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]
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]
Чтобы соединить эти фрагменты, лигаза проходит три этапа:
- Добавление группы аденозинмонофосфата (АМФ) к ферменту, называемое аденилилированием,
- Перенос аденозинмонофосфата в ДНК и
- 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 ]
- ^ 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
- ^ 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
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Моррис, Джеймс (2013). Биология: как устроена жизнь . WH Freeman. С. Глава 14, «Мутации и восстановление ДНК». ISBN 978-1-319-05691-9.
- 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ a b c d Ланка Эрих, Уилкинс Брайан М. (1995). «Реакции обработки ДНК при конъюгации бактерий». Анну. Rev. Biochem. 64: 141-69
- ^ 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.
- ^ Grohmann E, G Мут, Эспиноса M (2003). «Конъюгативный перенос плазмиды в грамположительных бактериях». Microbiol Mol Biol Rev.67 (2): 277-301.