Интересные темы:

Гаджеты

Немного интересного:

Нобелевскую премию по химии дали за механизмы ремонта днк

08.08.2013 Наука и жизнь

У всех живых организмов ДНК требует постоянного ремонта, и для данной цели в клетках имеется пара основных ремонтных совокупностей, помогающих поддерживать геном в сохранности и целости.

Как мы все прекрасно знаем, отечественная наследственная информация – да и не только отечественная, а по большому счету любого живого организма на Земле – хранится в молекулах ДНК. Дабы эта информация «получила», её необходимо перевоплотить в белок, для чего сперва с какого-либо гена, что является участкомДНК, снимается РНК-копия (происходит транскрипция), а позже на РНК синтезируется молекула белка (трансляция).

По сути, в ДНК записаны схемы сборки протеиновых молекул и дополнительные регуляторные «параграфы», благодаря которым возможно весьма совершенно верно регулировать количество того либо иного белка. Помимо этого, генетическую данные необходимо кроме этого передавать в следующие поколения. Тут существует особый молекулярный процесс, репликация, другими словами удвоение молекулы ДНК, дабы одна копия генома смогла перейти дочерней клетке.

Томас Линдаль. (Фото Alastair Grant / AP.) Пол Модрич. (Фото Duke Photography.) Азиз Санкар.Нобелевскую премию по химии дали за механизмы ремонта днк Эксцизионная репарация оснований – из ДНК точечно вырезается одна лишь сломанная генетическая «буква». (Иллюстрация Нобелевского комитета.) Эксцизионная репарация нуклеотидов – из ДНК вырезается целый кусок с повреждённой «буквой». (Иллюстрация Нобелевского комитета.) Репарация ошибочно спаренных нуклеотидов включается при неточностях ДНК-копирующей автомобили – особые белки выявляют фрагмент с неправильно спаренными нуклеотидами и удаляют его, дабы на его месте показалась верный фрагмент ДНК. (Иллюстрация Нобелев‹ ›

Как легко додуматься, сохранность генов стала первейшей задачей, которую было нужно решать живым организмам уже на самых начальных этапах эволюции. Вправду, представим, что в ген прокралась неточность: при таких условиях появляется возможность, что белок, синтезированный в соответствии с поменянной инструкцией, будет трудиться не так, как нужно, и что сломанный вариант гена перейдёт в следующие поколения. Дабы этого не происходило, существуют особые молекулярные автомобили, делающие репарацию ДНК, и как раз за описание различных механизмов репарации и была присуждена очередная Нобелевская премия по химии.

Чтобы выяснить, какие конкретно повреждения вероятны в ДНК и как их направляться исправлять, необходимо хотя бы бегло отыскать в памяти химическое строение нуклеиновых кислот. И ДНК, и РНК складываются из множества мономеров-нуклеотидов; нуклеотид же, со своей стороны, складывается из трёх частей: остатка фосфорной кислоты, азотистого основания и углевода.

Углевод (рибоза либо дезоксирибоза) и фосфорная кислота складываются в сахарофосфатный остов, утыканный азотистыми основаниями, каковые именно делают функцию букв генетического кода: А – основание аденин, Т – основание тимин (в РНК вместо тимина – U, урацил), G – основание гуанин, С – основание цитозин. ДНК сложена из двух цепей, объединённых в спираль, и основания на одной цепочке взаимодействуют с другой: аденин – с тимином, гуанин – с цитозином. Это именуется правилом комплементарности, благодаря которому клетка может на одной цепи ДНК сделать новую – легко подбирая соответствующие комплементарные нуклеотиды.

Узор оснований в ДНК разрешает зашифровать строение любого белка (детально организацию генетического кода мы на данный момент обсуждать не будем). Так что в интересах «генетической безопасности» буквы ни за что не должны изменяться, исчезать, и т. д. А в это же время как раз так и происходит: в геноме какие-то нуклеотиды всегда вылетают со собственного места, либо же изменяются на другие, либо же в последовательности нуклеотидов появляется кто-то лишний.

Такие события именуются мутациями, и случаются они не только под влиянием внешних факторов, к примеру, радиоактивного либо ультрафиолетового излучения. В самой клетке на протяжении метаболизма появляются агрессивные молекулы, талантливые внести мутацию в ДНК. Наконец, реплицирующие автомобили, удваивающие генетический материал, синтезируют новые цепи всё-таки не со стопроцентной точностью.  Замена либо выпадение нуклеотида не обязательно приводят к важным последствиям,  но многие мутации смогут запустить рак, либо стать обстоятельством какого-нибудь психоневрологического заболевания, либо же вывести из строя обмен веществ, и т. д.

