Разрыв — это разрыв в двухцепочечной молекуле ДНК , при котором между соседними нуклеотидами одной цепи нет фосфодиэфирной связи , обычно вследствие повреждения или действия фермента . Зазубрины позволяют нитям ДНК раскручиваться во время репликации, а также, как полагают, играют роль в механизмах восстановления несоответствий ДНК , которые исправляют ошибки как на ведущих, так и на отстающих дочерних нитях. [1]
На диаграмме показано влияние разрывов на пересекающуюся ДНК в скрученной плазмиде . Разрезание можно использовать для рассеивания энергии, удерживаемой пересекающимися состояниями. Надрезы позволяют ДНК принимать круглую форму. [2]
Разрезанная ДНК может быть результатом повреждения ДНК или целенаправленных, регулируемых биомолекулярных реакций, происходящих в клетке. Во время обработки ДНК может быть повреждена в результате физического разрезания, пересушивания или воздействия ферментов. Чрезмерное грубое обращение при пипетировании или встряхивании создает физический стресс, который может привести к разрывам и разрывам ДНК. Пересушка ДНК также может разорвать фосфодиэфирную связь в ДНК и привести к разрывам. Никирующие ферменты эндонуклеазы могут помочь в этом процессе. Одноцепочечный разрыв (разрыв) в ДНК может образоваться в результате гидролиза и последующего удаления фосфатной группы внутри спирального остова. Это приводит к другой конформации ДНК, когда вместо недостающего фрагмента основной цепи ДНК образуется водородная связь, чтобы сохранить структуру. [3]
Лигазы представляют собой универсальные и повсеместно распространенные ферменты , которые соединяют 3'-гидроксильный и 5'-фосфатный концы с образованием фосфодиэфирной связи, что делает их незаменимыми для восстановления разорванной ДНК и, в конечном итоге, для обеспечения точности генома. Эта биологическая роль также оказалась 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 питаются от НАД+, а не от АТФ. [4] Для каждого сайта разрыва требуется 1 АТФ или 1 НАД+ для восстановления лигазы. [4]
Чтобы соединить эти фрагменты, лигаза проходит три этапа:
Одним конкретным примером лигазы, катализирующей закрытие разрыва, является НАД+-зависимая ДНК-лигаза E. coli , LigA. LigA является подходящим примером, поскольку структурно он похож на кладу ферментов, обнаруженных во всех типах бактерий. [7]
Лигазы имеют сайт связывания металлов, который способен распознавать разрывы в ДНК. Лигаза образует комплекс ДНК-аденилат, способствующий распознаванию. [8] С ДНК-лигазой человека образуется кристаллический комплекс. Комплекс, который имеет промежуточное соединение ДНК-аденилат, позволяет ДНК-лигазе I вызывать конформационные изменения в ДНК для выделения и последующего восстановления разрыва ДНК. [9]
Однонитевые разрывы действуют как узнаваемые маркеры, помогающие механизму восстановления отличить вновь синтезированную цепь (дочернюю цепь) от матричной цепи (родительской цепи). [1] Восстановление несоответствий ДНК (MMR) — это важная система восстановления ДНК, которая помогает поддерживать пластичность генома путем исправления несовпадений или пар оснований, не относящихся к Уотсону-Крику, в дуплексе ДНК. [10] Некоторые источники несовпадающих пар оснований включают ошибки репликации и дезаминирование ДНК 5-метилцитозина с образованием тимина. MMR у большинства бактерий и эукариот направлен на ошибочную цепь несовпадающего дуплекса посредством распознавания разрывов цепи, тогда как MMR у E. coli и близкородственных бактерий направлен на цепь на основании отсутствия метилирования . Никующие эндонуклеазы вводят разрывы цепей или разрывы ДНК в обеих соответствующих системах. Гомологи Mut L эукариотов и большинства бактерий разрезают прерывистую цепь, чтобы создать точку входа или окончания реакции вырезания. Аналогичным образом, у E. coli Mut H разрывает неметилированную цепь дуплекса, создавая точку входа для удаления. [11] В частности, у эукариот механизм удлинения репликации ДНК между ведущей и отстающей цепью различается. На отстающей цепи между фрагментами Оказаки существуют разрывы , которые легко распознаются механизмом восстановления несоответствия ДНК до лигирования . Из-за непрерывной репликации, происходящей на ведущей цепи, механизм там несколько сложнее. Во время репликации рибонуклеотиды добавляются ферментами репликации, и эти рибонуклеотиды разрываются ферментом, называемым РНКазой H2 . [1] Вместе наличие разрыва и рибонуклеотида делает ведущую цепь легко распознаваемой механизмом восстановления несоответствия ДНК.
Трансляция ника — это биологический процесс, в котором одноцепочечный разрыв ДНК служит маркером для ДНК-полимеразы , которая вырезает и заменяет возможно поврежденные нуклеотиды. [3] В конце сегмента, на который действует ДНК-полимераза, ДНК-лигаза должна восстановить последний сегмент основной цепи ДНК, чтобы завершить процесс восстановления. [4] В лабораторных условиях это можно использовать для введения флуоресцентных или других меченых нуклеотидов путем целенаправленного создания сайт-специфических одноцепочечных разрывов в ДНК in vitro , а затем добавления разорванной ДНК в среду, богатую ДНК-полимеразой и мечеными нуклеотидами. . Затем ДНК-полимераза заменяет нуклеотиды ДНК мечеными, начиная с места одноцепочечного разрыва.
Никелированная ДНК играет важную роль во многих биологических функциях. Например, одноцепочечные разрывы 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 разорванная ДНК не является результатом нежелательного повреждения клеток. [2]
Топоизомераза-1 преимущественно действует на разрывы в ДНК, расщепляя прилегающие к ним разрывы, а затем скручивая или разматывая сложные топологии, связанные с упакованной ДНК. Здесь разрыв в ДНК служит маркером разрыва одной цепи и последующего раскручивания. [12] Возможно, это не очень консервативный процесс. Топоизомераза может вызывать короткие делеции при расщеплении связей, поскольку как полноразмерные продукты ДНК, так и короткие цепи делеции рассматриваются как продукты расщепления топоизомеразы, в то время как неактивные мутанты производят только полноразмерные цепи ДНК. [13]
Разрывы в ДНК также приводят к различным структурным свойствам, могут участвовать в восстановлении повреждений, вызванных ультрафиолетовым излучением, и используются на основных этапах, обеспечивающих генетическую рекомбинацию . [14]
Ник-холостой ход — это биологический процесс, в котором ДНК-полимераза может замедлять или останавливать 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 холостой ход играет роль в остановке комплекса, поскольку он реплицируется в обратном направлении в небольшие фрагменты (фрагменты Оказаки) и должен останавливаться и перемещаться между каждым фрагментом ДНК.
Структура ДНК меняется при внесении одноцепочечного разрыва. [14] Стабильность снижается, поскольку разрыв фосфодиэфирной основы позволяет ДНК раскручиваться , поскольку накопленному стрессу от скручивания и упаковки уже не так сильно сопротивляться. [12] Никелированная ДНК более подвержена деградации из-за снижения стабильности.
nic - сайт или ник-область находятся в месте начала переноса ( oriT ) и являются ключом к началу бактериальной конъюгации . Одна цепь ДНК, называемая Т-цепью , разрезается в месте разрыва ферментом, называемым релаксазой . [15] Эта одиночная цепь в конечном итоге переносится в клетку-реципиент в процессе бактериальной конъюгации . Однако прежде чем такое расщепление может произойти, необходимо, чтобы группа белков прикрепилась к сайту oriT . Эта группа белков называется релаксосомой. [15] Считается, что части сайта oriT изогнуты таким образом, что создается взаимодействие между релаксосомными белками и nic- сайтом. [15]
Расщепление Т-цепи включает в себя релаксазу, разрезающую фосфодиэфирную связь в nic-сайте. [15] Расщепленная цепь остается с гидроксильной группой на 3'-конце, что может позволить цепи образовывать кольцевую плазмиду после перемещения в клетку-реципиент. [16] [17]
Разрывы ДНК способствуют образованию кроссовера во время мейоза , и такие разрывы защищены от лигирования экзонуклеазой 1 (Exo1). [18]
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на июль 2024 г. ( ссылка )