Строение, функции и свойства ДНК.

Химический состав ДНК и её макромолекулярная организация. Типы спиралей ДНК. Молекулярные механизмы рекомбинации, репликации и репарации ДНК. Понятие о нуклеазах и полимеразах. Репликация ДНК как условие передачи генетической информации потомкам. Общая характеристика процесса репликации. Действия, происходящие в вилке репликации. Репликация теломеров, теломераза. Значение недорепликации конечных фрагментов хромосом в механизме старения. Системы исправления ошибок репликации. Корректорские свойства ДНК-полимераз. Механизмы репарации поврежденной ДНК. Понятие о заболеваниях репарации ДНК. Молекулярные механизмы общей генетической рекомбинации. Сайт-специфическая рекомбинация. Генная конверсия.

 

В 1865г. Грегор Мендель открыл гены, а его современник Фридрих Мишер в 1869г. открыл нуклеиновые кислоты (в ядрах клеток гноя и сперматозоидов лосося). Однако долго еще эти открытия не связывали друг с другом, долго еще структуру и природу вещества наследственности не знали. Генетическая роль НК была установлена после открытия и объяснения явлений трансформации (1928, Ф.Гриффитс; 1944, О. Эвери), трансдукции (1951, Ледерберг, Циндер) и размножения бактериофагов (1951, А. Херши, М. Чейз).

Трансформация, трансдукция и размножение бактериофагов убедительно доказали генетическую роль ДНК. У РНК - содержащих вирусов (СПИДа, гепатита В, гриппа, ВТМ, лейкоза мышей и др.) эту роль выполняет РНК.

Строение нуклеиновых кислот. НК — биополимеры, участвующие в хранении и передаче генети­ческой информации. Мономеры НК — нуклеотиды, состоящие из азо­тистого основания, моносахарида и одной или нескольких фосфатных групп. В составе НК все нуклеотиды являются монофосфа­тами. Нуклеотид без фосфатной группы называется нуклеозидом. Сахар, входящий в состав НК, представляет собой D-изомер и β-аномер рибозы или 2-дезоксирибозы. Нуклеотиды, содержащие рибозу, называ­ются рибонуклеотидами и являются мономерами РНК, а нуклеотиды — производные дезоксирибозы, являются дезоксирибонуклеотидами, и из них состоит ДНК. Азотистые основания бывают двух типов: пурины — аденин, гуанин и пиримидины — цитозин, тимин, урацил. В состав РНК и ДНК входят аденин, гуанин, цитозин; урацил встречается только в РНК, а тимин только в ДНК.

В ряде случаев в НК присутствуют редко встречающиеся минор­ные нуклеотиды, такие как дигидроуридин, 4-тиоуридин, инозин и др. Разнообразие их особенно велико у тРНК. Минор­ные нуклеотиды образуются в результате химических превращений оснований НК, происходящих уже после образования полимерной цепи. Чрезвычайно распространены в РНК и ДНК различные метилированные производные: 5-метилуридин, 5-метилцитидин, l-N-метиладенозин, 2-И-метилгуанозин. У РНК объектом метилирования могут быть и 2'-гидроксигруппы остатков рибозы, что приводит к обра­зованию 2'-О-метилцитидина или 2'-О-метилгуанозина.

Рибонуклеотидные и дезоксирибонуклеотидные звенья соединяют­ся между собой с помощью фосфодиэфирных мостиков, связывающих 5'-гидроксильную группу одного нуклеотида с 3'-гидроксильной груп­пой следующего. Таким образом, регулярная основная цепь образована фосфатными и рибозными остатками, а основания присо­единены к сахарам подобно тому, как присоединены боковые группы в белках. Порядок следования оснований вдоль цепи называется пер­вичной структурой НК. Последовательность оснований принято читать в направлении от 5'- к 3'- углеродному атому пентозы.

Структура ДНК.Модель структуры ДНК в виде двойной спирали была предложена Уотсоном и Криком в 1953 г (рис.7).

