If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Ако си зад уеб филтър, моля, увери се, че домейните *. kastatic.org и *. kasandbox.org са разрешени.

Основно съдържание

Корекция и възстановяване на ДНК

Механизми за поправяне на грешки по време на ДНК репликация и за поправка на ДНК увреждане на клетките по време на живота.

Ключови точки:

  • Клетките използват множество механизми, за да се предпазят от мутации, или необратими промени в своята ДНК последователност.
  • По време на синтеза на ДНК повечето видове ДНК полимерази правят „проверка на работата си“, като поправят повечето от погрешно сдвоените бази в процес, наречен корекция на ДНК.
  • Непосредствено след синтеза на ДНК ако има някакви неправилно сдвоени бази, те се откриват и заместват в процес, наречен репарация на неправилното сдвояване
  • Ако ДНК бъде повредена, тя може да се поправи посредством набор от механизми, включително химично обръщане, поправка чрез изрязване и поправка на прекъсванията на двойната верига.

Въведение

Какво общо има ДНК с раковите тумори? Ракът се получава, когато клетките се делят неконтролируемо, като не реагират на нормалните „стоп“ сигнали и така се получава тумор. Това опасно поведение се причинява от натрупване на мутации, или необратими промени в последователността на клетъчната ДНК.
В клетките на тялото ни непрекъснато се получават грешки при репликацията и повреди в ДНК. Обаче в повечето случаи те не причиняват рак или дори мутации. Причината е, че обикновено те биват засечени и поправени от механизмите за корекция и поправка на ДНК. Или ако повредата е твърде голяма и не може да се поправи, се включва механизмът за програмирана смърт на клетката (апоптоза), за да не се намножи тази увредена ДНК.
Мутациите се случват и се предават на дъщерните клетки само тогава, когато всички тези механизми се провалят. От своя страна, ракът се образува само тогава, когато в една и съща клетка се натрупат многобройни мутации на свързани с деленето гени.
В този урок ще разгледаме отблизо механизмите, които клетките използват да поправят грешки при репликацията и повреди в ДНК, включително:
  • Коригиране на ДНК, което поправя грешки по време на репликацията
  • Корекция на несдвояванията, която поправя грешно сдвоени бази веднага след репликацията
  • Механизми за поправка на увредена ДНК, които намират и поправят повредите по време на клетъчния цикъл

Корекция на ДНК

ДНК полимеразите са тези ензими, които построяват ДНК-то в клетките. По време на процеса на копиране на ДНК, наречен ДНК репликация, повечето видове ДНК полимерази могат да „ проверяват“ своята работа за всяка добавена от тях база. Този процес се нарича корекция на ДНК. Ако полимеразата засече, че е добавен грешен (неправилно сдвоен) нуклеотид, то тя веднага ще го замени, и чак след това ще продължи да синтезира ДНК1.
Коригиране:
  1. ДНК полимераза добавя нова база към 3' края на нарастващата нова верига. (Шаблонът има G, а полимеразата неправилно добавя Т вместо С към новата верига.)
  2. Полимеразата открива, че базите са погрешно сдвоени.
  3. Полимеразата използва 3​​' до 5' екзонуклеазна дейност за премахване на неправилно Т от 3' края на новата верига.

Репарация на несъответствията

Много от грешките се поправят по време на коригирането на ДНК, но някои от тях успяват да се изплъзнат. Репарацията на несъответствията се извършва веднага след създаването на новата ДНК, като задачата ѝ е да премахне и замени неправилно сдвоените бази (които са били пропуснати при коригирането на ДНК). Репарацията на несъответствията също така може да засече и да поправи малки инсерции (прибавяния на нуклеотиди) и делеции (премахнати нуклеотиди), които се получават при изплъзване на полимеразата от нейното място на закрепване по шаблона.
Как действа механизмът за поправка на несъотвествията? Най-напред специален протеинов комплекс (група от протеини) разпознава неправилно сдвоената база и се прикрепя към нея. След това втори комплекс разрязва ДНК веригата в близост до "грешката" и други ензими изрязват неправилния нуклеотид и част от ДНК около него. Накрая ДНК полимераза заменя липсващия сегмент с правилните нуклеотиди, а отворените краища се залепват от ензим, наречен ДНК лигаза2.
Репарация на несъответствията.
  1. Едно несъответствие се открива в новосинтезирана ДНК. Налице е G в новата верига в двойка с T в шаблонната (стара) верига.
  2. Новата ДНК верига се прекъсва и парче ДНК, съдържащо погрешно сдвоения нуклеотид и неговите съседи, се отстранява.
  3. Липсващото парче се заменя с правилни нуклеотиди от ДНК полимераза.
  4. ДНК лигаза уплътнява оставащата празнина в ДНК гръбнака.
Може би се чудиш как протеините, които участват в репарацията на ДНК, успяват да определят кой е правилният нуклеотид по време на процеса? Т.е., когато две бази са неправилно сдвоени (както Г и Т на графиката горе), то коя от двете трябва да се премахне и замени?
При бактериите оригиналните вериги ДНК се различават от новосъздадените по една особеност, наречена метилирано състояние. Старата верига ДНК ще има метилови групи (CH3), свързани към някои от нейните бази, доката новата ДНК верига все още няма да има никакви метилови групи3.
При еукариотите процесите, които позволяват да се определи коя е оригиналната верига при репарацията на несъотвествията, включва разпознаването на така наречените никове (едноверижни прекъсвания), които се намират само при новосъздадената ДНК3.

