8

Лекция № 11

Тема лекции: Молекулярные механизмы мутагенеза и репарации ДНК

План лекции: 1. Механизмы точковых мутаций

2. Экспансия тринуклеотидных повторов

3. Прямая коррекция мутационных повреждений

3.1. Репарация ДНК-полимеразой

3.2. Световая репарация

3.3. Репарация алкилирующих повреждений

3.4. Репарация лигазой

4. Эксцизионная репарация

4.1. Темновая репарация

4.2. Репарация неспаренных оснований

4.3. Пострепликативная репарация

4.4. SOS - репарация

1. Механизмы точковых мутаций

Основные механизмы точковых мутаций (как спонтанных, так и индуцированных):

1. Ферментативная модификация структуры нуклеотидов.

2. Ошибки репликации.

3. Ошибки репарации.

4. Воздействие мутагенных факторов.

Так, у E.coli большое число спонтанных мутаций возникает путем ферментативной модификации цитозина. Фермент метилаза добавляет группу -СН₃ к некоторой части цитозиновых остатков в молекуле ДНК, образуется 5–метилцитозин. В результате происходят транзиции от G-C к А-Т.

Теперь, что касается ошибок репликации, точнее, ошибок в работе ДНК-полимераз, то они возникают с частотой примерно 10^-5. Корректирующая 3'-5'-экзонуклеазная активность ДНК-полимераз снижает эту частоту до 10^-10. Репаративные процессы еще более уменьшают возможность подобных ошибок. Тем не менее число их все же достаточно для возникновения мутаций.

Ошибки возникают и в молекулярных механизмах репарации.

Среди мутагенных факторов, как известно, выделяют ионизирующие и неионизирующие излучения, а также химические и биологические агенты.

Проникая в ткани, ионизирующие излучения разрывают химические связи, в том числе и в ДНК. В результате возникают хромосомные перестройки и разрывы, а также точковые мутации.

Ультрафиолетовый свет не является ионизирующим, тем не менее это довольно эффективный мутаген. Связано это с тем, что пурины и пиримидины интенсивно поглощают ультрафиолет с длиной волны 254-260 нм, в результате чего возникают димеры между молекулами тимина находящимися рядом в одной и той же цепи ДНК или на противоположных цепях. Со значительно меньшей частотой образуются димеры других пиримидинов. Возникновение димера приводит к выпячиванию в цепи ДНК. Большинство таких нарушений репарируется, оставшиеся нерепарированными приводят к мутациям.

Многие химические соединения могут индуцировать мутации. Это аналоги оснований; соединения, модифицирующие основания; интеркалирующие агенты.

Аналоги оснований по молекулярной структуре очень похожи на обычные азотистые основания. Эти соединения вызывают мутации потому, что они могут существовать в альтернативных (таутомерных) состояниях. В каждом из двух состояний аналоги спариваются с разными нормальными основаниями, в результате чего может произойти их замена. Например, 5-бромурацил в нормальном состоянии спаривается с аденином, в более редком таутомерном состоянии — с гуанином.

Агенты, модифицирующие основания. Ряд химических агентов действуют как мутагены, непосредственно модифицируя химическую структуру оснований. К ним относятся дезаминирующие, гидроксилирующие и алкилирующие агенты.

Азотистая кислота (HNO₂) осуществляет окислительное дезаминирование, т. е. удаляет аминогруппы (-NН₃) из таких оснований как гуанин, цитозин и аденин.

Например, когда модифицируется цитозин, получается урацил (который спаривается с аденином). В итоге происходит транзиция от C-G к Т-А в ходе акта репликации.

Другим мутагеном, модифицирующим основания, является гидроксиламин (NH₂OH), который специфически реагирует с цитозином, добавляя гидроксильную группу (-ОН), в результате чего он спаривается уже не с гуанином, а с аденином.

И наконец, рассмотрим алкилирующий агент метилметансульфонат, алкилирующий гуанин, т.е. он добавляет группы –СН₃ или –С₂Н₅ к кислороду в 6-й позиции, в результате чего образуется О⁶-алкилгуанин или О⁶-метилгуанин. Метилированный гуанин будет спариваться не с цитозином, а с тимином.

Интеркалирующие агенты. К этой группе относятся профлавин, акридин, этидиумбромид и др. Они встраиваются (интеркалируют) между соседними нуклеотидами в одной или обеих цепях ДНК.

Если интеркалирующий агент встраивается между соседними основаниями в матричной цепи ДНК (рис. 8.6), дополнительное основание, в данном случае G (его выбор случаен), включается во вновь синтезируемую цепь и возникает мутация сдвига рамки. Похожая ситуация будет и при удалении интеркалирующего агента.

Весьма часто в клетке происходят инсерции мобильных элементов. Когда мобильный элемент вырезается из места встройки, могут возникнуть делеции прилегающего материала.

Существует такое понятие, как горячие точки мутирования (hotspots) – это участки гена, в которых частота мутации на 1…3 порядка выше, чем в соседних сайтах. Для каждого мутагена они свои и их локализация связана со специфичностью воздействия мутагена на молекулу ДНК.