Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Ник является разрывом в двухцепочечной ДНК молекуле , где нет фосфодиэфирной связи между соседними нуклеотидами одной цепи , как правило , через повреждение или ферментное действие. Зарубки позволяют цепям ДНК раскручиваться во время репликации, а также, как полагают, играют роль в механизмах восстановления несоответствия ДНК , которые исправляют ошибки как в ведущей, так и в отстающей дочерних цепях. [1]

Формирование ников [ править ]

На диаграмме показано влияние разрывов на пересекающуюся ДНК в скрученной плазмиде . Никинг может использоваться для рассеивания энергии, удерживаемой пересекающимися состояниями. Порезы позволяют ДНК принимать круглую форму. [2]

На диаграмме показано влияние зарубок на пересекающиеся формы ДНК. Плазмида плотно намотана на отрицательную суперспираль (а). Чтобы освободить пересекающиеся состояния, энергия кручения должна быть высвобождена за счет зазубрин (b). После введения щели в систему отрицательная суперспираль постепенно раскручивается (c), пока не достигнет своего конечного, кругового плазмидного состояния (d). [2]

Неровная ДНК может быть результатом повреждения ДНК или целенаправленных регулируемых биомолекулярных реакций, проводимых в клетке. Во время обработки ДНК может быть повреждена физическим сдвигом, пересушиванием или ферментами. Чрезмерное грубое обращение при пипетировании или перемешивании создает физическую нагрузку, которая может привести к разрывам и порезам в ДНК. Пересушка ДНК также может привести к разрыву фосфодиэфирной связи в ДНК и образованию трещин. В этом процессе могут помочь никелирующие эндонуклеазы . Одноцепочечный разрыв (разрыв) в ДНК может быть образован гидролизом и последующим удалением фосфатной группы в основной цепи спирали. Это приводит к другой конформации ДНК, где водородная связь образуется вместо недостающего участка основной цепи ДНК, чтобы сохранить структуру. [3]

Ремонт ников [ править ]

Лигазы - это универсальные и вездесущие ферменты, которые соединяют 3'-гидроксильные и 5'-фосфатные концы с образованием фосфодиэфирной связи, что делает их незаменимыми для репарации поврежденной ДНК и, в конечном итоге, для верности генома. Эта биологическая роль также была чрезвычайно ценной в запечатывании липких концов плазмид при молекулярном клонировании. Об их важности свидетельствует тот факт, что у большинства организмов есть несколько лигаз, предназначенных для определенных путей восстановления ДНК. У эубактерий эти лигазы питаются от НАД +, а не от АТФ. [4] Каждый ник-сайт требует 1 АТФ или 1 НАД + для восстановления лигазы. [4]

Минималистичный механизм запечатывания разрывов ДНК ДНК-лигазой

Чтобы соединить эти фрагменты, лигаза проходит три этапа:

  1. Добавление группы аденозинмонофосфата (АМФ) к ферменту, называемое аденилилированием,
  2. Перенос аденозинмонофосфата в ДНК и
  3. Никель-уплотнение или образование фосфодиэфирной связи. [5] [6]

Одним из конкретных примеров лигазы, катализирующей закрытие ников, является NAD + -зависимая ДНК-лигаза E. coli , LigA. LigA является подходящим примером, поскольку он структурно похож на кладу ферментов, обнаруженных во всех типах бактерий. [7]

У лигаз есть сайт связывания с металлом, который способен распознавать трещины в ДНК. Лигаза образует комплекс ДНК-аденилат, способствуя распознаванию. [8] С ДНК-лигазой человека это образует кристаллизованный комплекс. Комплекс, который имеет промежуточное соединение ДНК-аденилат, позволяет ДНК-лигазе I инициировать конформационные изменения в ДНК для выделения и последующей репарации разрыва ДНК. [9]

Биологические последствия [ править ]

Роль в устранении несоответствия [ править ]

Одноцепочечные разрывы действуют как узнаваемые маркеры, чтобы помочь аппарату ремонта отличить вновь синтезированную цепь (дочернюю цепь) от цепи матрицы (родительской цепи). [1] Восстановление несоответствия ДНК (MMR) - важная система восстановления ДНК, которая помогает поддерживать пластичность генома путем исправления несовпадений или пар оснований, отличных от Ватсона-Крика, в дуплексе ДНК. [10] Некоторые источники несовпадения пар оснований включают ошибки репликации и дезаминирование ДНК 5-метилцитозина с образованием тимина. MMR у большинства бактерий и эукариотнаправлен на ошибочную цепь несовпадающего дуплекса посредством распознавания разрывов цепи, в то время как MMR в E. coli и близкородственных бактериях направлен на цепь на основе отсутствия метилирования . Никсирующие эндонуклеазы создают разрывы цепи или разрывы ДНК для обеих соответствующих систем. Гомологи Mut L от эукариот и большинства бактерий надрезают прерывистую цепь, чтобы ввести точку входа или окончания для реакции вырезания. Точно так же в E. coli Mut H надрезает неметилированную цепь дуплекса, чтобы ввести точку входа для вырезания. [11] В частности, для эукариот механизм удлинения репликации ДНК между ведущей и отстающей цепью различается. На отстающей пряди есть зазубрины междуФрагменты Окадзаки и легко распознаются механизмом восстановления несоответствия ДНК до лигирования . Из-за непрерывной репликации, которая происходит на ведущей цепи, механизм там несколько сложнее. Во время репликации рибонуклеотиды добавляются ферментами репликации, и эти рибонуклеотиды расщепляются ферментом, называемым РНКазой H2 . [1] Вместе присутствие ника и рибонуклеотида делает ведущую цепь легко узнаваемой для механизма репарации несоответствия ДНК.

