что такое репарация в биологии

Репарация (биология)

Репарация — особая функция клеток, заключающаяся в способности исправлять химические повреждения и разрывы в молекулах ДНК, повреждённой при нормальном биосинтезе ДНК в клетке или в результате воздействия физическими или химическими агентами. Осуществляется специальными ферментными системами клетки. Ряд наследственных болезней (напр., пигментная ксеродерма) связан с нарушениями систем репарации.

Содержание

История открытия

Источники повреждения ДНК

Основные типы повреждения ДНК

Устройство системы репарации

Каждая из систем репарации включает следующие компоненты:

Типы репарации

У бактерий имеются по крайней мере 2 ферментные системы, ведущие репарацию — прямая и эксцизионная.

Прямая репарация

Прямая репарация наиболее простой путь устранения повреждений в ДНК, в котором обычно задействованы специфические ферменты, способные быстро (как правило, в одну стадию) устранять соответствующее повреждение, восстанавливая исходную структуру нуклеотидов. Так действует, например, O6-метилгуанин-ДНК-метилтрансфераза, которая снимает метильную группу с азотистого основания на один из собственных остатков цистеина.

Эксцизионная репарация

Эксцизионная репарация (англ. excision — вырезание) включает удаление повреждённых азотистых оснований из ДНК и последующее восстановление нормальной структуры молекулы.

Интересные факты

Примечания

Полезное

Смотреть что такое «Репарация (биология)» в других словарях:

Репарация ошибочно спаренных нуклеотидов — система обнаружения и репарации вставок, пропусков и ошибочных спариваний нуклеотидов, возникающих в процессе репликации и рекомбинации ДНК, а также в результате некоторых типов повреждений ДНК[1][2] Сам факт ошибочного спаривания не позволяет… … Википедия

Репарация ДНК — У этого термина существуют и другие значения, см. Репарация. Повреждённые хромосомы Репарация особая функция клеток, заключающаяся в способности исправлять химические повреждения и разрывы в молекулах ДНК, повреждённой при нормальном… … Википедия

Радиобиология — Радиационная биология или радиобиология наука, изучающая действие ионизирующих и неионизирующих излучений на биологические объекты. Код науки по 4 х значной классификации ЮНЕСКО (англ.) 2418 (раздел биология). Радиобиология … Википедия

Генетика — I Генетика (от греч. génesis происхождение) наука о законах наследственности и изменчивости организмов. Важнейшая задача Г. разработка методов управления Наследственностью и наследственной Изменчивостью для получения нужных человеку форм… … Большая советская энциклопедия

Генетика — I Генетика (от греч. génesis происхождение) наука о законах наследственности и изменчивости организмов. Важнейшая задача Г. разработка методов управления Наследственностью и наследственной Изменчивостью для получения нужных человеку форм… … Большая советская энциклопедия

Nature Cell Biology — Специализация: Клеточная биология Периодичность: ежемесячно Сокращённое название: Nat. Cell. Biol. Язык: Английский Главный редактор: Саумья Суомината … Википедия

Радиационная цитология — Радиационная биология или радиобиология это самостоятельная комплексная, фундаментальная наука, состоящая из многих научных направлений, изучающая действие ионизирующих и неионизирующих излучений на биологические объекты. Код науки по 4 х значной … Википедия

Мутагенез — Мутагенез это внесение изменений в нуклеотидную последовательность ДНК (мутаций). Различают естественный (спонтанный) и искусственный (индуцированный) мутагенез. Содержание 1 Естественный мутагенез … Википедия

Радиобиолог — Радиационная биология или радиобиология это самостоятельная комплексная, фундаментальная наука, состоящая из многих научных направлений, изучающая действие ионизирующих и неионизирующих излучений на биологические объекты. Код науки по 4 х значной … Википедия

Археи — Halobacteria, штамм NRC 1, каждая клетка около 5 мкм длиной … Википедия

Источник

Биологическая машина репарации ДНК

Биологическая машина репарации ДНК

Команда ферментов репарации позволяет сохранить структуру ДНК

Автор

Редакторы

Комикс на конкурс «Био/Мол/Текст»: В наш век биоинформатики, компьютерных технологий и инноваций словом «мутация» никого не удивишь. Но мало кто осознает, что человек может сам являться причиной собственных генетических заболеваний. Между тем, биологическая машина репарации ДНК человеческого организма трудится ежеминутно и неустанно, чтобы не допустить непоправимых мутаций жизненно важных участков генома человека.

