Введение. Спивак Ирина Михайловна

Спивак Ирина Михайловна

ЭКОЛОГИЯ

ПОВРЕЖДЕНИЕ И РЕПАРАЦИЯ ДНК

Учебное пособие

Редактор Е.А. Пряникова

Технический редактор А.И. Колодяжная

Оригинал-макет подготовлен автором

Директор Издательства Политехнического университета А.В.Иванов

Свод. темплан 2005 г.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции

ОК 005-93, т.2; 95 3005 – учебная литература

Подписано в печать 2006. Формат 60Х84/16.

Усл. печ. л. 11,5. Уч.-изд. л. 11,5. Тираж 200. Заказ..

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет.

Издательство Политехнического университета,

член Издательско-полиграфической ассоциации университетов России.

Адрес университета и издательства:

195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29.

УДК 577.346:591.169 (075.8)

ББК 28.05:28.070я73

C 72

Р е ц е н з е н т ы:

Доктор биологический наук, профессор CПбГУ А.Д. Харазова

Доктор биологический наук, профессор, заведующий лабораторией радиационной цитологии Института цитологии РАН В.М. Михельсон

Спивак И.М. Экология. Повреждение и репарация ДНК: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2006. 184 с.

Пособие соответствует государственному образовательному стандарту дисциплин «Экология» и «Физико-химические основы цитологии» подготовки бакалавров по направлению 140400 «Техническая физика».

В пособии описываются проблемы повреждения и репарации ДНК. Излагаются современные представления о развитии глобального ответа клетки на повреждения ДНК и рассматриваются механизмы, отвечающие за сохранение генетической стабильности организмов.

Главное внимание уделено анализу взаимосвязи и взаимозависимости трех Р ДНК-метаболизма: репликации, рекомбинации и репарации, включая биохимию, генетику и эволюцию этих процессов.

Предназначено для студентов дневной, очно-заочной, заочной форм обучения и экстернов, изучающих дисциплины «Экология» и «Физико-химические основы цитологии» в рамках подготовки бакалавров по направлению 140400 «Техническая физика».

Табл. 7. Ил. 43. Библиогр.: 14 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Санкт-Петербургского государственного политехнического университета.

ISBN © Санкт-Петербургский государственный

политехнический университет, 2006

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие. 6

Введение. 7

1.Изучение ДНК-метаболизма. 9

1.1.Начало исследования репарации. 11

1.2.Репликация ДНК. 13

1.2.1.Репарация за счет проверки ДНК-полимеразой. 15

1.2.2.Участие корректирующих автономных экзонуклеаз в

репликации и репарации ДНК. 18

2.Типы повреждений ДНК. 19

3.Многообразие систем репарации ДНК. 21

4.Прямая репарация ДНК. 22

4.1.Фотореактивация. 22

4.2. Репарация О⁶-алкилированного гуанина. 26

4.3. Репарация однонитевых разрывов ДНК. 30

4.4.Репарация АП-сайтов за счет прямой вставки пу­ринов. 31

5.Эксцизионная репарация. 31

5.1.Эксцизионная репарация оснований (base excision repair, BER). 32

5.1.1.Многочисленные возможности репарации 8-оксигуанина. 40

5.1.2.Роль PCNA в эксцизионной репарации оснований. 41

5.1.3.BER, спаренная с репликацией. 43

5.2.Эксцизионная репарация неспаренных оснований

(mismatch repair, MMR). 46

5.1.1.Функциональные гены-гомологи системы MMR у про-

и эукариот. 51

5.3.Эксцизионная репарация нуклеотидов (NER, nucleotide excision

repair). 55

5.3.1.Эксцизионная репарация нуклеотидов у эукариот. 58

5.3.2.NER, спаренная с транскрипцией - TCR (transcription

coupled repair) 63

5.3.3.Болезни, связанные с нарушением системы NER. 67

5.3.3.1.Пигментная ксеродерма. 67

5.3.3.2.Тиотриходистрофия. Транскрипционная гипотеза. 72

5.3.3.3.Синдром Коккейна. 76

5.3.3.4.Синдромы повышенной чуыствительности к

УФ-облучению. 81

6.Репарация, связанная с рекомбинацией. 82

7.Рекомбинация. 82

7.1.Сайт-специфическая рекомбинация. 83

7.2.Случайная рекомбинация. 84

7.3.Гомологичная рекомбинация. 85

7.3.1.Генная конверсия. 91

8.1.SOS-ответ у E.coli. 93

8.1.1.Низкопроцессивны ДНК-полимеразы эукариот. 98 9.Репарация двунитевых разрывов. 101

