 |
|
Почему именно ДНК стала носителем наследственной информации?
Видимо, уже на ранних стадиях эволюции ДНК заменила РНК в качестве носителя генетической информации. Этому должны были способствовать большая химическая устойчивость ДНК, связанная с заменой рибозы на дезоксирибозу, и двухцепочечное строение, «скрывающее» целый ряд реакционноспособных группировок. Но, несмотря на свои «преимущества», ДНК постоянно подвергается химическим изменениям, как спонтанным, так и индуцированным мутагенами и даже клеточными метаболитами. Еще одна обычная причина повреждений ДНК – радиация и ультрафиолетовое облучение. Большинство происходящих с ДНК изменений недопустимы: они либо приводят к вредным мутациям, либо блокируют репликацию ДНК и вызывают гибель клеток. Поэтому все клетки имеют специальные системы исправления повреждений, репарации ДНК. Нарушение этих систем губительно.
Репарация
Принципы репарации ДНК у различных организмов сходны. Ряд повреждений клетка удаляет из ДНК путем прямой реактивации. Таким образом исправляются алкилированные азотистые основания. К этому же типу репарации относится и удаление тиминовых димеров на свету. Другие виды репарации ультрафиолетовых повреждений ДНК называют темновой репарацией,чтобы отличить от прямой фотореактивации.
Если невозможна прямая реактивация, работают механизмы эксцизионной репарации, удаляющие из ДНК нарушенные участки. При этом типе репарации специальные эндонуклеазы производят разрез одной цепи ДНК вблизи места повреждения. Далее экзонуклеазы удаляют поврежденный участок. Образовавшуюся брешь заполняет ДНК-полимераза, а остающийся разрыв сшивает ДНК-лигаза. Видно, что эксцизионная репарация всегда использует один и тот же принцип: нарушенный участок ДНК удаляется, а затем восстанавливается на матрице ненарушенной комплементарной цепи ДНК.
Индуцируемая репарация.В условиях, увеличивающих количество повреждений ДНК, происходит индукция дополнительных репаративных ресурсов клетки. У бактерий индуцируемая репарация используется лишь в тех случаях, когда повреждений в ДНК становится настолько много, что это начинает угрожать клетке гибелью. Поэтому индуцируемая система репарации называется SOS-репарацией. Степень индукции SOS-системы определяется количеством повреждений. Степень индукции SOS-системы в определенном смысле отражает «благополучие» клетки и ее шансы на выживание. Поэтому некоторые умеренные бактериофаги используют индукцию SOS-системы в качестве сигнала для размножения и уничтожения клетки-хозяина.
Дублирование информации в двух комплементарных цепях ДНК не позволяет безошибочно исправлять все типы повреждений. Описанные механизмы репарации не могут справиться с такими нарушениями структуры ДНК, как ковалентные межнитевые сшивки, которые могут возникать под действием ряда мутагенов, или двухцепочечные разрывы ДНК. Такие повреждения могут репарироваться только при наличии гомологичной неповрежденной молекулы ДНК, т.е. рекомбинационным путем.
Рекомбинация.
Рекомбинацией в общем смысле слова можно назвать возникновение новых последовательностей ДНК за счет разрывов и перевоссоединений предсуществующих молекул. Различают несколько типов рекомбинации.
Общаяилигомологичная рекомбинацияхарактерна для всех живых организмов от вирусов и бактерий до многоклеточных эукариот. При гомологичной рекомбинации происходит обмен участками между гомологичными, т.е. очень похожими по последовательности, молекулами ДНК. К общей рекомбинации относится обмен между гомологичными участками хромосом в мейозе у эукариот. Гомологичная рекомбинация не создает принципиально новых последовательностей, а перетасовывает уже имеющиеся сходные варианты одной и той же последовательности.
Одна из ролей гомологичной рекомбинации состоит в репарации повреждений, с которыми не могут справиться описанные выше системы репарации. Такие повреждения возникают, например, когда репликативная вилка проезжает через поврежденный участок ДНК до того, как репаративные системы успели устранить повреждение. В этом случае получается, что одна из цепей ДНК дефектна, а комплементарная цепь не могла быть синтезирована из-за дефекта в матрице и поэтому напротив поврежденного участка остается незастроенная брешь. Единственный способ безошибочной репарации такого повреждения – это использовать в качестве эталона второй, полученный при репликации дуплекс ДНК, т.е. использовать рекомбинацию для репарации повреждений. Такой способ репарации называется пострепликативной репарацией.
Сайт-специфическая рекомбинация– это рекомбинация, которая в отличие от гомологичной не требует протяженных участков гомологии, но для протекания которой необходимы строго определенные последовательности ДНК и специальный ферментативный аппарат. В каждом конкретном случае сайт-специфическая рекомбинация выполняет свою частную функцию, последовательности ДНК для каждого случая также различны, отличаются и ферменты. Но в общих чертах механизм сайт-специфической рекомбинации всегда одинаков. Эта рекомбинация используется при интеграции ряда вирусов в хромосому клетки-хозяина, та же система используется и рядом плазмид, рекомбинационный механизм используется и для переключения активности генов у бактерий, сборка вариабельных и константных частей функциональных генов иммуноглобулинов и рецепторов Т-клеток у эукариот происходит также происходит с использованием сайт-специфической рекомбинации.
Рекомбинация играет важную роль в эволюции живой природы. Она обеспечивает комбинативную изменчивость, благодаря рекомбинации отдельные гены могут оказаться в новом генетическом окружении (эффект положения). Таким образом, рекомбинация обеспечивает саму возможность отбора высокоадаптивных генов.
Литература.
1. Глазер В.М. Гомологичная генетическая рекомбинация. Соросовский образовательный журнал. 1998. № 7. стр. 13-21.
2. Глазер В.М. Генетическая рекомбинация без гомологии: процессы, ведущие к перестройке в геноме. Соросовский образовательный журнал. 1998. № 7. стр. 22-29.
3. Глазер В. М. Запрограммированные перестройки генетического материала в онтогенезе. Соросовский образовательный журнал. 1998. № 8. стр. 22-29.
4. Коничев А.С., Севастьянов Г.А. Молекулярная биология. М. ACADEMIA. 2003. Стр. 237-242, 329-343.
5. Льюин Б. Гены. М. Мир. 1987. Стр.431-456.
6.Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Л. Молекулярная биология. М. Медицинское информационное агентство. 2003. Стр. 76-83.
7. Сингер М., Берг П. Гены и геномы.М. Мир. 1998. Т.1. Стр.97-111.
6. Спирин В.С. Молекулярная биология. М. Высшая школа. 1990. Стр. 73-109.
Лекция VII
Транскрипция.
Вопросы
1. Общая характеристика процесса транскрипции.
2. Этапы процесса транскрипции.