Репарация ДНК, виды репарации.Экологическая биотехнология

Репарация ДНК, виды репарации.Экологическая биотехнология

Репарация (от лат. reparatio — восстановление) — 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 физических или химических агентов. Осуществляется специальными ферментными системами клетки. Ряд наследственных болезней (напр., пигментная ксеродерма) связан с нарушениями систем репарации.

Агенты повреждающие ДНК

Излучение

1. ионизирующая радиация (гамма лучи, рентгеновские лучи)

2. Ультрафиолетовое излучение (особенно ~260 нм, именно в этой области происходит максимальное поглощение ДНК)

Активные радикалы кислорода образуемые во время нормального клеточного дыхания в различных биохимических путях.

Химические вещества окружающей среды.

Многие углеводороды.

Химикаты используемые в противоопухолевой химотерапии.

Типы повреждений ДНК

1. Все четыре основания в ДНК (A, T, C, G) могут быть ковалентно модифицированы в различных положениях.

Наиболее частое - это потеря аминогруппы (дезаминирование) — в таком случае C превращается в U.

Неправильное включение оснований происходящее из-за ошибок в работе ДНК полимераз при репликации.

Наиболее часто происходит включение урацила вместо тимина.

Нарушения структуры.

В ДНК могут происходить разрывы. Разрывы могут быть одноцепочечные, или могут разорваться обе цепи ДНК.

Ионизирующая радиация может быть частой причиной таких разрывов.

Между соседними основаниями может образоваться ковалентная связь, причем связь может образоваться между соседними основаниями в одной цепи или между двумя цепями ДНК.

типы повреждения ДНК

изменение одного основания

апуринизация

замена С на У

замена А на гипоксантин

алкилирование основания

вставка или делеция нуклеотида

встраивание аналогичного основания

изменение двух оснований

образование тиминовых димеров

поперечная связь с бифункиональным алкилирующим агентом

разрушение цепи

ионизирующее излучение

радиоактивное разрушение элементов остова

поперечные связи

между основаниями одной нити или двух параллельных нитей

между ДНК и белковыми молекулами, например гистонами

Репарация поврежденных оснований

Поврежденные основания могут быть исправлены различными путями:

Прямое химическое исправление повреждений.

Эксцизионная репарация (ER), при которой поврежденное основание удаляется и заменяется новым. Имеется три модели эксцизионной репарации, в каждой из которых используется свой собственный набор ферментов.

Эксцизионная репарация оснований (BER).

Эксцизионная репарация нуклеотидов (NER).

Мисмэтч репарация(MMR).

Прямое исправление повреждений.

Наиболее частая причина точечных мутаций у человека - это спонтанное добавление метильной группы - один из типов алкилирования. Такие модификации исправляются ферментами называемыми гликозилазами, исправляющими ошибку без разрушения цепи ДНК.

Некоторые препараты используемые в химотерапии также повреждают ДНК путем алкилирования.

Проблема репарации состоит в том, что ограниченным набором ферментов и механизмов клетка должна справиться со многими повреждениями вызванными самыми различными химическими и физическими агентами.

Основные ключевые события:

1. Удаления поврежденного основания (происходит ~ 20, 000 раз в день в каждой клетке человеческого тела) ДНК гликозилазими. У человека имеется по крайней мере 8 генов кодирующих различные ДНК гликозилазы, кадждые из которых распознают свой набор повреждений оснований.

2. Удаление дезоксирибофосфата приводит к образованию пустоты в ДНК.

3. Замена правильным нуклеотидом. Это функция у человека выполняется ДНК полимеразой бетта.

4. Лигирование разрыва цепи. Имеется два фермента, оба нуждаются в АТФ.

Эксцизионная репарация нуклеотидов (NER)

NER отличается от BER несколькими путями.

Использованием различных ферментных систем.

Даже если ошибка в одном нуклеотиде, удаляется сразу множество нуклеотидов в районе повреждения.

Основные ключевые события NER:

1.Повреждение распознается одним или несколькими факторами связывающимися с местом повреждения.

2. ДНК раскручивается в месте повреждения. В этом процессе участвуют

различные транскрипционные факторы IIH, TFIIH, (которые так же работают при нормальной транскрипции).

3. Разрез ДНК происходит с 3' и 5'-конца от повреждения, в результате чего удаляется фрагмент ДНК содержащий поврежденный нуклеотид.

