stringtranslate.com

Ник (ДНК)

Ник — это разрыв в двухцепочечной молекуле ДНК , где нет фосфодиэфирной связи между соседними нуклеотидами одной цепи , обычно из-за повреждения или действия фермента . Ники позволяют цепям ДНК раскручиваться во время репликации, а также, как полагают, играют роль в механизмах исправления несоответствий ДНК , которые исправляют ошибки как на лидирующих, так и на отстающих дочерних цепях. [1]

Формирование зазубрин

На схеме показано влияние надрезов на пересекающуюся ДНК в скрученной плазмиде . Надрезы можно использовать для рассеивания энергии, удерживаемой пересекающимися состояниями. Надрезы позволяют ДНК принимать круглую форму. [2]

На схеме показано влияние надрезов на пересекающиеся формы ДНК. Плазмида плотно скручена в отрицательную суперспираль (a). Чтобы освободить пересекающиеся состояния, необходимо высвободить крутильную энергию с помощью надрезов (b). После введения надреза в систему отрицательная суперспираль постепенно раскручивается (c), пока не достигнет своего конечного, кругового, плазмидного состояния (d). [2]

Никелированная ДНК может быть результатом повреждения ДНК или целенаправленных, регулируемых биомолекулярных реакций, проводимых в клетке. Во время обработки ДНК может быть порвана физическим сдвигом, пересушиванием или ферментами. Чрезмерное грубое обращение при пипетировании или встряхивании создает физическое напряжение, которое может привести к разрывам и надрезам в ДНК. Пересушивание ДНК также может разрушить фосфодиэфирную связь в ДНК и привести к надрезам. Эндонуклеазные ферменты никелирования могут помочь в этом процессе. Одноцепочечный разрыв (ник) в ДНК может быть образован путем гидролиза и последующего удаления фосфатной группы в спиральном остове. Это приводит к другой конформации ДНК, где водородная связь образуется на месте отсутствующей части остова ДНК, чтобы сохранить структуру. [3]

Ремонт царапин

Лигазы — это универсальные и вездесущие ферменты , которые соединяют 3'-гидроксильные и 5'-фосфатные концы, образуя фосфодиэфирную связь, что делает их необходимыми для восстановления поврежденной ДНК и, в конечном счете, для точности генома. Эта биологическая роль также была чрезвычайно ценной для запечатывания липких концов плазмид при молекулярном клонировании. Их важность подтверждается тем фактом, что большинство организмов имеют несколько лигаз, предназначенных для определенных путей восстановления ДНК. У эубактерий эти лигазы работают на NAD+, а не на ATP. [4] Для каждого сайта разрыва требуется 1 ATP или 1 NAD+ для восстановления лигазы. [4]

Минималистический механизм запечатывания разрывов ДНК ДНК-лигазой

Чтобы соединить эти фрагменты, лигаза проходит три этапа:

  1. Добавление группы аденозинмонофосфата (АМФ) к ферменту, называемое аденилированием,
  2. Перенос аденозинмонофосфата в ДНК и
  3. Запечатывание нитей или образование фосфодиэфирной связи. [5] [6]

Одним из конкретных примеров лигазы, катализирующей закрытие разрыва, является зависимая от НАД+ ДНК-лигаза E. coli , LigA. LigA является важным примером, поскольку она структурно похожа на кладу ферментов, обнаруженных во всех типах бактерий. [7]

Лигазы имеют участок связывания металла, который способен распознавать разрывы в ДНК. Лигаза образует комплекс ДНК-аденилат, помогающий распознаванию. [8] С человеческой ДНК-лигазой это образует кристаллизованный комплекс. Комплекс, который имеет промежуточный продукт ДНК-аденилат, позволяет ДНК-лигазе I инициировать конформационное изменение в ДНК для изоляции и последующего восстановления разрыва ДНК. [9]

