin "tamiri" sırasında olduğu gibi onarılır.
Azotlu bazların deaminasyonunun, orijinal nükleotid dizisinin geri kazanılmasını imkansız hale getirebileceğine dikkat edilmelidir. Bazı baz çiftleri başkalarıyla değiştirilir (örneğin C-G'nin yerini T-A alır).
Timin dimerleri içeren alanları ortadan kaldıran enzimler, tek tek hatalı bazları tanımaz, bunun yerine değiştirilmiş DNA'nın daha uzun bölümlerini tanır. Burada da bir bölüm çıkarılıp yerine yenisi sentezleniyor. Ek olarak, timin dimerleri ışığın etkisi altında kendiliğinden ortadan kaldırılabilir. hafif onarım.
Replikasyon sonrası onarım
Replikasyon öncesi onarım, değiştirilmiş DNA bölümlerini düzeltmezse, bunlar replikasyon sırasında sabitlenir. Yavru DNA moleküllerinden biri, her iki ipliğinde de değişiklikler içerecektir. İçinde bazı tamamlayıcı nükleotid çiftleri başkalarıyla değiştirilir veya yeni sentezlenen zincirde şablonun değişen bölümlerinin karşısında boşluklar belirir.
Replikasyon sonrası onarım sistemi bu tür DNA değişikliklerini tanıyabilmektedir. Bu aşamada DNA hasarının onarımı, biri hasarı içeren, diğeri içermeyen iki yeni DNA molekülü arasında parça değişimi (yani rekombinasyon) ile gerçekleştirilir.
Bu, önceki adımlarda çıkarılmayan timin dimerlerinde meydana gelir. İki bitişik timin arasında kovalent bağlar vardır. Bu nedenle kovalent zincirle hidrojen bağları oluşturamazlar. Sonuç olarak timin dimerini içeren şablon zincir üzerinde bir yavru zincir sentezlendiğinde içinde bir boşluk oluşur. Bu kırılma onarım enzimleri tarafından tanınır. Bu DNA molekülünün doğru bölüme sahip olmadığı açıktır (bir iplikçik timin dimer içerir, diğer iplikçik ise bir deliktir). Bu nedenle tek çıkış yolu, bu DNA molekülünün kalıp zincirinden alınan “sağlıklı” bir molekülden DNA'nın bir bölümünü almaktır. Burada ortaya çıkan boşluk tamamlayıcılık ilkesine göre doldurulmaktadır.
Acil durum sistemi
DNA hasarının önemli bir kısmı açıklanan onarım mekanizmaları kullanılarak onarılır. Bununla birlikte, çok fazla hata varsa, o zaman tamamlayıcılık ilkesine mutlaka uymadan delikleri doldurabilen kendi enzim grubundan oluşan SOS adı verilen sistem genellikle açılır. Bu nedenle SOS sisteminin aktivasyonu sıklıkla mutasyonlara neden olur.
DNA değişimi çok önemliyse replikasyon engellenir ve hücre bölünmez.
Genetik onarım- özel enzimlerin etkisi altında canlı organizmaların hücrelerinde meydana gelen genetik hasarın ortadan kaldırılması ve kalıtsal aparatın onarılması süreci. Hücrelerin genetik hasarı onarma yeteneği ilk kez 1949'da Amerikalı genetikçi A. Kellner tarafından keşfedildi. Daha sonra, kalıtsal materyalin hasarlı bölgelerini ortadan kaldırmak için çeşitli mekanizmalar incelendi ve genetik yenilenmenin tüm canlı organizmalarda doğal olduğu keşfedildi. Görünüşe göre, genetik hasarı onarma yeteneği, Dünya'daki yaşamın gelişiminin ilk aşamalarında ortaya çıktı ve canlıların evrimiyle gelişti: onarım enzimleri, bitki ve hayvan dünyasının en eski temsilcilerinde mevcuttur. Bugüne kadar, hücrelerde sentezlerini kontrol eden genlerin (bkz. Gen) yanı sıra çok sayıda özel onarım enzimi keşfedilmiştir. Bu genlerdeki değişikliklerin vücudun olumsuz ve zararlı faktörlere karşı duyarlılığını arttırdığı, kalıtsal değişikliklerin - mutasyonların (bkz. Mutajenez), hastalıkların ortaya çıkmasının ve erken yaşlanmanın artmasına katkıda bulunduğu kanıtlanmıştır. Bazı kalıtsal insan hastalıklarının, onarım enzimlerinin sentezindeki bozukluklara bağlı olarak geliştiği tespit edilmiştir. Genetik onarımın iki biçimi ayrıntılı olarak incelenmiştir; fotoreaktivasyon ve karanlık onarım.
Fotoreaktivasyon Mikroskobik mantarlar ve bakteriler üzerinde yapılan deneylerde radyasyonun biyolojik etkilerini inceleyen A. Kellner, aynı dozda ultraviyole ışınımına maruz kalan hücrelerin, karanlıkta ışınlama sonrasında çok daha iyi hayatta kaldıklarını keşfetti. normal doğal ışık koşullarına yerleştirilirler. Buna dayanarak ışığın, ultraviyole ışınımının etkisi altında hücrelerin genetik yapılarında meydana gelen hasarların bir kısmını ortadan kaldırdığı öne sürüldü.