9.1.Репарация двунитевых разрывов ДНК путем

негомологического воссоединения концов (NHEJ). 104

9.2.Однонитевой отжиг (SSA) по прямым повторам. 110

9.3.Репарация путем гомологической рекомбинации (HRR). 112

9.3.1.Роль гистона Н2АХ в репарации двунитевых разрывов. 116

9.3.2.Механизмы, обеспечивающие стабиль­ность хромосом при

наличии повторов и системы гомологической рекомбинации. 117

9.3.3.Болезни, связанные с дефектами генов, вовлеченных

в репарацию двунитевых разрывов. 122

9.3.3.1.Атаксия-телеангиэктазия. Белок АТМ. 123

9.3.3.2.Белки BRCA1 и BRCA2. 126

9.3.3.3.Геликазы семейства RecQ. 130

9.3.3.4.Синдром Блюма. 132

9.3.3.5.Синдром Вернера. 134

9.3.3.6.Анемия Фанкони. 136

10.1Защитники генома. Белок Р53. 140

10.2.Защитники генома. Роль PARP в репарации. 144

10.3.Белки, комплементирующие чувствительность клеток

грызунов к ионизирующей радиации. 147

11.V(D)J рекомбинация. 149

12.Перемещение мобильного элемента Sleeping Beauty. 150

13.Пострепликативная репарация. 151

13.1.Пострепликативная, или рекомбинационная, репарация. 151

13.2.Убиквитин и убиквитин-связывающие белки. 153

13.3. Rad6-зависимая пострепликативная репарация. 156

14.Репарации поврежденных вилок репликации и ресинтез. 159

14.1.Модель прохода повреждения с переключением матрицы. 160

14.2.Остановка репликации и ресинтез. Привлечение белков

репарации. 162

15.Современные представления и знания о механизмах

активации чекпойнтов и белках, вовлеченных в разные

стадии этого процесса. 161

15.1.Генеральные концепции и основные игроки. 165

15.2.Молекулярные механизмы G1-чекпойнта. 169

15.2.Молекулярные механизмы S-чекпойнта. 171

15.3.Молекулярные механизмы G2-чекпойнта. 172

15.4.Чекпойнты и репарация двунитевых разрывов. 176

Заключение. 177

Приложение 1. Гены репарации, связанные с

различными наследственными болезнями человека 179

Приложение 2. Универсальный генетический код 180

Список литературы 181

[S1] [S2] [S3] Предисловие

Эта книга — специализированное учебное пособие, посвященное одной из особенностей ДНК-метаболизма – ее репарации.

Настоящее пособия написано по материалам курса лекций по физико-химической биологии, часть которого автор на протяжении последних 4 лет читает в СПбПГУ, являясь одним из его создателей.

Молекулярная биология и особенно та ее область, которая занимается изучением ДНК-метаболизма — одна из наиболее бурно разви­вающихся дисциплин в современном естествознании. В нее постоянно привносится множество новых фактов, и почти каждый год совершаются открытия. Объем настоящего учебного пособия слишком мал, чтобы вместить в себя огромный накопленный материал. Поэтому в каждой главе книги даны обобщенные и устоявшиеся представления о той или иной проблеме, проиллюстрированные примерами из современной литературы. Автор не мог не воспользоваться также и тем обстоятельством, что в последнее десятилетие в нашей стране было издано несколько ценных (отечественных и переводных) учебных пособий по молекулярной биологии и смежным дисциплинам. Это позволило ему в весьма кратком виде изложить в данном учебном пособии целый ряд вопросов и порекомендовать читателю ознакомиться с контекстом, внутри которого существуют все представленные в пособии данные по репарации ДНК.

Одновременно нужно отметить, что это учебное пособие не могло бы появиться в печати без активной поддержки сотрудников кафедры физико-химической биологии клетки факультета медицинской физики и биоинженерии СПбГПУ и уважаемых рецензентов, с которыми автор обсуждал состояние современной парадигмы молекулярной биологии.

Автор с признательностью примет от читателей критические замечания и советы по совершенствованию данного пособия.

Введение

Описание ДНК-метаболизма является неотъемлемой составной частью молекулярной и физико-химической биологии. Молекулярная биология как самостоятельная наука, изучающая молекулярные основы жизнедеятельности клетки, возникла на рубеже 1940—1950 гг., когда была установлена генетическая роль дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК), а расшифровка структуры ДНК позволила описать в простых физико-химических терминах принцип передачи наследуемых признаков от родительской клетки к дочерним.