Конкурс «Био/Мол/Текст»-2020/2021

Эта работа опубликована в номинации «Наглядно о ненаглядном» конкурса «Био/Мол/Текст»-2020/2021.

Генеральный партнер конкурса — ежегодная биотехнологическая конференция BiotechClub, организованная международной инновационной биотехнологической компанией BIOCAD.

Спонсор конкурса — компания SkyGen: передовой дистрибьютор продукции для life science на российском рынке.

Спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

Представленная работа посвящена репарации — одной из самых важных функций биологической клетки, позволяющей ликвидировать фантастическим образом практически любые повреждения молекулы ДНК. Нарушение механизмов репарации ДНК может привести к увеличению риска онкологических заболеваний, возникающих в организме, нестабильности генома и преждевременному старению. Именно к тем проблемам, с которыми борется человечество.

Разные типы повреждений ДНК происходят по разным причинам. Азотистые основания ДНК часто повреждаются в результате реакции дезаминирования (отщепления аминогруппы от азотистого основания в ДНК с образованием нового вещества) при столкновении с реакционными продуктами обмена веществ в клетке, такими как активные формы кислорода, или под воздействием химических соединений из окружающей среды — дезаминирующих агентов, например азотистой кислоты [3]. Также часто в процессе реакции депуринизации происходит потеря пуриновых оснований (аденина и гуанина) по причине гидролиза N-гликозидной связи между основанием и пентозой. С пиримидиновыми основаниями (цитозином и тимином) данная реакция гидролиза происходит реже. В результате данной реакции образуется брешь — AP-сайт (пентозо-фосфатные группы без оснований [2]).

Подробнее о структуре ДНК можно узнать, прочитав комикс «Структура ДНК» [15]. — Ред.

Другие реакции повреждения обусловловлены УФ-излучением Солнца, высокоэнергетическим ионизирующим излучением, и вызывают образование циклобутановых пиримидиновых димеров (образование ковалентной связи между двумя смежными пиримидиновыми основаниями) и другие химические изменения в клетках нашей кожи: раскрытие цикла и фрагментацию азотистого основания, образование поперечных связей между основаниями двух параллельных нитей и между ДНК и белковыми молекулами, например гистонами [3].

Алкилирующие агенты также способны изменять определенные основания ДНК, например, метилировать их [5–7]. Но всё же самым главным источником мутаций служит окислительное повреждение ДНК. Активные формы кислорода повреждают ДНК, вступая в различные реакции — от окисления дезоксирибозы и оснований до одиночных и двухнитевых разрывов цепи ДНК.

В ниже представленном комиксе описывается эксцизионная репарация модифицированных азотистых оснований ДНК. Согласно механизму этого типа репарации, вначале поврежденное основание распознается специфичным ферментом ДНК-гликозилазой, которая гидролизирует N-гликозидную связь между поврежденным основанием и сахарофосфатным остовом с образованием АР-сайта и свободного основания [1–3]. Далее участок сахарофосфата, лишенный основания, вырезается под действием ферментов AP-эндонуклеазы [10] и dRP-лиазы в присутствии лиазной активности (короткозаплаточная эксцизионная репарация; в отсутствии же dRP-лиазной активности происходит длиннозаплаточная эксцизионная репарация [11–13]). Брешь единственного нуклеотида заделывается ДНК-полимеразой и ДНК-лигазой [1–3].