A. Kellner tarafından keşfedilen fotoreaktivasyon etkisinin şifresini çözmek neredeyse yirmi yıl sürdü. Ultraviyole ışınlamanın, genetik bilgi taşıyan deoksiribonükleik asit moleküllerinin (DNA olarak kısaltılır - bkz. Nükleik asitler) yapısını bozma yeteneğine sahip olduğu ortaya çıktı. DNA molekülü dört tür azotlu baz içerir: adenin, guanin, sitozin ve timin ve spiral şeklinde bükülmüş iki iplikten oluşur. Çoğu zaman, bir iplikte aynı bazlar yan yana bulunur. Ultraviyole ışınlamanın etkisi altında, bazı azotlu bazlarda kimyasal bağlar kırılır ve bu, örneğin yakındaki timin bazlarında meydana gelirse, birbirleriyle birleşerek timin dimerini oluştururlar. Timin dimerleri, DNA çift sarmalının yapısını önemli ölçüde bozar, bunun sonucunda genetik kaydın anlamı değişir, bu da daha sonra torunlara aktarılan kalıtsal kusurlara veya hücre ölümüne yol açar. Bu hasarları "tedavi etmek" ve ortadan kaldırmak için bazı hücrelerde fotoreaktifleştirici enzimler adı verilen özel enzimler bulunur. Bu enzimler, DNA'nın ultraviyole radyasyondan zarar gören bölgelerini "tanıyabilir", onlara bağlanabilir ve iki timin arasında oluşan bağları yok ederek orijinal (normal) DNA yapısını geri yükleyebilir. Bununla birlikte, fotoreaktifleştirici enzimlerin "terapötik etkisi" - DNA molekülünün bağlantılı bölümlerinin bölünmesi ve orijinal normal yapısının restorasyonu - yalnızca ışık enerjisinin katılımıyla ortaya çıkar. Daha sonra ışık, bu süreçlerde aktive edici bir faktör rolü oynayarak fotoreaktivasyon reaksiyonunu tetikler. Şimdiye kadar bu, ışık enerjisinin aktivatör olarak görev yaptığı biyokimyasal reaksiyonların tek örneği olmaya devam ediyor.
Başlangıçta mikroorganizmalarda fotoreaktivasyon yeteneği keşfedildi; daha sonra bazı balıkların, kuşların, amfibilerin, böceklerin, yüksek bitkilerin ve alglerin hücrelerinde fotoreaktifleştirici enzimler bulundu. Uzun süre boyunca memelilerde ve insanlarda bu tür bir onarım tespit edilemedi. Keseli hayvanların hücrelerinin fotoreaktivasyon yeteneğine sahip olduğu ancak 1969'da kanıtlandı. Bu gerçek, Dünya'nın bu eski sakinlerinin biyolojisinin özellikleriyle açıklandı: Keseli hayvanlarda fotoreaktifleştirici bir enzimin varlığının olağanüstü bir öneme sahip olduğuna inanılıyordu, çünkü yalnızca onlarda (diğer memeliler arasında) embriyo güneş ışığına maruz kalıyor. (ultraviyole ışınlama dahil) annenin çantasına aktarma sürecinde. Son çalışmalar, insan deri hücrelerinde fotoreaktifleştirici bir enzimin var olma olasılığını göstermektedir; Bu, örneğin güneşlenme sırasındaki yoğun ultraviyole ışınımının insanın genetik aygıtına zarar vermemesinin nedeni olabilir.
Karanlık tazminat fotoreaktivasyonun aksine evrenseldir. Çeşitli radyasyon ve kimyasal etkiler sonucu ortaya çıkan DNA'daki çeşitli yapısal hasarları ortadan kaldırır. Karanlık onarım yeteneği tüm hücresel sistemlerde ve organizmalarda bulunmuştur. Mikrobiyal hücrelerin karanlıktaki genetik hasarı onarma yeteneği 1955'te keşfedildi ancak bu sürecin detayları ancak 1964'te açıklığa kavuşturulmaya başlandı. Karanlık onarım mekanizmalarının temelde fotoreaktivasyon mekanizmasından farklı olduğu ortaya çıktı. İlk fark, eğer ışıkta gerçekleşen bir reaksiyon sırasında, fotoreaktive edici bir enzim, DNA molekülünün ultraviyole ışınlamayla bağlanan kısımlarını ayırırsa, o zaman karanlık onarım sırasında, hasarlı kısımların DNA molekülünden çıkarılmasıdır. İkinci fark “iyileştirilebilir” yaralanmaların sayısıyla ilgilidir. Fotoreaktifleştirici enzim yalnızca bir tür DNA hasarına karşı aktiftir - ultraviyole ışınımının etkisi altında timin dimerlerinin oluşumu. Karanlık onarımı gerçekleştiren enzimler, hücreler üzerinde hem kimyasal hem de radyasyon gibi çeşitli etkiler sonucu ortaya çıkan DNA'daki çeşitli yapısal hasarları ortadan kaldırabilmektedir. Karanlık onarımın bir sonucu olarak, bir tür moleküler “cerrahi” müdahale gerçekleştirilir: hasarlı alanlar “kesilir” ve ortaya çıkan “boşluklar”, lokal sentez veya hasarlı ve hasarsız DNA iplikçikleri arasındaki bölümlerin değişimi ile doldurulur. bunun sonucunda orijinal normal yapısı geri yüklenir. Karanlık onarımı, her biri bu karmaşık sürecin belirli bir aşamasından sorumlu olan çok sayıda enzimin kontrolü altında gerçekleştirilir. Eksizyon ve replikasyon sonrası olmak üzere iki tür karanlık onarım ayrıntılı olarak incelenmiştir. Eksizyon onarımı ile DNA'nın hasarlı bölümü, bir sonraki hücre üreme döngüsünün başlangıcından önce veya daha kesin olarak DNA moleküllerinin ikiye katlanması (kopyalanması) başlamadan önce kesilir ve değiştirilir. Bu sürecin biyolojik anlamı, kalıtsal değişikliklerin (mutasyonların) yavrularda pekiştirilmesini ve daha sonra değiştirilmiş formların yeniden üretilmesini önlemektir. Eksizyon onarımı genetik onarımın en ekonomik ve etkili şeklidir. Mikroorganizmalarda normal işleyişi sırasında, DNA replikasyonu başlamadan önce mevcut genetik hasarın% 90'a kadarının giderildiği ve daha yüksek organizmaların hücrelerinden% 70'e kadarının uzaklaştırıldığı tespit edilmiştir. Eksizyon onarımı birkaç aşamada gerçekleştirilir.