Биологические последствия

Роль в исправлении несоответствий

Одноцепочечные разрывы действуют как распознаваемые маркеры, помогая механизму репарации отличать вновь синтезированную цепь (дочернюю цепь) от цепи-матрицы (родительской цепи). [1] Репарация несоответствий ДНК (MMR) является важной системой репарации ДНК, которая помогает поддерживать пластичность генома, исправляя несоответствия или не Уотсон-Криковские пары оснований в дуплексе ДНК. [10] Некоторые источники несоответствий пар оснований включают ошибки репликации и дезаминирование 5-метилцитозина ДНК с образованием тимина. MMR у большинства бактерий и эукариот направлена ​​на ошибочную цепь несоответствующего дуплекса посредством распознавания разрывов цепи, в то время как MMR у E. coli и близкородственных бактерий направлена ​​на цепь на основе отсутствия метилирования . Никирующие эндонуклеазы вносят разрывы цепи или разрывы ДНК для обеих соответствующих систем. Гомологи Mut L из эукариот и большинства бактерий надрезают прерывистую цепь, чтобы ввести точку входа или окончания для реакции вырезания. Аналогично, в E. coli Mut H надрезает неметилированную цепь дуплекса, чтобы ввести точку входа вырезания. [11] Для эукариот, в частности, механизм удлинения репликации ДНК между ведущей и отстающей цепью отличается. На отстающей цепи надрезы существуют между фрагментами Оказаки и легко распознаются механизмом репарации несоответствий ДНК до лигирования . Из-за непрерывной репликации, которая происходит на ведущей цепи, механизм там немного сложнее. Во время репликации рибонуклеотиды добавляются ферментами репликации, и эти рибонуклеотиды надрезаются ферментом, называемым РНКазой H2 . [1] Вместе, наличие надреза и рибонуклеотида делают ведущую цепь легко распознаваемой механизмом репарации несоответствий ДНК.

Трансляция ника — это биологический процесс, в котором одноцепочечный разрыв ДНК служит маркером для ДНК-полимеразы , чтобы вырезать и заменить возможно поврежденные нуклеотиды. [3] В конце сегмента, на который действует ДНК-полимераза, ДНК-лигаза должна восстановить последний сегмент остова ДНК, чтобы завершить процесс восстановления. [4] В лабораторных условиях это можно использовать для введения флуоресцентных или других меченых нуклеотидов путем целенаправленного индуцирования сайт-специфических одноцепочечных разрывов в ДНК in vitro , а затем добавления меченой ДНК в среду, богатую ДНК-полимеразой и меченым нуклеотидом. Затем ДНК-полимераза заменяет нуклеотиды ДНК мечеными, начиная с места одноцепочечного разрыва.

Роль в репликации и транскрипции

Никированная ДНК играет важную роль во многих биологических функциях. Например, одноцепочечные ники в ДНК могут служить целенаправленными биологическими маркерами для фермента топоизомеразы , который раскручивает упакованную ДНК и имеет решающее значение для репликации и транскрипции ДНК . В этих случаях ники ДНК не являются результатом нежелательного повреждения клеток. [2]

Топоизомераза-1 преимущественно действует на разрывы в ДНК, чтобы расщеплять соседние с разрывом участки, а затем наматывает или раскручивает сложные топологии, связанные с упакованной ДНК. Здесь разрыв в ДНК служит маркером для разрыва одной нити и последующего раскручивания. [12] Возможно, что это не очень консервативный процесс. Топоизомераза может вызывать короткие делеции, когда она расщепляет связи, потому что как полноразмерные продукты ДНК, так и короткие делеционные цепи рассматриваются как продукты расщепления топоизомеразой, в то время как неактивные мутанты производили только полноразмерные цепи ДНК. [13]

Разрывы в ДНК также приводят к появлению различных структурных свойств, могут участвовать в восстановлении повреждений, вызванных ультрафиолетовым излучением, и используются на первичных этапах, которые обеспечивают генетическую рекомбинацию . [14]

Ник-холостой ход — это биологический процесс, при котором ДНК-полимераза может замедлить или прекратить свою активность по добавлению оснований к новой дочерней цепи во время репликации ДНК в месте разрыва. [4] Это особенно актуально для фрагментов Оказаки в отстающей цепи при репликации двухцепочечной ДНК, поскольку направление репликации противоположно направлению ДНК-полимеразы , поэтому ник-холостой ход играет роль в остановке комплекса, поскольку он реплицируется в обратном направлении небольшими фрагментами (фрагментами Оказаки) и должен останавливаться и перепозиционироваться между каждой длиной фрагмента ДНК.