Недавно проведенные исследования по выяснению последствий снижения способности животного организма к репарации ДНК позволили установить связь многих болезней человека именно с этой проблемой [2]. К подобным наследственным заболеваниям, связанным с нарушениями в системе репарации ДНК, относятся:

К сожалению, выше приведенный список заболеваний не окончателен и растет ежегодно по мере открытий в области генетики, связанных с накоплением мутаций в геноме человека. По этой причине герои ниже представленного комикса спешат напомнить читателю о важности здорового образа жизни и рассказать, к чему приводят повреждения ДНК, какие запускаются процессы и какие ферменты являются в них участниками. Приятного прочтения!

Весь комикс целиком доступен в формате pdf.

Источник

РЕПАРА́ЦИЯ

Том 28. Москва, 2015, стр. 406

Скопировать библиографическую ссылку:

РЕПАРА́ЦИЯ, свой­ст­вен­ный клет­кам всех ор­га­низ­мов про­цесс вос­ста­нов­ле­ния при­род­ной (на­тив­ной) струк­ту­ры ДНК, повре­ж­дён­ной при функ­цио­ни­ро­ва­нии клет­ки, а так­же при дей­ст­вии фи­зич. или хи­мич. аген­тов. Осу­ще­ст­в­ля­ет­ся спец. фер­мент­ны­ми сис­те­ма­ми клет­ки. Обыч­но рас­смат­ри­ва­ют 3 осн. ме­ха­низ­ма Р.: фо­то­ре­па­ра­цию (фо­то­ре­ак­ти­ва­цию), экс­ци­зи­он­ную Р. и по­стре­п­ли­ка­тив­ную Р. Фо­то­ре­па­ра­ция за­клю­ча­ет­ся в рас­ще­п­ле­нии фер­мен­том лиа­зой, ак­ти­ви­руе­мой ви­ди­мым све­том, цик­ло­бу­та­но­вых ди­ме­ров, воз­ни­каю­щих в ДНК под дей­ст­ви­ем УФ-из­лу­че­ния. Экс­ци­зи­он­ная Р. свя­за­на с уз­на­ва­ни­ем по­вре­ж­де­ния ДНК, вы­ре­за­ни­ем (экс­ци­зи­ей) по­вре­ж­дён­но­го уча­ст­ка и ре­син­те­зом ДНК по мат­ри­це ин­такт­ной це­поч­ки. В про­цес­се по­стре­п­ли­ка­тив­ной Р. вос­про­из­ве­де­ние по­вре­ж­дён­ных мо­ле­кул при­во­дит к об­ра­зо­ва­нию од­но­ни­те­вых про­бе­лов и на­тив­ная струк­ту­ра вос­ста­нав­ли­ва­ет­ся с ис­поль­зо­ва­ни­ем сис­тем ре­ком­би­на­ции. Вы­яв­ле­ны сис­те­мы Р., со­пря­жён­ные с про­цес­са­ми транс­крип­ции и ре­гу­ля­ции кле­точ­но­го цик­ла, с уст­ра­не­ни­ем дву­ни­те­вых раз­ры­вов в ДНК. Фер­мен­ты Р. при­ни­ма­ют уча­стие в ре­ду­п­ли­ка­ции и ре­ком­би­на­ции, а так­же в кон­тро­ле му­та­ци­он­но­го про­цес­са. В клет­ке ра­бо­та­ет осо­бый тип ин­ду­ци­бель­ной Р., склон­ной к ошиб­кам и осу­ще­ст­в­ляю­щей вос­ста­нов­ле­ние на­тив­ной струк­ту­ры ДНК с фик­си­ро­ва­ни­ем му­та­ци­он­но­го из­ме­не­ния. Му­та­ции, бло­ки­рую­щие про­цес­сы Р., час­то при­во­дят к по­вы­ше­нию или по­ни­же­нию час­то­ты му­та­ци­он­но­го про­цес­са. Ряд на­следств. бо­лез­ней (напр., пиг­мент­ная ксе­ро­дер­ма, атак­сия-те­ле­ан­ги­эк­та­зия, про­ге­рия), а так­же пред­рас­по­ло­жен­ность к он­ко­ло­гич. за­бо­ле­ва­ни­ям свя­за­ны с де­фек­та­ми сис­тем Р. Штам­мы мик­ро­ор­га­низ­мов и ли­нии кле­ток мле­ко­пи­таю­щих, де­фект­ные по Р. и об­ла­даю­щие по­вы­шен­ной чув­ст­ви­тель­но­стью к по­вре­ж­даю­щим аген­там, ис­поль­зу­ют­ся в ка­че­ст­ве тест-сис­тем в ге­не­тич. ток­си­ко­ло­гии. В ра­дио­био­ло­гии под Р. по­ни­ма­ют вос­ста­нов­ле­ние био­ло­гич. объ­ек­тов от по­вре­ж­де­ний ио­ни­зи­рую­щим или УФ-из­лу­че­ни­ем.