Согласно этой трехмерной модели, молекула ДНК состоит из двух противоположно направленных полинуклеотидных цепей, которые относительно одной и той же оси образуют правую спираль. Азотистые основания находятся внутри двойной спирали, и их плоскости перпендикулярны основной оси, а сахарофосфатные остатки экспонированы наружу. Между основаниями образуются специфические Н-связи: аденин — тимин (или урацил), гуанин — цитозин, получившие название уотсон-криковского спаривания. В результате более объемные пурины всегда взаимодействуют с пиримидинами, имеющими меньшие размеры, что обеспечивает оптимальную геометрию остова. Антипараллельные цепи двойной спирали не являются идентичными ни по последовательнос­ти оснований, ни по нуклеотидному составу, но они комплементарны друг другу именно благодаря наличию специфического водородного связывания между указанными выше основаниями.

Комплементарность очень важна для копирования (репликации) ДНК. Соотношения между числом различных оснований в ДНК, выявленные

 

 

Рис.7. В - форма ДНК

 

 

Чарграффом с соавт. в 50-х гг., имели большое значе­ние для установления структуры ДНК: было показано, что число адениновых остатков в основаниях цепи ДНК, независимо от организма, равно числу тиминовых, а число гуаниновых — числу цитозиновых. Эти равенства являются следствием избирательного спаривания оснований (рис.8).

Геометрия двойной спирали такова, что соседние пары основа­ний находятся друг от друга на расстоянии 0.34 нм и повернуты на 36° вокруг оси спирали. Следовательно, на один виток спирали прихо­дится 10 пар оснований, и шаг спирали равен 3.4 нм. Диаметр двой­ной спирали равен 20 нм и в ней образуются два желобка — большой и малый. Это связано с тем, что сахарофосфатный остов расположен дальше от оси спирали, чем азотистые основания.

Стабильность структуры ДНК обусловлена разными типами взаимо­действия, среди которых основными являются Н-связи между основа­ниями и межплоскостное взаимодействие (стэкинг). Благодаря послед­нему обеспечиваются не только выгодные ван-дер-ваальсовы контакты между атомами, но и возникает

 

Рис.8. Принцип комплементарности и антипараллельности цепей ДНК

 

дополнительная стабилизация вслед­ствие перекрывания р-орбиталей атомов параллельно расположенных оснований. Стабилизации способствует также благоприятный гидрофобный эффект, проявляющийся в защищенности малополярных ос­нований от непосредственного контакта с водной средой. Напротив, сахарофосфатный остов с его полярными и ионизированными группами экспонирован, что также стабилизирует структуру.

Для ДНК известны четыре полиморфные формы: А, В, С и Z. Обычной структурой является В-ДНК, в которой плоскости пар оснований перпендикулярны оси двойной спирали (рис.7.). В А-ДНК плоско­сти пар оснований повернуты примерно на 20° от нормали к оси пра­вой двойной спирали; на виток спирали здесь приходится 11 пар ос­нований. В С-ДНК на витке спирали 9 пар оснований. Z-ДНК — это левая спираль с 12 парами оснований на виток; плоскости оснований примерно перпендикулярны оси спирали. ДНК в клетке обычно находится в В-форме, но отдельные ее участки могут находиться в A, Z или даже в иной конформации.

Двойная спираль ДНК не застывшее образование, она находится в постоянном движении:

· деформируются связи в цепях;

· раскрываются и закрываются комплементарные пары оснований;

· ДНК взаимодействует с белками;

· если напряжение в молекуле велико, то она локально расплетается;

· правая спираль переходит в левую.

Различают 3 фракции ДНК:

1.Частоповторяемая (сателлитная) – до 106 копий генов (у мыши 10%). Она не участвует в синтезе белка; разделяет гены; обеспечивает кроссинговер; содержит транспозоны.

2.Слабоповторяемая – до 102 - 103 копий генов (у мыши 15%). Содержит гены синтеза т-РНК, гены синтеза белков рибосом и белков хроматина.

3.Уникальная (неповторяемая) – у мыши 75% (у человека 56%). Состоит из структурных генов.

Локализация ДНК: 95 % ДНК локализуется в ядре в хромосомах (линейные ДНК) и 5 % - в митохондриях, пластидах и клеточном центре в виде кольцевой ДНК.

Функции ДНК: хранение и передача информации; репарация; репликация.

Две цепи ДНК в области гена принципиально различаются по своей функциональной роли: одна из них является кодирую­щей, или смысловой, вторая — матричной.

Это значит, что в процессе «считывания» гена (транскрипции или синтеза пре-мРНК) в качестве матрицы выступает матричная цепь ДНК. Продукт же этого процесса-пре-мРНК — по последовательности нуклеотидов совпадает с кодирующей цепью ДНК (с заменой тиминовых основа­ний на урациловые).

Таким образом, получается, что с помощью матричной цепи ДНК при транскрипции воспроизводится в структуре РНК генетическая информация кодирующей цепи ДНК.

Главными матричными процессами, присущими всем живым орга­низмам, являются репликация ДНК, транскрипция и трансляция.

Репликация — процесс, при котором информация, закодирован­ная в последовательности оснований молекулы родительской ДНК, передается с максимальной точностью дочерней ДНК. При полукон­сервативной репликации дочерние клетки первого поколения полу­чают одну цепь ДНК от родителей, а вторая цепь является вновь синтезированной. Процесс осуществляется при участии ДНК-полимераз, которые относятся к классу трансфераз. Роль матрицы играют разделенные цепи двунитевой материнской ДНК, а субстратами яв­ляются дезоксирибонуклеозид-5'-трифосфаты.

Транскрипция — процесс переноса генетической информации от ДНК к РНК. Все виды РНК - мРНК, рРНК и тРНК - синтезируют­ся в соответствии с последовательностью оснований в ДНК, служа­щей матрицей. Транскрибируется только одна, так называемая «+»-цепь ДНК. Процесс протекает при участии РНК-полимераз. Субстратами являются рибонуклеозид-5'-трифосфаты.

Процессы репликации и транскрипции у прокариот и эукариот существенно различаются по скорости протекания и по отдельным механизмам.

Трансляция — процесс декодирования мРНК, в результате которого информация с языка последовательности оснований мРНК перево­дится на язык аминокислотной последовательности белка. Осуще­ствляется трансляция на рибосомах, субстратами являются аминоацил-тРНК.

Матричный синтез ДНК, катализируемый ДНК-полимеразами, выполняет две основные функции: репликацию ДНК — синтез но­вых дочерних цепей и репарацию двунитевых ДНК, имеющих разры­вы в одной из цепей, образовавшихся в результате вырезания нуклеазами поврежденных участков этой цепи. У прокариот и эукариот существует три разновидности ДНК-полимераз. У прокариот выделе­ны полимеразы I, II и III типов, обозначаемые как pol l, pol ll и pol III. Последняя катализирует синтез растущей цепи, pol играет важную роль в процессе созревания ДНК, функции pol ll изучены не полно­стью. В эукариотических клетках в репликации хромосом участвует ДНК-полимераза ά, в репарации — ДНК-полимераза β, а γ разновид­ность является ферментом, осуществляющим репликацию ДНК митохондрий. Эти Ферменты, независимо от типа клеток, в которых происходит реплика­ция, присоединяют нуклеотид к ОН-группе на З'-конце одной из цепей ДНК, которая растет в направлении 5'→3. Поэтому говорят, что дан­ные Ф обладают 5'→3'-полимеразной активностью. Помимо этого все они проявляют способность деградировать ДНК, отщепляя, нуклеотиды в направлении 3'→5, т. е. являются 3'→5'-экзонуклеазами.

В 1957 г. Мезельсон и Сталь, изучая E. coli установили, что на каждой свободной цепи фермент ДНК-полимераза строит новую, комплементарную цепь. Это полукон­сервативный способ репликации: одна цепь старая – другая новая!

Обычно репликация начинается в строго определенных участках, получивших название участков ori (от origin of replication), и от этих участков распространяется в обе стороны. Участкам ori предшеству­ют точки разветвления материнских цепей ДНК. Участок, примыка­ющий к точке разветвления, получил название репликативной вилки (рис.9). В ходе синтеза репликативная вилка перемещается вдоль молекулы, при этом расплетаются все новые участки родительской ДНК до тех пор, пока вилка не дойдет до точки терминации. Разделе­ние цепей достигается с помощью специальных Ф — геликаз (топоизомераз). Энергия, необходимая для этого, высвобождается за счет гидролиза АТФ. Геликазы перемещаются вдоль полинуклеотидных цепей в двух направлениях.

Для начала синтеза ДНК необходима затравка — праймер. Роль праймера выполняет короткая РНК (10—60 нуклеотидов). Она синте­зируется комплементарно определенному участку ДНК при участии праймазы. После образования праймера в работу включается ДНК-полимераза. В отличие от геликаз ДНК-полимеразы могут переме­щаться только от 3' к 5' концу матрицы. Поэтому элонгация расту­щей цепи по мере раскручивания двунитевой материнской ДНК мо­жет идти только вдоль одной цепи матрицы, той, относительно которой вилка репликации движется от 3' к 5' концу. Непрерывно синтезиру­емая цепь получила название лидирующей. Синтез на запаздывающей цепи также начинается с образования праймера и идет в направлении, противоположном ведущей цепи — от вилки репликации. Запаздыва­ющая цепь синтезируется фрагментарно (в виде фрагментов Оказа­ки), т. к. праймер образуется только тогда, когда вилка репликации освободит тот участок матрицы, который имеет сродство к праймазе. Лигирование (сшивание) фрагментов Оказаки с образованием еди­ной цепи носит название процесса созревания.

При созревании цепи РНК-затравка удаляется как с 5' конца ве­дущей цепи, так и с 5' концов фрагментов Оказаки, а эти фрагменты сшиваются друг с другом. Удаление затравки осуществляется при уча­стии 3'→5' экзонуклеазы. Этот же Ф вместо удаленной РНК присо­единяет дезоксинуклеотиды, используя свою 5'→3' полимеразную активность. При этом в случае присоединения «неправильного» нуклеотида осуществляется «корректорская правка» — удаление основа­ний, образующих некомплементарные пары. Этот процесс обеспечи­вает чрезвычайно высокую точность репликации, отвечающую одной ошибке на 109 пар оснований.

 

Рис.9. Репликация ДНК:

1 — репликативная вилка, 2 — ДНК-полимераза (pol I — созревание);

3 — ДНК-полимераза (pol III — «корректорская правка»); 4—геликаза;

5—гираза (топоизомераза); 6—белки, дестабилизирующие двойную спираль.

 

 

 

Коррекция осу­ществляется в тех случаях, когда к З'-концу расту­щей цепи присоединяется «неправильный» нуклеотид, неспособный образовать нужные водородные связи с матрицей. Когда pol III ошибочно при­соединяет неправильное основание, «включается» ее 3' -» 5'-экзонуклеазная активность, и это основа­ние немедленно удаляется, после чего восстанавли­вается полимеразная активность. Такой простой механизм действует благодаря тому, что pol III способна работать как полимераза лишь на совер­шенной двойной спирали ДНК с абсолютно пра­вильным спариванием оснований.

Еще один механизм удаления РНК-фрагментов основан на присутствии в клетках особой рибонуклеазы, получившей название РНКазы Н. Этот Ф специфичен к двунитевым структурам, построенным из одной рибонуклеотидной и одной дезоксирибонуклеотидной цепи, причем он гидролизует первую из них.

РНКаза Н также способна удалять РНК-праймер с последующей за­стройкой разрыва с помощью ДНК-полимеразы. На заключительных этапах сборки фрагментов в нужном порядке действует ДНК-лигаза, катализирующая образование фосфодиэфирной связи.

Раскручивание геликазами части двойной спирали ДНК в хромо­сомах эукариот приводит к сверхспирализации остальной части струк­туры, что неизбежно сказывается на скорости процесса репликации. Сверхспирализации препятствуют ДНК-топоизомеразы.

