Содержание
Репликация, сохранение и модификация генома
1. Репликация ДНК
а. Матричная функция ДНК при репликации
б. Репликация начинается в определенных точках
в. Репликация ДНК полуконсервативна
г. Комплементарное копирование оснований, перенос дезоксинуклеотидов и лигирование ДНК при репликации
д. Ключевые ферменты, участвующие в синтезе ДНК
е. Для репликации необходимо раскручивание спирали
ж. Инициация образования новых цепей ДНК и их рост в репликативных вилках
з. Терминация репликации ДНК и расхождение дочерних спиралей
2. Репликация рнк с образованием днк
а. Репликация геномов ретровирусов
б. Некоторые ДНК-содержащие вирусы используют для репликации обратную транскрипцию
3. Репарация ДНК
а. Репарация путем прямого восстановления исходной структуры
б. Репарация путем замены модифицированных остатков
в. Значение репарации ДНК
4. Рекомбинация ДНК
а. Типы рекомбинации
б. Общая рекомбинация между гомологичными молекулами ДНК
в. Ферменты, участвующие в общей рекомбинации
г. Сайт-специфическая рекомбинация
5. Репликация
Генетическая программа клеточных организмов записана в нуклеотидной последовательности ДНК. Следовательно, для сохранения уникальных свойств организма необходимо точное воспроизведение этой последовательности в каждом последующем поколении. Е. coli, например, должна дуплицировать практически без ошибок полный геном размером 4*106 нуклеотидных пар при образовании каждого последующего поколения; точно так же должны быть скопированы почти 4*109 пар оснований в 23 парах хромосом человека при каждом акте деления клеток.
Одной из чудесных особенностей ДНК является то, что в ней закодирована информация о механизме ее собственного удвоения: одни гены кодируют ферменты, синтезирующие нуклеотидные предшественники ДНК, другие - белки, осуществляющие сборку активированных нуклеотидов в полинуклеотидные цепочки. Есть гены, координирующие процесс репликации с другими клеточными событиями, а также гены, кодирующие белки, которые упаковывают ДНК в хроматин. Еще одним необычным свойством ДНК является то, что она служит матрицей и определяет порядок, в котором нуклеотиды выстраиваются в новые нуклеотидные цепочки. Обладая одинаковым аппаратом синтеза, различные ДНК осуществляют образование только подобных себе реплик.
В генетической программе предусмотрены ферментативный механизм, который исправляет ошибки, иногда происходящие при репликации ДНК, и механизм репарации повреждений, затрагивающих основания или спиральную структуру при облучении рентгеновскими лучами и ультрафиолетовым светом или при воздействии различных химических агентов, а также механизм устранения дефектов, связанных с некоторыми заболеваниями. Генетическая программа обеспечивает создание геномных вариантов и возможность эволюционных изменений. Определенные гены кодируют белки, способствующие обмену цепями, принадлежащими разным молекулам ДНК, и тем самым созданию новых комбинаций генетического материала, передаваемых потомству. Известны белки, вызывающие геномные перестройки путем катализа транслокаций небольших сегментов или даже протяженных участков в пределах одной молекулы ДНК и между молекулами. С одной стороны, рекомбинации и транслокации подобного рода создают основу для эволюционных экспериментов, а с другой - некоторые перестройки могут быть причиной заболеваний. Как это ни странно, оптимальное функционирование некоторых генетических программ действительно зависит от специфических перестроек в ДНК.
Обнародуя свою модель структуры ДНК в 1953 г., Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик писали: "Мы не могли не осознавать, что специфическое спаривание, постулированное нами, подразумевает наличие какого-то механизма копирования генетического материала". И через месяц они углубили эту мысль: "Если известен точный порядок оснований в одной из цепей, то можно записать и порядок оснований в другой, поскольку спаривание оснований специфично. Таким образом, одна цепь является комплементом другой; именно это свойство наводит на мысль, что ДНК может удваивать саму себя".
Уотсон и Крик предположили, что для удвоения ДНК должны произойти разрыв водородных связей, удерживающих вместе спиральный дуплекс, и расхождение цепей. Они также высказали мысль, что каждая цепь дуплекса служит матрицей при синтезе комплементарной цепи и в результате образуются две пары цепей, в каждой из которых только одна является родительской. Таков механизм точного воспроизведения последовательности нуклеотидных пар в двойной спирали. Уотсон и Крик полагали, что репликация ДНК осуществляется спонтанно, без участия ферментов, но это оказалось неверно. Тем не менее, идея о том, что удвоение ДНК происходит путем последовательного соединения нуклеотидов в соответствии с правилом комплементарности, заданным каждой цепью спирали, разрешила концептуальную проблему точного воспроизведения генов.
