Проект «Наука — школе», часть 1

Директорам ИМЦ  районов Санкт-Петербурга

I. Информационное письмо

Санкт-Петербургский научный центр Российской академии наук, Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербургская академия постдипломного педагогического образования, общественная организация «Санкт-Петербургский союз ученых» реализуют проект «Наука – школе».

Известные ученые, ведущие специалисты научно-исследовательских институтов Российской академии наук и вузов Санкт-Петербурга приглашают учащихся старших классов, студентов, педагогов, родителей на публичные лекции, посвященные актуальным проблемам современной науки и практики.

ПРОГРАММА ЛЕКТОРИЯ «НАУКА – ШКОЛЕ»

07.09.2011 СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРУКТУРЕ И ФУНКЦИОНИРОВАНИИ ЭКОСИСТЕМ (НА ПРИМЕРЕ ЭКОСИСТЕМ КОНТИНЕНТАЛЬНЫХ ВОДОЕМОВ)

Алимов Александр Федорович, академик РАН, доктор биологических наук, заведующий лабораторией Зоологического института Российской академии наук

Начало: 16-00. Место проведения: Университетская наб., д.5 (малый зал).

14.02.2011 ЭВОЛЮЦИЯ, ГЕНЕТИКА И ЧЕЛОВЕК

Инге-Вечтомов, доктор биологических наук, член-корреспондент РАН, зав. кафедрой генетики и селекции Санкт-Петербургского государственного университета

Начало: 16-00. Место проведения: Университетская наб., д.5 (малый зал).

21.09.2011 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ЭКОЛОГИИ

Меншуткин Владимир Васильевич, доктор биологических наук, профессор, Заслуженный деятель науки; Экономико-математический институт Российской Академии Наук

Начало: 16-00. Место проведения: Университетская наб., д.5 (малый зал).

28.09.2011 БИОЛОГИЧЕСКИЕ ИНВАЗИИ – РАССЕЛЕНИЕ ВИДОВ ПРИ СОДЕЙСТВИИ ЧЕЛОВЕКА (ВОДНЫЕ БЕСПОЗВОНОЧНЫЕ И КОНТИНЕНТАЛЬНЫЕ ВОДОЕМЫ)

Орлова Марина Ивановна, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Зоологического института Российской академии наук

Начало: 16-00. Место проведения: Университетская наб., д.5 (малый зал).

05.10.2011 БАЛТИЙСКОЕ МОРЕ: РАЗНООБРАЗИЕ, ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Орлова Марина Ивановна, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Зоологического института Российской академии наук

Начало: 16-00. Место проведения: Университетская наб., д.5 (малый зал).

12.10.2011 ПЛЮСЫ И МИНУСЫ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ СТАБИЛЬНОСТИ

Самбук Елена Викторовна, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник; кафедра генетики и селекции Санкт-Петербургского государственного университета

Начало: 16-00. Место проведения: Университетская наб., д.5 (малый зал).

19.10.2011 ОЗЕРА И ИХ РОЛЬ В ФОРМИРОВАНИИ КАЧЕСТВА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Трифонова Ирина Сергеевна, доктор биологических наук, профессор, зам. директора Института озероведения Российской академии наук

Начало: 16-00. Место проведения: Университетская наб., д.5 (малый зал).

26.10.2011 ОТХОДЫ И ЧЕЛОВЕЧЕСТВО

Скорик Юрий Иванович, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Научно-исследовательского центра экологической безопасности Российской академии наук

Начало: 16-00. Место проведения: ул. Ломоносова, д.11, СПб АППО (конференц-зал).

Координатор проекта, проректор по научной работе СПбАППО,

д.п.н профессор С.В. Алексее

 

II.  ПРОГРАММА ЛЕКТОРИЯ «НАУКА – ШКОЛЕ»

07.09.2011 СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРУКТУРЕ И ФУНКЦИОНИРОВАНИИ ЭКОСИСТЕМ (НА ПРИМЕРЕ ЭКОСИСТЕМ КОНТИНЕНТАЛЬНЫХ ВОДОЕМОВ)

Алимов Александр Федорович, академик РАН, доктор биологических наук, заведующий лабораторией Зоологического института Российской академии наук

Начало: 16-00. Место проведения: Университетская наб., д.5 (малый зал).

14.02.2011 ЭВОЛЮЦИЯ, ГЕНЕТИКА И ЧЕЛОВЕК

Инге-Вечтомов, доктор биологических наук, член-корреспондент РАН, зав. кафедрой генетики и селекции Санкт-Петербургского государственного университета

Начало: 16-00. Место проведения: Университетская наб., д.5 (малый зал).

21.09.2011 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ЭКОЛОГИИ

Меншуткин Владимир Васильевич, доктор биологических наук, профессор, Заслуженный деятель науки; Экономико-математический институт Российской Академии Наук

Начало: 16-00. Место проведения: Университетская наб., д.5 (малый зал).

28.09.2011 БИОЛОГИЧЕСКИЕ ИНВАЗИИ – РАССЕЛЕНИЕ ВИДОВ ПРИ СОДЕЙСТВИИ ЧЕЛОВЕКА (ВОДНЫЕ БЕСПОЗВОНОЧНЫЕ И КОНТИНЕНТАЛЬНЫЕ ВОДОЕМЫ)

Орлова Марина Ивановна, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Зоологического института Российской академии наук

Начало: 16-00. Место проведения: Университетская наб., д.5 (малый зал).

05.10.2011 БАЛТИЙСКОЕ МОРЕ: РАЗНООБРАЗИЕ, ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Орлова Марина Ивановна, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Зоологического института Российской академии наук

Начало: 16-00. Место проведения: Университетская наб., д.5 (малый зал).

12.10.2011 ПЛЮСЫ И МИНУСЫ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ СТАБИЛЬНОСТИ

Самбук Елена Викторовна, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник; кафедра генетики и селекции Санкт-Петербургского государственного университета

Начало: 16-00. Место проведения: Университетская наб., д.5 (малый зал).

19.10.2011 ОЗЕРА И ИХ РОЛЬ В ФОРМИРОВАНИИ КАЧЕСТВА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Трифонова Ирина Сергеевна, доктор биологических наук, профессор, зам. директора Института озероведения Российской академии наук

Начало: 16-00. Место проведения: Университетская наб., д.5 (малый зал).

26.10.2011 ОТХОДЫ И ЧЕЛОВЕЧЕСТВО

Скорик Юрий Иванович, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Научно-исследовательского центра экологической безопасности Российской академии наук

Начало: 16-00. Место проведения: ул. Ломоносова, д.11, СПб АППО (конференц-зал).

Дополнительную информацию можно получить по телефонам:

323-30-25, Флоринская Тамара Михайловна;

710-68-49, Гущина Эльвира Васильевна

 

III. Сборник материалов публичных лекций

Санкт-Петербург   2011 г. 

Авторский коллектив:

Алексеев Сергей Владимирович, доктор педагогических наук, профессор, проректор по научной работе, зав. кафедрой педагогики окружающей среды, безопасности и здоровья человека Санкт-Петербургской академии постдипломного педагогического образования

Алимов Александр Федорович, академик РАН, доктор биологических наук, заведующий лабораторией Зоологического института Российской академии наук

Инге-Вечтомов Сергей Георгиевич, доктор биологических наук, член-корреспондент РАН, зав. кафедрой генетики и селекции Санкт-Петербургского государственного университета

Меншуткин Владимир Васильевич, доктор биологических наук, профессор, Заслуженный деятель науки; Экономико-математический институт РАН

Орлова Марина Ивановна, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Зоологического института Российской академии наук

Самбук Елена Викторовна, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник; кафедра генетики и селекции Санкт-Петербургского государственного университета

Скорик Юрий Иванович, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Научно-исследовательского центра экологической безопасности  РАН

Трифонова Ирина Сергеевна, доктор биологических наук, профессор, зам. директора Института озероведения Российской академии наук

В сборнике представлены материалы публичных лекций, посвященных актуальным проблемам современной биологии и экологии, известных ученых, ведущих специалистов научно-исследовательских институтов Российской академии наук и вузов Санкт-Петербурга.