Ник-трансляция - 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 основной цепи ДНК, чтобы завершить процесс репарации. [4] В лабораторных условиях это может быть использовано для введения флуоресцентных или других меченых нуклеотидов путем целенаправленной индукции сайт-специфичных одноцепочечных разрывов в ДНК in vitro.и затем добавление разорванной ДНК в среду, богатую ДНК-полимеразой и меченым нуклеотидом. Затем ДНК-полимераза заменяет нуклеотиды ДНК на меченые, начиная с места одноцепочечного разрыва.

Роль в репликации и транскрипции [ править ]

Роликовая ДНК играет важную роль во многих биологических функциях. Например, одноцепочечные разрывы в ДНК могут служить в качестве целевых биологических маркеров 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 разрыву, а затем наматывает или раскручивает сложные топологии, связанные с упакованной ДНК. Здесь разрыв в ДНК служит маркером разрыва одной нити 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 делеционные цепи рассматриваются как продукты расщепления топоизомеразы, в то время как неактивные мутанты продуцируют только полноразмерные цепи ДНК. [13]

Разрывы в ДНК также вызывают различные структурные свойства, могут участвовать в восстановлении повреждений, вызванных ультрафиолетовым излучением, и используются на первичных этапах, которые позволяют проводить генетическую рекомбинацию . [14]

Ник-холостой ход - это биологический процесс, в котором ДНК-полимераза может замедлить или остановить свою активность по добавлению оснований к новой дочерней цепи во время репликации ДНК в месте разрыва. [4] Это особенно актуально для фрагментов Окадзаки в отстающей цепи в репликации двухцепочечной ДНК, потому что направление репликации противоположно направлению ДНК-полимеразы , поэтому задирание играет роль в остановке комплекса, поскольку он реплицируется в обратном направлении в небольшие фрагменты (фрагменты Окадзаки) и должны останавливаться и перемещаться между каждым фрагментом ДНК.

Структура ДНК изменяется, когда вводится одноцепочечный разрыв. [14] Стабильность снижается, поскольку разрыв фосфодиэфирного остова позволяет ДНК раскручиваться , так как напряжение, создаваемое скручиванием и упаковкой, больше не подвергается такому сопротивлению. [12] Нишированная ДНК более подвержена деградации из-за снижения стабильности.

У бактерий [ править ]

NIC сайт или ник область находится в пределах начала переноса ( Orit ) сайта и является ключевым в запуске бактериальной конъюгации . Одиночная нить ДНК, называемая Т-нитью , разрезается в nic под действием фермента, называемого релаксазой . [15] Эта одиночная цепь в конечном итоге передается клетке-реципиенту в процессе бактериальной конъюгации . Однако, прежде чем это расщепление может произойти, необходимо, чтобы группа белков прикрепилась к сайту oriT . Эта группа белков называется релаксосомой. [15] Считается, что части ориТсайты изогнуты таким образом, что создается взаимодействие между релаксосомными белками и сайтом nic . [15]

Расщепление Т-цепи включает в себя релаксазу, разрезающую фосфодиэфирную связь в ник-сайте. [15] Расщепленная цепь остается с гидроксильной группой на 3'-конце, что может позволить цепи сформировать кольцевую плазмиду после перемещения в клетку-реципиент. [16] [17]

