Объясните молекулярные основы репликации ДНК, механизмы обеспечения точности копирования и последствия ошибок репликации для целостности генома
Объясните молекулярные основы репликации ДНК, механизмы обеспечения точности копирования и последствия ошибок репликации для целостности генома
Не можешь разобраться в этой теме?
Обратись за помощью к экспертам
Гарантированные бесплатные доработки в течение 1 года
Быстрое выполнение от 2 часов
Проверка работы на плагиат
Поможем написать учебную работу
- Структура и направленность: ДНК — антипараллельные полинуклеотидные цепи; синтез нуклеотидов идёт только в направлении 5′→3′5'\to3'5′→3′ (новый нуклеотид присоединяется к 3′3'3′-OH растущей цепи).
- Каталитическая реакция: нуклеозидтрифосфат (dNTP) вступает в реакцию с 3′3'3′-OH цепи, образуя фосфодиэфирную связь и выделяя пирофосфат:
(DNA)n+dNTP→(DNA)n+1+PPi. \text{(DNA)}_n + \text{dNTP} \to \text{(DNA)}_{n+1} + PP_i.
(DNA)n +dNTP→(DNA)n+1 +PPi . - Основные белки репликации: инициаторные белки/оригин, хеликаза (развёртывание), одноцепочечные белковые белки (SSB) — стабилизация, примаза — синтез РНК-праймера, ДНК-полимеразы (прокариоты: Pol III; эукариоты: Pol ε — ведущая, Pol δ — отстающая), скользящая скоба (sliding clamp) и кламп-загрузчик, топоизомеразы (снижение супервитков), лигаза (сшивка Оказаки-фрагментов).
- Ведущая и отстающая цепи: на ведущей синтез непрерывный; на отстающей — дискретные Оказаки-фрагменты, требующие праймера удаления и сшивки.
Механизмы обеспечения точности копирования
- Физико-химическая селекция: комплементарное спаривание оснований (водородные связи) и геометрия активного центра полимеразы обеспечивают избирательность; «induced fit» повышает селективность.
- Преферментативный отбор: кинетическая селекция — неправильные dNTP обычно не вводятся или встраиваются медленнее.
- 3'→5' экзонуклеазная коррекция (proofreading): многие полимеразы имеют экзонуклеазную активность, удаляющую неправильно вмонтированные нуклеотиды перед продолжением синтеза; снижение ошибок примерно на 101010-100100100-крат.
- Пострепликативная коррекция (Mismatch Repair, MMR): система распознаёт и удаляет несовпадения, пропущенные proofreading-ом (бактерии: MutS/MutL/MutH), восстанавливает правильную последовательность по матрице; дополнительно — системы удаления утилизированных/окислённых нуклеотидов (напр., MTH1), dUTPase и др.
- Контроль пула нуклеотидов и репарационные пути: поддержание соотношения dNTP, удаление повреждённых оснований (BER, NER), контроль клеточного цикла и репликативные контрольные точки.
Числовые характеристики точности (приближённо)
- Ошибочная инкорпорация полимеразой без proofreading: порядка ∼10−5\sim 10^{-5}∼10−5–10−610^{-6}10−6 на нуклеотид.
- После proofreading: ∼10−7\sim 10^{-7}∼10−7–10−810^{-8}10−8.
- После MMR суммарно: порядка ∼10−9\sim 10^{-9}∼10−9–10−1010^{-10}10−10 на нуклеотид на раунд репликации.
- Для человеческого haploid генома (∼3×109\sim 3\times10^{9}∼3×109 пар оснований) при ошибке 10−910^{-9}10−9 ожидаемо ∼3\sim 3∼3 новых ошибок за репликацию в среднем (приближённо).
Последствия ошибок репликации для целостности генома
- Если ошибка не исправлена, она становится наследуемой мутацией в следующем цикле репликации (замена оснований — переходы/транверсии).
- Типы повреждений и их эффекты:
- Точечные мутации — изменение аминокислот/регуляции; возможны нейтральные, вредные или выгодные варианты.
- Инсерции/делеции (особенно в повторах из-за slippage) — могут вызывать сдвиг рамки считывания (frameshift) и потерю функции белка.
- Поcледовательности повторов и нестабильность микросателлитов — заболевания (напр., хантингтин — тринуклеотидная экспансия).
- Несоответствия при репликации/повреждения ДНК могут приводить к одно- и двуцепочечным разрывам; неправильно репарированные DSB вызывают делеции, транслокации, хромосомные перестройки.
- Клеточные последствия:
- Мутации в онкогенах и супрессорах опухолей → канцерогенез.
- Накопление повреждений → апоптоз, клеточный цикл-арест, сенescence.
- Генетические заболевания при передаче в потомство.
- Хромосомная нестабильность и изменение числа копий (CNV) → серьёзные патологии.
- Особые проблемы: «end-replication problem» у эукариот ведёт к укорочению теломер и старению клеток при отсутствии теломеразы; репликационные ошибки в геномах с высоким содержанием повторов особенно вероятны.
Краткое резюме
Репликация — это высокоспецифичный многоступенчатый процесс (полимераза, хеликаза, примаза, лигаза и др.), где точность достигается селекцией основания, proofreading-ом и MMR. Ошибки, избежанные этими системами, приводят к мутациям, хромосомным перестройкам и нарушениям геномной стабильности, что лежит в основе многих заболеваний и эволюционных изменений.