Две различные сенсорные стадии обеспечивают высокую точность (=низкую погрешность) корректировочного механизма процесса репликации.
- Первая стадия корректировки происходит в процессе самой
полимеризации дочерней цепи ДНК. В случае неправильно
вставленного азотного основания в растущую цепь ДНК (а правила
вставки нуклеотидов строго определены), несоответствие новой и
старой цепей вносит конформационные напряжения в растущую
двойную спираль ДНК. (Напомним, что в процессе удвоение старая
цепь служит шаблоном, на основе алфавита которого строится новая
цепь.) Сама ДНК-полимераза имеет сенсорные механизмы определения
таких конформационных напряжений и при их появлении
останавливает процесс полимеризации. Другие участники репликации
при такой остановке полимеразы заменяют неправильно вставленный
нуклеотид, после чего полимеризация продолжается. Такой процесс,
называемый экзонуклеазная корректировка, увеличивает
точность воспроизведения ДНК от 100 до 1000 раз.
- Вторая стадия корректировки репликации призвана определять и заменять ошибки полимеризации, которые не были обнаружены на стадии экзонуклеазной корректировки. Репарация ошибочно спаренных нуклеотидов, название данной стадии корректировки, происходит с помощью трех различных белков после самого процесса репликации (пострепликационная корректировка). Все эти белки имеют в своем названии "Mut", что указывает на наличие мутантного фенотипа, появляющегося при их отсутствии (от англ. "mutator"). MutS сканирует новосинтезированную цепь ДНК, связываясь с участками, где двойная спираль нарушена вследствие неправильного спаривания нуклеотидов. MutL распознает связанный MutS и связывает с ним третий белок, MutH, который разрезает новосинтезированную цепь с обеих сторон от ошибочно вставленного нуклеотида. Вырезанный участок ДНК, содержащий ошибку репликации, затем удаляется и заменяется другим, не содержащим ошибок. Такое латание участков внутри полимера называется эндонуклеазной активностью. Специальные свойства новосинтезированной цепи (отсутствие метилирования) позволяют эндонуклеазе MutH отличить ее от шаблонной старой цепи, что обеспечивает именно корректировку, а не закрепление ошибки на обеих цепях ДНК. Эффективность репарации составляет около 99%, что увеличивает точность репликации еще в 100 раз и позволяет достичь столь удивительной точности в одну ошибку на миллиард вставок.
Система репарации эукариотических организмов имеет гораздо более сложные аналоги. Эукариоты содержат множество различных ДНК-полимераз и корректирующих экзонуклеаз. Они также имеют множество белков, напоминающих MutS и MutH и взаимодействующих в различных комбинациях.
Типично, система коррекции ДНК основана не на точной механической работе, но на системе наблюдения (сенсоры) и коррекции, также как многие когнитивные системы человеческого производства. Необычайная точность приходит не на отдельной стадии последовательного процесса, которая сама по себе имеет невысокую точность, а как совокупный результат множества отдельных процессов, обладающих сенсорной способностью и функцией активной реакции на изменения состояний целевого объекта (так, MutS распознает нарушение кода ДНК и связывает место ошибки, MutL распознает связанный MutS и связывается с ним, MutH распознает MutL и вырезает место с ошибкой — всегда распознавание и действие). Схожее усиление результирующего выхода известно из математической теории нечеткой логики ("fuzzy logic"): неясность нивелируется в результате нескольких последовательных неясных утверждений.
Словарь
Фенотип — одно или несколько наблюдаемых черт клетки или организма, чаще используется для совокупного описания всех признаков организма.Метилирование — добавление метильной группы CH3 в органическое соединение. ДНК метилирование не изменяет нуклеотидного состава молекулы (кода) и может рассматриваться в качестве эпигенетической модификации.
Эукариоты — организмы с оформленным ядром, то есть органеллой, содержащей вещество наследственности. Считаются "высшими" по сравнению с прокариотами, у которых не наблюдается оформленного ядра.
Нечеткая логика — раздел математической логики, базирующийся на понятии нечеткого множества, то есть не бинарное множество классической логики (0/1,"да"/"нет"), а бесконечное множество на интервале между нулем и единицей (математически [0, 1]). В такой постановке можно оперировать и анализировать размытые, нечеткие, двусмысленные суждения, сходные суждениям в обыденном понимании.
Литература
Полный список литературы этого раздела находится здесьСледующие два ресурса особенно хороши для непрофессиональной публики:
Radman M., and Wagner R. The high fidelity of DNA duplication. Sci Am 259, 497–529 (2000).
Rennie J. Proofreading Genes. Sci Am 264, 28–32 (1991).
Эндонуклеазная активность (более специализированная литература, см. также Radman et al. выше):
Modrich P. and Lahue R. Mismatch repair in replication fidelity, genetic recombination, and cancer biology. Annu Rev Biochem 65, 101–33 (1996).
Jiricny J. The multifaceted mismatch-repair system. Nat Rev Mol Cell Biol 7, 335–46 (2006).
Iyer R.R., Pluciennik A., Burdett V., and Modrich P.L. DNA mismatch repair: functions and mechanisms. Chem Rev 106, 302–23 (2006).
Kunkel T.A. and Erie D.A. DNA mismatch repair. Annu Rev Biochem 74, 681–710 (2005).
Эукариотические нуклеазы:
Bebenek K. and Kunkel T.A. Functions of DNA polymerases. Adv Protein Chem 69, 137–65 (2004).
Fujii S. Fuchs R.P. Interplay among replicative and specialized DNA polymerases determines failure or success of translesion synthesis pathways. J Mol Biol 372, 883–93 (2007).
Garcia-Diaz M. and Bebenek K. Multiple functions of DNA polymerases. CRC Crit Rev Plant Sci 26, 105–122 (2007).
Nick McElhinny S.A., Gordenin D.A., Stith C.M., Burgers P.M., and Kunkel T.A. Division of labor at the eukaryotic replication fork. Mol Cell 30, 137–44 (2008).
Нечеткая логика на доступном языке:
Kosko B. and Isaka S. Fuzzy Logic. Sci Am 269, 76–81 (1993).
Комментариев нет :
Отправить комментарий