К этому времени история изучения нуклеиновых кислот насчитывала уже около восьмидесяти лет. Честь их открытия принадлежит выдающемуся швейцарскому биохимику Фридриху Мишеру, который в 1868—1872 гг. выделил из ядер спермы лосося новое фосфорсодержащее вещество, названное им нуклеином (от греч. nucleus— ядро). Впервые нуклеиновую кислоту, свободную от белков, получил Р. Альтман в 1889 г., который и ввел этот термин в биохимию. В результате дальнейшего изучения химического состава нуклеиновых кислот удалось установить, что в природе их существует два типа, причем долгое время существовала уверенность в том, что ядра клеток животных содержат только ДНК, а ядра клеток растений—только РНК. И лишь к середине 1930-х годов было до­казано, что ДНК и РНК содержатся в каждой живой клетке. Первостепенная роль в утверждении этого фундаментального положения принадлежит А. Н. Белозерскому, впервые выделившему ДНК из растений. С развитием методов цитохимии и гистохимии к концу 1940-х годов было установлено, что ДНК локализуется преимущественно в ядре, а РНК - в цитоплазме клеток,

К началу 1950-х годов работы по изучению химического строения нуклеиновых кислот были завершены. Было выяснено строение их мономеров - нуклеозидов и нуклеотидов, и доказано, что и в ДНК, и в РНК нуклеотидные остатки связаны между собой в полимер только 3'-О-фосфодиэфирной связью. Выдающейся вехой в изучении нуклеиновых кислот стало открытие О. Эйвери с сотрудниками, которые показали, что с помощью чистой ДНК наследуемый признак может быть перенесен из одной клетки в другую. Так было доказано, что ДНК является носителем генетической информации. В 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик сумели правильно интерпретировать данные рентгенеструктурного анализа ДНК, накопленные в лабораториях Р. Франклин и М. Уилкинса, и на ихоснове по­строить модель пространственной структуры ДНК. Они показали, что макромолекула ДНК — это регулярная двойная спираль, в которой две полинуклеотидные цепи строго комплементарны друг другу. Из

анализа модели следовало, что после расплетания расплетания двойной спирали на каждой из полинуклеотидных нитей может быть построена комплементарная ей новая, в результате чего образуются две дочерние молекулы, неотличимые от материнской ДНК. Через пять лет М. Мезельсон и Ф. Сталь экспериментально подтвердили этот механизм, а несколько раньше (1956) А. Корнберг открыл фермент ДНК-полимеразу, который на расплетенных нитях, как на матрицах, синтезирует новые, комплементарные им цепи ДНК.

Открытие генетической роли ДНК потребовало решения другой фундаментальной задачи — поддержания стабильности молекулы ДНК и ее постоянства при передаче в ряду поколений.

Как ни странно это прозвучит, но созданию современных представлений о метаболизме ДНК и гармоничном взаимодействии процессов репликации, рекомбинации и репарации во время клеточного цикла препятствовала утвердившаяся к середине 50-х годов прошлого века парарадигма о безупречности и совершенстве – а, следовательно, и неизменности - двунитевой молекулы ДНК. Вторая половина XX века прошла под знаком изменения этой парадигмы и осознания динамического равновесия между постоянно возникающими повреждениями ДНК и восстановлением этих повреждений. В силу этого противоречия, во всех существующих учебниках при описании ДНК-метаболизма проблема репарации традиционно занимает место Золушки рядом со своими более удачливыми сестрами - репликацией и рекомбинацией. Репарации ДНК обычно посвящается несколько страниц с самыми общими представлениями о той сложной совокупности многообразных процессов, которые входят в это понятие. Таким образом, становится очевидным необходимость и востребованность специального учебного пособия, фокусирующегося именно на проблемах репарации и глобального клеточного ответа на повреждения ДНК.

В современную эпоху, когда на первый план в науках о земле и человеке выходит экология, знание механизмов, противостоящих накоплению мутационного груза и степени их надежности, представляется крайне актуальной. При получении образования по направлению «Техническая физика» необходимо создать у студентов, обучающихся на факультете медицинской физики и биоинженерии современные представления о ДНК-метаболизме, которые будут способствовать у них выработке строгого методического подхода к будущим научно-техническим исследованиям в области прикладной биологии и медицины.