Ошибки репликации ДНК

Первый механизм возникновения замен в ДНК был предложен Уотсоном и Криком на основе модели двойной спирали ДНК. Согласно их представлениям, нуклеотиды , помимо наиболее вероятной конформации, при которой они образуют комплементарные пары A-T и G-C, способны к таутомеризации и переходу в такие конформации, при которых формируются неканонические комплементарные пары (см. рис.) 


        O                       N---+
 H C    |                       |   |
  3  \ / \                      |   N
      П   N-H...............O= / \\/ \
      П T |                   |   |
       \ / \\                 | G |
        N    O..............H-N   N
       /                       \ /
                                |
                                N
                               / \
                              H   H
Рис. Пример неканонической комплементарной пары T-G 

(Watson, Crick, 1953 ). Таким образом, появилась возможность объяснять возникновение мутаций в терминах химии нуклеиновых кислот. Однако, вскоре стало ясно, что важную роль в возникновении мутаций играют различные клеточные факторы (ферменты репарации и репликации ДНК) (см.обзор: Ауэрбах, 1978 ). Спонтанные мутации в бактерии Escherichia coli редки и происходят с частотой от 10 -9до 10-10 на нуклеотид на клетку за одну генерацию. Такой уровень точности достигается за счет многоступенчатой организации процессов репарации. При репликации ДНК встраивание ошибочных нуклеотидов происходят с частотой от 10-4 до 10-5 на нуклеотид на клетку на одну генерацию. Epsilon-субъединица ДНК-полимеразы III обладает "редактирующей" функцией, которая увеличивает точность до 10-7 -10-8 на нуклеотид на клетку за одну генерацию ( Bourguignon-Van Horen et al., 1982 ). Далее пострепликативная система репарации несовпадений уменьшает частоту ошибок до 10-9 - 10-10 ( Wagner et al., 1984 ). Последняя система производит репарацию несовпадающих оснований в ДНК, корректируя праймерную цепь ДНК по матричной . Праймерная цепь недометилирована по аденинам в олигонуклеотидах "GATC". Репарационный комплекс опознает олигонуклеотид "GATC" в праймерной цепи и вырезает несовпадающие нуклеотиды. Это является ярким примером влияния контекста ДНК на возникновение мутаций ( Pukkila et al., 1983 ; Leong et al., 1986 ). Репарационный комплекс состоит из четырех субъединиц: mutH, mutL, mutU и mutS. Мутационные повреждения этих белков вызывают повышенную частоту мутаций в геноме при репликации. Основным классом мутаций в таких мутантных штаммах являются транзиции (переходы пуринов в пурины, пиримидинов в пиримидины). Трансверсии (т.е. все остальные типы переходов) встречаются гораздо реже. В ряде случаев отмечено большое влияние соседних нуклеотидов на частоту возникновения мутаций. Так, например, в работе ( Schaaper, Dunn, 1987 ) для транзиций T:A -> C:G показано, что для "горячих" позиций мутирования характерно наличие соседнего в 5'-направлении нуклеотида G. Авторы предполагают, что соседние основания слева и справа могут иметь большое значение для стабилизации неканонической пары, возникающей в ходе репликации ( Schaaper, Dunn, 1987 ). Таким образом,если наличие тракта "GATC" уменьшает частоту возникновения спонтанных мутаций, то наличие консенсуса GT стимулирует возниновение мутаций в позиции T.

Сходные закономерности выявлены при анализе спонтанных мутаций, возникающих при трансфекции вектора pz189 в клетки обезьяны. Для всех промутировавших позиций характеро наличие нуклеотида Y в 5'-положении от них; консенсус позиции мутирования имеет вид: YC, где нуклеотид C расположен в позиции мутирования. Авторы ( Hauser et al., 1986 ) предполагают, что в этом случае мутации возникали спонтанно в ходе репарации трансфецированной ДНК, поврежденной клеточными нуклеазами.

Таким образом, для различных случаев возникновения мутаций как ошибок ДНК-полимераз характерно наличие выраженного влияния соседних оснований на частоту возникновения замен.

Частота ошибок репликации увеличивается из-за спонтанных повреждений геномной ДНК, возникающих в результате ее депуринизации в физиологических условиях. Депуринизация является следствием разрыва N-гликозидной связи, соединяющей в молекуле ДНК пуриновые основания с остатками дезоксирибозы. По оценкам Линдаля и Ниберга, депуринизация ДНК в организме происходит с частотой около 3 10-11 на нуклеотид в секунду, что примерно в 100 раз выше частоты спонтанной потери пиримидиновых оснований ДНК в тех же условиях. При такой частоте в соматической клетке человека должно происходить около 105 депуринизаций/день. Репликативный комплекс на ДНК-матрице взаимодействует с апуринизированным сайтом и включает в синтезируемую цепь ДНК преимущественно остатки дезоксиаденозина.

Многие бактериальные и эукариотические ДНК-полимеразы , осуществляющие репликацию ДНК, обладают 3'->5'-экзонуклеазной корректирующей активностью, и поэтому ошибочно включенные нуклеотиды, некомплементарные матрице, удаляются с 3'-конца растущей цепи ДНК перед включением следующего нуклеотида в строящуюся цепь ДНК. Далее см. Ошибки репликации: методы определения

Ошибки репликации и незаконная рекомбинация

Ошибки репликации и рекомбинация

Ссылки: