Репарація: це що? Механізми репарації ДНК

Репарація - це властивість живої клітини боротися з різними ушкодженнями ДНК. У навколишньому світі існує безліч факторів, здатних викликати незворотні зміни в живому організмі. Щоб зберегти свою цілісність, уникнути патологічних і несумісних з життям мутацій, повинна існувати система самостійного відновлення. Як порушується цілісність генетичного матеріалу клітини? Розглянемо це питання більш докладно. Також з`ясуємо, які існують відновлювальні механізми організму і як вони працюють.

Порушення в ДНК

Молекула дезоксирибонуклеїнової кислоти може бути розірвана як в ході біосинтезу, так і під впливом шкідливих речовин. До негативних факторів, зокрема, відносять температуру або фізичні сили різного походження. Якщо руйнування сталося, клітина запускає процес репарації. Так починається відновлення вихідної структури молекули ДНК. За репарацію відповідають особливі ферментні комплекси, присутні всередині клітин. З неможливістю окремих клітин здійснювати відновлення пов`язані деякі захворювання. Наука, що вивчає процеси репарації, - це біологія. В рамках дисципліни проведено досить багато дослідів і експериментів, завдяки яким стає більш зрозумілим процес відновлення. Треба відзначити, що механізми репарації ДНК дуже цікаві, як і історія відкриття і вивчення даного феномена. Які фактори сприяють початку відновлення? Для того щоб процес запустився, необхідно, щоб на ДНК впливав стимулятор репарації тканин. Що це таке, докладніше розповімо трохи нижче.

Історія відкриття

Це дивовижне явище почав вивчати американський вчений Кельнер. Першим значущим відкриттям на шляху дослідження репарації став такий феномен, як фотореактивації. Цим терміном Кельнер назвав ефект зниження шкоди від ультрафіолетового опромінення при подальшій обробці пошкоджених клітин яскравим потоком світлового випромінювання видимого спектру.

"Світлове відновлення"

Згодом дослідження Кельнера отримали своє логічне продовження в роботах американських біологів Сетлоу, Руперта та деяких інших. Завдяки праці цієї групи вчених було достовірно встановлено, що фотореактивації є процесом, який запускається завдяки особливій речовині - фермент, що каталізує розщеплення димарів тиміну. Саме вони, як з`ясувалося, утворювалися в ході експериментів під впливом ультрафіолету. При цьому яскравий видиме світло запускав дію ферменту, який сприяв розщепленню димарів і відновленню початкового стану пошкоджених тканин. У даному випадку мова йде про світловий різновиди відновлення ДНК. Визначимо це більш чітко. Можна сказати, що світлова репарація - це відновлення під впливом світла первісної структури ДНК після ушкоджень. Однак даний процес не є єдиним, що сприяє усуненню пошкоджень.

"Темновое" відновлення

Через деякий час після відкриття світловий була виявлена темновая репарація. Це явище відбувається без будь-якого впливу світлових променів видимого спектру. Дана здатність до відновлення виявилася під час дослідження чутливості деяких бактерій до ультрафіолетових променів і іонізуючого випромінювання. Темновая репарація ДНК - це здатність клітин прибирати будь-які патогенні зміни дезоксирибонуклеїнової кислоти. Але слід сказати, що це вже не фотохімічний процес, на відміну від світлового відновлення.

Механізм "темнового" усунення пошкоджень

Спостереження за бактеріями показали, що через деякий час після того, як одноклітинний організм отримав порцію ультрафіолету, внаслідок чого деякі ділянки ДНК виявилися пошкодженими, клітина регулює свої внутрішні процеси певним чином. В результаті змінений шматочок ДНК просто відрізається від загальної ланцюжка. Отримані ж проміжки заново заповнюються необхідним матеріалом з амінокислот. Іншими словами, здійснюється ресинтез ділянок ДНК. Відкриття вченими такого явища, як темновая репарація тканин, - це ще один крок у вивченні дивовижних захисних здібностей організму тварини і людини.

Як влаштована система репарації

Експерименти, які дозволили виявити механізми відновлення і саме існування цієї здатності, проводилися за допомогою одноклітинних організмів. Але процеси репарації притаманні живим клітинам тварин і людини. Деякі люди страждають пігментної ксеродермою. Це захворювання викликане відсутністю здатності клітин ресінтезіровать пошкоджену ДНК. Ксеродерма передається у спадок. З чого ж складається репарационная система? Чотири ферменту, на яких тримається процес репарації - це ДНК-ХЕЛІКАЗИ, -екзонуклеаза, -полімераза і -лігаза. Перший з цих сполук здатний розпізнавати пошкодження в ланцюзі молекули дезоксирибонуклеїнової кислоти. Він не тільки розпізнає, але й обрізає ланцюг в потрібному місці, щоб видалити змінений відрізок молекули. Само усунення здійснюється за допомогою ДНК-екзонуклеаза. Далі відбувається синтез нової ділянки молекули дезоксирибонуклеїнової кислоти з амінокислот з метою повністю замінити пошкоджений відрізок. Ну і фінальний акорд цієї складної біологічної процедури відбувається за допомогою ферменту ДНК-лігази. Він відповідає за прикріплення синтезованого ділянки до пошкодженої молекулі. Після того як всі чотири ферменту зробили свою роботу, молекула ДНК повністю оновлена і всі пошкодження залишаються в минулому. Ось так злагоджено працюють механізми усередині живої клітини.

