Головна ⇒ 📌Довідник з біології ⇒ Підтримування генетичної стабільності клітин

Підтримування генетичної стабільності клітин

МЕДИЧНА БІОЛОГІЯ

Розділ 1

БІОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ЖИТТЄДІЯЛЬНОСТІ ЛЮДИНИ

1.2. Молекулярно-генетичний і клітинний рівні організації життя

1.2.3. Спадковий апарат еукаріотичних клітин і його функціонування на молекулярному рівні

1.2.3.4. Підтримування генетичної стабільності клітин

Для забезпечення основних характеристик клітин і організмів даної популяції необхідне точне зберігання структури і стабільності функцій генетичного матеріалу впродовж тисяч і мільйонів років, незважаючи на дію різних мутагенних факторів. Для підтримання

стабільної функції ДНК існує кілька механізмів. По-перше, це висока хімічна стабільність самої молекули ДНК, а по-друге, – наявність спеціальних механізмів самокорекції і репарації виникаючих змін. Генетична інформація може надійно зберігатися в нуклеотидних послідовностях ДНК лише тому, що широкий набір різних реплікаційних ферментів здійснює безупинний “огляд” ДНК і видаляє з неї ушкоджені нуклеотиди.

Під дією фізичних і хімічних агентів, а також при нормальному біосинтезі ДНК у ній можуть виникати ушкодження. Виявилося, що клітини мають механізми виправлення пошкоджень у нитках ДНК. Здатність

клітин до виправлення пошкоджень у молекулах ДНК одержала назву репарації (від. лат. rераrаtiо – відновлення).

Процес репарації ДНК полягає в тому, що генетична інформація подана в ДНК двома копіями – по одній в кожному з двох ланцюгів подвійної спіралі ДНК. Завдяки цьому випадкове пошкодження в одному з ланцюгів може бути видалено реплікаційним ферментом і ушкоджена ділянка ланцюга ресинтезована у своєму нормальному вигляді за рахунок інформації, що міститься в неушкодженому ланцюгу.

За часом здійснення у клітинному циклі розрізняють дореплікативну, реплікативну і постреплікативну репарацію.

Дореплікативна репарація. Це процес відновлення пошкодженої ДНК до її подвоєння. У найпростіших випадках розриви можуть бути відновлені ферментом лігазою. В інших випадках використовується повна ферментативна система репарації (наведена нижче).

Реплікативна репарація. Це сукупність процесів відновлення ДНК у ході реплікації. При цьому ушкоджена ділянка видаляється впродовж реплікації у зоні росту ланцюга. У забезпеченні високої точності реплікації значна роль належить механізму самокорекції, який здійснюється ДНК-полімеразою або тісно зв’язаним з нею ферментом ендонуклеазою. Цей процес пов’язаний із визначенням помилково включеного в ланцюг нуклеотиду, відщепленням його і заміною на відповідний. В результаті цього частота помилок знижується в 10 разів (з 105-106).

Постреплікативна репарація. її механізм точно не вивчений. При постреплікативній репарації відбувається вирізання пошкодженої ділянки і зшивання кінців. При цьому клітина може зберігати життєздатність і передавати дефектну ДНК дочірнім клітинам. Припускають можливість різних варіантів синтезу ДНК на пошкодженій матриці.

За механізмами розвитку репарації розрізняють: ексцизійну, неексцизійну, рекомбінативну репарацію.

Ексцизійна репарація (вирізаюча). При ексцизійній репарації усуваються пошкодження, які з’явилися під впливом іонізуючої радіації, хімічних речовин та інших чинників. Це основний тип репарації, виявлений як у прокаріотів, так і у клітинах еукаріотів.

Ексцизійна репарація ДНК відрізняється тим, що не тільки розрізаються димери (як при світловій), але й вирізаються великі ділянки молекули ДНК (до кількох сотень нуклеотидів). Очевидно, можуть видалятися цілі гени, після чого відбувається репаративний комплементарний матричний синтез за допомогою ферменту ДНК-полімерази.

На основі однієї з запропонованих моделей встановлено п’ять послідовних етапів ексцизійної репарації: 1) “розпізнавання” пошкодження ДНК ендонуклеазою; 2) розрізування ендонуклеазою одного з ланцюгів молекули ДНК поблизу пошкодження; 3) “вирізання” пошкодженої ділянки та її розширення екзонуклеазою; 4) матричний синтез нового ланцюга ДНК-полімеразою (репаративна реплікація); 5) з’єднання новоутвореної ділянки з ниткою ДНК під впливом фермента ДНК-лігази.

Неексцизійна репарація. Фоторепарація. Здатність до репарації була виявлена у бактерій, які зазнавали впливу ультрафіолетових променів. В результаті опромінення цілісність молекул ДНК порушується, тому що в них виникають димери, тобто зчеплені між собою сусідні піримідинові основи. Димери можуть формуватися між двома тимінами, тиміном і цитозином, двома цитозинами, тиміном і урацилом, двома урацилами. Однак опромінені клітини на світлі виживають набагато краще, ніж у темряві. Після ретельного аналізу причин цього явища встановлено, що в пошкоджених клітинах на світлі відбувається репарація ДНК (фоторепарація). Вона здійснюється спеціальним ферментом ДНК-фотолігазою, яка активується квантами видимого світла. Фермент з’єднується з пошкодженою ДНК, роз’єднує зв’язки в димерах і відновлює цілісність нитки ДНК. Фермент ДНК-фотолігаза, що фотореактивує, не є видоспецифічним, тобто діє на різні види ДНК. У ньому є ціанокобаламін (вітамін В12), що поглинає кванти видимого світла та передає енергію молекулі ферменту. На ранніх стадіях еволюції живих організмів, коли був відсутній озоновий екран, який затримує велику частину потоку згубних для організмів сонячних ультрафіолетових променів, фоторепарація відігравала особливо важливу роль.

Рекомбінативна репарація. Якщо, наприклад, димери тиміну не усунуті до рекомбінації, то це призводить до зміни структури дочірніх ДНК. Такі порушення можуть усуватися безпосередньо в процесі кросинговеру. Але при цьому не відбувається усунення димеру, він видаляється вже після реплікації.

Наслідки порушення процесу репарації.

Виявлено кілька мутацій, які викликають тяжкі природжені захворювання внаслідок порушення процесу репарації. Прикладом може бути пігментна ксеродерма – рецесивна аутосомна мутація, що зустрічається досить рідко. Діти, гомозиготні за геном цієї мутації, при народженні виглядають нормально, але вже в ранньому віці під впливом ультрафіолетових променів сонячного світла у них з’являються зміни шкіри: ластовиння, розширення капілярів, ороговіння шкіри, ураження очей, що пов’язано з пошкодженням ДНК. У фібробластах, взятих із шкіри хворих на пігментну ксеродерму, процес репарації після ультрафіолетового опромінювання затягується до 30 год (у клітинах здорових людей – 6 год) і не досягає рівня нормального. Тривалий вплив ультрафіолету призводить, зрештою, до виникнення раку шкіри і летального кінця. У таких дітей відсутній один із ферментів репарації ДНК.

Здатність клітин здійснювати ефективну репарацію генетичного матеріалу може мати значення також у клітинних механізмах старіння. Існують спостереження, що лінії мишей-довгожителів відрізняються більш стабільними хромосомами, а в мишей із нетривалим терміном життя хромосоми характеризуються більшим пошкодженням, виникненням структурних аберацій, які є наслідком порушення процесів репарації. Існують спостереження, які свідчать про зниження інтенсивності процесів репарації ДНК з віком. Але важко сказати, чи ці зміни – причина старіння організму, чи його наслідок.