4. Новая цепь ДНК достраивается по матрице неповрежденной цепи ДНК полимеразами дельта или эпсилон.

5. Лигазы сшивают вновь синтезированный конец цепи.

Пигментная ксеродерма (XP)

XP редкое наследственное заболевание человека проявляющееся в поражении кожи при облучении светом, что в конечном итоге приводит к развитию рака кожи и гибели больного.

Болезнь возникает из-за мутаций в генах участвующих в NER репарации. Например:

XPA кодирует белок связывающийся с местом повреждения и помогающий сборке репарирующего комплекса.

XPB и XPD, которыя являются частями транскрипционного фактора TFIIH. Некоторые мутации в XPB и XPD также могут являться причиной преждевременного старения.

XPF разрезает цепь ДНК с 5'-конца от повреждения.

XPG разрезает цепь с 3'-конца.

Мисмэтч репарация(MMR)

Мисмэтч репарация исправляет ошибочно встроенные неповрежденные основания которые не образуют нормальное Уотсон-Криковское спаривание (A•T, C•G). Такие ошибки происходят во время работы ДНК полимеразы при репликации.

В мисмэтч репарации участвуют ферменты вовлеченные как в BER, так и в NER репарацию, так и специализированные ферменты.

Синтез ДНК при мисмэтч репарации осуществляется ДНК полимеразами дельта или эпсилон.

Система мисмэтч репарации участвует в увеличении точности рекомбинации при мейозе.

Репарация разрывов ДНК

Ионизирующая радиация и некоторые химические вещества способны разорвать одну или две цепи ДНК.

Одноцепочечные разрывы (SSB)

Разрывы одной из цепей ДНК часто исправляются ферментами участвующими в BER репарации.

Двуцепочечные разрывы (DSB)

Имеется два механизма которые способны устранить двуцепочечных разрывов ДНК:

Прямое соединение сломаных концов. Этот процесс требует специальных

ферментов, которые узнают и связывают разорванные концы с последующим их сшиванием. Если разорванная ДНК имеет тупые концы и соединение двух фрагментов ДНК происходит случайно, то такая репарация называется NHEJ. Белок Ku необходимый для NHEJ. Ku - гетеродимерная субъединица, состоящая из двух белков Ku70 и Ku80.

Ошибки возникающие при прямом присоединении могут являться причиной транслокаций.

Полинуклеотидлигаза – восстановл. одноцеп. разрывы ДНК

Гомологичная рекомбинация

Гомологичная рекомбинация способна восстанавливать поломанные концы хромосом используя ДНК не поврежденной сестринской хроматиды доступной после удвоения хромосом.

Гены необходимые для гомологичной рекомбинации - BRCA-1 and BRCA-2.

Конверсия гена

Донором нового гена может быть:

гомологичная хромосома (во время мейоза)

систринская хроматида (так же во время мейоза)

дуплицированный ген той же хромосомы (во время митоза)

Исправление ошибок за счет 3’-5’ экзонуклеазной активности полимеразы при репликации (только у прокариот) (мутация E.coli mutD-мутатор-измен. -субъединицы ДНК-пол.III)

Тиминовые димеры, фермент фотолиаза ген-phr (у низших эукариот)

Удаление присоединенных алкильных и метильных групп - O-6-метилгуанинтрансфераза (ген ada)-удаляет О-6-метилгуанин

эксцизионная р. оснований [Е.coli ] [человек | узнавание поврежд. XPA-белком в ассоциации с RPA | привлекается ф-р транскр. TFIIH (P52, Р34, Р44, Р62, XPB-XPD-геликазн. акт-ть) | ERCC1-XPF, XPG – нуклеазы, надрезають ДНК по обе стороны от поврежд. | ДНК-полимераза- и вспомогат. белки RFC и PCNA застраивают брешь]

р. азотистых осн.-гликозилаза удаляет осн.

AP-сайт (апуриновый, апиримидиновый) | AP-эндонуклеаза опознает брешь, разрез. 5’-ДНК

пострепликативная р. (ПРР)

SOS-р. белки соед. с ДНК-полимеразой, доч. ДНК строится напротив поврежд. ДНК

Фотореактивация открыта в 1948 И. Ф. Ковалевым (СССР), А. Келнером и Р. Дульбекко (США) в опытах синфузориями, парамециями, коловратками, конидиями грибов, бактериями и бактериофагами. Было продемонстрировано повышение выживаемости облученных летальными дозами УФ-света организмов после воздействия видимым светом. Эффективность фотореактивации зависит от уровня рН, температуры и физиологического состояния клетки.