Önce özel bir enzim, hasarlı bölgeye yakın DNA iplikçiklerinden birini “keser”, ardından hasarlı bölge tamamen çıkarılır ve ortaya çıkan “boşluk”, eksik bağlantıları sağlayan özel enzimler (DNA polimerazlar) tarafından doldurulur. onları hasarsız şeritten ödünç almak. Eksizyon onarımı yeteneği, insanlarda olduğu kadar mikroorganizmaların, yüksek bitki ve hayvanların hücrelerinde de kurulmuştur.
Replikasyon sonrası onarım- Hücrenin mevcut genetik hasarı ortadan kaldırması ve yavruları kalıtsal özelliklerdeki değişikliklerden koruması için son fırsat. DNA'da, eksizyon onarımı sırasında hücrenin bunları tamamen ortadan kaldıracak zamanı olmayacak kadar çok hasar meydana gelirse veya eksizyon onarımı olasılığını belirleyen genler hasar görürse, bu durumda DNA'nın çoğalması (ikiye katlanması, kopyalanması) işlemi sırasında Ana ipliklerde mevcut olan hasar yerinde kız iplikçikler, “boşluklar” oluşur. Bunun nedeni, DNA replikasyonundan (DNA'nın ana ipliği üzerindeki yavru ipliğin sentezi) sorumlu enzimin, ana ipliğin hasarlı noktasındaki çarpık bilgiyi "okuyamaması"dır. Bu nedenle, eksizyon onarımı sırasında düzeltilmeyen hasarlı bölgeye ulaşan bu enzim durur, ardından yavaş yavaş (normalden yüzlerce kat daha yavaş bir hızda) hasarlı bölgeden geçerek buradan uzaklaşarak yavru ipliğin normal sentezine devam eder. . Bu, replikasyonun başlangıcında DNA'nın ana ipliğinin hasarlı kaldığı tüm noktalarda meydana gelir. Elbette hasar miktarı çok fazla ise çoğalma tamamen durur ve hücre ölür. Ancak boşluk taşıyan DNA molekülleri ile bir hücrenin uzun süre var olması mümkün değildir. Bu nedenle replikasyondan sonra, ancak hücre bölünmesinden önce, replikasyon sonrası onarım süreci başlar. Bir hücre bölünmeden önce iki adet çift sarmallı DNA molekülü oluşur. Eğer bunlardan birinde bir iplikçiğin bir noktasında hasar varsa ve karşı iplikçikte boşluk varsa, o zaman diğer çift iplikli DNA molekülünde o noktadaki her iki iplik de normal olacaktır. Bu durumda, DNA bölümlerinin değişimi meydana gelebilir - rekombinasyon (bkz. Gen, gen değişimi): normal bir DNA molekülünden hasarsız bir bölüm kesilecek ve başka bir moleküldeki hasarlı bölümün yerine yerleştirilecektir. Hasar görmüş genetik materyal normal olanla değiştirilecektir. Bunu takiben özel enzimler (DNA polimerazlar) “boşlukları” kapatacak (burada her iki molekülde de hasar olmayacağı için artık bunu yapabilecekler), yeni sentezlenen ve eski iplikler birbirine bağlanacak ve Orijinal DNA yapısı bunun tamamen onarılmasının sonucu olacaktır. Rekombinasyonun uygulanmasıyla ilişkili sürecin doğasına uygun olarak, bu tür replikatif onarıma aynı zamanda rekombinasyon da denir.
Görünüşe göre, açıklanan mekanizma, DNA'nın ikiye katlanmasından (kopyalanmasından) sonra normal yapısını geri kazanmanın tek yolu değildir. Her durumda, onarılan DNA'nın orijinal yapısına karşılık gelmeyen boşluklara bağlantıların yerleştirildiği, yani mutasyonların meydana geldiği bir mekanizma bilinmektedir. Bir hücrenin, yukarıda açıklanan yöntemlerden herhangi birini kullanarak DNA'sını şu veya bu nedenle onaramadığı ve son bir şansa sahip olduğu durumlarda bu durumun gerçekleşmesi mümkündür: ya mutasyonlar pahasına hayatta kalmak ya da ölmek. Çeşitli onarım sistemlerinin etkileşimi, hücredeki aktivitelerinin düzenlenmesi ve operasyonun kesin zamanlaması henüz yeterince araştırılmamıştır. Bazı durumlarda hücrede eksizyon ve replikatif onarım sonrası enzimlerin koordineli bir etkisinin meydana geldiği bulunmuştur. Örneğin, birçok zehirin (örneğin hardal gazı gibi) etkisi altında meydana gelen iki DNA ipliği birbirine bağlanırsa (dikilir), o zaman ilk önce onarım reaksiyonu, kesip kesen bir eksizyon onarım enzimi ile başlar. DNA'nın bir ipliği ve ardından replikasyon sonrası onarım enzimleri devreye girerek süreci tamamlar.
İnsan hücrelerinde replikatif onarım sonrası enzim sistemleri bulunmuştur. İnsan hücrelerinde bu tip onarımı sağlayan enzimatik mekanizmaların tam olarak ne olduğu henüz tam olarak aydınlatılamamıştır, ancak insan hücrelerinde rekombinasyonun ve mutasyonların meydana gelmesiyle boşlukların rastgele doldurulmasının meydana gelebileceği bilinmektedir. Bilinen genetik onarım işlemlerinin göreceli verimliliği de belirsizdir. Örneğin, ultraviyole ışıkla ışınlanan E. coli hücrelerinin, eksizyon onarım sisteminin normal çalışması koşuluyla, DNA'dan 1000'e kadar hasarı giderebildiği tespit edilmiştir. DNA'da daha fazla hasar oluştuğunda hücre ölür. Eksizyon onarım sistemi devre dışı bırakılırsa, replikatif onarımla yalnızca yaklaşık 100 lezyon çıkarılabilir. Her iki onarım sistemi de eksikse, DNA'da meydana gelen tek bir hasar nedeniyle hücre ölür.
Onarım ve mutasyonlar. Daha sonra genetik onarımla ilgili ilk çalışmalarda hasarlı alanların ortadan kaldırılması ile mutasyon sıklığının azalması arasında yakın bir bağlantı kuruldu. Daha sonra onarım enzimlerinin aktivitesindeki bozuklukların mutasyon sayısında keskin bir artışa yol açtığı kanıtlandı. Aynı zamanda, onarım enzimlerinin çalışmasındaki “hatalar” nedeniyle mutasyonların genetik onarım süreçleri sırasında da ortaya çıkabileceği artık tespit edilmiştir. Onarım işlemlerinin ağırlıklı olarak hatasız gerçekleştirildiği ve yalnızca boşluklara rastgele bazların yerleştirildiği replikatif onarım reaksiyonunun mutasyonlara neden olduğu hipotezi en çok kabul görmüş olsa da, giderek artan sayıda deneysel veri birikiyor ve bu durumun daha da kötüleştiğini gösteriyor. nispeten az sayıda hata onarımı, hem normal (doğal) koşullar altında hem de hücreler zarar verici faktörlere maruz kaldığında tespit edilen önemli sayıda mutasyonun ortaya çıkmasına yol açar.
Organizmaların bireysel gelişiminin farklı aşamalarında onarım. Bir veya başka türde genetik onarımı gerçekleştirme yeteneği, organizma gelişiminin farklı aşamalarında değişebilir. Araştırmalar, memelilerde (insanlar dahil) tüm onarım süreçlerinin maksimum verimliliğinin, embriyonik (intrauterin) gelişim sırasında ve vücudun büyümesinin ilk aşamalarında kendini gösterdiğini göstermektedir. Örneğin, kemirgenlerde (hamster, sıçan, fare ve diğerleri) eksizyon onarımı reaksiyonunu uzun süre bulmak mümkün değildi ve ancak yakın zamanda bu tür onarımın gelişimin embriyonik aşamasında gerçekleştiği ve durduğu keşfedildi. daha sonraki aşamalarda. Çoğunlukla sadece bölünen hücrelerde, örneğin embriyonun gelişen sinir hücrelerinde gerçekleştirilir. Bu hücrelerin bölünmesinin baskılandığı koşullar yaratırsanız, örneğin X-ışını ışınımının neden olduğu tek iplikli DNA kırılmalarının onarımı da ortadan kaldırılır.
Onarım bozuklukları ve insan hastalıkları. 1968'de İngiliz bilim adamı D. Cleaver, kalıtsal bir insan hastalığının, belirtileri kızarıklık, büyüme oluşumu, genellikle güneş ışığına maruz kalma bölgesinde cilt bölgelerinin malign dejenerasyonu ve görsel olarak ortaya çıkan kseroderma pigmentoza olduğunu kanıtladı. eksizyon onarım enzimlerinin aktivitesindeki bir kusurdan kaynaklanan bozulma, sinir sistemi ve diğerleri. Daha sonra bazı kalıtsal insan hastalıklarının genetik onarım süreçlerinin ihlallerinden kaynaklandığı tespit edildi. Bu hastalıklar arasında cücelik, erken yaşlanma ve ilerleyici demansa neden olan Hutchinson sendromu yer alıyor. Onarım enzimlerini kodlayan genlerdeki hasar, sistemik lupus eritematozus ve diğerleri gibi nispeten yaygın bir hastalığın çeşitli formlarının ortaya çıkmasından sorumludur.