Лекции были подготовлены в рамках образовательного проекта «Наука – школе».

Материалы сборника адресованы учащимся старших классов, студентам, педагогам, родителям и всем тем, кто интересуется ролью и вкладом российской науки в решение актуальных проблем современной действительности.

ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ПРОЕКТ «НАУКА - ШКОЛЕ»

Алексеев Сергей Владимирович, доктор педагогических наук, профессор,

проректор по научной работе Санкт-Петербургской академии постдипломного педагогического образования

Стратегической задачей для нашей страны на ближайшие десятилетия на Петербургском международном экономическом форуме в июне 2010 г. Президент Российской Федерации Д.А. Медведев провозгласил построение современной, процветающей и сильной России, предоставляющей всем гражданам возможности для успеха и самореализации. Высокое качество жизни должно быть обеспечено, прежде всего, интеллектуальными ресурсами, инновационной экономикой, экспортом новейших технологий.

Особую роль в реализации этой стратегии должен сыграть Санкт-Петербург, в котором сосредоточено 10% научно-образовательной сферы России, и каждый седьмой его житель связан с наукой.

В Национальной образовательной инициативе «НАША НОВАЯ ШКОЛА» отмечена необходимость новой системы непрерывного образования, важнейшим звеном которого является школа. Инвестиции в человеческий капитал определяют будущие инновации в производстве, развитие экономики и гуманитарной сферы общества, определяют качество жизни.

Среди ключевых направлений развития общего образования особенно важно обратить внимание на два положения: систему поддержки талантливых детей и развитие учительского потенциала.

Безусловно, в России и Санкт-Петербурге много сделано для поддержки талантливых детей. Наши выпускники достойно выступают на международных олимпиадах по информатике, математике, химии, и тем не менее общий уровень естественнонаучных знаний российских школьников недостаточно высок (по международному исследованию PISA Россия занимает 33-38 место среди 57 стран- участников в 2006 году).

Сегодня ни одна школа, ни одно учреждение дополнительного образования не сможет пригласить академика, известного профессора, крупного специалиста для яркого и заинтересованного диалога об актуальных проблемах современности с мотивированными в данной области учащимися, с педагогами-предметниками, которые хотят донести «дыхание» научной мысли, красоту и тернии познания до своих учащихся, которые сами хотят понять передовые научные идеи и перспективы их практического применения.

Выдающиеся ученые известных вузов Санкт-Петербурга сами инициируют этот диалог, они проводят цикл публичных выступлений, лекций, занятий для учащихся, педагогов и всех заинтересованных лиц.

Предполагается осветить актуальные проблемы современной науки в сфере медицинской генетики, онкологии, обеспечения устойчивого развития Северо-Запада Российской Фелерации, ресурсосбережения, сохранения биологического разнообразия, природооохранного законодательства и др.

В реализации проекта принимают участие ведущие российские ученые, широко известные не только в нашей стране и городе, но и за рубежом: это академики Российской академии наук Ж.И. Алферов, А.Ф. Алимов, С.А. Инге-Вечтомов, А.Ф. Алимов, профессора Л.Н. Карлин, В.Г. Горшков, А.И. Чистобаев и другие.

В данном сборнике представлены материалы Среди тематики публичных выступлений ученых будут обозначены такие проблемы современной науки как:

• Изменение климата: потепление или похолодание?
• Биологическое разнообразие: прошлое, настоящее, будущее;
• Что такое биологические инвазии?
• Нанотехнологии в решении современных проблем медицины;
• Отходы как источник риска и источник полезных ресурсов;
• Промышленность, окружающая среда, население - антагонисты или союзники?

Таким образом, образовательный проект «Наука – школе» направлен на повышение качества школьного (общего) образования и просвещения населения города как необходимых условий научного, образовательного и экономического развития Санкт-Петербурга.

Среди прогнозируемых результатов проекта можно назвать следующие:

• создание городского просветительского центра научных знаний для педагогов, школьников и их родителей;
• проведение курсов повышения квалификации (отдельных модулей образовательных программ повышения квалификации) для учителей - предметников (на первом этапе - биологов, географов, экологов; на втором - всех естественников; на третьем - гуманитариев);
• проведение публичных лекций ведущих ученых страны и города по проблемам современной науки (вначале - естественных наук, затем - гуманитарных) для педагогов, школьников и их родителей;
• повышение престижности образования как области человеческой деятельности;
• определяющей качество жизни настоящего и будущих поколений россиян и, в частности, петербуржцев;
• эффективная профессиональная ориентация старшеклассников;
• повышение квалификации педагогических кадров по инновационным направлениям науки.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ЭКОЛОГИИ

Меншуткин Владимир Васильевич, доктор биологических наук, профессор,Заслуженный деятель науки; Экономико-математический институт РАН

Фундаментальной задачей современной экологии является определение таких антропогенных воздействий на природные экосистемы, которые обеспечили бы сохранение этих экосистем при получении максимального полезного выхода. Частный случай – определение оптимальных квот вылова промысловых рыб. Однако никакое оптимальное управление сложной системой не может быть осуществлено без создания в той или иной форме модели этой системы. Это соображение является одним из побудительных мотивов развития математических моделей в экологии. Первая подобная модель была разработана Ф.И.Барановым еще в 1918 году.

Первоначально большинство экологических моделей было детерминированными и представляли собой системы дифференциальных уравнений. Таковы балансовые модели водных и наземных экологических систем, модели эксплуатируемых популяций и сообществ животных. В этом направлении достигнуты конкретные практические и теоретические результаты. Однако многие актуальные проблемы, связанные с процессами адаптации, поведения и пространственного распределения организмов оказались не под силу применяемому методу моделирования.

В настоящее время широкое распространение получает метод «individual-based» моделирования, при котором рассматривается судьба каждой особи, входящей в состав популяции или сообщества. Это типичный метод компьютерной имитации, который позволяет воспроизвести адаптационные, эволюционные, генетические, поведенческие и даже социологические процессы, происходящие в живой природе. Примером таких моделей может служить модель сукцессии лесного сообщества, в которой элементом модели служит отдельное дерево со всеми своими индивидуальными свойствами (вид, положение в пространстве, возраст, и т.п.). Таких элементов в моделях бывают тысячи и десятки тысяч. Сходные модели применяются для изучения миграций животных, изменения генетического состава популяции под воздействием промыслового пресса и т.п.

Построение компьютерных экологических моделей – это увлекательный процесс, тесно связанный с полевыми и экспедиционными работами, поскольку материал для построения таких моделей может дать только сама живая природа.

ПЛЮСЫ И МИНУСЫ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ СТАБИЛЬНОСТИ

Е.В.Самбук , доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник; кафедра генетики и селекции Санкт-Петербургского государственного университета

Ч. Дарвин в своем классическом труде «Происхождение видов» решил вопрос о главных движущих силах эволюции живых организмов. Это - наследственность, изменчивость и естественный отбор. Несмотря на то, что системы, обеспечивающие консерватизм наследственности весьма эффективны, наследственности всегда сопутствует наследственная изменчивость – способность генетического материала претерпевать изменения. Более того без изменчивости не возможна эволюция организмов. По выражению Докинза « Дарвинизм - теория о нарастающих изменениях, длящихся тысячи и миллионы десятилетий».

