Nobelpreis für Chemie - 2015 • Dmitry Zharkov • Science News zu "Elementen" • Nobelpreise, Chemie

Nobelpreis für Chemie – 2015

Chemie-Nobelpreisträger 2015: Tomas Lindahl, Paul Modrich und Aziz Sancar. Foto © Krebsforschung UK / K. Wolf / M. Englund

Am 7. Oktober 2015 wurden Nobelpreisträger in der Chemie bekannt gegeben. Sie sind der Brite schwedischer Herkunft, Thomas Lindahl (Tomas Lindahl), der Amerikaner Paul Modric (Paul L. Modrich) und der Amerikaner türkischer Herkunft Aziz Sanjar (Aziz Sancar). Das Nobelkomitee wies auf den Beitrag dieser Wissenschaftler zur Erforschung von DNA-Reparaturmechanismen hin – einem wichtigen intrazellulären System, das darauf abzielt, zahlreiche Schäden zu finden und zu korrigieren, die während der normalen DNA-Replikation in einer Zelle oder infolge physikalischer oder chemischer Substanzen auftreten. Die Störung der Arbeit dieses Systems ist mit einer Reihe von schweren Erbkrankheiten verbunden, und tatsächlich, ohne sie könnten komplexe Lebensformen kaum existieren.

Wie alles begann

Als der Zweite Weltkrieg endete, summierten Menschen verschiedener Berufe das anders. Politiker haben die Weltkarte umgestaltet, Generäle – Taktiken und Strategien mit neuen Waffenarten neu aufgebaut … Es gab auch Ergebnisse von den Ärzten. Der Krieg zeigte die magische Kraft neuer Drogen – Antibiotika, die seit 1944 Zehntausenden von Verletzten das Leben gerettet haben.

Der junge Mikrobiologe Albert Kölner, der in Cold Spring Harbor arbeitete, eine Molekularbiologie, die noch nicht zum Mekka geworden war, beschäftigte sich daher schon bald nach Kriegsende mit einem Modethema, das großen kommerziellen Erfolg mit Glück beförderte, die neue Antibiotika oder zumindest bungefährGrößere Mengen bereits bekannter Antibiotika. Der Kellner entschied, Streptomycetenkulturen mit ultraviolettem Licht zu bestrahlen, dessen mutagene Eigenschaften bereits bekannt waren. Aber von Anfang an hat es nicht geklappt: Die Experimente wurden schlecht reproduziert. Einige bestrahlte Kulturen wuchsen gut, andere schlecht und es wurden keine Muster beobachtet.

Wenn Albert Kelner kein sauberer Wissenschaftler wäre und nicht alle Details seiner Experimente aufzeichnen würde, hätte er wahrscheinlich sein Projekt aufgegeben, und der Nobelpreis für Chemie 2015 wäre für ganz andere Arbeiten vergeben worden. Doch nach sorgfältiger Analyse aller möglichen Fehler hat Kellner das richtige Fazit gezogen. Nach der Bestrahlung kultivierte er eine Kultur von Bakterien in Glaskolben, die in ein Glaswasserbad eingetaucht waren.In den Flaschen, die gegen das Fenster gerichtet waren, überlebten die Bakterien nach der UV-Bestrahlung besser und in jenen, die schattiert waren, schlimmer.

Der Kellner hat vermutet, dass Sonnenlicht irgendwie einen Prozess in Bakterien auslöst, der ihnen hilft, UV-Schäden zu reparieren. Dieses Phänomen wurde bald genannt Photoreaktivierungund sie wurde die erste bekannte Biologin, die sie sah DNA-Reparatur. Einer der derzeitigen Preisträger, Aziz Sanjar, stellte in seinen postgradualen Studien ein sehr effektives Experiment auf, das die volle Kraft des Photoreaktivierungssystems zeigte: Er bestrahlte Bakterien auf Petrischalen mit ultraviolettem Licht in einer tödlichen Dosis, so dass weniger als eine Zelle von 10 Millionen überlebte und dann auf sie schien Foto-Blitz. Licht, das 1 Millisekunde lang war, reichte aus, um die Zahl der überlebenden Bakterien hunderttausendfach zu erhöhen!