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОТЕХНОЛОГИЯ - научно-техническое направление, включающее применение биотехнологии для решения проблем окружающей среды (обработка сточных вод, переработка твердых отходов, борьба с загрязнениями окружающей среды и др.)

Биодизельное топливо

Биодизель - это экологически чистое топливо для дизельных двигателей, получаемое путем химической обработки растительного масла или животных жиров, которое может служить добавкой к дизельному топливу или полностью заменять его. Биодизель, как показали опыты, при попадании в воду не причиняет вреда растениям и животным. Кроме того, он подвергается практически полному биологическому распаду: в почве или в воде микроорганизмы за 28 дней перерабатывают 99 процентов биодизеля, что позволяет говорить о минимизации загрязнения рек и озер. Производство биодизеля позволяет ввести в оборот не используемые сельскохозяйственные земли, создать новые рабочие места в сельском хозяйстве, машиностроении, строительстве и т.д. Например, в России с 1995 по 2005 год посевные площади сократились на 25, 06 миллиона гектаров.

Цианобактерии и биотопливо

Ученые из университета Техаса в Остине научили бактерии вырабатывать материал для топлива. Они изменили геном цианобактерии, благодаря чему последняя научилась вырабатывать большое количество целлюлозы, которое будет использовано для получения биотоплива.

Ученые изменили геном цианобактерий, добавив туда гены, отвечающие за продукцию целлюлозы, взятые от уксусных бактерий Acetobacter xylinume. В результате модифицированные бактерии стали производить целлюлозу в виде геля, что очень удобно, так как ее легче в таком виде расщеплять на глюкозу и сахарозу - простые сахара, которые являются основным источником для получения этанола.

Специалисты высказали предположение, что с помощью модифицированных бактерий намного легче получать этанол, чем, к примеру, из кукурузы, свеклы или сахарного тростника. Так как целлюлоза, получаемая из этих растений, находится в кристаллической форме.

Что также немаловажно, по мнению ученых, так это то, что цианобактерии можно выращивать на непахотных землях и использовать для полива соленую воду, которую нельзя использовать для питья или полива растений.

Исходя из продуктивности цианобактерий в лаборатории, специалисты подсчитали, что при одинаковом количестве производимого этанола, площадь полей с цианобактериями будет в два раза меньше площади, засеянной растениями, используемыми как источник целлюлозы

Распределение основных классов животных по средам обитания (по Г. В. Войткевич и В. А. Вронскому).

В водной среде обитает примерно 150 000 видов животных, или около 7% общего их количества (рис. 5.4) и 10 000 видов растений (8%).

Следует обратить внимание и на то, что представители большинства групп растений и животных остались в водной среде (своей «колыбели»), но число их видов значительно меньше, чем наземных. Отсюда вывод — эволюция на суше проходила значительно быстрее.

Разнообразием и богатством растительного и животного мира отличаются моря и океаны экваториальных и тропических областей, в первую очередь Тихого и Атлантического океанов. На север и юг от этих поясов качественный состав постепенно обедняется. Например, в районе Ост-Индского архипелага распространено не менее 40 000 видов животных, тогда как в море Лаптевых всего 400. Основная масса организмов Мирового океана сосредоточена на относительно небольшой по площади зоне морских побережий умеренного пояса и среди мангровых зарослей тропических стран.

Удельный вес рек, озер и болот, как уже было отмечено ранее, по сравнению с морями и океанами незначителен. Однако они создают необходимый для растений, животных и человека запас пресной воды.

Рис. 5.4. Распределение основных классов животных по средам

обитания (по Г. В. Войткевич и В. А. Вронскому, 1989)

Примечание животные, помещенные ниже волнистой линии, обитают в море, выше ее — в наземно-воздушной среде

Известно, что не только водная среда оказывает сильное влияние на ее обитателей, но и живое вещество гидросферы, воздействуя на среду обитания, перерабатывает ее и вовлекает в круговорот веществ. Установлено, что вода океанов, морей, рек и озер разлагается и восстанавливается в биотическом круговороте за 2 млн лет, т. е. вся она прошла через живое вещество на Земле не одну тысячу раз.