Несомненным плюсом стабильности генетического материала является поддержание целостности вида и здоровья отдельных особей, тогда как его нестабильность является источником материала для действия естественного отбора, а для отдельных особей – источником заболеваний, а, возможно и гибели.

Стабильность и изменчивость составляют единую сущность генетического материала. Стабильность поддерживается процессами репликации ДНК и механизмами деления клеток, а также системами репарации ошибок. В тоже время в клетке есть процессы, которые направлены на создание ошибок. Для чего они нужны? В частности, для формирования антител.

Мутации – это наследуемые изменения в геноме организма. Организм, который несет мутации – мутант. Мутации в истории человечества сыграли немаловажную роль, Например, появление белой расы произошло благодаря мутациям по пигментации. И сейчас, когда геном нескольких человек прочитан, ясно, что каждый из нас несет различные мутации, определяющие цвет глаз, волос, предрасположенность к заболеваниям и т.д. Более того мутации повлияли и на мировой процесс. Например, английский король Георгом III, родился нормальным, хотя и недоношенным, но с возрастом начались серьезные проблемы. Король был болен мозаичной порфирией, наследственной болезнью, вызванной дефектом в гене одного из ферментов синтеза гема. Промежуточные продукты синтеза гема отравляют организм. Властитель Англии страдал от резких болей в животе, учащенного сердцебиения и неврозов, иногда впадая в безумие на месяцы. Во время одного из таких припадков он и подписал акт о введении налога на импорт чая в американские колонии, что и спровоцировало Американскую революцию. Георг III

Вспомним и нашего царевича Алексея, тот тоже получил ген гемофилии от своей английской прабабки. И к чему это привело, вы знаете из курса истории.

Итак, как мы видим, последствия мутаций могут быть весьма значительными для государств. Но не менее трагичны и судьбы людей, страдающих наследственными заболеваниями, обусловленными некогда возникшими рецессивными мутациями. Кроме того мутации, возникающие в соматических клетках, являются основной причиной смертности в популяции человека. Это онкологические заболевания.

Итак, для эволюции необходим материал - генетическое разнообразие в популяции, в то же время количество мутаций не должно быть большим.

Так как мы и виды, живущие в настоящее время, победили в эволюционной гонке, в отличие от тех видов, которые по тем или иным причинам вымерли, на модельных объектах можно изучать самые результативные стратегии выживания, в том числе и репарацию повреждений, а также и другие механизмы, которые обеспечивают оптимальное соотношение между частотой появления мутаций и их сохранением или исправлением, что и обеспечит сохранение особей и видов. Механизмы исправления ошибок в живой клетке вызывают, пристальное внимание ученых. В этом докладе будут рассмотрены основные механизмы репарации ДНК.

Ещё Уотсон – Крик, создавая модель ДНК - интуитивно предположили, что в самой молекуле ДНК могут возникать спонтанные изменения, которые будут проявляться в новых генерациях клеток. Затем стало понятно, что молекула ДНК не слишком стабильная молекула и подвергается химическим изменениям. Поэтому спустя двадцать лет после открытия ДНК Фрэнсис Крик писал, о том, что они упустили роль репаративных процессов в ДНК и предположили, что их может быть множество и разных. Процессам репарации в школе не уделяется внимания совсем, а эти процессы очень важны для всей стратегии жизни человека разумного.

О том, что в молекуле ДНК могут происходить изменения стало понятно относительно давно, но вот все ли изменения ДНК станут мутациями – это еще вопрос.

Под мутационным процессом обычно понимается процесс возникновения первичных изменений в наследственных структурах, то есть в ДНК и, последующее становление этих изменений, выражающееся в регистрируемом изменении фенотипа. О возможности существования процесса становления мутаций в клетке говорил М.Е.Лобашев, создатель физиологической теории мутационного процесса.Мутационный процесс - включает в себя несколько последовательных событий.

1.    Спонтанно или под действием внешних факторов в пределах одного гена возникает предмутационное повреждение. Сама клетка остается фенотипически неизмененной. При последующих генерациях мутантный ген оказывается в мутантной клетке. Такая клетка либо погибнет, либо даст начало мутантному клону. В диплоидной клетке – рецессивная мутация не проявится.

2.    Далее возможны преобразования предмутационного повреждения, в результате которого у клетки есть три возможности: клетка либо исправляет повреждение, либо гибнет, либо фиксирует мутацию.

3.    Включение систем репарации может привести к исчезновению предмутационного повреждения, а отсутствие репарации может привести к гибели клетки.

Синтез в обход повреждения фиксирует мутацию.

Современные методы исследования позволяют выяснять как природу мутационного повреждения, так и выявлять белки, участвующие в этом процессе.

Прежде, чем рассматривать процессы репарации очень полезно понять, откуда в наших клетках берутся мутации, а точнее предмутационные повреждения?

Дезоксирибонуклеи́новая кислота́ (ДНК) — обеспечивает хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. Основная роль ДНК в клетках — долговременное хранение информации о структуре РНК и белков. С химической точки зрения, ДНК — это длинная полимерная молекула, состоящая из повторяющихся блоков, нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счёт дезоксирибозы и фосфатной группы. В подавляющем большинстве случаев (кроме некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Эта двухцепочечная молекула спирализована. В целом структура молекулы ДНК получила название «двойной спирали».

В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Азотистые основания одной из цепей соединены с азотистыми основаниями другой цепи водородными связями согласно принципу комплементарности: аденин соединяется только с тимином, гуанин — только с цитозином. Расшифровка структуры ДНК (1953 г.) стала одним из поворотных моментов в истории биологии. За выдающийся вклад в это открытие Фрэнсису Крику, Джеймсу Уотсону, Морису Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962 г.

В живой клетке ДНК постоянно подвергается атакам эндогенных соединений, в результате в молекуле возникают:

• АП-сайты. Первичная структура ДНК может интенсивно изменяться за счет реакций с молекулами окружающей среды. При 37 С, (температура тела человека), примерно 18 000 пуриновых остатков теряется в каждой клетке каждый день за счет гидролиза связи, которая связывает основание и фосфатный остов ДНК. Они должны быть восстановлены.
• Дезаминирование цитозина. Другой источник постоянных спонтанного генетического шума – при физиологических температурах и рН – это превращение остатков цитозина в урацил, за счет дезаминирования . Это происходит от 100 до 500 раз в день в каждой клетке млекопитающего. И природе потребовалось создать процесс, который узнавал бы и убирал урацил из ДНК.
• Окисление свободными радикалами. Свободные радикалы, побочный продукт аэробного метаболизма, легко реагируют с ДНК и изменяют или разрушают генетическую информацию. Создается окисленная «ржавая ДНК» - в частности - 8-оксогуанин.
• Метилирующие агенты в клетке вносят свой вклад в нарушение ДНК. Пример. Существенный метаболит, S-аденозилметионин действует как слабый алкилирующий агент и реагирует с ДНК, для того чтобы метилировать 3-позицию аденина – примерно 1200 раз в день в клетке человека.
• Существует кроме того процесс репликации, в котором тоже совершается достаточно высокое количество ошибок.
• УФ солнечного света - дополнительный источник разрушения ДНК.Свой вклад в нарушение ДНК вносят и внешние факторы- фотопродукты – УФ. Они сшивают соседние пиримидиновые основания и генерируют токсичные мутагенные повреждения, которые должны быть освобождены или исправлены, чтобы клетка не погибла.
• Ионизирующая радиация Земли, космических лучей – может формировать разрывы в ДНК или повреждать азотистые основания.
• Кроме того человек синтезирует огромное количество соединений, которые способны реагировать с ДНК и влиять на ее структуру.
• В основном вклад этих последних меньше, чем эндогенных источников. Основное исключение – курение табака, в дыме которого купаются клетки эпителия легких и в эти клетки проникают соединения, которые непосредственно повреждают ДНК.
• Несмотря на все это ДНК упорно продолжает оставаться основным генетическим материалом в эволюции. Природа, вероятно, решила, что легче развить тысячи стратегий по ремонту окисленных и радиоактивных повреждений ДНК, чем изобретать менее уязвимую матрицу.