Структура ДНК изменяется при введении одноцепочечного разрыва. [14] Стабильность снижается, поскольку разрыв в фосфодиэфирном остове позволяет ДНК раскручиваться , поскольку накопленное напряжение от скручивания и упаковки больше не встречает такого сильного сопротивления. [12] ДНК с разрывом более подвержена деградации из-за этой сниженной стабильности.

У бактерий

Сайт nic или область ника находится в месте начала переноса ( oriT ) и является ключом к началу бактериальной конъюгации . Одна нить ДНК, называемая T-нитью , разрезается в nic ферментом, называемым релаксазой . [15] Эта одна нить в конечном итоге переносится в клетку-реципиент в процессе бактериальной конъюгации . Однако, прежде чем это расщепление может произойти, необходимо, чтобы группа белков присоединилась к сайту oriT . Эта группа белков называется релаксосомой. [15] Считается, что части сайта oriT изогнуты таким образом, что создается взаимодействие между белками релаксосомы и сайтом nic . [15]

Расщепление T-цепи включает в себя релаксазу , разрезающую фосфодиэфирную связь в месте nic. [15] Расщепленная цепь остается с гидроксильной группой на 3'-конце, что может позволить цепи образовать кольцевую плазмиду после перемещения в клетку-реципиент. [16] [17]

Роль в мейозе

Разрывы ДНК способствуют образованию кроссинговера во время мейоза , и такие разрывы защищены от лигирования экзонуклеазой 1 (Exo1). [18]