Bu hastalıkların moleküler doğasının incelenmesi, tedavi yöntemlerinin nispeten hızlı bir şekilde geliştirilebileceği konusunda umut vermektedir. Bu yöndeki ilerleme, hem genetik onarım süreçlerinin ayrıntılarının incelenmesine hem de aktif olarak çalışan enzimlerin normal organizmalardan (özellikle mikroplardan) izole edilmesi ve bunların daha sonra hastanın vücuduna dahil edilmesi olasılığının araştırılmasına ve hastalıklı genleri sağlıklı olanlarla değiştirme yöntemlerine bağlıdır. bkz. Genetik Mühendisliği). İkinci yol sadece hipotezler alanında kalırken, birinci yönde deneysel çalışmalar başlamıştır. Böylece, Japon araştırmacılar K. Tanaka, M. Bekguchi ve I. Okada, 1975'in sonunda, bakteriyel bir virüsle enfekte olmuş bakteri hücrelerinden izole edilen onarım enzimlerinden birinin, acı çeken bir hastadan alınan hücrelerdeki bir kusuru ortadan kaldırmak için başarılı bir şekilde kullanıldığını bildirdi. pigmenter yetmezlikten. Bu enzimin yapay koşullar altında kültürlenen insan hücrelerine başarıyla nüfuz etmesi için öldürülmüş bir Sendai virüsü kullanıldı. Ancak bugüne kadar insan vücudu üzerinde böyle bir çalışma yapılmadı. Bir diğer yön ise onarım enzimlerindeki kusurlardan kaynaklanan hastalıkların erken teşhisine yönelik yöntemlerin geliştirilmesiyle ilgilidir.
DNA replikasyonunu gerçekleştiren enzimlerin yüksek doğruluğuna ve bir düzeltme mekanizmasının varlığına rağmen, tamamlayıcı olmayan nükleotidlerin bileşimlerine dahil edilmesi nedeniyle yeni DNA zincirlerinin sentezi sırasında hala hatalar meydana gelmektedir. Ayrıca hücrelerdeki DNA molekülleri, yapılarını bozan çeşitli fiziksel ve kimyasal faktörlere maruz kalır. En yaygın DNA hasarları aşağıdakileri içerir:
Pürin ve deoksiriboz arasındaki (b-N)-glikosidik bağların kırılması (depurinasyon), bu çoğunlukla artan sıcaklığın bir sonucudur. Bir insan hücresinde günde 5.000 ila 10.000 eylem gerçekleştirilir. depürinasyon;
Sırasıyla urasil ve hipoksantin kalıntılarını oluşturmak için sitozin ve adenin kalıntılarının kendiliğinden deaminasyonu (günde genom başına yaklaşık 100 olay);
Özel sınıftaki kimyasalların etkisi altında azotlu bazların alkilasyonu ( Alkilleyici ajanlar);
- ara katman bitişik nükleotid çiftleri arasına bazı bağlantıların (eklenmesi);
İki işlevli ajanların etkisi altında DNA zincirleri arasında kovalent çapraz bağların oluşumu;
Ultraviyole ışığın (UV) emilmesi üzerine meydana gelen zincirdeki bitişik pirimidinler arasında siklobütan dimerlerinin oluşumu (Şekil 2.2).
Bu hasarların çoğu replikasyon ve gen ekspresyon süreçlerini bozar; örneğin E. coli DNA'sındaki her timin dimer, replikasyonu 10 saniye geciktirir. Ayrıca bu lezyonlar, DNA replikasyonu başlamadan düzeltilmediği takdirde mutasyon kaynağıdır.
Çoğu zaman, bu tür ihlaller DNA iplikçiklerinden yalnızca birinde meydana gelirken, çoğu durumda hasarın karşısındaki ikinci iplikçik, hataları düzeltmek için bir matris görevi görebilecek "doğru" diziyi içerir. Böylece, DNA'nın çift sarmalı ve onarım enzimlerinin yapısı hakkındaki bilgileri kodlaması gerçeği, benzersiz bir hata düzeltme mekanizmasını mümkün kılar - onarım, yalnızca bir molekül sınıfının (DNA) karakteristik özelliğidir.
Farklı organizmalarda çok sayıda onarım sistemi ve mekanizması mevcuttur; bunların arasında yalnızca bir tür hasarın düzeltilmesine yönelik olanlar vardır ve ayrıca daha az spesifik olanlar da vardır. Kolaylık sağlamak için, şu anda bilinen tüm onarım süreçleri iki kategoriye ayrılabilir: 1) replikasyonun katılımını gerektirmeyen ve DNA ihlallerinin doğrudan düzeltilmesini temsil edenler; 2) onarım replikasyonunun meydana geldiği daha karmaşık süreçler. UV ışınımının neden olduğu hasarın onarımı ile ilgili olarak en iyi çalışılmış onarım mekanizmaları pirimidin dimerleridir (Şekil 2.2).
UV ışığına bağımlı enzimler, UV ışınımının sonuçlarının onarımı için en iyi bilinen işlemlerde yer aldığından, onarım mekanizmaları ayrıca ışığa (yalnızca görünür ışıkta gerçekleştirilebilir) ve karanlığa (görünür katılımı gerektirmeyen) ayrılır. hafif) onarımı.
Doğrudan hasar onarımına yönelik onarım mekanizmaları, guanin kalıntılarının dealkilasyonunu ve siklobutan dimerlerinin bitişik pirimidin bazları arasında monomerizasyonunu içerir. Metilguanin kalıntılarının Dealkilasyonu karanlık onarıma aittir ve bakteriyel hücrelerde ve besinlerde bulunan enzimlerin katılımıyla gerçekleşir. 06-metilguanin DNA alkil transferaz, alkil gruplarının enzimin sistein kalıntılarının sülfhidril gruplarına transferini katalize eder (Şekil 2.3).