Теперь мы знаем, что количество предмутационных повреждений, возникающих за сутки в клетке очень велико. В тоже время мы знаем, что частота спонтанных мутаций очень низка. Какие процессы охраняют целостность нашего генетического материала?

Биологический ответ на повреждения ДНК очень не прост.

Как мы уже говорили, в случае нарушения ДНК у клетки три пути. Либо исправить повреждение, либо погибнуть, либо сохранив ошибку, жить дальше. Надо отметить, что механизмы исправления повреждений достаточно консервативны, поэтому изучая их у модельных объектов, мы можем проецировать полученные данные и на человека. В качестве модельных объектов для изучения мутационного процесса используют как диплоидные (дрозофила, нематода, мышь домашняя, арабидопсис) , так и гаплоидные организмы( бактерии, дрожжи, мицелиальные грибы). Мы рассмотрим кратко ответ клетки на повреждения.

МЕХАНИЗМЫ РЕПАРАЦИИ ДНК

Репарация ДНК включает в себя только два фундаментальных механизма: прямое исправление повреждения ДНК, а также вырезание поврежденных элементов и замена новым фрагментом – это эксцизионная репарация. Эксцизионная репарация может быть разделена на две ветви: вырезание поврежденного основания эксцизионная репарация оснований (ЭРО) и вырезание нуклеотидов – эксцизионная репарация нуклеотидов ЭРН. Эти два процесса осуществляются разными ферментами. Есть разные разновидности ЭРН.

Третья форма эксцизионной репарации – мисмэтч репарация (ММР), имеет отношение к освобождению ошибочно спаренных оснований из двуцепочечной ДНК.

Кроме измененных оснований в ДНК часто возникают однонитевые и двунитевые разрывы. Их репарация идет по разным механизмам. Некоторые способы связаны с рекомбинацией. Другие с простым воссоединением концов разрывов.

Основные пути репарации ДНК :

1.    «Санитарная обработка» нуклеотидного пула

ДНК построена из нуклеотидов, а нуклеотиды могут повреждаться как в составе ДНК, так и в виде свободных нуклеотидтрифосфатов. Основания dNTP в свободном пуле повреждаются легче, чем основания в ДНК, где они защищены. Модифицированные основания могут индуцировать мутации, так как они включаются в ДНК ДНК- полимеразами с эффективностью 10-5 - 10-2 от включения немодифицированного основания. Показано, что 8- oxodGTP – включается ДНК полимеразой бета человека в 24 раза чаще против аденина, чем против цитозина. Таким образом, наличие в пуле 8- oxodGTP может приводить к трансверзиям AT GC и in vivo и in vitro. Как клетки борются с загрязнением пула нуклеотидов. Идея очень проста! Для ДНК представляют опасность только ошибочные нуклеотидтрифосфаты. У бактерий найден фермент Mut T (нуклеозидтрифосфат пирофосфорилаза). Этот фермент превращает модифицированные нуклеотидтрифосфаты в монофосфаты и неорганический пирофосфат). Если этот фермент встречает в пуле нуклеотидтрифосфатов окисленный гуанин (8-oxodGTP) и нормальный dGTP, то он свяжется с окисленным, так как у бактерий этот фермент имеет в 2000 раз большее сродство к 8-oxodGTP, чем к dGTP.

Гомологи белка Mut T были обнаружены у человека, мыши, крысы, гены клонированы. Оказалось, что как отсутствие этого белка, так и его свехпродукция приведут к возникновению различных форм рака. MTH1 – у нокаутированных мышей – рак легких, печени, желудка. В опухолевых клетках наблюдается сверхэкспрессия этого гена. Уровень этого белка повышен при опухолях мозга.

Теперь поговорим о механизмах исправления повреждений уже в самой ДНК . Напомню, что длина молекулы ДНК в каждой клетке нашего организма примерно 2 метра и ее необходимо просматривать в поисках повреждений.

2.    Фоторепарация:

УФ - это электромагнитное излучение, занимающее диапазон между видимым и рентгеновским излучением. Биологические эффекты ультрафиолетового излучения в трёх спектральных участках существенно различны, поэтому биологи иногда выделяют следующие диапазоны: УФ-A лучи (UVA, 315-400 нм) - Ближний ультрафиолет, УФ-B лучи (UVB, 280-315 нм) , УФ-C лучи (UVC, 100-280 нм) - Дальний ультрафиолет. Практически весь UVC и приблизительно 90% UVB поглощаются озоном, а также водяными парами, кислородом и углекислым газом при прохождении солнечного света через земную атмосферу. Излучение диапазона UVA достаточно слабо поглощается атмосферой. Поэтому радиация, достигающая поверхности Земли, в значительной степени содержит ближний ультрафиолет UVA, и, в небольшой доле - UVВ. За основные патологические эффекты отвечает УФ В, так как область максимального поглощения УФ ДНК – 260 нм. УФ оказывает как положительное, так и отрицательное влияние на живые организмы. Вредное действие связано с возникновением различных видов ракак кожи и меланомы. В настоящее время существуют убедительные доказательства того, что происходит уменьшение толщины озонового слоя, который, как известно, предохраняет жизнь на Земле от коротковолнового солнечного излучения.

Воздействие УФ на Землю было достаточно сильным вплоть до развития озонового слоя над поверхностью Земли. УФ оказывает вредное воздействие на все живые организмы от бактерий до низших эукариот и высших растений, грибов, животных и человека.

Каков механизм действия УФ?

УФ вызывает фотодинамические реакции, появление синглетного кислорода или свободных радикалов кислорода, которые разрушают мембраны и другие клеточные компоненты. Область максимального поглощения ДНК – 260 нм. Именно поэтому ДНК рассматривается как основной хромофор ультрафиолета. Спектр поглощения ДНК кореллирует с формированием фотопродуктов, гибелью клеток, индукцией мутаций и опухолеобразованием. В процессе эволюции организмы выработали защиту от УФ излучения, так как именно нуклеиновые кислоты и белки являются мишенями для УФ. Для их защиты у ряда организмов в процессе эволюции были сформированы дополнительные молекулы, поглощающие УФ: такие молекулы есть у всех организмов , у растений это флавоноиды, у животных – меланин. Защитное действие пигментации кожи приводит к тому, что самая низкая частота рака кожи у темнокожей популяции, по сравнению с белыми. Есть генетические заболевания, которые значительно повышают риск появления рака, индуцированного солнечным светом, связаны с системами репарации ДНК. Одно из таких заболеваний, пигментная ксеродерма. При этом заболевании человек не может без последствий подвергаться облучению УФ.

Повреждения ДНК, вызванные УФ : Двойная связь между 5 и 6 атомами углерода в составе пиримидиновых оснований (В ДНК –тимин и цитозин, в РНК – урацил) под действием УФ-света может рваться и сформировать более сложное циклобутановое кольцо. Часто употребляется термин – димер пиримидиновых оснований. Если димеризация произошла, то в ДНК образуются ТТ-димеры или ЦЦ димеры, если в РНК – УУ димеры и у и любого другого пиримидинового основания. Димеры блокируют продвижение ДНК полимераз, а также РНК полимераз при транскрипции.

У многих организмов существует процесс фотореактивации. Фотореактивация заключается в том, что фермент фотолиаза расщепляет вновь образовавшиеся связи и восстанавливает нормальную структуру ДНК. Это единственная ферментная реакция, в которой фактором активации служит не химическая энергия, а свет. То есть, если после облучения УФ клетки осветить синим светом, то количество мутантов резко сокращается.

Фотолиазы принадлежат большому семейству белков фотолиаз-криптохромов. Представители этого семейства широко распространены во всех царствах и их условно можно разделить на два класса : фотолиазы, которые исправляют фотопродукты и криптохромы, которые не участвуют в репарации ДНК, но произошли от фотолиаз. Криптохромы утратили функцию репарации фотоповреждений, они участвуют в фоторецепции и сигнальной трансдукции синего света у разных групп организмов. У растений криптохромы регулируют рост и переход к цветению, регулируемый синим светом. У животных – циркадные ритмы. У птиц предполагают криптохромы являются компонентом системы, воспринимающей магнитные поля.

МЕХАНИЗМ действия фотолиаз

Действуют в два этапа:

1.    ДНК-фотолиаза связывается с пиримидиновым димером в составе ДНК – эта реакция не зависит от света.

2.    Если происходит облучение светом длиной волны > 300 нм, то фермент расщепляет димер и диссоциирует от субстрата, восстанавливая нормальную структуру ДНК.

Фотолиазы имеют два типа хромофоров

    Каталитический кофактор – он непосредственно взаимодействует с субстратом –ТТ димером в фоторепарирующей реакции. FADH (flavine adenine dinucleotide)

    Свето-уловитель – действует как антенна, и улавливает энергию и передает ее каталитическому ко-фактору. MTHF (метенилтетрагидрофолат). MTHF – это пигмент - антенна, который абсорбирует фотон синего цвета и передает энергию возбуждения на кофактор FADH.

    Возбужденный флавин переносит энергию возбуждения на электрон к тиминовому димеру и вызывает расщепление циклобутанового кольца. В конце электрон переносится назад и восттанавливает функциональную форму FADH.

•    Это самая древняя и самая простая система репарации состоит всего из одного фермента фотолиазы. CPDs (CPD photolyase) обнаружена у бактерий, грибов, беспозвоночных и многих позвоночных, тогда как 6–4PPs (6–4 photolyase) идентифицирована у Drosophila, silkworm, Xenopus laevis, and rattlesnakes but not in E. coli or yeast. Фотолиаза отсутствует или не функциональна у человека. Так как ДНК фотолиазы найдены у многих архебактерий, предполагают, что это наиболее древний путь репарации. Интересно, что фотолиаза есть и у сумчатых, но ее нету плацентарных. В процессе эволюции мы ее потеряли.

3.    Эксцизионная репарация.

Есть повреждения, которые нельзя исправить напрямую. В этом случае клетка выбирает стратегию, которую обычно используют при штопке протертых штанов. Повреждение вырезают и ставят заплатку. В противоположность фотореактивации, темновая репарация гораздо более сложный процесс и не просто восстанавливает повреждение, а замещает поврежденную ДНК новыми, неповрежденными нуклеотидами. Общая схема эксцизионной репарации, действующей по принципу «режь-латай», включает несколько этапов:

• Узнавание повреждений УФ-эндонуклеазой (у E. сoli – UvrABC-эндонуклеаза). В случае пиримидиновых димеров и моноаддуктов повреждения распознаются легко. В других случаях, при неправильном спаривании нуклеотидов, оба нуклеотида (правильный и неверный) – мисмэтч - эквивалентны для многих видов эксцизионной репарации, однако существуют специализированные системы, позволяющие и в этих случаях восстановить нативную структуру.
• Инцизия – надрезание цепи ДНК этим ферментом по обе стороны от повреждения
• Эксцизия (вырезание и удаление) фрагмента ДНК, содержащего повреждение, происходит при участии геликазы – фермента, расплетающего молекулу ДНК для высвобождения концов после первичных надрезов.
• Ресинтез, в ходе которого ДНК полимераза 1 застраивает брешь благодаря своей 5’->3' полимеразной активности, а ДНК-лигаза ковалентно присоединяет 3' –конец вновь синтезированного фрагмента к ранее синтезированной ДНК.
• Лигирование. Эксцизионная репарация завершается при возникновении ковалентных связей репарированного участка со скелетом полинуклеотида.
• В целом эксцизионная репарация обычно распознает нарушения вторичной структуры ДНК и вырезает их.

Эксцизионная репарация оснований - ЭРО

ЭРО – наиболее часто используемая система репарации.

• Освобождает 10 000 повреждений в день в каждой клетке человека.
• Повреждения, которые исправляются ЭРО, относительно малы, и вызывают небольшое искривление спирали ДНК.
• Многие из этих повреждений не ингибируют элонгацию некоторыми ДНК и РНК полимеразами.
• Однако ЭРО – это основной путь репарации, который освобождает клетку от необъемных, не нарушающих структуру повреждений ДНК .
• Белки ЭРО консервативны в эволюции от бактерий до эукариот.
• Субстраты ЭРО-БЭР: окисленные основания, алкилированные или дезаминированные основания, некоторые типы мисмэтчей, апуриновые или апиримидиновые сайты.

Апуриновые/апиримидиновые сайты – одно из наиболее частых повреждений ДНК. Они могут образоваться :

1. путем спонтанного гидролиза N-гликозидной связи. В клетках млекопитающих в день теряется 10 000 оснований ДНК – то есть это не энзиматическая гидролитическая депуринизация, которая ведет к потере основания.

• Они могут образоваться как следствие удаления неправильного основания DNA N-гликозилазами. Гликозилазы удаляют метилированные основания, а также основания, возникшие в результате дезаминирования нормального основания и появления повреждений, таких как N7-meG, 8-oxo-G, урацил. В нормальных клетках печени примерно 50 000 АП сайтов на геном.
• Какие последствия для клетки происходят от АП-сайтов?
• АП сайты цитотоксичны, так как блокируют репликацию ДНК и транскрипцию.
• АП сайты мутагенны, так как если подстроится любое основание - дают замены у бактерий и дрожжей.
• Расщепление АП сайтов АР – эндонуклеазами или N-гликозилазами/АР-лиазами приводит к формированию одно-цепочечного разрыва с 3' и 5' блокированными концами, которые не могут быть использованы как субстраты для ДНК полимераз и ДНК лигаз. После репликации такие одноцепочечные разрывы могут превратиться в высокотоксичные двуцепочечные разрывы.

Эксцизионная репарация оснований ЭРО

Ключевыми ферментами БЭР являются гликозилазы. ДНК-гликозилазы - ферменты, отщепляющие различные модифицированные основания ДНК с образованием АП-сайта.

Этих ферментов много, и каждый специфичен для своего повреждения, рассмотрим урацилДНКгликозилазы. На первой стадии фермент должен распознать поврежденное основание и удалить его. Для каждого типа повреждений существует специфическая гликозилаза, которая гидролизует N-гликозидную связь, удаляет поврежденное основание. Цепь при этом цела! Поврежденное основание выщепляется и уходит в раствор. В результате возникает брешь в одной цепи ДНК с концами другими, чем 3'-OH и 5'-P.