Leider hat Albert Kelner unsere Tage nicht verdient und nicht einmal einen wohlverdienten Ruhm erlangt – in unserer Zeit ist es genug zu sagen, dass es in Wikipedia keinen Artikel über ihn gibt. Unabhängig von Kölner und buchstäblich ein paar Wochen später wurde die Reaktivierung von Fotos von Renatto Dulbecco entdeckt – dem berühmten italienisch-amerikanischen Virologen, der später den Nobelpreis erhielt, aber nicht für die Entdeckung der Reparatur, sondern für die Arbeit mit Onkoviren.Interessanterweise schrieb Kellner Dulbecco über seine Entdeckung, aber er erhielt gerade einen Brief, als er Experimente über das Überleben ultraviolett bestrahlter Bakteriophagen beendete – mit den gleichen Ergebnissen und Schlussfolgerungen wie Kellner.

Aus diesem Grund lautet die Formulierung der aktuellen Auszeichnung "für das Studium der Mechanismen der DNA-Reparatur" und nicht "für die Entdeckung der DNA-Reparatur". Pioniere überlebten nicht, und tatsächlich gab es in diesem Bereich keine Figuren, über die man sagen könnte, dass sie es legten. Die Preisträger des Jahres 2015 haben einen enormen Beitrag zur Erforschung der DNA-Reparatur geleistet, aber mit ihnen arbeiteten auch andere, nicht weniger großartige Wissenschaftler. Unter den an der DNA-Reparatur beteiligten Forschern war sogar die vorherrschende Meinung, dass der Nobelpreis dafür nicht vergeben werden würde – es ist so schwer, unter vielen würdigen Preisträgern zu wählen.

Aber bevor wir über die Forschung von Thomas Lindal, Paul Modric und Aziz Sanjar sprechen, sollten wir ein paar Worte über DNA-Reparatur im Allgemeinen sagen. In der Tat ist dies nicht ein einziger Mechanismus, sondern mindestens sechs verschiedene – und je nachdem, was zur Reparatur gebraucht wird, kann man acht zählen.

Rauchen ist schädlich, Atmen ist schädlich, Leben ist schädlich

Es wird gesagt, dass jede Minute uns dem Tod näher bringt.Aus der Sicht eines Biochemikers ist dies nicht nur eine triviale Phrase. Die DNA aller lebenden Organismen ist ständig schädlichen Faktoren ausgesetzt. Einige von ihnen kommen von außen – die gleiche ultraviolette Strahlung, Tausende von chemisch aktiven Substanzen in unserer Nahrung (wussten Sie, dass eine Tasse Kaffee mehrere hundert Verbindungen enthält, die in großen Dosen mutagen sind?).

Viel wichtiger sind jedoch interne Faktoren, die wir grundsätzlich nicht vermeiden können. Es gibt drei Hauptfaktoren. Erstens basiert unser gesamter Stoffwechsel auf der Sauerstoffatmung. Mitochondrien, zelluläre Organellen, in denen Sauerstoff zur Produktion von ATP, der "Energiewährung" unserer Zellen, verwendet wird, arbeiten nicht mit absoluter Effizienz, und intermediär aktive Formen von Sauerstoff treten aus ihnen aus und können DNA schädigen. Zweitens besteht bekanntlich durchschnittlich 60% Wasser, das im allgemeinen auch eine sehr aktive Verbindung ist und die DNA ständig hydrolysiert. Schließlich ist eine weitere wichtige Quelle für Schäden in der DNA der Fehler der Enzyme, die es kopieren – DNA-Polymerasen; die Anzahl der falsch eingebauten Nukleotide beträgt etwa 300.000 für jede Zellteilung.

Stellen Sie sich vor, dass das Ausmaß des Problems eine einfache Neuberechnung ermöglicht.Wenn man sich die DNA einer einzelnen menschlichen Zelle in Form der Transsibirischen Eisenbahn vorstellt und geschätzte Werte für alle bekannten Arten von Schäden zusammenfasst, stellt sich heraus, dass die Menge an Schäden, die jeden Tag in der DNA jeder menschlichen Zelle auftritt, einer Aufspaltung pro 100 Meter Transsib entspricht. Nicht jeder Organismus würde unter einer solchen Belastung überleben können.

Die Tatsache, dass wir noch am Leben sind, ist der Verdienst der DNA-Reparatur. Wie bereits erwähnt, gibt es sechs seiner wichtigsten Mechanismen, und die aktuellen Preisträger sind direkt mit vier von ihnen verbunden.

