При прохождении репликативного комплекса через некодирующий или ошибочно кодирующий поврежденный участок ДНК наблюдается включение в синтезируемую цепь случайных или соответствующих мутантному участку нуклеотидов. Затем репликация ДНК продолжается в обычном режиме. Таким образом, появляются поврежденные участки ДНК.
У E. coli в ответ на повреждения ДНК происходит координированная экспрессия большого числа генов (прмерно 26 белков). Такая реакция бактериальных клеток на генотоксические воздействия получила название SOS-ответа, а процесс образования мутаций - SOS- мутагенеза. В индукции SOS-ответа у E. coli определяющую роль играют ген lexA и ген recA. Белок LexA является репрессором гена recA и более 20 других генов и оперонов, составляющих SOS-регулон. В ответ на повреждение ДНК или ингибирование репликации, при прохождении ДНК- полимеразой поврежденного участка ДНК вырабатывается SOS-сигнал.
Механизм SOS-индуцированного мутагенеза выяснен, хотя и далеко не во всех деталях [ Friedberg E.C., Walker G.C., ea., 1991, Woodgate R., Levine A.S., 1996 ].
Как оказалось, этот механизм имеет не менее тонкую регуляцию, чем описанный выше "глобальный" SOS-ответ клетки, так как его задача - заставить ДНК-полимеразу пройти повреждение даже ценой ошибки. Однако, как только повреждение пройдено, "мутагенная репарация", восстанавливающая синтез ДНК и спасающая клетку от гибели, должна быть прекращена.
Предполагается, что рассматриваемый процесс развивается в два этапа. На первом PolIII вставляет случайное основание напротив поврежденного (или напротив сайта, лишенного основания); на втором комплекс белков UmuD' и UmuС помогает полимеразе продолжить синтез ДНК после этой случайной вставки. С этой целью в районе повреждения на ДНК формируется мультиферментный комплекс, так называемая " мутасома ", имеющая в своем составе белки UmuD', UmuC, RecA и голофермент PolIII. Белки UmuD и UmuC кодируются генами umuD и, образующими оперон так, что структурная часть гена umuD перекрывает один нуклеотид последующего гена umuC. образом, оба белка синтезируются координированно, причем концентрация белка UmuD оказывается всегда на порядок выше концентрации UmuC. Оперон umuDC находится под контролем SOS-блока, который по своему составу только на 3 н. отличается от идеального палиндрома. Это приводит к жесткой закрытости оперона, который открывается одним из последних при индукции SOS-функций и требует сильного SOS-сигнала. Белок UmuD имеет значительную гомологию с С-концевой частью белка LexA, в которой расположен сайт его авторасщепления, стимулируемого белком RecA. Последний так же, как и в случае L exA, способствует расщеплению UmuD и образованию активного полипептида UmuD', входящего в состав мутасомы. Время полужизни белков UmuD и UmuC в клетке составляет лишь 6-7 минут. Действительно, мономеры UmuD и UmuC взаимодействуют с протеазой Lon и деградируют. UmuD спасается от протеолиза в форме димера UmuD2. UmuC временно продлевает свое существование, защищаясь белками-шаперонами GroEL и GroES. Хотя UmuD' легко димеризуется и не является субстратом каких-либо протеаз, но этот мономер также легко образует гетеродимер UmuDD', который подвергается протеолизу ATP-зависимой сериновой протеазой ClpXP. Предполагается, что с помощью этого гетеродимера белки UmuD' выводятся из реакции. Такой сложный комплекс белок-белковых взаимодействий, схематически представленный на рис. 1а, имеет целью подавить возможность образования мутасомы при базальном уровне белков UmuD и UmuC в нормальной клетке (по 200 и 16 молекул на клетку соответственно) или в случае слабого SOS-сигнала. В случае сильного SOS- ответа, когда концентрация белков UmuD и UmuC возрастает на порядок, достаточно быстро возникает стабильный комплекс UmuD2'C (рис. 1б), который, предположительно, передает мономер UmuC на комплекс белка UmuD' и белка RecA* (активная форма), чтобы образовать искомую мутасому RecA* + UmuD'C + PolIII. При этом наиболее простой представляется следующая цепь событий: повреждение ДНК, остановка синтеза ДНК, деградация ДНК с образованием онДНК, запуск SOS-ответа, полимеризация белка RecA в присутствии ATP на онДНК в месте повреждения (т.е. образование активной формы RecA*), взаимодействие RecA* с белком UmuD, появление UmuD', взаимодействие UmuD' и PolIII для продолжения синтеза ДНК без коррекции дефекта.
Как видно, белок RecA принимает участие в трех разных событиях: он индуцирует синтез белков UmuD и UmuC, расщепляет UmuD до активной формы UmuD' и обозначает место сборки мутасомы. Однако в основе этих событий лежит лишь одно свойство белка RecA - способность образовывать активный филамент в составе тройного комплекса RecA::ATP::онДНК. Это же свойство оказывается достаточным, чтобы объяснить и другие события SOS-ответа, приводящие к изменчивости генома, такие, как повышенная частота рекомбинационных обменов, хромосомные перестройки и межвидовая рекомбинация.
По своим последствиям SOS-система является прямым антагонистом системы КНО - если последняя способствует сохранению точности воспроизведения генома, то первая способствует его изменчивости. Наиболее определенно этот антагонизм нашел свое выражение в межвидовой рекомбинации, осуществляющей "горизонтальный" перенос генетической информации. Как отмечалось выше, эта рекомбинация подавляется системой КНО. Однако она усиливается при индукции SOS-ответа вообще и повышенного синтеза белка RecA и белков RuvAB в частности [ Matic I., Rayssiguier C., Radman M., 1995 ] (комплекс RuvAB в ходе recA-зависимой рекомбинации осуществляет миграцию ветви ДНК даже через области ДНК с несовершенной гомологией). Более того, в отличие от внутривидовой рекомбинации межвидовая сопровождается recB-зависимой индукцией системы SOS [ Matic I., Rayssiguier C., Radman M., 1995 ]. В данном случае нуклеаза RecBCD выступает не только в роли "рекомбиназы", но и "ДНК-деградазы", что приводит к появлению индукторов SOS-ответа. Спрашивается, почему в природе сохранилась способность к межвидовой рекомбинации, поддерживаемая специализированной системой SOS? К настоящему времени стала очевидной наивность представлений о том, что эволюционная специализация генома или даже шоковая адаптация к изменившимся внешним условиям происходит путем постепенного накопления необходимого числа мутаций для перехода гена и его продукта в новое качество [ Gould S.J., Eldredge N., 1993, Gorshkov V.G., 1995 ]. Ясно, что только горизонтальный перенос блоков, составляющих гены, или даже целых генов, может обеспечить моментальное приобретение искомого качества. Гарантом сохранения вида является "дивергенция" нуклеотидной последовательности ДНК, которая используется системой ДКНО для предотвращения межвидовой рекомбинации. Отмечено, что у бактерий значительно меньшей дивергенцией обладают гены (до 35% генома), обмен которыми облегчает адаптацию к внешним условиям даже на фоне целостной системы MutHLSU. В природной популяции E. coli до 1% клеток имеют мутаторный фенотип [ Trobner W., Piechocki R., 1994 ]. Таково условие выживания данной популяции. В благоприятных же условиях число клеток-мутаторов снижается на несколько порядков. Следовательно, для постоянно идущего процесса эволюционной изменчивости более выгодны стрессовые ситуации, предусматривающие, в частности, межвидовой обмен генетическим материалом. Это и обеспечивает индуцибельная система SOS. Две противоположные по задачам системы - MutHLSU и SOS - создают возможность поддержания изменчивости клетки при сохранении ее видоспецифичности.
Итак, SOS-система - генетическая программа изменения ДНК путем ее мутагенной репарации или рекомбинации с целью адаптации клетки к изменившимся внешним условиям, результатом чего является наращивание ее эволюционного потенциала.
Дата добавления: 2015-09-10; просмотров: 49 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |