Молекулярная биология для биоинформатиков

1. Молекулярная биология для биоинформатиков • Академический университет • Ефимова Ольга Алексеевна В презентации выборочно использованы слайды из курса «Мутационный процесс» СПбГУ

2. Лекция №7 Репарация ДНК • Как ДНК сохраняет стабильность? • Причины ошибок: • Химические агенты • Излучение • Ошибки репликации • Системы репарации в клетке (исправление ошибок в ДНК) • Восстановление поврежденной цепи по неповрежденной матрице

3. системы репарации Повреждения ДНК приводят к нарушению Уотсон-Криковской структуры, локальной денатурации, блокированию репликации Контрольные точки check-points

4. Сигналы для репарации ДНК: Непосредственно повреждение ДНК События в цитоплазме, например окислительный стресс Репарация поврежденной ДНК – часть общей адаптивной реакции клетки на повреждающие воздействия

5. Системы репарации • Прямая репарация (фотореактивация) • Эксцизионная репарация Mismatch repair Base excision repair (BER) Nucleotide excision repair (NER) • Пострепликативная (рекомбинационная) репарация • SOS-репарация

6. Фотореактивация UV-A (320–400 nm) UV-B (290–320 nm) UV-C (100–290 nm) 6

7. УФ излучение 7

8. 8

9. Фотореактивация (прямая репарация)

10. Повреждения ДНК из-за УФ 75% 25% Изгиб ДНК 7-9 ° 44° 10

11. Где чаще всего возникают фотопродукты? 11 Последовательности ДНК, которые облегчают изгиб и раскручивание ДНК: ssDNA, ТАТАА бокс. Если CPD возник? Влияние на транскрипцию • CPD и 6-4PP блокируют РНК- полимеразу II млекопитающих РНК полимераза II остается связанной с точкой препятствия, в результате снижается как уровень РНК полимеразы, так и блокируется транскрипция соответствующего гена. • В основном CPD и 6-4PPs блокируют транскрипцию, и только небольшая часть приводит к мутациям.

12. Фотореактивация (1963г) Гены PHR/PRE Кодируют фермент фотолиазу, мономерный флавин-зависимый фермент Кофакторы : FADH- и 5,10-метенилтетрагидрофолат (5,10-MTHF) Связывается в темноте с димерами ТТ На свету кофактор абсорбирует фотон Используя эту энергию фотолиаза расщепляет ТТ димер Фотолиаза освобождает ДНК 12

13. Фотореактивация 13

14. Direct repair by photoreactivation. 14

15. Фотолиазы Принадлежат большому семейству фотолиаз-криптохромов. Представители этого семейства широко распространены во всех царствах В соответствии с их функцией: CPD-фотолиазы - репарируют CPDs, (6-4)PP- фотолиазы – репарируют (6-4) фотопродукты Криптохромы. Не участвуют в репарации ДНК, происходят от фотолиаз. У растений криптохромы регулируют рост, регулируемый синим светом, а у животных – циркадные ритмы. 15

16. Фотолиазы имеют два типа хромофоров FADH (флавинадениндинуклеотид) и MTHF (метенилтетрагидрофолат) . Каталитический кофактор FADH –непосредственно взаимодействует с субстратом –(ТТ димером) в фоторепарирующей реакции. Светоуловитель MTHF– действует как антенна, улавливает энергию и передает ее каталитическому ко-фактору. 16

17. PLAY 17

18. Системы репарации Фотореактивация (прямая репарация) Эксцизионная репарация Mismatch repair Base excision repair (BER) Nucleotide excision repair (NER) Пострепликативная (рекомбинационная) репарация SOS-репарация

19. Mismatch repair(MMR)

20. 20

21. Последствия появления ММ 21

22. If the tautomeric shift is slow, DNA polymerase moves on and a mismatch is incorporated into the DNA 22

23. Deamination of Cytosine creates a G-U mismatch Easy to tell that U is wrong Deamination of 5-methyl cytosine creates a G-T mismatch Not easy to tell which base is the mutation. В 50% случаев G “исправляется” на A, что приводит к мутации 23

24. Пути коррекции ошибочно спаренных оснований (ММ) Коррекция с помощью 3’5’ экзонуклеазной активности полимераз Мисмэтч репарация:выявляет некомплементарную пару только на дочерней цепи ДНК и производит замену неправильного основания только на дочерней цепи. 24

25. Основные белки метил-направляемой MMR в E. coli Mut S и Mut L узнают ММ Mut H - Узнает полуметилированный сайт GATC и делает надрез MutU (UvrD) –геликаза II раскручивает дуплекс и освобождает надрезанную область 25

26. A closer look at mismatch repair 26

27. Mismatch mechanism PLAY

28. Гомологи генов MutS, MutL у эукариот 28

29. MMR у человека PCNA 29

30. 30

31. Эксцизионная репарация оснований (BER) и нуклеотидов(NER) Нуклеозид Нуклеотид (монофосфат)

33. Base excision repair

34. Repairing apurinic and apyrimidinic sites

35. Nucleotide excision repair

36. У всех живых организмах NER состоит из следующих этапов: Узнавание повреждений Связывание мультисубъединичного комплекса с поврежденным сайтом Двойное надрезание поврежденной цепи на несколько нуклеотидов от поврежденного сайта в обоих направлениях 5' и 3' Освобождение олигонуклеотида, содержащего повреждение между двумя надрезами Заполнение образовавшейся бреши ДНК полимеразой Лигирование 36

37. Mechanism of Incision by the NER Pathway E. coli 5’ incision is 8 nuc. from lesion 3’ incision is 4 nuc. from lesion Mammals 5’ incision is 22 nuc. from lesion 3’ incision is 6 nuc. from lesion PLAY 37

38. Genetics of NER in Humans • Xeroderma Pigmentosum (classical) • Occurrence: 1-4 per million population • Sensitivity: ultraviolet radiation (sunlight) • Disorder: multiple skin disorders; malignancies of the skin; neurological and ocular abnormalities • Biochemical: defect in early step of NER • Genetic: autosomal recessive, seven genes (A-G) • Xeroderma Pigmentosum (variant) • Occurrence: same as classical • Sensitivity: same as classical • Disorder: same as classical • Biochemical: defect in translesion bypass 38

39. Xeroderma Pigmentosum 39

40. Genetics of NER in Humans • Cockayne’s Syndrome • Occurrence: 1 per million population • Sensitivity: ultraviolet radiation (sunlight) • Disorder: arrested development, mental retardation, dwarfism, deafness, optic atrophy, intracranial calcifications; (no increased risk of cancer) • Biochemical: defect in NER • Genetic: autosomal recessive, five genes (A, B and XPB, D & G) 40

41. Cockayne’s Syndrome 41

42. Genetics of NER in Humans • Trichothiodystrophy • Occurrence: 1-2 per million population • Sensitivity: ultraviolet radiation (sunlight) in subset of patients • Disorder: sulfur deficient brittle hair, mental and growth retardation, peculiar face with receding chin, ichthyosis; (no increased cancer risk) • Biochemical: defect in NER • Genetic: autosomal recessive, three genes (TTDA, XPB, XPD) 42

43. Trichothiodystrophy 43

45. Системы репарации Фотореактивация (прямая репарация) Эксцизионная репарация Mismatch repair Base excision repair (BER) Nucleotide excision repair (NER) Пострепликативная (рекомбинационная) репарация SOS-репарация

47. Пострепликативная (рекомбинационная) репарация

48. SOS system

49. SOS system

50. Репарация двуцепочечных разрывов