Механизми за корекция на повреди в ДНК

Възможно е ДНК да пострада и да се повреди почти във всеки момент от клетъчния цикъл, не само по време на репликацията. В действителност твоята ДНК се поврежда непрекъснато от външни фактори като ултравиолетова светлина, химически вещества и рентгенови лъчи — да не говорим и за спонтанните химични реакции, които се случват дори и без въздействие на външни влияния!4
За щастие, твоите клетки имат механизми за възстановяване, с които установяват и поправят множество типове ДНК повреди. Тези процеси за поправка на повредената ДНК включват:
  • Пряко обръщане: Някои ДНК-увреждащи химични реакции могат да бъдат директно "отменени" от ензими в клетката.
  • Поправка чрез изрязване: Повредата на една или няколко ДНК бази често бива поправяна чрез премахване (изрязване) на повредената област и замяна с нова. При поправката на база чрез изрязване се премахва само неправилната азотна база. При поправката на нуклеотид чрез изрязване се премахва част от нуклеотидната верига, както видяхме по-горе при репарацията на несъответствията.
  • Корекция на разкъсвания на двойната верига: Два основни механизма: нехомоложно съединяване на краища и хомоложна рекомбинация, се използват за корекция на разкъсвания на двойната верига на ДНК (това е когато цяла една хромозома се раздели на две части).

Обръщане на повреди

В някои случаи клетката може да поправи повреда в своята ДНК, като просто обърне химичната реакция, която е причинила повредата. Ще разберем това по-лесно, като знаем какво представлява „ДНК повредата“ – често това е нищо повече от допълнителна, излишна група от атоми, закачена за ДНК чрез химична реакция.
Например азотната база гуанин (Г) може да встъпи в химична реакция, която да закачи към негов кислороден атом една метилова група (CH3). Така метилираният гуанин, ако не бъде поправен, ще образува двойка с тимин (Т), вместо с цитозин (Ц) по време на ДНК репликацията. За наше щастие в организмите на човека и други видове съществува специален ензим, който може да премахне тази метилова група и така обръща химичната реакция, за да възстанови базата в нормалното ѝ състояние5.
Метилиране на гуанин
Нормална база гуанин претърпява реакция с вреден химикал, което води до добавянето на метилова (CH3) група към кислорода в карбонилната група, намираща се на един от пръстените на базата.
Метиловата група може да се отстрани от повредената метилирана база чрез ензим, намиращ се в клетката.
Илюстрацията е базирана на подобна фигура от Cooper 5.

Поправка чрез изрязване на бази

Поправката чрез изрязване на бази, наричана още ексцизионна корекция на бази, е механизъм за откриване и премахване на някои видове повредени бази. Група от ензими, наречени гликозилази, играят ключова роля при поправката чрез изрязване на бази. Всяка гликозилаза открива и премахва определен вид повредена база.
Например при химичната реакция, наречена деаминация, може да се преобразува цитозинова база в урацил – база, която обикновено се среща само в РНК. По време на ДНК репликацията урацилът ще се съчетае с аденин, вместо с гуанин (както би било, ако базата все още беше цитозин), така че непоправена цитозин-към-урацил промяна може да доведе до мутация5.
За предотвратяване на такива мутации гликозилаза от пътя за поправка чрез изрязване на бази засича и премахва деаминираните цитозини. След като базата бъде премахната, "празната" част от гръбнака на ДНК също се премахва, като празното място се запълва от други ензими6.
Поправка чрез изрязване на бази на деаминиран цитозин.
  1. Деаминирането преобразува базата цитозин в урацил. Това води до получаване на двойна спирала, в която G в едната верига е свързан с U в другата. На мястото на базата U по-рано е имало C, но се превръща в U чрез деаминиране.
  2. Урацилът се открива и отстранява, оставяйки нуклеотид без база.
  3. Нуклеотидът без база се отстранява, оставяйки едно празно място за нуклеотид в ДНК гръбнака.
  4. Празното място се запълва с правилната база с помощта на ДНК полимераза и краищата се свързват от лигаза.

