Mechanizmy naprawy
DNA.

(Genetyka molekularna, red. P. Węgleński, PWN)

Głównym uszkodzeniem DNA w wyniku
działania

UV

jest

powstawanie

fotodimerów pirymidyn (np. dimery
tymidynowe, dimery tyminy z cytozyną).

W efekcie w łańcuchu DNA powstają
pary

sąsiadujących

pirymidyn

powiązane wiązaniami kowalencyjnymi.

Dimery

pirymidynowe

w

procesie

replikacji

zatrzymują

włączanie

nukleotydów przez polimerazę DNA III
do nowo syntetyzowanego łańcucha
DNA, co powoduje fragmentację DNA i
efekt letalny.

Znane są 2 podstawowe procesy naprawy
uszkodzeń

wywołanych

przez

UV:

fotoreaktywacja

i

naprawa

przez

wycinanie.

Fotoreaktywacja.

Cyklobutanolowe dimery pirymidynowe
mogą ulegać ponownej monomeryzacji
pod

wpływem

enzymów

fotoreaktywujących

(=fotoliazy)

w

obecności światła widzialnego.

Fotoliazy mają grupy prostetyczne, które
absorbują światło niebieskie i przenoszą
energię na pierścień cyklobutanowy, który
ulega następnie rozszczepieniu.

Fotoliaza E. coli ma 2 chromofory,
N5,N10-metylenotetrahydrofolian

i

zredukowany

dinukleotyd

flawinoadeninowy (FADH).

Fotoreaktywacja

jest

swoista

dla

dimerów pirymidynowych.

Stanowi ona przykład bezpośredniego
usuwania uszkodzenia i jest wolna od
błędów.

Naprawa przez wycinanie (E. coli).

Prowadzi do usuwania dimerów z DNA.
Nie wymaga światła widzialnego.

W

procesie

uczestniczą

4

białka

enzymatyczne kodowane przez geny
uvrA, uvrB, uvrC, uvrD (uvr: geny
oporności na promieniowanie UV).

Białka te tworzą układ reperacyjny
zwany endonukleazą UV (=endonukleaza
UVRABCD).

Białko kodowane przez uvrA rozpoznaje
w

DNA

deformację

strukturalną

wywołaną obecnością dimeru.

Białka kodowane przez uvrB i uvrC
przecinają łańcuch DNA w pobliżu
dimeru, w odległości 7 nukleotydów od
strony 5’ i ok. 5 nukleotydów od strony 3’.

Białko kodowane przez uvrD (helikaza)
powoduje

rozkręcenie

odciętego

12-

nukleotydowego odcinka DNA i jego
odłączenie od łańcucha DNA.

W jednym z łańcuchów heliksu DNA
powstaje luka.

Brakujący odcinek DNA jest następnie
syntetyzowany

od

końca

5’

przez

polimerazę DNA I.

Po wypełnieniu luki następuje ligacja na
końcu 3’ z udziałem ligazy DNA I.

Układ

reperacyjny

UVRABCD

jest

specyficzny w stosunku do dimerów
pirymidynowych

powstających

pod

wpływem UV.

System

ten

prowadzi

do

pełnej

i

bezbłędnej reperacji, o ile drugi łańcuch
DNA, leżący naprzeciw powstałej luki jest
nieuszkodzony.

Naprawa przez wycinanie (2
typy):

-przez wycięcie nukleotydu (NER,
ang. nucleotide excision repair),

-przez wycięcie zasady (BER, ang.
base excision repair).

NER (wycięcie nukleotydu):

Endonukleaza rozcina precyzyjnie nić
DNA po obu stronach uszkodzenia w
miejscach odległych od uszkodzenia o
ściśle określoną liczbę zasad.

Oligonukleotyd

zawierający

uszkodzenie jest usuwany.

Tworzy się luka.

Luka jest wypełniana.

System SOS naprawy DNA (u
Escherichia coli)

(Genetyka molekularna, red. P. Węgleński, PWN)

Indukcja systemu SOS następuje w
sytuacji krytycznej, kiedy pod wpływem
mutagenu

powstaną

bardzo

liczne

uszkodzenia DNA, których nie są w stanie
całkowicie

wyeliminować

systemy

reperacyjne.

Indukcja obejmuje kilkanaście różnych
genów uczestniczących w rekombinacji i
reperacji DNA.

Indukowany jest m. in. gen recA.

Gen LexA koduje białko represorowe,
które hamuje produkcję represora LexA,
białka RecA i kilkunastu innych białek
związanych z rekombinacją i reperacją
DNA.

Mechanizm:

wiązanie

się

z

określoną

sekwencją

sygnałową

w

obszarach

promotorowych

genów

kodujących w/w białka.

Indukcja wynika z inaktywacji represora
LexA

na

skutek

proteolitycznego

przecięcia tego polipeptydu.

Przecięcia dokonuje kompleks białka
RecA z jednoniciowymi fragmentami DNA
(kompleks

powstaje

w

momencie

zahamowania

replikacji

DNA

i

rozpoczynającej się degradacji DNA).

Na skutek proteolizy represora następuje
derepresja genu RecA i gwałtowny wzrost
ilości białka RecA w komórce.

Indukowana

jest

również

ekspresja

innych genów reprymowanych przez
represor LexA (np. geny uvrA, uvrB,
uvrC, uvrD, umuC, umuD).

Reakcja

SOS

zwiększa

istotnie

przeżywalność komórek po działaniu
mutagenu

w

wyniku

wzmożonej

rekombinacji, a także wypełniania luk
występujących w DNA (mimo braku nie
uszkodzonej matrycy).

Taki proces reperacji DNA powoduje
istotny wzrost częstości mutacji w
wyniku losowego włączania zasad i
kontynuacji syntezy DNA mimo braku
właściwej matrycy.

System reperacji SOS został dotąd
opisany tylko u bakterii.

Odpowiedź SOS

(Genomy, T.A. Brown, PWN)

Odpowiedź SOS umożliwia komórce
replikację DNA niezależnie od tego, że
łańcuch

polinukleotydowy

będący

matrycą zawiera miejsca AP lub dimery
cyklobutylowe i inne fotoprodukty, które
normalnie blokują lub przynajmniej
opóźniają kompleks replikacyjny.

Wymaga to utworzenia mutasomu, w
którego skład wchodzi kilka kopii białka
RecA oraz kompleksu UmuD’

2

C, który

jest trimerem utworzonym przez 2
białka UmuD’ i jedno UmuC.

Białko RecA pokrywa DNA w obszarze
sąsiadującym z miejscem uszkodzenia, a
kompleksy

UmuD’2C

wiążą

się

z

przyłączonymi białkami RecA.
Umożliwia

to

polimerazie

DNA

III

przejście przez miejsce uszkodzenia i
kontynuację replikacji DNA.

Polimeraza

napotykając

uszkodzoną

pozycję matrycy DNA wybiera nukleotyd
mniej więcej losowo, wykazując jednak
pewną

tendencję

do

wstawienia

A

naprzeciwko miejsca AP: częstość błędów
wzrasta.

Istnieją sugestie, że ta zwiększona
częstość mutacji stanowi cel SOS,
jeśli z jakichś powodów mutacje
stanowiłyby korzystną odpowiedź na
uszkodzenia DNA.

(Genetyka molekularna, red. P. Węgleński, PWN)

Rekombinacja

ogólna

(=homologiczna)

:

może zachodzić w dowolnym miejscu
między dwiema cząsteczkami DNA o
homologicznych

sekwencjach

nukleotydowych.

Rekombinacja zlokalizowana

:

szczególny

przypadek

rekombinacji;

biorą w niej udział cząsteczki o różnych
sekwencjach nukleotydowych, mające
jedynie

niewielkie

odcinki

homologiczne, między którymi zachodzi
rekombinacja.

Transpozycja.

U wielu różnych organizmów wykryto
występowanie elementów genetycznych
zdolnych do zmiany miejsca położenia w
genomie: transpozonów.

Transpozony: odcinki DNA złożone z
setek czy tysięcy par nukleotydów, które
ulegają

przemieszczaniu

się,

czyli

transpozycji.

Proces transpozycji może spowodować
duże zmiany w strukturze genomów, np.
inwersje, delecje, duplikacje dużych
fragmentów DNA.

Proces

transpozycji

związany

z

wycinaniem i integracją transpozonów
jest

wynikiem

rekombinacji

między

niehomologicznymi

sekwencjami

występującymi

w

transpozonach

i

miejscach ich integracji w DNA. Taka
rekombinacja

to

rekombinacja

nieuprawniona

.

W komórkach transpozony jednego typu
mogą występować w różnej liczbie kopii –
od kilku do kilkunastu.

Między homologicznymi sekwencjami tych
samych transpozonów znajdujących się w
genomie w różnych położeniach mogą
zachodzić

rekombinacje

homologiczne

typu

crossing-over

(prowadzą

do

znacznych

zmian

w

strukturze genomu).

Tytuł:

Naprawa DNA

przez wycinanie zasad

 

Autorzy:

Tomasz Śliwiński, Janusz Błasiak
Katedra Genetyki Molekularnej,
Uniwersytet Łódzki

Postępy Biochemii

Rok: 2005, Tom: 51,

Numer 2, str. 120-129.

Uszkodzenia zasad w DNA powstające w

wyniku procesów deaminacji, utleniania

czy alkilacji są naprawiane przede

wszystkim przez system naprawy DNA

przez wycinanie zasad (BER, ang. Base

Excision Repair).

Enzymami zapoczątkowującymi naprawę
DNA przez BER są glikozylazy DNA.

Glikozylazy

rozpoznają

uszkodzone

zasady i usuwają je z DNA poprzez
hydrolizę

wiązań

N-glikozydowych

pomiędzy uszkodzoną zasadą a resztą
cukrową.

Poznano i scharakteryzowano wiele
różnych glikozylaz DNA z różnych
organizmów

(człowieka,

E.

coli,

wirusowe)

o

odmiennych

specyficznościach substratowych.

Niektóre z glikozylaz DNA posiadają
dodatkowo

aktywność

liazy

AP,

powodującej

na

hydrolizę

wiązania

fosfodiestrowego pomiędzy nukleotydem
po stronie 3’ uszkodzenia a deoksyrybozą
pozbawioną zasady azotowej.

BER składa się z dwóch różnych szlaków
naprawy

DNA

(podstawowego

i

alternatywnego),

w

których

zostają

wprowadzone odpowiednio jeden, bądź od
dwóch do sześciu, nukleotydów w DNA, w
miejsce

usuniętego

wcześniej

uszkodzonego pojedynczego nukleotydu.

Dla

prawidłowego

funkcjonowania

całego organizmu i zdolności jego

przeżycia

niezmiernie

ważne

jest

kontrolowanie przez BER stabilności i

integralności genomowej komórek oraz

zapobieganie rozwojowi nowotworów

(lub innych schorzeń).

SUBSTRATY DNA DLA

BIAŁEK SYSTEMU NAPRAWY

USZKODZEŃ DNA PRZEZ

WYCINANIE ZASAD