Таким образом, в репликации ДНК, помимо ДНК-полимеразы, принимает участие большой набор Ф: геликаза, праймаза, РНКаза Н, ДНК-лигаза и топоизомераза. Этим перечень Ф и белков, участвую­щих в матричном биосинтезе ДНК, далеко не исчерпывается. Однако многие из участников этого процесса до настоящего времени остают­ся мало изученными.

В процессе репликации происходит «корректорская правка» - удаление непра­вильных (образующих некомплементарные пары) оснований, включенных во вновь синтезированную ДНК. Этот процесс обеспечивает чрезвычайно вы­сокую точность репликации, отвечающую одной ошибке на 109 пар оснований.

Теломеры. В 1938г. классики генетики Б.Мак-Клинтон и Г. Мёллер доказали, что на концах хромосом есть специальные структуры, которые назвали теломерами (телос-конец, мерос-часть).

Ученые обнаружили, что при воздействии рентгеновским облучением устойчивость проявляют лишь теломеры. Напротив, лишенные концевых участков, хромосомы начинают сливаться, что ведет к тяжелым генетическим аномалиям. Т.о., теломеры обеспечивают индивидуальность хромосом. Теломеры плотно упакованы (гетерохроматин) и малодоступны для ферментов (теломеразы, метилазы, эндонуклеаз и др.)

Функции теломер.

1.Механические: а) соединение концов сестринских хроматид после S-фазы; б) фиксация хромосом к ядерной мембране, что обеспечивает конъюгацию гомологов.

2.Стабилизационные: а) предохранение от недорепликации генетически значимых отделов ДНК (теломеры не транскрибируются); б) стабилизация концов разорванных хромосом. У больных α - талассемией в генах α - глобина происходят разрывы хромосомы 16д и к поврежденному концу добавляются теломерные повторы (ТТАГГГ).

3.Влияние на экспрессию генов. Активность генов, расположенных рядом с теломерами, снижена. Это проявление сайленсинга – транскрипционное молчание.

4.«Счетная функция». Теломеры выступают в качестве часового устройства, которое отсчитывает количество делений клетки. Каждое деление укорачивает теломеры на 50-65 н.п. А всего их длина в клетках эмбриона человека составляет 10-15 тысяч н.п.

Теломерная ДНК попала в поле зрения биологов совсем недавно. Первые объекты исследования – одноклеточные простейшие – ресничная инфузория (тетрахимена), которая содержит несколько десятков тысяч очень мелких хромосом и, значит, множество теломер в одной клетке (у высших эукариот менее 100 теломер на клетку).

В теломерной ДНК инфузории многократно повторяются блоки из 6-ти нуклеотидных остатков. Одна цепь ДНК содержит блок 2 тимин – 4 гуанин (ТТГГГГ - Г-цепь), а комплементарная цепь - 2 аденин – 4 цитозин (ААЦЦЦЦ - Ц-цепь).

Каково же было удивление ученых, когда обнаружили, что теломерная ДНК человека отличается от таковой у инфузории всего лишь одной буквой и образует блоки 2 тимин – аденин – 3 гуанин (ТТАГГГ). Более того, оказалось, что из ТТАГГГ - блоков построены теломеры (Г – цепь) всех млекопитающих, рептилий, амфибий, птиц и рыб.

Впрочем, удивляться здесь нечему, так как в теломерной ДНК не закодировано никаких белков (она не содержит гены). У всех организмов теломеры выполняют универсальные функции, речь о которых шла выше. Очень важная характеристика теломерных ДНК – их длина. У человека она колеблется от 2 до 20 тысяч пар оснований, а у некоторых видов мышей может достигать сотен тысяч н.п. Известно, что около теломер есть специальные белки, обеспечивающие их работу и участвующие в построении теломер.

Доказано, что для нормального функционирования каждая линейная ДНК должна иметь две теломеры: по одной теломере на каждый конец.

У прокариот теломеров нет – их ДНК замкнута в кольцо.