Ссылки

  1. ^ abc Williams JS, Kunkel TA (июль 2014 г.). «Рибонуклеотиды в ДНК: происхождение, ремонт и последствия». Ремонт ДНК (Amst) . 19 : 27–37. doi :10.1016/j.dnarep.2014.03.029. PMC 4065383.  PMID 24794402  .
  2. ^ abc Цзи, Чао; Чжан, Линъюнь; Ван, Пэнъе (2015). «Конфигурационные переходы свободной кольцевой системы ДНК, вызванные насечками». Журнал наноматериалов . 2015 546851: 1–7. doi : 10.1155/2015/546851 .
  3. ^ ab Aymami, J.; Coll, M.; Marel, GA van der; Boom, JH van; Wang, AH; Rich, A. (1990). «Молекулярная структура расщепленной ДНК: субстрат для ферментов репарации ДНК». Труды Национальной академии наук . 87 (7): 2526–30. Bibcode : 1990PNAS...87.2526A. doi : 10.1073 /pnas.87.7.2526 . PMC 53722. PMID  2320572. 
  4. ^ abcd Тимсон, Дэвид Дж.; Синглтон, Мартин Р.; Уигли, Дейл Б. (2000). «ДНК-лигазы в восстановлении и репликации ДНК». Mutation Research/DNA Repair . 460 (3–4): 301–318. doi :10.1016/S0921-8777(00)00033-1. PMID  10946235.
  5. ^ Ellenberger T, Tomkinson AE (2008). «Эукариотические ДНК-лигазы: структурные и функциональные идеи». Annu. Rev. Biochem . 77 : 313–38. doi :10.1146/annurev.biochem.77.061306.123941. PMC 2933818 . PMID  18518823. 
  6. ^ Шрисканда В., Шуман С. (январь 1998 г.). «ДНК-лигаза вируса хлореллы: распознавание ников и мутационный анализ». Nucleic Acids Res . 26 (2): 525–31. doi :10.1093/nar/26.2.525 (неактивен 1 ноября 2024 г.). PMC 147278. PMID  9421510 . {{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2024 г. ( ссылка )
  7. ^ Нандакумар, Джаякришнан; Наир, Правин А.; Шуман, Стюарт (2007-04-27). «Последняя остановка на пути к ремонту: структура ДНК-лигазы E. coli, связанной с разрезанным ДНК-аденилатом». Molecular Cell . 26 (2): 257–271. doi : 10.1016/j.molcel.2007.02.026 . ISSN  1097-2765. PMID  17466627.
  8. ^ Оделл, Марк; Шрисканда, Верл; Шуман, Стюарт; Николов, Димитар Б. (2000). «Кристаллическая структура эукариотической ДНК-лигазы-аденилата освещает механизм распознавания никеля и соединения нитей». Molecular Cell . 6 (5): 1183–93. doi : 10.1016/S1097-2765(00)00115-5 . PMID  11106756.
  9. ^ Паскаль, Джон М.; О'Брайен, Патрик Дж.; Томкинсон, Алан Э.; Элленбергер, Том (2004). «ДНК-лигаза I человека полностью обхватывает и частично раскручивает никелированную ДНК». Nature . 432 (7016): 473–8. Bibcode :2004Natur.432..473P. doi :10.1038/nature03082. PMID  15565146. S2CID  3105417.
  10. ^ Моррис, Джеймс (2013). "14. Мутации и восстановление ДНК". Биология: как устроена жизнь . WH Freeman. ISBN 978-1-319-05691-9.
  11. ^ Фукуи, Кэндзи (2010). «Репарация несоответствий ДНК у эукариот и бактерий». Журнал нуклеиновых кислот . 2010 : 1–16. doi : 10.4061/2010/260512 . PMC 2915661. PMID  20725617 . 
  12. ^ ab Huang, Shar-Yin Naomi; Ghosh, Sanchari; Pommier, Yves (2015-05-29). «Топоизомераза I сама по себе достаточна для создания коротких делеций ДНК и может также устранять разрывы на участках рибонуклеотидов». Журнал биологической химии . 290 (22): 14068–76. doi : 10.1074/jbc.M115.653345 . ISSN  1083-351X. PMC 4447978. PMID 25887397  . 
  13. ^ Рако, Душан; Бенедетти, Фабрицио; Дорье, Жюльен; Бернье, Яннис; Стасиак, Анджей (2015). «Генерация супервитков в ДНК с разрывами и разрывами приводит к распутыванию ДНК и пострепликативной декатенации». Nucleic Acids Research . 43 (15): 7229–36. doi :10.1093/nar/gkv683. PMC 4551925. PMID  26150424 . 
  14. ^ ab Hays, JB; Zimm, BH (1970-03-14). «Гибкость и жесткость в расщепленной ДНК». Журнал молекулярной биологии . 48 (2): 297–317. doi : 10.1016/0022-2836(70)90162-2 . ISSN  0022-2836. PMID  5448592.
  15. ^ abcd Lanka E, Wilkins BM (1995). «Реакции процессинга ДНК при бактериальной конъюгации». Annu Rev Biochem . 64 : 141–69. doi : 10.1146/annurev.bi.64.070195.001041. PMID  7574478.
  16. ^ Matson SW, Nelson WC, Morton BS (май 1993). "Характеристика продукта реакции oriT-никирования, катализируемой ДНК-хеликазой I Escherichia coli". J Bacteriol . 175 (9): 2599–606. doi : 10.1128 /jb.175.9.2599-2606.1993. PMC 204561. PMID  8386720. 
  17. ^ Grohmann E, Muth G, Espinosa M (июнь 2003 г.). «Конъюгативный перенос плазмиды у грамположительных бактерий». Microbiol Mol Biol Rev. 67 ( 2): 277–301. doi :10.1128/MMBR.67.2.277-301.2003. PMC 156469. PMID  12794193 . 
  18. ^ Джоя М., Пайеро Л., Салим С., Фаджиш В.Г., Фарназ А.Ф., Паннафино Г., Чен Дж.Дж., Аджит В.П., Момох С., Шотландия М., Рагхаван В., Манхарт С.М., Шинохара А., Нишант К.Т., Алани Э (апрель 2023 г.). «Exo1 защищает разрывы ДНК от лигирования, способствуя образованию кроссовера во время мейоза». ПЛОС Биол . 21 (4): e3002085. дои : 10.1371/journal.pbio.3002085 . ПМЦ 10153752 . ПМИД  37079643.