• Фермент урацил ДНК гликозилаза узнает урацил в составе ДНК. А его там быть не должно.
• Откуда в ДНК появляется урацил?
• Урацил может включиться в ДНК в процессе репликации.
• Урацил накапливается в геноме со скоростью 100 повреждений на клетку в день (для генома размером 3 × 109 bp). Урацил не очень опасное повреждение, дезаминированные пурины плохо проходят через репликацию и не ведут к перекодировке.
• Превращение UC опаснее. Так как эти повреждения непосредственно мутагенны, то все живые организмы имеют урацил гликозилазы.
• Кристаллическая структура урацил гликозилаз от человека до вируса герпеса известна и предполагается, что активный центр состоит из узкого кармана, в котором может поместиться только урацил и никакое другое основание, в контексте одноцепочечной ДНК, что и объясняет высокую степень специфичности фермента.

К другому семейству гликозилаз относится фермент, кодируемый геном hOGG1 у человека. Продукт этого гена участвует в эксцизионной репарации 8-гидрокси-2-дезоксигуанина на окисленной ДНК и экспрессируется в тканях легких. Полиморфизм по этому гену играет очень важную роль в предрасположенности к раку легких. Так как не все курящие заболевают раком легких, то для прогностических выводов в настоящее время разработаны тесты и диагностика полиморфизма по hOGG1. Мутации по всем генам гликозилаз имеют мутаторный эффект.

Второй этап ЭРО

На первом этапе ГЛИКОЗИЛАЗА создала АП-сайт . Что потом? АП-дезоксирибоза, образовавшаяся в результате удаления модифицированного азотистого основания апуринового/апиримидинового (AP-) сайта, далее вырезается с помощью АР-лиазы, которая освобождает ее 3’-конец, и АР-эндонуклеазы, гидролизующей ее 5’-концевую фосфодиэфирную связь в АР-сайте. Однонуклеотидная брешь затем заполняется с помощью ДНК-полимеразы, и фосфодиэфирная связь восстанавливается в реакции лигирования. У E. coli репаративный синтез ДНК выполняет ДНК-полимераза I, у дрожжей – ДНК- полимераза β. Из трех ДНК-лигаз, которыми обладают клетки животных, в BER, по-видимому, участвует ДНК-лигазаIII. Итак, ПРОЦЕСС эксцизионной репарации оснований начинается гликозилазой, которая узнает повреждение и освобождает поврежденное основание, оставляя АП сайт.

Пути эксцизионной репарации нуклеотидов (NER)

Огромное разнообразие химических соединений, действующих на структуру ДНК в сочетании с факторами среды и атаками реактивного кислорода приводит к возникновению разнообразных типов повреждений, которые не могут вырезаться гликозилазами. К счастью существует еще один тип репарации, который развился в процессе эволюции и защищает ДНК всех живых организмов, это нуклеотид-эксцизионная репарация, которая узнает поврежденные области, основываясь на узнавании их аномальной структуры, а затем вырезает и замещает их. Если система БЭР неактивна, то НЭР подстраховывает БЭР. В клетках эукариот в НЭР на разных этапах участвуют более 30 белков.

(NER) распознает и исправляет

• Нарушение двойной спирали ДНК
• Нарушение спаривания оснований
• Блок дупликации ДНК
• Блок транскрипции.

Наиболее общий пример таких повреждений – это циклобутановые димеры и 6,4- РР – два основных типа повреждений УФ. Тем более мы с вами помним, что у млекопитающих нет фотолиазы, которая могла бы исправить эти повреждения напрямую.

Во всех живых организмах НЕР вовлекает следующие этапы:

1.    Узнавание повреждений

2.    Связывание мультисубъединичного комплекса с поврежденным сайтом

3.    Двойное надрезание поврежденной цепи на несколько нуклеотидов от поврежденного сайта в обоих направлениях 5' and 3' sides

4.    Освобождение олигонуклеотида, содержащего повреждение между двумя надрезами

5.    Заполнение образовавшейся бреши ферментом ДНК полимеразой

6.    Лигирование

Поль Говард-Фландерс с сотрудниками впервые описали такую репарацию у нескольких независимых мутантных штаммов E. coli , чувствительных к УФ. Они описали группу генов uvr (UV repair), uvrA, uvrB, uvrC. Продукты этих генов участвуют в узнавании и вырезании поврежденных нуклеотидов. Затем брешь заполняется ДНК-полимеразой 1 и сшивается ДНК-лигазой.

В НЭР у эукариот выделяют две ветви: глобальную геномную ЭРН и репарацию, связанную с транскрипцией (TCR). Большинство белков участвуют в обеих ветвях репарации. Эти два пути различаются по длительности процесса освобождения от повреждения. TCR работает быстрее и легче.

Узнавание повреждений ДНК факторами НЭР

• Для того, чтобы ЭРН путь смог заработать – необходимо, чтобы факторы могли отличить повреждение ДНК от неповрежденной ДНК. В отличие от ТС- ЭРН – узнает остановившуюся РНК-полимеразу. Глобальная геномная ЭРН узнает место повреждения ДНК за счет специфического узнавания сайта поврежденной ДНК белками ЭРН пути. Некоторые белки этого пути способны обнаружить область ДНК, которая имеет нарушение спирали.
• Когда поврежденный сайт идентифицирован, надрез цепи происходит исключительно на нити ДНК, которая содержит повреждение. Это говорит о том, что белки НЭР способны различить не только повреждение, но и нить, в которой оно возникло.

Название многих генов начинается с букв "XP". Это потому, что впервые эти комплементационные группы были идентифицированы при изучении болезни репарации человека Xeroderma pigmentosum (XP). Мутации в 7 генах могут вызывать это заболевание (XPA-XPG). Основной симптом болезни –фоточувствительность.

Заболевания человека, связанные с мутациями в системе НЭР

• Пигментная ксеродерма - 7 генов (XPA-XPG)
• Синдром Кокейна (CS)
• Трихотиодистрофия (TTD).
• Синдром Кокейна (CS)

Третий тип эксцизионной репарации - Репарация ошибочно спаренных оснований (мисмэтч репарация)

Система репарации ошибочно спаренных нуклеотидов у E. coli, использующая белки MutHLS, распознает и репарирует все некомплементарные пары оснований за исключением Ц–Ц. Кроме того, эта система репарирует небольшие вставки в одну из цепей ДНК, образующиеся в результате ошибок репликации, длина которых не превышает четырех нуклеотидов. Эта система состоит из консервативных белков и может быть реконструирована in vitro с использованием ДНК с одной метилированной цепью в качестве субстрата, к которой добавляются очищенные белки MutH, MutL, MutS, UvrD (хеликаза II), холофермент ДНК-полимеразы III, ДНК-лигаза, белок SSB, а также одна из экзонуклеаз: ExoI, ExoVII или RecJ. Мисмэтч репарация обнаружена у всех организмов и важна для всех организмов, так как поддерживает стабильность генома в ходе репликаций. На современном этапе наиболее полно охарактеризован путь ММР – это метил-направляемая система MutHLS in E. coli.

Ошибочно спаренные основания возникают вследствие ошибок репликации, рекомбинации и химических модификаций. Нерепарированные и ММ основания ДНК могут возникать вследствие ошибок полимераз, спонтанных или индуцированных модификаций оснований и в ходе рекомбинации. В этом случае клетка встает перед выбором – какая цепь несет правильное основание, а какая неправильное? У бактерий эта проблема решена, а как различают эукариоты не очень понятно.