Задача совокупностей репарации – искать такие неточности и вовремя их исправлять. Томас Линдаль (Tomas Lindahl), один из нынешних лауреатов, в первой половине 70-ых годов XX века разместил статью, в которой обрисовывал бактериальный фермент, разрешающий вернуть повреждённый цитозин в ДНК. Цитозин (С) склонен терять одну химическую группу, преобразовываясь в урацил (U), так что в следствии предпочтительным напарником в соседней цепочке ДНК для него делается не гуанин (G), а аденин (А).

И особый белок у бактерий занимается тем, что вырезает из ДНК поломанный цитозин, ликвидируя мутацию.

Пара десятков лет Линдаль занимался тем, что уточнял молекулярный механизм, что был назван эксцизионной (другими словами выщепляющей) репарацией оснований. Он имеется не только у бактерий, но и у других организмов, впредь до человека; главными же белками тут являются ферменты-гликозилазы. Вышеприведённый пример с цитозином – только один из вероятных, дефектными смогут становиться и другие «буквы»-основания.

Ремонт же начинается с того, что ДНК-гликозилаза отщепляет повреждённую «букву». После этого подключаются другие белки, удаляющие из цепи ДНК сахар и фосфорную кислоту, каковые держали на себе модифицированное основание. В следствии в ДНК-цепочке получается дыра, которую заделывают новые белки: они вставляют в освободившееся место ту «букву», которая тут должна быть.

Но такое точечное вырезание оснований – только один из механизмов ремонта ДНК. Ещё в конце 40-х годов прошлого века биологи обрисовали интересный феномен: бактерии, облучённые ультрафиолетом (либо твёрдым ионизирующим излучением), прекратили расти и гибли, но возвращались к росту, в случае если их освещали простым светом. Было обнаружено, что ультрафиолет не хорошо действует на ДНК, сшивая совместно кое-какие пары оснований, сидящие рядом на одной цепи, – такие димеры очень сильно затрудняли репликацию ДНК.

Сам собой напрашивался вывод, что существует какой-то фотоактивируемый белок, что ликвидирует подобные нуклеотидные странности. Азиз Санджар (Aziz Sancar), биохимик из Турции, начал собственную научную карьеру в Соединенных Штатах с того, что удачно выяснил данный белок (его назвали ДНК-фотолиазой). Но его результаты в то время мало кого впечатлили. (Потом оказалось, что фотолиаза делает чуть ли не самую несложную ДНК-репарацию: она посредством энергии света соединённые нуклеотиды. Таковой метод ремонта ДНК имеется у бактерий, архей, дрожжей, насекомых, но у человека, как и у большинства высших эукариот, ничего для того чтобы нет.)

Не так долго осталось ждать стало ясно, что у бактерий, не считая световой репарации (либо фотореактивации), имеется ещё и «темновая», которая идёт сама по себе, безо всякого светового стимулирования. В составе исследовательской группы, которая пробовала расшифровать механизм таковой репарации, Санджару в течение пара лет поставил последовательность опытов, на протяжении которых удалось выяснить ферменты, несущие ответственность за ремонт ДНК при повреждении ультрафиолетом, и осознать механизм их работы.

В этом случае из цепи ДНК вырезается не один-единственный повреждённый нуклеотид, а целый кусок, фрагмент из нескольких «букв» (у бактерий – 12-13, у человека – 27-29), содержащий повреждённый участок. Ферменты, каковые это делают, именуются эксцизионные нуклеазы. После этого наступает очередь другого белка, что делает «заплатку» на то место, откуда вырезали кусочек генетического текста; верным шаблоном помогает вторая цепь ДНК (не забываем про принцип комплементарности!).

Наконец, последний этап – готовая заплатка с обоих финишей посредством новых ферментов пришивается на «продырявленное» место.

Такую репарацию назвали эксцизионной репарацией нуклеотидов, и сначала её изучали на бактериях. Что до человека, то у нас всё происходит сложнее, и белков участвует больше, но сам принцип работы у всех организмов тут однообразен: с запасом вырезать повреждённый кусок и сделать его заново. Получается, что с учётом фотолиазы на счету Санджара целых два репарирующих механизма.

Нужно подчернуть, что, в отличие от «механизма Линдаля» (эксцизионной репарации оснований), которая ремонтирует только кое-какие разновидности повреждений ДНК, «механизм Санджара» удаляет все вероятные повреждения, не смотря на то, что и с различной эффективностью, и его роль в поддержании стабильности генома очень и очень громадна.

Наконец, с именем третьего нобелеата, Пола Модрича (Paul Modrich), связано открытие ещё одного механизма ремонта ДНК. Он начинал с изучений ферментов ДНК-метилтрансфераз (либо ДНК-метилаз) у бактерий. Их функция пребывает в том, дабы метильными группами метить основания в бактериальной ДНК – в случае если позже в клетку проберётся вирус, то его ДНК будет стёрта с лица земли как не имеющая защитных метильных меток.