Источник

Репарация ДНК

Репликация обеспечивает самокопирование генетического материала. При этом, благодаря принципу комплементарности, весьма высока точность сопоставления нуклеотидных последовательностей дочерней цепи к матричной ДНК. Кроме того, ДНК — достаточно химически инертное вещество, что обеспечивает ее большую стабильность по сравнению, например, с РНК. Однако этого мало, так как ДНК все же может повреждаться внешними воздействиями, также могут возникать ошибки на этапе репликации. Поэтому в клетках должны существовать механизмы исправления повреждений и ошибок синтеза, т. е. выполняться репарация ДНК.

Существует целый ряд репарационных механизмов, выполняющихся на различных этапах синтеза ДНК, а также в зависимости от типа возникающих ошибок.

Все вместе репарационные механизмы существенно снижают частоту ошибок в молекулах ДНК и направлены на поддержание стабильности наследственного материала. Однако, поскольку не все изменения структуры ДНК устраняются, возникают мутации, благодаря которым на Земле возникло разнообразие живых организмов.

Устранение ошибок ДНК-полимеразой

Прежде всего сама ДНК-полимераза при наращивании новой цепи ДНК проверяет, тот ли нуклеотид присоединяется к растущей нити.

Существуют измененные формы азотистых оснований, которые могут комплементарно связываться с нуклеотидами матрицы. Так измененная форма цитозина может связаться с аденином. Полимераза присоединит этот конечный нуклеотид к растущей цепи, но он быстро перейдет в свою обычную форму — станет обычным цитозином. При этом водородные связи разрушаются (т. к. нарушается комплементарность), и на конце получается неспаренный нуклеотид, однако ковалентно соединенный с синтезируемой цепью. Полимераза не может далее наращивать цепь. Сама полимераза или связанный с ней фермент редактирующая эндонуклеаза отщепляют последний «неправильный» нуклеотид.

Репарационные механизмы

ДНК-полимераза исправляет часть ошибок репликации, но не все. Кроме того, изменения в последовательности нуклеотидов ДНК возникают и после ее удвоения. Так могут теряться пуриновые основания (аденин и гуанин), дезаминироваться цитозин, превращаясь в урацил. Эти и другие изменения возникают обычно из-за содержащихся в окружающей хромосомы среде определенные химически активных вещества. Ряд подобных соединений нарушает нормальное спаривание оснований. Под действием ультрафиолетового излучения два соседних остатка тимина могут образовать связи между собой, возникают тиминовые димеры.

Существует прямая репарация, когда, если это возможно, ферментативно восстанавливается исходная структура нуклеотидов, без их вырезания.

Эксцизионная репарация

Эксцизионная, или дорепликативная, репарация осуществляется до очередного цикла репликации.

Существует класс ферментов, обнаруживающих измененные последовательности нуклеотидов в одной из комплементарных цепей ДНК. После этого происходит удаление ошибочного участка и его замена вновь синтезированным. При этом матрицей служит участок комплементарной «правильной» нити.