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Уильямс Дж. С., Кункель Т. А.. Рибонуклеотиды в ДНК: происхождение, восстановление и последствия. Ремонт ДНК. 2014; 19: 27-37. DOI: 10.1016 / j.dnarep.2014.03.029
  2. ^ a b c Чао Цзи, Линьюнь Чжан и Пэнге Ван, " Конфигурационные переходы системы свободной круговой ДНК, индуцированные Никсом ", Journal of Nanomaterials, vol. 2015 г., идентификатор статьи 546851, 7 страниц, 2015 г. doi: 10.1155 / 2015/546851
  3. ^ a b Aymami, J .; Coll, M .; Marel, GA van der; Бум, фургон JH; Wang, AH; Рич, А. (1990-04-01). «Молекулярная структура разорванной ДНК: субстрат для ферментов репарации ДНК» . Труды Национальной академии наук . 87 (7): 2526–2530. DOI : 10.1073 / pnas.87.7.2526 . ISSN  0027-8424 . PMC  53722 . PMID  2320572 .
  4. ^ а б в г Тимсон, Дэвид Дж; Синглтон, Мартин Р; Уигли, Дейл Б. (30 августа 2000 г.). «ДНК-лигазы в репарации и репликации ДНК». Исследование мутаций / Ремонт ДНК . 460 (3–4): 301–318. DOI : 10.1016 / S0921-8777 (00) 00033-1 . PMID 10946235 . 
  5. ^ Ellenberger T, Томкинсон AE (2008). «Эукариотические ДНК-лигазы: структурное и функциональное понимание» . Анну. Rev. Biochem . 77 : 313–38. DOI : 10.1146 / annurev.biochem.77.061306.123941 . PMC 2933818 . PMID 18518823 .  
  6. ^ Sriskanda V, Шуман S (январь 1998). «ДНК-лигаза вируса хлореллы: распознавание ников и мутационный анализ» . Nucleic Acids Res . 26 (2): 525–31. DOI : 10.1093 / NAR / 26.2.525 . PMC 147278 . PMID 9421510 .  
  7. ^ Нандакумар, Джаякришнан; Наир, Правин А .; Шуман, Стюарт (2007-04-27). «Последняя остановка на пути к восстановлению: структура ДНК-лигазы E. coli, связанная с разорванным ДНК-аденилатом». Молекулярная клетка . 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. (2000-11-01). «Кристаллическая структура эукариотической ДНК-лигазы-аденилата освещает механизм ник-зондирования и соединения цепей». Молекулярная клетка . 6 (5): 1183–1193. DOI : 10.1016 / S1097-2765 (00) 00115-5 . PMID 11106756 . 
  9. ^ Паскаль, Джон М .; О'Брайен, Патрик Дж .; Tomkinson, Alan E .; Элленбергер, Том (2004-11-25). «Человеческая ДНК-лигаза I полностью окружает и частично раскручивает разорванную ДНК». Природа . 432 (7016): 473–478. DOI : 10,1038 / природа03082 . ISSN 1476-4687 . PMID 15565146 .  
  10. ^ Моррис, Джеймс (2013). Биология: как устроена жизнь . WH Freeman. С. Глава 14, «Мутации и восстановление ДНК». ISBN 978-1-319-05691-9.
  11. Перейти ↑ Fukui, Kenji (27.07.2010). «Ремонт несоответствия ДНК в эукариотах и ​​бактериях» . Журнал нуклеиновых кислот . 2010 : 1–16. DOI : 10.4061 / 2010/260512 . ISSN 2090-0201 . PMC 2915661 . PMID 20725617 .   
  12. ^ а б Хуанг, Шар-Инь Наоми; Гош, Санчари; Помье, Ив (2015-05-29). «Одной топоизомеразы I достаточно для образования коротких делеций ДНК, а также для устранения разрывов в рибонуклеотидных сайтах» . Журнал биологической химии . 290 (22): 14068–14076. DOI : 10.1074 / jbc.M115.653345 . ISSN 1083-351X . PMC 4447978 . PMID 25887397 .   
  13. ^ Рако, Душан; Бенедетти, Фабрицио; Дорье, Жюльен; Берньер, Яннис; Стасяк, Анджей (06.07.2015). «Генерация суперспиралей в ДНК с разрывом и разрывом приводит в движение ДНК без узлов и пострепликативной декатенации» . Исследования нуклеиновых кислот . 43 (15): 7229–7236. DOI : 10.1093 / NAR / gkv683 . ISSN 0305-1048 . PMC 4551925 . PMID 26150424 .   
  14. ^ a b Hays, JB; Zimm, BH (14 марта 1970 г.). «Гибкость и жесткость разорванной ДНК». Журнал молекулярной биологии . 48 (2): 297–317. DOI : 10.1016 / 0022-2836 (70) 90162-2 . ISSN 0022-2836 . PMID 5448592 .  
  15. ^ a b c d Ланка Эрих, Уилкинс Брайан М. (1995). «Реакции обработки ДНК при конъюгации бактерий». Анну. Rev. Biochem. 64: 141-69
  16. ^ Мэтсон SW, Нельсон WC, Мортон BS (1993). «Характеристика продукта реакции ориТ-реакции никения, катализируемой Escherichia coli ДНК-геликазой I.» Журнал бактериологии. 175 (9): 2599-2606.
  17. ^ Grohmann E, G Мут, Эспиноса M (2003). «Конъюгативный перенос плазмиды в грамположительных бактериях». Microbiol Mol Biol Rev.67 (2): 277-301.