Класифікація

На даний момент вчені виділяють такі різновиди систем репарації. Вони активуються залежно від різних факторів. До них відносяться:

1. Реактивація.
2. Рекомбинационной відновлення.
3. Репарація гетеродуплексов.
4. Ексцизійна репарація.
5. Возз`єднання негомологічних кінців молекул ДНК.

Всі одноклітинні організми володіють як мінімум трьома ферментними системами. Кожна з них має здатність здійснювати процес відновлення. До цих систем відносять: пряму, ексцизійної і постреплікатівной. Цими трьома видами відновлення ДНК володіють прокаріоти. Що стосується еукаріот, то в їх розпорядженні знаходяться додаткові механізми, які називаються Miss-mathe і Sos-репарація. Біологія детально вивчила всі ці види самовідновлення генетичного матеріалу клітин.

Структура додаткових механізмів

Пряма репарація - це найменш складний спосіб позбавлення від патологічних змін ДНК. Її здійснюють особливі ферменти. Завдяки їм відновлення структури молекули ДНК відбувається дуже швидко. Як правило, процес протікає протягом однієї стадії. Одним з вищеописаних ферментів є O6-метілгуанін-ДНК-метилтрансфераза. Ексцизійна система репарації - це тип самовідновлення дезоксирибонуклеїнової кислоти, який має на увазі вирізання змінених амінокислот і подальшу заміну їх заново синтезованими ділянками. Цей процес вже здійснюється в кілька стадій. У ході постреплікатівной відновлення ДНК в структурі цієї молекули можуть утворюватися проломи величиною в один ланцюжок. Потім вони закриваються за участю білка RecA. Постреплікатівной система репарації унікальна тим, що в її процесі відсутній етап розпізнавання патогенних змін.

Хто відповідає за механізм відновлення

На сьогоднішній день вченим відомо, що таке найпростіше істота, як кишкова паличка, володіє не менш ніж півсотнею генів, що відповідають безпосередньо за репарацію. Кожен ген виконує певні функції. До них відносять: розпізнавання, видалення, синтез, прикріплення, ідентифікацію наслідків впливу ультрафіолету і так далі. На жаль, будь-які гени, в тому числі і ті, що відповідають за процеси репарації в клітині, піддаються мутаційним змінам. Якщо це відбувається, то вони запускають більш часті мутації і у всіх клітинах організму.

Чим небезпечне пошкодження ДНК

Кожен день ДНК клітин нашого організму піддаються небезпеці пошкоджень і патологічних змін. Цьому сприяють такі чинники навколишнього середовища, як ультрафіолетове випромінювання, харчові добавки, хімічні речовини, перепади температур, магнітні поля, численні стреси, що запускають певні процеси в організмі, і багато іншого. Якщо структура ДНК буде порушена, це може викликати важку мутацію клітини, а може в майбутньому привести до раку. Саме тому у організму є комплекс заходів, покликаних боротися з такими ушкодженнями. Навіть якщо ферментам вдається повернути ДНК в первозданний вигляд, система репарації працює на те, щоб звести пошкодження до мінімуму.

Гомологичная рекомбінація

Розберемося, що це таке. Рекомбінація являють собою обмін генетичним матеріалом в процесі розриву і з`єднання молекул дезоксирибонуклеїнової кислоти. У тому випадку, коли в ДНК виникають розриви, починається процес гомологичной рекомбінації. В ході нього здійснюється обмін фрагментами двох молекул. Завдяки цьому точно відновлюється первісна структура дезоксирибонуклеїнової кислоти. У деяких випадках може відбуватися проникнення ДНК. Завдяки процесу рекомбінації можлива інтеграція цих двох різнорідних елементів.

Механізм відновлення і здоров`я організму

Репарація - це обов`язкова умова нормального функціонування організму. Піддаючись щодня і щогодини загрозам ушкоджень і мутацій ДНК, багатоклітинна структура пристосовується і виживає. Це відбувається в тому числі і за рахунок налагодженої системи репарації. Відсутність нормальної відновлювальної здатності викликає хвороби, мутації та інші відхилення. До них відносяться різні патології розвитку, онкологія і навіть саме старіння. Спадкові хвороби внаслідок порушень репарації можуть призводити до тяжких злоякісним пухлинам і іншим аномалій організму. Зараз визначені деякі захворювання, викликані саме збоями систем репарації ДНК. Це такі, наприклад, патології, як синдром Кокейна, ксеродерма, неполіпозний рак товстої кишки, тріхотіодістрофія і деякі ракові пухлини.