Корекця с изрязване на нуклеотиди

Поправка с изрязване на нуклеотид е друг път, използван за премахване и замяна на увредени бази. Поправката с изразване на нуклеотиди открива и поправя увреждания, които нарушават двойната спирала на ДНК. Например този механизъм засича бази, които са били модифицирани с масивни химични групи като тези, които се прикрепят към твоята ДНК, когато тя бъде изложена на химикали от цигарения дим7.
Поправката с изрязване на нуклеотиди също така се използва за поправяне на някои видове увреждания, причинени от УВ радиация, например, когато изгориш от слънцето. УВ радиацията може да накара цитозиновите и тиминовите бази да реагират със съседни бази, които също са Ц или Т, образувайки връзки, които нарушават двойната спирала и причиняват грешки в ДНК репликацията. Най-честият вид свързване – т.нар. тиминов димер, се състои от две тиминови бази, които реагират една с друга и се свързват химично8.
Поправка с изрязване на нуклеотиди на тиминов димер.
  1. UV радиация води до образуване на тиминов димер. В тиминовия димер две тиминови бази, които са една до друга в една и съща верига, се свързват чрез химическа реакция помежду си. Това води до изкривяване на двойната спирала.
  2. След като димерът бъде открит, обкръжаващата ДНК се отворя и се образува балон.
  3. Съответните нзими отрязват повредената област (тиминовия димер плюс съседните области от същата верига) от балона.
  4. ДНК полимеразата замества изрязаната ДНК, а лигаза уплътнява гръбнака.
При поправката с изрязване на нуклеотиди увреденият нуклеотид(и) се премахва заедно с околна част от ДНК. При този процес ензимът хеликаза отваря ДНК, за да образува балонче, и ДНК-изрязващ ензим изрязва увредената част на балончето. ДНК полимераза заменя липсващата ДНК и ДНК лигаза съединява краищата в гръбнака на молекулата9.

Корекция на двуверижни скъсвания

Някои фактори на околната среда, например като високоенергийна радиация, могат да причинят разкъсване на двойната верига на ДНК (разделяне на хромозома на две). Този вид увреждане на ДНК е свързан с историите за произхода на супергероите в комиксите и с бедствия като Чернобил в реалния живот.
Двойноверижните разкъсвания са опасни, понеже големи участъци от хромозомите, и стотиците гени, които те съдържат, може да бъдат загубени, ако разкъсването не бъде поправено. Два механизма, участващи в поправянето на двойноверижните ДНК разкъсвания, са нехомоложно свързване на краищата и хомоложна рекомбинация.
При нехомоложното свързване на краищата двата скъсани края на хромозомата просто биват "залепени" отново заедно. Този механизъм за проправяне е "мръсен" и обикновено включва загубата, или понякога добавянето, на няколко нуклеотида при мястото на разкъсването. Така че нехомоложното свързване на краищата по принцип произвежда мутация, но това е по-добре от алтернативата (загуба на цяло хромозомно рамо)10.
Двойноверижно разкъсване може да бъде поправено чрез нехомоложно свързване на краищата. Хромозомата бива "залепена" отново, обикновено с малка мутация на мястото на разкъсването.
Диаграма, базирана на подобна диаграма в Alberts et al.10
При хомоложна рекомбинация информацията от хомоложната хромозома, която съвпада с увредената (или от сестринска хроматида, ако ДНК е била копирана), се използва за поправяне на разкъсването. При този процес двете хомоложни хромозоми се събират и неувреденият регион на хомолога или хроматида се използва като матрица за замяна на увредения регион на разкъсаната хромозома. Хомоложната рекомбинация е "по-чиста" от нехомоложното събиране на краищата и обикновено не причинява мутации11.
Двойноверижното разкъсване може да бъде поправено и чрез хомоложна рекомбинация. Разкъсаната хромозома се свързва с хомолога си. Увреденият регион бива заменен чрез рекомбинация, като се използват последователностите, копирани от хомолога.
Диаграма, базирана на подобна диаграма в Alberts et al.10

ДНК коригиране и възстановяване при заболявания на човека

Доказателство за важността на механизмите за проверка и поправяне идва от човешките генетични нарушения. В много случаи мутации в гени, които кодират протеините за проверка и поправяне, са свързани с наследствени ракове (ракове, които се предават в семействата). Например:
  • Наследствен неполипозен колоректален рак (също наречен синдром на Линч) се причинява от мутации в гените, кодиращи определени протеини за поправка на несъответствията12,13. Тъй като неправилното свързване на базите не се поправя в клетките на хората с този синдром, мутациите се натрупват много по-бързо, отколкото в клетките на незасегнат човек. Това може да доведе до развитието на тумори на дебелото черво.
  • Хора с ксеродерма пигментозум са изключително чувствителни на УВ светлина. Това състояние е причинено от мутации, които влияят на пътя за поправка на нуклеотидното изрязване. Когато този механизъм не работи, тиминовите димери и други видове УВ увреждания не могат да бъдат поправени. Хората с ксеродерма пигментозум развиват тежки слънчеви изгаряния от само няколко минути на слънце и около половината от тях ще получат рак на кожата до 10-годишна възраст, освен ако не избягват слънцето14.

Искаш ли да се присъединиш към разговора?

Все още няма публикации.
Разбираш ли английски? Натисни тук, за да видиш още дискусии в английския сайт на Кан Академия.