Следствия нарушения процесса репарации. К настоящему времени обнаружено несколько тяжелых врожденных заболеваний из-за нарушения процесса репарации.
Заболевания у человека, которые вызываются генетическими нарушениями системы эксцизионной репарации: 1) пигментная ксеродерма, 2) синдром Кокейна, 3)трихотиодистрофия и 4) синдром преждевременного старения.
Пигментная ксеродерма, заболевание, причиной которого является редко встречающаяся рецессивная аутосомная мутация, вследствие чего у таких детей отсутствует один из ферментов репарации ДНК. Кожа больных пигментной ксеродермой обладает повышенной чувствительностью к дневному свету, что проявляется в виде фотодерматозов, включая рак кожи. В ряде случаев отмечены аномалии нервной системы, причиной которых являются мутации в одном из семи генов. Однако описаны больные с классическими симптомами пигментной ксеродермы, но с ненарушенной системой NER. Для клеток этих больных характерны изменения в так называемой пострепликативной репарации.
Рис.11. Схема эксцизионной репарации ДНК по удалению Т-Т димера: А. Под действием УФ-облучения в цепи ДНК может возникнуть мутация (димер Т-Т). В. Соответствуюшая эндонуклеаза узнает нарушение и вырезает участок поврежденной цепи ДНК. С. Удаление из поврежденной цепи обширного участка (включающего димер) ДНК-полимеразой, обладающей экзонуклеазной активностью. D. Матричный синтез вырезанного участка цепи с помощью ДНК-полимеразы и соединение его с неповрежденным участком. 1 – эндонуклеаза; 2 – ДНК-полимераза.
Больным с синдромом Кокейна присущи нарушения роста, умственная отсталость, катаракты, повышенная чувствительность к свету с сопутствующими дерматозами. Обнаружены мутации в двух группах генов, приводящие к этому заболеванию.
У больных трихотиодистрофией проявляются смешанные симптомы двух первых заболеваний.
Синдром преждевременного старения возникает, как и пигментная ксеродермия, при нарушении репарационной системы, которая устраняет димеры тимина, образующиеся при УФ-облучении.
Данный синдром подтверждает предположение о том, что и нормальное старение связано с ослаблением деятельности систем репарации ДНК, равно как и других защитных систем.
На внутриклеточном уровне существуют такие защитные системы: репарация ДНК; теломеры и теломераза; антиоксидантная система (обезвреживающая свободные радикалы); система шаперонов (белков теплового шока), восстанавливающая третичную структуру белков при ее нарушении вследствие, например, локального всплеска температуры; метилирование ДНК.
Генетическая рекомбинация. У эукариот рекомбинацию в узком смысле слова называют кроссинговером, т.е. рекомбинацией генов, локализованных в гомологичных хромосомах.
В профазе I мейоза на стадии диплотены у многих организмов хорошо различимы характерные фигуры, образуемые гомологичными хромосомами – хиазмы. Еще в 1909 г. Ф. Янсенс предположил, что образование хиазм связано с обменами гомологичными участками гомологичных хромосом. Позднее Т. Морган связывал хиазмы с кроссинговером. В 1931г. Харрист Крейтон и Барбара Мак-Клинток решили эту проблему для кукурузы, а Курт Штерн – для дрозофилы. Они показали, что в основе кроссинговера лежит реальный обмен участками гомологичных хромосом по типу разрыв-слияние. Рядом ученых (К. Бриджес, И. Андерсон, 1925г. – на дрозофиле; Дж. Тейлор, 1967г. – на кузнечике и др.) было доказано, что кроссинговер происходит в профазе мейоза на стадии 4 нитей. В результате этого образуются хиазмы, которые удобнее всего наблюдать на стадиях диплотены и диакинеза.
Тип кроссинговера в эукариот:
1. Равный – «обычный», на котором базируется хромосомная теория Моргана.
2. Неравный – происходит редко, при неравной конъюгации. При этом в одной хромосоме оказываются два одинаковых гена (дупликация), а в другой – ни одного из пары (делеция).
Митотический кроссинговер был обнаружен в 1936г. К. Штерном у дрозофилы при исследовании окраски тела и щетинок. Его частота на 2-3 порядка меньше мейотического.
Факторы, влияющие на кроссинговер:
I) излучения (УФЛ, рентген-лучи, γ-лучи);
2) многие химические агенты;
3) увеличение и уменьшение температуры;
4) возраст и др.
Частота кроссинговера находится под строгим генетическим контролем. Было показано, что кроссинговер не происходит у самцов D.melanogaster, а также у самок тутового шелкопряда.
Кроссинговер — это процесс обмена соответствующими участками ДНК между несестринскими хроматидами гомологичных хромосом. При этом происходит обмен аллельными генами, что образует их новые комбинации в гомологичных хромосомах. Этот процесс обеспечивает перекомбинацию отцовских и материнских аллелей в группах сцепления. Расхождение гомологичных хромосом в разные клетки приводит к образованию разных по аллельному составу гамет. Случайное расположение хромосом в плоскости клетки и последующее их расхождение в анафазе 1 обеспечивает рекомбинацию родительских групп сцепления в гаплоидном наборе гамет. Каждая гамета является уникальной в отношении аллельного состава. Разным аллельным составом гамет объясняется то, что потомки никогда полностью не похожи друг на друга или родителей. Хромосомы, образовавшиеся в результате взаимообмена сегментами, известны как рекомбинантные хромосомы, а хромосомы, оставшиеся интактными, называются нерекомбинантными.
Молекулярный механизм кроссинговера. В этом процессе участвуют две молекулы ДНК несестринских хроматид.