Репликация днк: учебное пособие
жүктеу/скачать 2,57 Mb. Pdf көрінісі
|
Спивак И.М. - Репликация ДНК учебное пособие - 2011
| 4.3.2.5. ДНК-топоизомеразы
Процесс раскручивания двойной спирали в репликативной вилке порождает меха- нические и топологические проблемы. В принципе раскручивание линейной двунитевой ДНК может происходить благодаря вращению родительской спирали вокруг собственной оси. Но такое вращение очень длинных цепей ДНК вокруг длинных же осей во внутри- клеточном пространстве механически затруднено. При репликации замкнутых кольцевых ДНК раскручивание цепей в вилке создает дополнительные проблемы, По мере раскручива- И. М. Спивак. «Репликация ДНК: учебное пособие» 51 ния цепей степень отрицательной сверхспирализации сегментов, находящихся перед вилкой репликации, постепенно уменьшается и в них возникает положительная сверхспирализа- ция. Дальнейшее перемещение вилки вдоль кольца затрудняется и в конце концов блоки- руется. Это блокирование снимается путем внесения однонитевого или двунитевого раз- рыва. Тем самым образуется «шарнир», который дает возможность нереплицированному дуплексу, находящемуся перед вилкой, вращаться вместе с ней. Такие разрывы вносятся в ДНК с помощью ферментов, имеющих общее название ДНК-топоизомеразы. Эти ферменты изменяют степень сверхспиральности и тип сверхспирали. У различных организмов иден- тифицированы топоизомеразы двух основных типов. Одни ферменты, называемые топоизо- меразами типа I надрезают одну из двух нитей, в результате чего фланкирующие дуплексные области могут повернуться вокруг интактной цепи, и затем воссоединяют концы разрезан- ной цепи, как показано на рис. 19. Эта реакция не требует энергии АТР, поскольку энергия фосфодиэфирной связи сохраняется благодаря тому, что тирозиновый остаток в молекуле фермента выступает то в роли акцептора, то в роли донора фосфорильного конца разрезан- ной нити. Отмечены два интересных, но, возможно, не связанных друг с другом различия между топоизомеразами I типа у про– и эукариот: во-первых, топоизомеразы I прокариот взаимо- действуют с 5'-фосфорильным концом разорванной цепи, а эукариот– с 3'-фосфорильным концом, а во-вторых, топоизомеразы I прокариот устраняют только отрицательные сверх- витки, а эукариотические – как отрицательные, так и положительные. Топоизомеразы II типа устраняют как отрицательные, так и положительные сверх- витки. В отличие от топоизомераз I типа, топоизомеразы II вносят временные разрывы в обе комплементарные нити, пропускают двунитевой сегмент той же самой или другой моле- кулы ДНК через разрыв, а затем соединяют разорванные концы, как это показано на рис. 20. Топоизомеразы II типа тоже используют тирозиновые остатки (присутствующие по одному в каждой из субъединиц ферментов) для связывания 5'-конца каждой разорванной нити в то время, когда другой дуплекс проходит через место разрыва. В результате внесения дву- нитевого разрыва и прохождения через него другого дуплекса за одну реакцию снимаются два отрицательных или положительных сверхвитка. В некоторых случаях дуплексом, про- ходящим через место разрыва, оказывается другая замкнутая молекула ДНК; это приводит к разделению сцепленных кольцевых ДНК или, напротив, к образованию таких сцепленных комплексов (катенанов). Этот механизм может использоваться и для распутывания или запу- тывания клубков, а также для раскручивания или конденсации крупных дуплексных ДНК. И. М. Спивак. «Репликация ДНК: учебное пособие» 52 И. М. Спивак. «Репликация ДНК: учебное пособие» 53 Рис. 19. Принцип действия топоизомеразы I Топоизомеразы типов I и II снимают сверхвитки, образующиеся при репликации коль- цевой ДНК. Однако существует особая топоизомераза II, называемая гиразой, и обнару- женная пока только у бактерий. Эта топоизомераза способна индуцировать образование отрицательных свсрхвитков в релансированных кольцевых ДНК. Для этого гираза делает двунитевые надрезы и затем особым способом воссоединяет концы, снимая таким образом положительные сверхвитки и внося отрицательные в релаксированную ДНК. У бактерий топоизомераза I и гираза являются ключевыми ферментами, определяю- щими степень суперскрученности ДНК при ее ответе на стрессовые внешние воздействия, такие как повышение температуры, изменении рН и оксидативный стресс. Сбалансирован- ное действие топоизомеразы I и гиразы у бактерий регулирует степень сверхспиральности ДНК и влияет на скорость движения репликативной вилки. Рис. 20. Принцип работы топоизомеразы II У эукариот ТорII является одним из компонентов клеточного ответа на различные типы повреждений ДНК. Она способна образовывать комплексы с важнейшими регуляторами клеточного цикла, включая Р53, BRCT-содержащий белок TopBP1 и Cdк1-киназу. Ассоциа- ция топоизомеразы II с Cdк1 указывает на начальную раннюю стадию конденсации хрома- тина в митозе. Регуляция этого взаимодействия, вероятно, является одним из механизмов, влияющих на вступление клеток в митоз. Конденсация хромосом и их сегрегация при пере- ходе в анафазу находятся под контролем белкового комплекса, состоящего из топоизомеразы II и конденсина. В кроссоверном разрешении холидеевских структур могут принимать участие различ- ные эндонуклеазы, в том числе XPF. При некроссоверном разрешении, при котором также нужны топологические изменения ДНК, их могут проводить RecQ-подобные геликазы вме- сте с топоизомеразой III. Она так же, как и топоизомераза II, способна генерировать и вос- соединять двунитевые разрывы ДНК. RecQ-подобные геликазы вместе с топоизомеразой III играют важную роль не только в гомологической рекомбинации, но и в других клетчных процессах, таких как репликация и контроль клеточного цикла. |