Но в связи с метилазами обнаружился ещё один необычный молекулярный феномен: в то время, когда в бактериальную клетку запускали намерено сконструированный вирус, в ДНК которого кое-какие основания были некомплементарны друг другу, то такие неправильные пары исправлялись именно посредством метилазы. Тогда же было выдвинуто предположение, что это необходимо при неточностях копирования: не смотря на то, что, как мы упоминали выше, репликационные автомобили, удваивающие ДНК, трудятся весьма совершенно верно, неточности у них однако случаются, и не редкость, что наоборот генетической «буквы» в одной цепи поднимается совсем некомплементарная ей «буква» в новой цепи.

Для устранения таких погрешностей именно и существует отдельная совокупность, которая именуется репарацией ошибочно спаренных нуклеотидов, либо мисматч (mismatch)-репарацией, в случае если применять кальку с английского термина. Метилирование же необходимо чтобы обозначать верную, ветхую цепь ДНК – неточность будет исправлена в соответствии с её нуклеотидной последовательностью.

К концу 80-х годов прошлого века Полу Модричу удалось выяснить все ферменты, участвующие в мисматч-репарации, а также показать их работу в неестественной совокупности. Кратко её этапы таковы: особый белок находит неправильно спаренные нуклеотиды, по окончании чего к нему присоединяется его «сотрудник», что определяет, на какой цепи находится метильная несколько.

После этого в дело включаются ферменты, вырезающие из новой (другими словами лишённой метильной метки) цепи ДНК фрагмент с неправильной «буквой», по окончании чего ДНК тут синтезируется заново. Как и в прошлых случаях, исследователи подтвердили, что такой же механизм трудится не только у бактерий, но и у других организмов, впредь до человека.

Среди совокупностей репарации ДНК имеется ещё кое-какие модификации и разновидности, нельзя исключать, что в будущем к ним добавятся и другие. Но три вышеописанных механизма возможно назвать главными, присутствующими у многих живых организмов. В то время, когда речь заходит об изучениях таких фундаментальных процессов, то известия о Нобелевской премии воспринимаются с некоторым удивлением – думается, что за это уже давно всё всем дали.

Увидим, но, что сама по себе идея, что у клеток должен быть механизм ремонта ДНК, довольно несложна (не смотря на то, что, по словам Томаса Линдаля, некое время назад все были уверенный в необыкновенной стабильности клеточной ДНК, для которой ремонт-то практически и не нужен). Совсем другое дело – расшифровка механизмов молекулярных процессов, детализация, определение этапов и проч.; фактически, именно на расшифровку механизмов, на подтверждение начальной предположения во всех трёх случаях ушли годы исследовательской работы, а позже должны были пройти ещё годы чтобы стало совсем ясно, что всё как раз так, как мы узнали. И потому в формулировке Нобелевского комитета говорится как раз о «механизмах репарации ДНК».

Что же до «народнохозяйственной пользы», то тут всё легко: ДНК в отечественных клетках ломается неизменно, и, в случае если её своевременно не ремонтировать, отечественный геном погрузится в хаос, со всеми вытекающими последствиями. Об этом в полной мере наглядно говорит статистика: считается, что от 80процентов до 90процентов всех раковых болезней связаны с неправильной работой ДНК-репарирующих совокупностей.

И последнее – мы практически ничего не сообщили о том, к каким государствам принадлежат новые лауреаты, в каком университете они выполнили собственные эпохальные работы и т. д. Но современная наука, и в особенности такие её области, как молекулярная биология, такова, что вопрос о «национальной принадлежности» того либо иного открытия легко тщетен. Судите сами: Азиз Санджар появился и взял медицинское образование в Турции, но позже перебрался в Техасский университет в Далласе, где занимался фотолиазой, после этого трудился в Йеле, а собственные нобелевские результаты взял в Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл; на данный момент он сохраняет двойное гражданство Турции и США.

Томас Линдаль появился в Швеции и взял высшее образование в Каролинском университете, после этого некое время трудился в Соединенных Штатах, а позже переехал в Англию, где в Имперском фонде по изучению рака продолжил ранее начатую работу по расшифровке эксцизионной репарации оснований. С Полом Модричем всё мало несложнее: он и появился в Соединенных Штатах, и выучился в том месте, и трудился, но снова же его научный путь связан с целым рядом университетов, от Стэнфордского до Университета Дьюка. Иными словами, наукой стоит заниматься в том месте, где вы сможете отыскать ответы на собственные вопросы, и где вы сможете взять результаты, каковые принесут пользу всем людям.

По данным Нобелевского комитета.

Создатель: Кирилл Стасевич

Источник: nkj.ru

Случайные записи:

Нобелевская премия по химии присуждена за восстановление ДНК


Похожие статьи, которые вам понравятся:

Tags:  , ,