С того времени, как было высказано это предположение, матричная природа механизма репликации была подтверждена многочисленными данными, полученными как invivo, так и invitro для различных организмов. Согласно модели, репликация всех двухцепочечных ДНК полуконсервативна. Существуют ли в природе альтернативные способы репликации двухцепочечной ДНК - неизвестно. Итак, после одного раунда репликации одна цепь в каждой из двух дочерних молекул является родительской, т.е. консервативной, а другая - синтезированной заново. Если геном представлен одноцепочечной ДНК, то эта единственная цепь служит матрицей для образования комплементарной цепи, с которой она образует дуплекс, а затем на этом дуплексе синтезируются либо дочерние дуплексы, либо одноцепочечные копии одной из матричных цепей.
Начало репликации. Репликация ДНК начинается не в любой случайной точке молекулы, а в специфических местах, называемых точками начала репликации. Процесс копирования продолжается через образование репликативных вилок в одном или обоих направлениях до тех пор, пока ДНК полностью не удвоится. В замкнутых кольцевых дуплексах ДНК новосинтезированные цепи ковалентно соединяются в местах встречи увеличивающихся в размере репликативных вилок или в том месте, где единственная вилка возвращается к точке начала репликации. Дочерние молекулы, как правило, расходятся еще до начала нового раунда репликации. Такие различающиеся по размеру геномы, как геном вируса SV40, бактериофага X и E. coli, воспроизводятся в результате одного инициирующего события, происходящего в определенной точке.
У про - и эукариот можно встретить различные вариации на эту тему. Так, каждая из цепей родительской спирали митохондриальной ДНК животных и ДНК плазмиды ColE1 имеет свою точку начала репликации. Синтез комплементарной цепи некоторых небольших одноцепочечных фаговых геномов начинается вблизи одной специфической последовательности, а репликация полученного дуплекса может инициироваться совсем в другой точке. Репликация линейных дуплексных ДНК также инициируется в особых сайтах. Например, ДНК бактериофага Т7 реплицируется в двух противоположных направлениях к разным концам молекулы, начиная от одной точки, а каждая из двух цепей ДНК аденовируса человека реплицируется последовательно всегда от З'-конца.
Для геномов эукариотических клеток обычно характерно наличие множественных точек начала репликации, разбросанных по хромосоме на расстоянии 20 т.п. н. После инициации репликация продолжается в двух направлениях от каждой точки до тех пор, пока репликативные вилки двух соседних точек начала репликации не сольются. Полноразмерные ДНК каждой дочерней хромосомы получаются путем соединения более коротких, независимо инициированных новосинтезированных цепей.
Скорость репликации генома. Скорость репликации генома регулируется в основном частотой инициирующих событий. Так, у Е. coli скорость копирования в каждой репликативной вилке постоянна и равна примерно 1500 п. н. в секунду; следовательно, полный геном длиной 4*106 пар реплицируется примерно за 40 мин. Если хромосома реплицируется быстрее, это значит, что увеличивается частота актов инициации в той же самой точке начала репликации при прежней скорости копирования. Клетки Е. coli делятся каждые 20 мин; это означает, что репликация ДНК инициируется в хромосомах, еще не закончивших предыдущий раунд репликации. Скорость движения репликативной вилки в эукариотических клетках значительно меньше, но завершение репликации хромосомы в разумное время обеспечивается одновременной инициацией во множестве точек. Итак, скорость репликации хромосом контролируется числом и расположением точек начала репликации. Например, в ранних эмбрионах дрозофилы репликация хромосомы осуществляется каждые 3 мин благодаря почти одновременной инициации событий в точках, отстоящих друг от друга на 7000-8000 п. н. В культуре клеток Drosophila наблюдается значительно более медленная скорость дупликации хромосомы, поскольку репликация начинается в гораздо меньшем числе точек, находящихся друг от друга на расстоянии 40000 п. н. Следовательно, при фиксированной скорости роста цепи множественная инициация обеспечивает большую скорость процесса и уменьшает время, необходимое для дупликации протяженных участков хромосом.
Структура точек начала репликации. Фрагменты ДНК, несущие точку начала репликации, выделены из Е. coli и некоторых колифагов и плазмид, а также из дрожжей и ряда эукариотических вирусов. В некоторых случаях место начала репликации имеет такую нуклеотидную последовательность, что дуплекс принимает необычную конфигурацию, которую распознают белки, участвующие в инициации. Природа взаимодействия между точкой начала репликации и белками и механизм инициации в целом исследованы очень мало, однако можно сказать, что, по-видимому, они в разных случаях различны.