Склонные к ошибкам ДНК-полимеразы: общие сведения
Ключевая роль в поддержании стабильности генома принадлежит ДНК- полимеразам, синтезирующим ДНК с высокой точностью. Но ДНК живых организмов ежедневно подвергается повреждениям, возникающим под действием самых разнообразных химических и физических факторов. Например, в среднем, каждая клетка человека в результате спонтанного гидролиза гликозидной связи теряет 10000 оснований ежедневно ( Lindahl, 1999 ), а в клетках кожи каждый день образуются тысячи пиримидиновых димеров под влиянием ультрафиолетовых лучей [ Muramatsu, 2000 ].
В процессе эволюции у живых организмов выработался сложный механизм устранения повреждений - репарация . Известно несколько типов основных репарационных процессов:
- эксцизионная репарация оснований (ЭРО) ,
- эксцизионная репарация нуклеотидов (ЭРН) ,
- мисматч репарация и др.
Однако, репарационные системы не всегда успевают ликвидировать повреждения до начала очередного раунда репликации. Но из-за требований к пространственной структуре каталитического центра различных ДНК- полимераз в природе не существует ДНК-синтезирующего фермента, который мог бы сочетать в себе способность к высокоточному синтезу неповрежденной ДНК с возможностью продолжать эффективный и корректный синтез в поврежденных участках.
Некоторые повреждения, индуцируемые в основном ионизирующим излучением, а также радикалами кислорода , неизбежно образующимися в процессе нормального клеточного метаболизма, приводят к незначительным модификациям нуклеотидов: 8-оксогуанин, тимин гликоль. Высокоточные репликативные ДНК-полимеразы склонны встаивать напротив подобных видоизмененных оснований некорректные нуклеотиды (некомплиментарные первоначальным неповрежденным), поэтому такие повреждения напрямую индуцируют трансверсии и транслокации нуклеотидов.
Однако большинство химических канцерогенов и ультрафиолетовое излучение индуцируют образование так называемых "объемистых" повреждений ДНК (bulky adducts), приводящих к искривлению структуры двойной спирали. Высокопроцессивные ДНК-полимеразы, специализирующиеся на репликации геномной ДНК, не способны осуществлять синтез напротив таких поврежденных участков. В результате накопление повреждений в делящейся клетке вызовет остановку репликации и ее неминуемую гибель.
Таким образом, повреждения, являясь неизбежно источником мутагенеза и гибели клеток, оказывают губительное влияние на организм, способствуя канцерогенезу и старению (Friedberg, 2005 ).
В процессе эволюции помимо репарации выработался дополнительный механизм, позволяющий снижать вредное воздействие повреждений ДНК, направленный, главным образом, на преодоление блоков репликации. Очевидно, в ряде случаев, чтобы не погибнуть, клетке выгоднее снять блок репликации и пройти повреждение любой ценой. Открыты специализированные ДНК-полимеразы (найденные и у архей , и у прокариот , и эукариот ) основной функцией которых является участие в репликации ДНК при прохождении поврежденных участков. Репликация участков ДНК, содержащих повреждения, получила название translesion DNA sintesis ( синтез ДНК через повреждения ).
При синтезе ДНК склонные к ошибкам ДНК-полимеразы часто встраивают напротив повреждения нужный (корректный) нуклеотид, восстанавливая таким образом первоначальную структуру ДНК (error-free translesion syntesis). Однако в ряде случаев ферменты способны встраивать напротив повреждения некомплементарный исходному основанию нуклеотид, приводя к трансверсиям и транзициям нуклеотидов (error-prone translesion syntesis). По данным рентгено-структурного анализа эти ферменты обладают более открытым каталитическим центром, приспособленным под толерантность во взаимодействии с неспаренными и поврежденными основаниями и, следовательно, нетребовательным к структуре матрицы [ Yang, 2003 ].
Но благодаря такому строению активного центра эти ДНК-полимеразы ведут высокоошибочный синтез на неповрежденной матрице. Включая нуклеотиды в цепь ДНК, эти ферменты не всегда руководствуются правилом Уотсона-Крика, в результате чего частота ошибок возрастает от одной десятой до одной тысячной [ Johnson, 2000 ; Matsuda, 2000 ; Tissier, 2000 ; Ohashi, 2000 ]. Также они обладают способностью катализировать включение оснований к неспаренным или содержащим повреждения праймерным концам. За такое отличное от других ДНК-полимераз, участвующих в репликации и репарации, поведение, новые ферменты были названы склонными к ошибкам ДНК- полимеразами.
Первыми среди склонных к ошибкам ДНК-полимераз были открыты белки DinB и UmuC , участвующие в SOS-репарации у E.coli. Вскоре было показано, что DinB кодирует Рol IV [ Wagner, 1999 ]. Вскоре после открытия прокариотических DinB и UmuC у дрожжей было обнаружено семейство RAD6 генов , вовлеченных в соматический мутагенез и синтез ДНК в поврежденных участках. В это семейство входят такие гены, как REV1 , REV3 , REV7 , RAD30 .
Следует также отметить, что транскрибируемя ДНК чаще подвергается репарации повреждений, чем молчащая.
Показано первостепенное значение систем репарации ДНК в обеспечение транскрипции генов и нормального функционирования дифференцированных клеток мозга. По всей вероятности, основным источником повреждений ДНК в клетках головного мозга служит активная транскрипция большого числа локусов, являющаяся отличительной чертой клеток нервной ткани, поскольку транскрибируемые участки ДНК наиболее подвержены мутациям [ Datta, 1995 ], так как в них с большей вероятностью образуются разрывы и бреши, возникающие в результате расплетения двойной спирали. Особенно ярко недостаток репарации сказывается в случае атаксии-телеангиэктазии и синдрома де Санктис-Каччионе , при которых наблюдаются не только дегенеративные изменения в нейронах мозга , но и высокий процент риска по раковым заболеваниям , дефекты иммунитета , стерильность , чувствительность к радиации и др. [ Grewal, 1999 ; Robbins, 2002 ].