Ферменты репарации обычно обнаруживают ошибки на новой нити ДНК, а не матричной. Между двумя цепями одной молекулы ДНК небольшое различие, заключающееся в степени метилирования азотистых оснований. У дочерней цепи оно отстает от синтеза. Ферменты распознают такую цепь и именно на ней исправляют участки, которые так или иначе не комплементарны участкам старой цепи. Кроме того, сигналами могут служить разрывы нити, которая у эукариот синтезируется фрагментами.

Фермент эндонуклеаза способна обнаруживать утрату пуриновых оснований. Данный фермент разрывает фосфоэфирную связь в месте повреждения. Далее действует фермент экзонуклеаза, который удаляет участок, содержащий ошибку. После этого дыра застраивается согласно комплементарности матрице.

ДНК-гликозилазы – целый класс ферментов, распознающих повреждения ДНК в результате дезаминирования, алкилирования и других структурных изменений ее оснований. Гликозилазы удаляют именно основания, а не нуклеотиды. После этого участки нити ДНК без оснований репарируются также как при «починке» пуринов.

Следует отметить, что дезаминирование азотистых оснований может привести к невозможности восстановления исходной последовательности нуклеотидов. Происходит замена одних пар оснований другими (например, Ц-Г заменится на Т-А).

Ферменты, удаляющие участки с тиминовыми димерами, распознают не отдельные ошибочные основания, а более протяженные участки измененной ДНК. Здесь также происходит удаление участка и синтез на его месте нового. Кроме того димеры тимина могут устраняться самопроизвольно под действием света — так называемая световая репарация.

Пострепликативная репарация

Если дорепликативная репарация не исправила измененные участки ДНК, то в ходе репликации происходит их фиксация. Одна из дочерних молекул ДНК будет содержать изменения в обоих своих нитях. В ней одни пары комплементарных нуклеотидов заменены на другие, или появляются бреши во вновь синтезированной цепи напротив измененных участков матричной.

Система пострепликативной репарации способна распознавать такие изменения ДНК. На этом этапе устранение повреждений ДНК осуществляется путем обмена фрагментами (т. е. рекомбинацией) между двумя новыми молекулами ДНК, одна из которых содержит повреждение, другая — нет.

Так происходит с димерами тимина, которые не были удалены на предыдущих этапах. Между двумя рядом стоящими тиминами присутствуют ковалентные связи. Из-за этого они не способны связываться водородными связями с ковалентной цепью. В результате, когда на матричной цепи, содержащей тиминовый димер, синтезируется дочерняя цепь, в ней образуется брешь. Этот разрыв распознается ферментами репарации. Понятно, что правильного участка у данной молекулы ДНК нет (одна нить содержит тиминовый димер, другая — дыру). Поэтому единственный выход — это взять участок ДНК со «здоровой» молекулы, который берется с матричной цепи этой молекулы ДНК. Образующаяся здесь дыра заполняется по принципу комплиментарности.

SOS-система

Значительная часть повреждений ДНК устраняется с помощью описанных репарационных механизмов. Однако если ошибок остается слишком много, то обычно включается так называемая SOS-система, состоящая из своей группы ферментов, которые могут заполнять дыры, не обязательно соблюдая принцип комплементарности. Поэтому срабатывание SOS-системы часто служит причиной возникновения мутаций.

Если же изменение ДНК слишком существенное, то репликация блокируется, и клетка не будет делиться.

Источник

Публикации в СМИ

Дефекты репарации ДНК

Репарация — клеточный механизм коррекции повреждённой последовательности ДНК (точечные мутации, делеции, структурные нарушения и др.).

Системы репарации

• Темновая (фотореактивация): удаляются УФ-индуцированные ковалентные связи между смежными основаниями ДНК.

• Эксцизионная: удаляет неправильно спаренные или повреждённые основания из ДНК с последующим синтезом новой последовательности по неповреждённой цепи. Состоит из 5 этапов, контролируемых множеством генов, кодирующих участвующие в репарации ферменты (эндонуклеазы, экзонуклеазы, ДНК-полимераза, ДНК-лигаза): распознавание дефекта, рассечение повреждённого участка, удаление «ошибочного» олигонуклеотида, синтез ДНК с использованием комплементарной цепи как матрицы, лигирование. Дефекты эксцизионной репарации регистрируют при пигментной ксеродерме, синдроме Коккейна, трихотиодистрофии.

• Рекомбинационная: для восстановления одной хромосомы используется материал гомолога. Дефекты рекомбинационной репарации регистрируют при синдроме Блума.

Приложение. Трихотиодистрофия — наследственное заболевание с ломкостью волос и ногтей (из-за уменьшенного содержания богатых цистеином матричных белков), ихтиозиформными изменениями кожи, физической и умственной отсталостью. Генетические аспекты: 50% пациентов имеют повышенную фоточувствительность, связанную с дефектом эксцизионной репарации ДНК (#601675, гены ERCC2/XPD и ERCC3/XPB, r ). Клиническая картина: ломкие волосы и ногти, ихтиоз, небуллёзная ихтиозиформная эритродермия, фоточувствительность, недоразвитие подкожной клетчатки, задержка физического развития, низкая масса плода при рождении, умственная отсталость, кишечная непроходимость, гипогонадизм, амастия, катаракта, микроцефалия, бронхиальная астма, контрактуры суставов, частые инфекционные заболевания. Лабораторные данные: снижение содержания богатого цистеином белка в волосах и ногтях, гипогаммаглобулинемия. Синонимы: синдром Тэя, врождённый ихтиоз с трихотиодистрофией. МКБ-10. L67.8 Другие аномалии цвета волос и волосяного стержня.

Код вставки на сайт

Дефекты репарации ДНК

Репарация — клеточный механизм коррекции повреждённой последовательности ДНК (точечные мутации, делеции, структурные нарушения и др.).

Системы репарации

• Темновая (фотореактивация): удаляются УФ-индуцированные ковалентные связи между смежными основаниями ДНК.

• Эксцизионная: удаляет неправильно спаренные или повреждённые основания из ДНК с последующим синтезом новой последовательности по неповреждённой цепи. Состоит из 5 этапов, контролируемых множеством генов, кодирующих участвующие в репарации ферменты (эндонуклеазы, экзонуклеазы, ДНК-полимераза, ДНК-лигаза): распознавание дефекта, рассечение повреждённого участка, удаление «ошибочного» олигонуклеотида, синтез ДНК с использованием комплементарной цепи как матрицы, лигирование. Дефекты эксцизионной репарации регистрируют при пигментной ксеродерме, синдроме Коккейна, трихотиодистрофии.

• Рекомбинационная: для восстановления одной хромосомы используется материал гомолога. Дефекты рекомбинационной репарации регистрируют при синдроме Блума.

Приложение. Трихотиодистрофия — наследственное заболевание с ломкостью волос и ногтей (из-за уменьшенного содержания богатых цистеином матричных белков), ихтиозиформными изменениями кожи, физической и умственной отсталостью. Генетические аспекты: 50% пациентов имеют повышенную фоточувствительность, связанную с дефектом эксцизионной репарации ДНК (#601675, гены ERCC2/XPD и ERCC3/XPB, r ). Клиническая картина: ломкие волосы и ногти, ихтиоз, небуллёзная ихтиозиформная эритродермия, фоточувствительность, недоразвитие подкожной клетчатки, задержка физического развития, низкая масса плода при рождении, умственная отсталость, кишечная непроходимость, гипогонадизм, амастия, катаракта, микроцефалия, бронхиальная астма, контрактуры суставов, частые инфекционные заболевания. Лабораторные данные: снижение содержания богатого цистеином белка в волосах и ногтях, гипогаммаглобулинемия. Синонимы: синдром Тэя, врождённый ихтиоз с трихотиодистрофией. МКБ-10. L67.8 Другие аномалии цвета волос и волосяного стержня.

Источник