У бактерий новосинтезированная и старая цепи различаются по метилированию : в старой цепи сайт 5'-GATC-3' метилирован, а в новой – еще нет. Таким образом, их в первые минуты после репликации можно различить. Метилирование в клетке бактерий выполняют выполняют специальные ферменты – ДНК метилазы. Локус dam кодирует ДНК метилазу аденина, которая метилирует аденин в составе последовательности 5'-GATC-3'. Дочерняя цепь, в отличие от материнской, неметилирована в течение нескольких минут. Этого времени достаточно для того, чтобы белки репарации отремонтировали мисмэтч. Основные белки репарации у E.coli : mutL, mutS , mutH and mutU. Вкратце белки mutL и mutS узнают мисмэтч, эндонуклеаза mutH надрезает цепь с той или другой стороны ММ. ДНК геликаза II , продукт гена mutU(also called uvrD gene) раскручивает дуплекс и освобождает надрезанную область. Брешь заполняется ДНК полимеразой 1 и лигазой. Мутации по соответствующим генам – повышенная мутабильность. Эта система репарации консервативна, но есть различия на пути дискриминации сигнала. Мутанты по этой системе репарации у млекопитающих - устойчивы к клеточной смерти под действием алкилирующих агентов. ММР-дефективные клетки устойчивы и к другим ДНК-повреждающим агентам – метилирование, цисплатин и УФ. Система ММР изначально была открыта как механизм , поддерживающий целостность генома в ходе репликации. Однако оказалось, что компоненты этой системы участвуют и в других процессах, включая репарацию повреждений ДНК и диверсификацию антител.

Репарация двунитевых и однонитевых разрывов ДНК

Ранее мы говорили о том, что в ДНК могут возникать и разрывы. Причем они возникают как в одной цепи, так и в двух. Как исправить такое повреждение, ведь если ДНК с разорванными концами начнет удваиваться это может привести к трагическим последствиям. Вам известен кроссинговер, процесс, лежащий в основе рекомбинации. Генетическая рекомбинация - это перераспределение генетического материала (ДНК), приводящее к возникновению новых комбинаций генов. Однако эта функция вторична, первичная функция – репаративная, так как наличие двунитевых разрывов гибельно для клетки и поэтому появление процессов рекомбинации спасло клетки в процессе эволюции. Двунитевые разрывы репарируются двумя различными механизмами.

1.    Первый тип выполняется белками, которые обеспечивают гомологичную репарацию и получают инструкции от гомологичной хромосомы для репарации разрыва.

2.     второй тип репарации позволяет соединить концы, причем даже те, которые не имеют сходства в последовательности– соединение негомологичных концов.

ГОМОЛОГИЧНАЯ ГЕНЕТИЧЕСКАЯ РЕКОМБИНАЦИЯ

Гомологичная, или общая, рекомбинация (она же кроссинговер), основана на соединении комплементарных цепей ДНК. Для этого типа рекомбинации необходима гомология между рекомбинирующими ДНК и участие большого набора специальных белков. Гомологичная рекомбинация начинается с возникновения в одном или обоих дуплексах участков одноцепочечных цепей ДНК, оцДНК с помощью специальных белков находят комплементарные последовательности в гомологичном дуплексе, образуют с ними гетеродуплекс - ключевой промежуточный продукт (интермедиат) рекомбинации. Конечным результатом рекомбинации будет обмен равными частями гомологичных молекул. Важную роль в этом процессе играет консервативный белок RAD51. Важную роль в репарации ДЦР играют белки, которые должны удержать разорванные нити ДНК вместе, пока не пройдет репарация. Это белки группы MRN/MRX.

1.    Группа белков MRN/MRX играет важную роль в репарации ДЦР у эукариот.

2.     Эта группа состоит из белков Mre11, Rad50 и Nbs1 /Xrs2.

3.    Ортологи Mre11 и Rad50 существуют во всех Царствах и выполняют множество функций.

4.     Группы MRN/MRX важны для мейоза и репарируют двухцепочечные разрывы, которые инициируются в ходе мейотической рекомбинации.

Соединение негомологичных концов.

Разрыв может быть репарирован и простым воссоединением концов - просто лигирование – без гомологии. Это называется NHEJ, или незаконная рекомбинация, или негомологичная рекомбинация. ДЦР возникают в результате различных процессов и они не всегда образуют концы, которые может «сшить» фермент ДНК лигаза (катализирует соединение концов 3'- OH и 5'- фосфата). Во многих случаях концы разрыва не подходят для лигирования. Некоторые теряют свои 5’ цепи левого фрагмента и 3’ цепи – правого. Но NHEJ соединяет правильные концы, предотвращая хромосомные перестройки.

• Религирование может быть точным (простое восстановление разрыва) или неточным (в результате добавляются несколько нуклеотидов, или удаляются последовательности, которые могут содержать от 1 до нескольких килобаз).
• Белки, участвующие в этом типе репарации консервативны. Напомню, что наибольшее значение этот тип репарации имеет для млекопитающих.
• Процесс NHEJ лежит в основе случайной интеграции в трансгенезе: трансформирующая ДНК, интегрирует через случайные разрывы в хромосоме. Эффективность гомологичной и негомологичной рекомбинации варьирует широко в зависимости от типа организма и типа клеток. В целом гомологичная рекомбинация наиболее активна в мейотических клетках, у S. cerevisiae, у мхов Phiscomytrella patens, в клеточной линии лимфоидной ткани птиц DT40, и в некоторых штаммах E. Coli. У большинства клеток растений и животных гомологичная рекомбинация очень неэффективна.
• Соединение негомологичных концов - Починка этим способом ДНК, разорванной в обеих цепях, обеспечивается целым набором белков.
• Сначала на оборванные концы ДНК “надевается” по гетеродимеру Ку, затем они связываются друг с другом, образуя мостик.
• Именно к нему присоединяются и выполняют свои функции остальные участники: ДНК-полимераза заполняет бреши, образовавшиеся в результате соединения негомологичных концов ДНК;
• Нуклеаза подрезает выступающие концы, если они оказались излишне длинными;
• Лигаза IV сшивает восстановленные фрагменты в единое целое.
• У некоторых эукариот обнаружена ДНК-полимераза мю, которая, видимо, и заполняет бреши в ДНК.

Хотя можно предположить, что негомологичное воссоединение концов может вести к случайному соединению разных молекул ДНК, этого не происходит.

До сих пор мы говорили о процессах, которые могут исправить повреждения. Но что же делать, если повреждение не удалено? В этом случае для клетки важно выжить, а там уж как повезет…Что происходит у бактерий – SOS репарация. Существуют системы репарации, при которых точность невысока. Они начинают работать, тогда когда в них есть необходимость, то есть являются индуцибельными. Они могут использовать матрицу, даже содержащую повреждения. При этом такой синтез будет содержать большое количество ошибок. Этот тип реактивации дает возможность многим димерам пиримидина дожить до синтеза ДНК. Хотя такая ДНК и содержит большое количество ошибок, но поврежденные клетки спасаются на каком-то этапе, если их функции не оказались безнадежно испорчены. Реализация этих механизмов возможна только при наличии продуктов генов recA и lexA. Радман и Виткин сформулировали положение об индуцибельной системе репарации, которая включается при появлении затруднений в синтезе ДНК, при этом число не отрепарированных пиримидиновых димеров должно быть не менее 30-60. Эта система была названа SOS-репарацией. То есть, что очень важно, и клетки прокариот и эукариот увеличивают эффективность генетической репарации при высокой дозе повреждений.

