Разрывы в цепи ДНК: роль, механизмы и восстановление.

Введение

Разрыв в цепи ДНК
Разрыв (ник) – это нарушение целостности двухцепочечной ДНК-молекулы, характеризующееся отсутствием фосфодиэфирной связи между соседними нуклеотидами одной из цепей, обычно вызванное повреждением или действием ферментов. Разрывы позволяют цепям ДНК раскручиваться во время репликации, а также, предположительно, играют роль в механизмах репарации ДНК, исправляющих ошибки как на ведущей, так и на отстающей дочерних цепях.

Формирование ников

На диаграмме показано влияние разрывов в цепи ДНК на пересекающиеся формы ДНК в скрученной плазмиде. Разрывы могут использоваться для рассеивания энергии, накопленной в пересекающихся состояниях. Разрывы позволяют ДНК принять круговую форму. [[Файл:Влияние разрывов на пересекающиеся формы ДНК.png|thumb|На диаграмме показано влияние разрывов в цепи ДНК на пересекающиеся формы ДНК. Плазмида плотно скручена в отрицательный суперспираль (a). Для устранения пересекающихся состояний необходимо высвободить энергию кручения, используя разрывы (b). После внесения разрыва в систему отрицательный суперспираль постепенно раскручивается (c) до достижения конечного, кругового состояния плазмиды (d).

Ремонт заносов

Лигазы – это универсальные и широко распространенные ферменты, которые соединяют 3'-гидроксильные и 5'-фосфатные концы, формируя фосфодиэфирную связь, что делает их необходимыми для репарации разрывов ДНК и, в конечном итоге, поддержания целостности генома. Эта биологическая роль также оказалась чрезвычайно ценной при запечатывании липких концов плазмид в молекулярном клонировании. Важность лигаз подтверждается тем, что большинство организмов обладают несколькими лигазами, предназначенными для специфических путей репарации ДНК. У эубактерий эти лигазы используют NAD+, а не ATP, в качестве источника энергии. Для репарации каждого разрыва требуется 1 молекула ATP или 1 молекула NAD+. Одним из примеров лигазы, катализирующей закрытие разрыва, является NAD+-зависимая ДНК-лигаза *E. coli*, LigA. LigA представляет собой важный пример, поскольку структурно она похожа на кладу ферментов, обнаруженных у всех типов бактерий. Лигазы имеют сайт связывания металла, способный распознавать разрывы в ДНК. Лигаза формирует комплекс ДНК-аденилата, способствуя распознаванию разрыва. В случае с человеческой ДНК-лигазой, был получен кристаллизованный комплекс. Этот комплекс, содержащий промежуточное соединение ДНК-аденилат, позволяет ДНК-лигазе I индуцировать конформационное изменение в ДНК для изоляции и последующей репарации разрыва.

Роль в исправлении несоответствия

Одноцепочечные ники служат узнаваемыми маркерами, помогающими механизмам репарации различать вновь синтезированную нить (дочернюю нить) от матричной нити (родительской нити). Некоторые источники неспаренных оснований включают ошибки репликации и деаминирование 5-метилцитозина ДНК с образованием тимина. Система репарации неспаренных оснований (MMR) у большинства бактерий и эукариот направляется к ошибочной нити неспаренного дуплекса посредством распознавания разрывов нитей, в то время как у *E. coli* и близкородственных бактерий MMR направляется к нити на основе отсутствия метилирования. Никующие эндонуклеазы вносят разрывы нитей, или ники ДНК, для обеих соответствующих систем. Гомологи MutL из эукариот и большинства бактерий разрезают нить с разрывом, чтобы ввести точку начала или завершения реакции иссечения. Аналогично, у *E. coli* MutH вносит ник в неметилированную нить дуплекса, чтобы ввести точку начала иссечения. В частности, для эукариот механизм удлинения репликации ДНК между ведущей и отстающей нитями различается. На отстающей нити между фрагментами Оказаки существуют ники, которые легко распознаются системой репарации неспаренных оснований до лигирования. Из-за непрерывной репликации, происходящей на ведущей нити, механизм там несколько сложнее. Во время репликации рибонуклеотиды добавляются репликационными ферментами, и эти рибонуклеотиды удаляются ферментом RNase H2. Возможно, это не является высококонсервативным процессом. Топоизомераза может вызывать короткие делеции при расщеплении связей, поскольку как продукты ДНК полной длины, так и короткие делеционные нити рассматриваются как продукты расщепления топоизомеразы, в то время как неактивные мутанты производят только нити ДНК полной длины. Ники в ДНК также приводят к различным структурным свойствам, могут участвовать в восстановлении повреждений, вызванных ультрафиолетовым излучением, и используются на первичных этапах, обеспечивающих генетическую рекомбинацию. Задержка ника – это биологический процесс, при котором ДНК-полимераза может замедлить или остановить свою активность добавления оснований к новой дочерней нити во время репликации ДНК в месте ника. Эта одноцепочечная нить в конечном итоге передается клетке-реципиенту в процессе бактериальной конъюгации. Однако, прежде чем это расщепление может произойти, необходимо, чтобы группа белков присоединилась к сайту *oriT*. Эта группа белков называется релаксосомой.

Single stranded nicks act as recognizable markers to help the repair machinery distinguish the newly synthesized strand (daughter strand) from the template strand (parental strand). Some sources of mismatched base pairs include replication errors and deamination of 5 methylcytosine DNA to form thymine. MMR in most bacteria and eukaryotes is directed to the erroneous strand of the mismatched duplex through recognition of strand discontinuities, while MMR in E. coli and closely related bacteria is directed to the strand on the basis of the absence of methylation. Nicking endonucleases introduce the strand discontinuities, or DNA nicks, for both respective systems. Mut L homologues from eukaryotes and most bacteria incise the discontinuous strand to introduce the entry or termination point for the excision reaction. Similarly, in E. coli, Mut H nicks the unmethylated strand of the duplex to introduce the entry point of excision. For eukaryotes specifically, the mechanism of DNA replication elongation between the leading and lagging strand differs. On the lagging strand, nicks exist between Okazaki fragments and are easily recognizable by the DNA mismatch repair machinery prior to ligation. Due to the continuous replication that occurs on the leading strand, the mechanism there is slightly more complex. During replication, ribonucleotides are added by replication enzymes and these ribonucleotides are nicked by an enzyme called RNase H2. It is possible that this is not a highly conserved process. Topoisomerase may cause short deletions when it cleaves bonds, because both full length DNA products and short deletion strands are seen as products of topoisomerase cleavage while inactive mutants only produced full length DNA strands. Nicks in DNA also give rise to different structural properties, can be involved in repairing damages caused by ultraviolet radiation, and are used in the primary steps that allow for genetic recombination. Nick idling is a biological process in which DNA polymerase may slow or stop its activity of adding bases to a new daughter strand during DNA replication at a nick site. This single strand is eventually transferred to the recipient cell during the process of bacterial conjugation. Before this cleavage can occur, however, it is necessary for a group of proteins to attach to the oriT site. This group of proteins is called the relaxosome.

Роль в мейозе

Разрывы в ДНК способствуют формированию кроссинговера во время мейоза, и эти разрывы защищены от лигирования экзонуклеазой 1 (Exo1).