Bu süreçte dimerlerin pirimidin nükleotidleri arasında bölünmesi meydana gelir. fotoreaktivasyon- Daha sonra görünür ışığa maruz kalmanın bir sonucu olarak UV radyasyonu nedeniyle hasar gören DNA moleküllerinin yapısının restorasyonu (ışık onarımı). Enzimatik olmayan kısa dalga fotoreaktivasyonu bilinmektedir; bu, dimerlerin 240 nm dalga boyuna sahip ultraviyole radyasyonun etkisi altında monomerizasyonunun yanı sıra enzimatik fotoreaktivasyondan oluşur. İkincisi genellikle fotoreaktivasyonun kendisi anlamına gelir. Bu işlem, 300-600 nm dalga boyuna sahip görünür ışığın katılımını gerektirir ve spesifik fotoreaktifleştirici enzimlerin (deoksiribopirimidin fotoliyaz) etkisi altında gerçekleştirilir. Fotoliazın substratı, bir kompleks oluşturduğu pirimidin bazlarının dimerleridir (enzim sağlam DNA'ya bağlanmaz). Enzim, emilen ışığın enerjisini kullanarak, DNA iplikçiklerini kırmadan dimeri yok eder (Şekil 2.4).
Fotoreaktivasyon olgusu doğada yaygındır ve mikoplazmalar gibi ilkel mikroorganizmalarda bile bulunmuştur. Fotoreaktifleştirici enzimler, UV ışığının etkisine son derece dirençli olan Deinococcus radyodurans hariç, incelenen tüm bakterilerin yanı sıra bazı yüksek bitki ve hayvanlarda da bulunur: bu bakteriler, UV ışığının etkisine karşı 1000 kat daha yüksek dozlara dayanır. E. coli'yi öldür. Fotoreaktivasyon yeteneğinin tamamen olmamasına rağmen, D.radiodurans güçlü bir eksizyon onarım sistemine sahiptir.
Bozulmuş alanların değiştirilmesiyle ilişkili onarım olayları, görünür ışığın katılımını gerektirmez ve diğer enzimlere ek olarak, iki tür nükleaz da bunlarda önemli bir rol oynar: ekzo- ve endonükleazlar. Ekzonükleazlar, zincirlerin uçlarından başlayarak DNA'yı parçalar ve endonükleazlar, iç kısımlardaki zincirlere saldırarak DNA'da tek iplikli kırılmalar oluşturur. DNA onarım senteziyle ilişkili farklı onarım türleri arasında iki ana onarım ayırt edilebilir: eksizyonel Ve kopyalama sonrası tazminat.
Eksizyon onarımı. Eksizyon onarımının ayırt edici özelliği hasarlı DNA bölümünün çıkarılmasıdır. Bu tür onarım, DNA hasarına fotoreaktivasyon kadar spesifik değildir ve yalnızca pirimidin dimerlerini değil aynı zamanda DNA yapısındaki diğer birçok değişikliği düzeltmek için de kullanılabilir. Eksizyon onarımı (Şekil 2.5, A) çok aşamalı bir süreçtir ve aşağıdaki olayları içerir:
1) bir sonraki aşamayı da gerçekleştiren spesifik endonükleazlar tarafından gerçekleştirilen DNA'daki hasarın tanınması;
2) hasara yakın bir DNA ipliğinin kesilmesi - kesik(endonükleazları gerçekleştirin);
3) hasarla birlikte bir grup nükleotidin çıkarılması - eksizyon(eksonükleazları gerçekleştirin);
4) DNA yeniden sentezi - ortaya çıkan boşluğun doldurulması (DNA polimeraz aktivitesi);
5) molekülün şeker-fosfat omurgasında kovalent bağların oluşması nedeniyle onarılan zincirin sürekliliğinin restorasyonu.
Eksizyon onarımının mekanizması en iyi şekilde, ultraviyole ışıkla ışınlanmış E. coli DNA'sından pirimidin dimerlerinin karanlıkta çıkarılması örneği kullanılarak incelenir. Escherichia coli hücrelerinde uvrA-D genleri (DNA zincirinin bir bölümünü bir dimerle kesen enzimlerin yapısını kodlar) ve ayrıca polA (rejeneratif sentezini gerçekleştiren DNA polimeraz I'in yapısını belirler) DNA), bu süreçten sorumludur. Bu eksizyon onarımı yönteminin bir özelliği, timin dimerinin her iki tarafında tek sarmallı kesiklerin oluşmasıdır.
Timin dimerlerinin oluşumuyla ilişkili olanlar da dahil olmak üzere hasarı onarmak için, bazı organizmalar, özel bir enzim olan N-glikosilazın sürece katılımını içeren başka bir tür eksizyon onarımı kullanır. Bu durumda ilk onarıcı olay, hasarlı baz (örneğin, dimerdeki timinlerden biri, N-alkile edilmiş bir purin vb.) ile deoksiriboz arasındaki glikosidik bağın bölünmesidir. Böylece yerel bir apurinizasyon, veya apirimidinizasyon; AP bölgesinin yanındaki fosfodiester bağını parçalayan, AP'ye özgü bir endonükleaz tarafından tanınan, AP bölgesi adı verilen bir bölge ortaya çıkar. Boşluk daha sonra normal onarım sentezi ile doldurulur.
Bakteriyel ve ökaryotik hücrelerde bir takım farklı N-glikosilazlar bulunmuştur. Örneğin, urasil DNA glikosilaz, bir dG/dC çiftinden bir deoksisitozin kalıntısının kendiliğinden deaminasyonundan kaynaklanan hatalı bir dG/dU çiftini tanır. Sitozinin deaminasyonu, replikasyon sırasında bir dA/dT mutant nükleotid çiftinin ortaya çıkmasına neden olabilir, çünkü hidrojen bağlarının oluşumu açısından urasil, timine benzer şekilde davranır. Bu türden bir başka yaygın enzim, pirimidin dimerlerinin oluşumuyla ilişkili hasarın onarımında bir apirimidin bölgesi oluşturan pirimidin dimer-N-glikosilazdır.
Depurinizasyon veya depirimidinizasyonun meydana geldiği alanlar AP (apurinik ve apirimidinik) endonükleazlar tarafından bölünür. Pro ve ökaryotik hücrelerde birçok farklı AR endonükleazı vardır. Bazıları AP bölgesinin 3' tarafındaki ipliği keserken, diğerleri 5' tarafındaki diester bağını keser; her iki durumda da 3'-hidroksil ve 5'-fosforil uçları oluşur. Bu, eksonükleazın, hasarla birlikte kesimin her iki tarafındaki bitişik kalıntıları da ortadan kaldırmasına olanak tanır.
Memeliler de dahil olmak üzere pro- ve ökaryotik organizmalarda çeşitli eksizyon onarımı türleri yaygındır. Eksizyon onarımı süreçlerindeki bozukluklar dramatik sonuçlara yol açabilir. Böylece insanlarda kalıtsal bir hastalık bilinmektedir - kseroderma pigmentozum Başlıca semptomları güneş ışığına karşı artan hassasiyet olup cilt kanserinin gelişmesine yol açar. Bu hastalarda çeşitli eksizyon onarım defektleri tespit edildi.
Replikasyon sonrası onarım. Bu tür onarım, rekombinasyon olaylarına (rec genleri) dahil olan gen ürünlerinin katılımını gerektirir ve rec mutant hücrelerde gerçekleştirilmez, bu nedenle buna rekombinasyon onarımı da denir. Rekombinasyon sonrası replikatif onarım, hasarlı DNA'nın replikasyon ve rekombinasyon süreçlerine dayanır; hasarın tanınması aşamasından yoksun olduğundan, dikkate alınan tüm onarım türleri arasında en az spesifik olanıdır. Bu oldukça hızlı bir kurtarma yöntemidir yerli Kız kardeş (yeni sentezlenmiş) iplikçiklerdeki DNA yapıları: onarımın ışınlamadan sonraki ilk dakikalarda gerçekleştiği gösterilmiştir. Bu sürecin bir özelliği orijinal (ana) zincirlerdeki hasarın korunmasıdır (Şekil 2.5, B).
Hızlı onarımın yanı sıra, birkaç saat gerektiren yavaş kopyalama sonrası onarım da vardır. Işınlanmayan hücrelerde bulunmayan ve ışınlamayla indüklenen bir enzim sistemi tarafından üretilir. Bu mekanizmaya SOS onarımı denir. Şaşırtıcı farkı, DNA'nın zaten hasar görmüş olmasına rağmen mutasyonların sıklığındaki önemli artıştır. Bu, hasar içeren bir DNA ipliğinin şablon olarak kullanılmasının bir sonucu olabilir.
Replikasyon sonrası onarım yalnızca bakterilerde değil aynı zamanda memeliler de dahil olmak üzere ökaryotik hücrelerde de mevcuttur.
DNA sentezi yarı koruyucu bir mekanizmaya göre gerçekleşir: her bir DNA zinciri kopyalanır. Sentez bölümler halinde gerçekleşir. DNA replikasyonu sırasında hataları ortadan kaldıran bir sistem var (foto onarım, üreme öncesi ve üreme sonrası onarımlar)). Onarım süreci çok uzundur: 20 saate kadar ve karmaşıktır. Kısıtlama enzimleri, DNA'nın uygun olmayan bir bölümünü kesip yeniden oluşturur. Tazminatlar hiçbir zaman %100 verimlilikle ilerlemez; eğer öyle olsaydı evrimsel çeşitlilik mevcut olmazdı. Onarım mekanizması, DNA molekülünde iki tamamlayıcı zincirin varlığına dayanmaktadır. Bunlardan birindeki nükleotid dizisinin bozulması, spesifik enzimler tarafından tespit edilir. Daha sonra karşılık gelen bölüm çıkarılır ve ikinci tamamlayıcı DNA zincirinde sentezlenen yeni bir bölümle değiştirilir. Bu tür bir tazminat denir eksizyon, onlar. kesme ile. Bir sonraki çoğaltma döngüsünden önce gerçekleştirilir, bu yüzden buna da denir. ön kopyalama. Eksizyon onarım sisteminin bir DNA zincirinde meydana gelen değişikliği düzeltmemesi durumunda, replikasyon sırasında bu değişiklik sabitlenir ve her iki DNA zincirinin malı haline gelir. Bu, bir çift tamamlayıcı nükleotidin bir başkasıyla değiştirilmesine veya yeni sentezlenen zincirde değişen bölümlere karşı kırılmaların ortaya çıkmasına yol açar. Çoğaltma sonrasında normal DNA yapısının restorasyonu da gerçekleşebilir. Onarım sonrası onarım yeni oluşan iki DNA çift sarmalının rekombinasyonuyla gerçekleştirilir. Replikasyon öncesi ve replikasyon sonrası onarım sırasında hasarlı DNA yapısının çoğu onarılır. Yapılan onarıma rağmen hücredeki hasar miktarı yüksek kalırsa, hücrede DNA replikasyon işlemleri engellenir. Bu hücre bölünmez.
19.Gene, özellikleri. Genetik kod, özellikleri. RNA'nın yapısı ve türleri. İşleme, birleştirme. Kalıtsal bilginin gerçekleştirilme sürecinde RNA'nın rolü.
Gen – bir polipeptit zincirinin veya makromolekülün yapısı hakkında bilgi taşıyan bir DNA molekülünün bir bölümü. Bir kromozom üzerindeki genler doğrusal olarak düzenlenerek bir bağlantı grubu oluşturur. Bir kromozomdaki DNA farklı işlevleri yerine getirir. Farklı gen dizileri vardır, gen ekspresyonunu, replikasyonunu vb. kontrol eden gen dizileri vardır. Polipeptit zincirinin yapısı ve sonuçta yapısal proteinler hakkında bilgi içeren genler vardır. Bir gen uzunluğundaki bu tür nükleotid dizilerine yapısal genler denir. Yapısal genlerin aktivasyon yerini, zamanını ve süresini belirleyen genler düzenleyici genlerdir.
Genler binlerce nükleotid çiftinden oluşmasına rağmen boyutları küçüktür. Bir genin varlığı, gen özelliğinin (nihai ürün) ortaya çıkmasıyla belirlenir. Genetik aparatın yapısının ve işleyişinin genel bir diyagramı 1961'de Jacob ve Monod tarafından önerildi. Bir DNA molekülünün bir grup yapısal gene sahip bir bölümünün bulunduğunu öne sürdüler. Bu grubun bitişiğinde 200 nükleotid çiftinden oluşan bir bölge vardır - promoter (DNA'ya bağımlı RNA polimerazına bitişik bölge). Bu bölge operatör genine bitişiktir. Tüm sistemin adı operondur. Düzenleme, düzenleyici bir gen tarafından gerçekleştirilir. Bunun sonucunda baskılayıcı protein operatör gen ile etkileşime girer ve operon çalışmaya başlar. Substrat, düzenleyicilerle gen ile etkileşime girer, operon bloke edilir. Geri bildirim ilkesi. Operonun ifadesi bir bütün olarak dahil edilmiştir.
Ökaryotlarda gen ekspresyonu araştırılmamıştır. Bunun nedeni ciddi engellerdir:
Genetik materyalin kromozom şeklinde organizasyonu
Çok hücreli organizmalarda hücreler uzmanlaşmıştır ve bu nedenle bazı genler devre dışıdır.
Histon proteinlerinin varlığı, prokaryotların ise “çıplak” DNA'sı vardır.
DNA bir makromoleküldür; çekirdekten sitoplazmaya girip bilgi iletemez. M-RNA sayesinde protein sentezi mümkündür. Ökaryotik bir hücrede transkripsiyon muazzam bir hızda gerçekleşir. İlk olarak pro-i-RNA veya pre-i-RNA ortaya çıkar. Bu, ökaryotlarda mRNA'nın işleme (olgunlaşma) sonucu oluşmasıyla açıklanmaktadır. Gen süreksiz bir yapıya sahiptir. Kodlayan bölgeler eksonlardır ve kodlamayan bölgeler intronlardır. Ökaryotik organizmalardaki gen, ekzon-intron yapısına sahiptir. İntron eksondan daha uzundur. İşleme sırasında intronlar "kesilir" - birleştirilir. Olgun mRNA'nın oluşumundan sonra, özel bir protein ile etkileşime girdikten sonra, bilgileri sitoplazmaya taşıyan bir sisteme - bir informozoma geçer. Artık ekzon-intron sistemleri iyi çalışılmaktadır (örneğin onkogen P-53). Bazen bir genin intronları diğerinin eksonları olabilir, o zaman birleştirme imkansızdır. İşleme ve birleştirme, birbirinden uzak yapıları tek bir gende birleştirme yeteneğine sahiptir, dolayısıyla bunlar büyük evrimsel öneme sahiptir. Bu tür süreçler türleşmeyi kolaylaştırır. Proteinler blok yapıya sahiptir. Örneğin enzim DNA polimerazdır. Sürekli bir polipeptit zinciridir. Kendi DNA polimerazından ve DNA molekülünü uçtan parçalayan bir endonükleazdan oluşur. Enzim, bir polipeptit köprüsü ile bağlanan 2 bağımsız kompakt parçacık oluşturan 2 alandan oluşur. 2 enzim geni arasındaki sınırda bir intron vardır. Alanlar bir zamanlar ayrı genlerdi ancak daha sonra yakınlaştılar. Bu gen yapısının ihlali gen hastalıklarına yol açar. İntron yapısının ihlali fenotipik olarak algılanamaz; ekzon dizisindeki bozukluk mutasyona (globin genlerinin mutasyonu) yol açar.
Bir hücredeki RNA'nın %10-15'i transfer RNA'dır. Tamamlayıcı bölgeler var. Özel bir üçlü var - bir antikodon, tamamlayıcı nükleotidlere sahip olmayan bir üçlü - GGC. İki ribozomal alt birimin ve mRNA'nın etkileşimi başlatmaya yol açar. 2 bölge vardır - pektidil ve aminoasil. Amino asitlere karşılık gelirler. Polipeptit sentezi adım adım gerçekleşir. Uzama - Bir polipeptit zinciri oluşturma süreci, anlamsız bir kodona ulaşana kadar devam eder, ardından sonlanma meydana gelir. Daha sonra ER kanallarına giren polipeptidin sentezi biter. Alt birimler birbirinden ayrılır. Bir hücrede çeşitli miktarlarda protein sentezlenir.