1.     Действие повреждающего агента: в клетках кишечной палочки – сигнал – замедление синтеза ДНК – это индукция SOS репарации.

2.     Ответ на сигнал – ингибирование деления клеток, индукция эксцизионной репарации с длинными вырезаемыми фрагментами, а затем индукция рекомбинационной репарации.

3.    Непосредственный стимул к СОС репарации – накопление одноцепочечных разрывов, которое инициирует протеазную активность белка RecA. RecA взаимодействует с LexA-repressor для генов recA, uvrA, uvrB, uvrC, umuDC, sulA, sulB, and ssbsulA and sulB. Разрезание репрессора приводит к активации этих генов и кратковременному увеличению синтеза самого репрессора.

4.    Действие повреждающего агента - синтез или модификация предсуществующих полимераз, за счет белковых продуктов генов, которые активируются повреждающими агентами.

5    . Когда концы зарепарируются, уровень сигнала уменьшается, белок RecA теряет протеазную активность и механизмы SOS repair выключаются.

Если повреждение не удалено у эукариот - Днк полимеразы ведут синтез в обход повреждения ДНК. Наталкиваясь на поврежденный участок матрицы, ДНК полимераза останавливается. До недавнего времени было непонятно, каким же образом осуществляется копирование ДНК на поврежденных участках, не устраняемых известными способами. Это выяснилось совсем недавно.

В последние несколько лет открыта новая группа неточных ДНК-полимераз, которая как раз и предназначена для избавления от подобных повреждений . Такие полимеразы во время репликации ДНК иногда встраивают правильные нуклеотиды против поврежденных участков матрицы, при этом структура ДНК не нарушается. В некоторых же случаях включаются ошибочные нуклеотиды, и тогда возникают мутации. В настоящее время новой группе ДНК-полимераз уделяется особое внимание, так как клеткам необходим энзиматический аппарат, способный синтезировать ДНК в ситуациях, когда репарация вырезанием неэффективна или невозможна, а риск накопления мутаций оправдан. Собственно эти полимеразы в основном и отвечают за накопление и становление ошибок – мутаций.

Теперь представим, что в клетке возникла мутация и синтезируется мутантный белок. Есть ли у клетки возможность как-то повлиять на это? Оказывается да. Мутации возникают в ответ на стрессорное воздействие и в этом случае начинается синтез белков-шаперонов. Эти белки называют белки-дуэньи. Их задача встретить белок-мутант с измененной конформацией и попытаться вернуть ему его нативную форму. Таким образом, огромное количество белков с несущественными заменами аминокислот сохраняются в популяции за счет шаперонов и вносят свой вклад в генетический полиморфизм видов.

Итак, как мы видим, независимо от того прямая репарация, или какие-то другие процессы, клетке необходимо контролировать состояние своей ДНК. Для этого клетка должна остановить течение клеточного цикла и дать возможность исправить повреждение. Для этого в процессе эволюции были развиты сигнальные пути, которые могут узнавать повреждения и останавливать клеточный цикл.

Вспомним на какие сигналы должна реагировать клетка? Это разрывы ДНК (радиация) и УФ-повреждения - остановка в вилке репликации.

Ответ клетки на повреждения ДНК

Регуляторные пути, которые управляют порядком и временем периодов клеточного цикла – чекпойнты клеточного цикла. Основные регуляторы чекпойнтов – это серин-треониновые киназы ATM и ATR (Rad3-related). АТМ – передает сигналы о разрывах, а ATR (Rad3-related) – об УФ-повреждениях и остановке в вилке репликации.

G1-checkpoint . Этот ЧП предотвращает репликацию поврежденной ДНК. Центральное событие этого ЧП – накопление и активация белка р53. (P53 – транскрипционный фактор, регулирующий клеточный цикл, в нормальном состоянии супрессор опухолей). В нормальных клетках, уровень р53 – низкий. Белок р53 взаимодействует с белком MDM2 и этот комплекс отправляется из ядра в цитоплазму, где р53 подвергается протеасомо-зависимой деградации.После радиационного воздействия – АТМ фосфорилирует киназу Chk2 (T68), которая в свою очередь фосфорилирует р53 (S20). Фосфорилированный р53 уже не может взаимодействовать с MDM2 и р53 накапливается в ядре. АТМ, кроме того фосфорилирует MDM2 по S395. Эта модификация разрешает взаимодействие р53 - MDM2, но препятствует его экспорту в цитоплазму и деградации.

При УФ облучении и остановке вилки репликации предполагают, что р53 может фосфорилироваться ATR-зависимой киназой Chk1. Таким образом, фосфорилирование р53 по S20 повышает его транскрипционную активность. В ответ на радиацию р53 фосфорилируется АТМ, в ответ на УФ и остановку вилки репликации – АTR. р53 активирует затем – ряд генов DNA damage response : MDM2, GADD45A, и белок ингибитор клеточного цикла p21/Cip. Накопление белка р21, ингибитора ЦЗК подавляет активность циклин/киназного комплекса CyclinE/Cdk2 и это останавливает ход клеточного цикла в стадии G1 – до репликации.

Чекпойнт – S. Эти процессы контролируют ход клеточного цикла и снижают скорость синтеза ДНК после выявления повреждения.

G2-checkpoint .Этот ЧП важен для контроля входа в митоз. Вход в митоз контролируется активностью CDk2.Для активации G2-checkpoint необходимо ингибиторное фосфорилирование по T14 , Y15. АТМ и АTR косвенно регулируют этот процесс. В отличие от других чекпойнтов здесь АTR – отвечает за двуцепочечные разрывы, и АTR – за УФ и репликативный блок. В любом случае при повреждении киназы Chk1 и Chk2 фосфорилируют фосфатазу двойной специфичности Cdc25C в положении S 216. Это фосфорилирование приводит к формированию сайта связывания с белками 14-3-3. Комплекс 14-3-3/ Cdc25C отправляется в цитоплазму , и фосфатаза не может снять ингибирующее фосфорилирование с CDk2, комплекс CDk2/циклинВ находится в не активном состоянии и блокирует вход в митоз.

Название доклада звучит так «плюсы и минусы стабильности генетического материала».

Рассмотрим плюсы стабильности. Первоначально механизм, предназначенный для устранения повреждений в ДНК, видимо, возник вместе с клеткой. По мере эволюции организмов он усложнялся, появлялись новые варианты. Насколько важен такой механизм, можно судить по тому, что в устранении поломок ДНК задействовано несколько десятков генов, и на производство ферментов репарации клетка тратит большую часть своих ресурсов. Надежность сохранения нуклеотидных последовательностей ДНК у высших эукариот очень велика: например, в геноме млекопитающего, насчитывающем около 3 млрд пар оснований, в клетках зародышевого пути за год подвергаются заменам лишь 10-20 оснований, а ведь повреждаются тысячи нуклеотидов. Особой надежности требует эмбриональный период: когда клетки активно делятся, необходимо как можно быстрее починить многочисленные поломки и сохранить генетическую информацию неповрежденной. Системы, благодаря которым восстанавливается природная структура ДНК, не только защищают геном от всевозможных повреждений, но и обслуживают генетические процессы в клетке. И если по какой-либо причине нарушен сам процесс репарации, это может обернуться серьезными неприятностями для клеток и всего организма. Так возникают повышенная предрасположенность к тем или иным заболеваниям, вплоть до онкологических, и тяжелые наследственные болезни. Знание механизмов, приводящих к различным заболеваниям, крайне необходимо практической медицине, чтобы облегчить поиск путей их лечения. И уж конечно, знание устраняет очередной пробел в постижении мира, будь он даже молекулярным.