Wiedergutmachung Einfachster Weg

Lass uns zum Anfang der Photoreaktivierung zurückkehren. Dies ist eines der spezifischen Beispiele für den Mechanismus Reaktivierungoder direkte Wiederherstellungbei dem die beschädigte DNA-Verbindung ohne Zwischenschritte zu einer normalen wird. Im Falle der Photoreaktivierung geschieht dies. Unter dem Einfluss von ultraviolettem Licht können die benachbarten Thyminbasen in der DNA miteinander vernetzen und sogenannte Cyclobutan-Pyrimidin-Dimere bilden, die die DNA-Struktur stark verzerren und verhindern, dass DNA-Polymerasen den beschädigten Bereich kopieren.Bakterien enthalten auch das Enzym Photolyase, das die Energie des sichtbaren Lichts nutzt, um die Bindungen zwischen den Basen im Dimer aufzuspalten und in zwei Thymine umzuwandeln (Abb. 1).

Abb. 1. Die Reaktion katalysiert durch Photolyase. Ein Photon mit einer der blauen Farbe entsprechenden Wellenlänge wird vom Enzym absorbiert und seine Energie (hν) wird verwendet, um das Thymindimer in ein separates Thymin zu spalten

Karriere begann mit Photolyase-Forschung Aziza Sanjara. Nein, er hat es nicht geöffnet – es wurde in den späten 1950ern von Stan Rupert (Claud S. (Stan) Rupert) gemacht, zu dessen Labor nach anderthalb Jahrzehnten ein junger Absolvent der Universität Istanbul kam. Sanjar war der erste, der Photolyase klonierte, das heißt, er isolierte das Gen, das für ihn kodiert, und produzierte dann ein Gentechnik-Protein. Es gibt sehr wenig natürliche Photolyase in Bakterien, und diese Arbeit war entscheidend für das Studium der Photoreaktivierung – es war nun möglich, Protein in großen Mengen zu produzieren und umfassend zu untersuchen, was Sanjar aktiv und lange Zeit betrieben hat. Chemiker protestieren oft, wenn Biologen Preise in Chemie erhalten. Aber ich muss sagen, dass Photolyase ein großartiges Beispiel für ein komplexes chemisches System ist, das die Photokatalyse durchführt: den Weg der Energie, der von einem Photon mitgebracht wird,absorbiert durch 5,10-Metenyltetrahydropteroylpolyglutamat – ein Chromophor in der Proteinzusammensetzung – durch den zweiten Chromophor (Flavinadenin-Dinukleotid) zum Cyclobutan-Pyrimidin-Dimer wird nun bis zur quantenmechanischen Beschreibung verfolgt.

Schneiden und ersetzen

Reicht das, um den Nobelpreis zu bekommen? Wer weiß. Aber Aziz Sanjar beschränkte sich nicht auf Photolyase und war zu der Zeit mit einem anderen obskuren Phänomen beschäftigt, das damals als "dunkle Wiedergutmachung" bezeichnet wurde. Tatsächlich können Bakterien, die mit ultraviolettem Licht bestrahlt werden, den Schaden, der nicht nur im Licht verursacht wird, korrigieren – es dauert nur viel mehr Zeit. Photolyase hat damit fast nichts zu tun ("fast" – denn, wie sich später herausstellte, hilft es dunkle Reparatur, aber es ist durchaus möglich, darauf zu verzichten), andere Enzyme arbeiten.

Zu dieser Zeit war bekannt, dass im Dunkeln Thymin-Dimere allmählich aus der DNA verschwinden (diese Entdeckung wurde Anfang der 1960er Jahre von Richard Setlow gemacht, der den Preis hätte beanspruchen können, wenn er nicht im April dieses Jahres gestorben wäre ) und dass nach der UV-Bestrahlung in Zellen die DNA-Synthese beginnt (der Autor dieser Entdeckung, Philip Hanawalt, ist noch am Leben und arbeitet aktiv bei 84,aber der Preis ging darum herum). Drei Gene waren bekannt, die für dunkle Reparatur verantwortlich waren, sie wurden genannt uvrA, uvrB und uvrC (uvr – aus dem Englischen "UV-resistent", resistent gegen UV-Strahlen, aber es blieb völlig unverständlich, wie all das in einer Zelle passiert. Die Hauptprobleme waren wiederum, dass nur sehr wenige dieser Proteine ​​in der Zelle vorhanden sind und es sehr schwierig ist, sie zu untersuchen.

Nachdem Sanjar dieses Thema aufgegriffen hatte, erfand er eine völlig phantastische Methode der bakteriellen "Maxi-Zellen", die es ihm erlaubte, einen großen Überschuss des gewünschten Produkts mit minimaler Kontamination durch andere zelluläre Proteine ​​zu erhalten. Um die Wende der siebziger und achtziger Jahre nutzten Dutzende Labore es, um eine Vielzahl von Proteinen zu identifizieren, und der Erfinder selbst verwendete es schnell, um Proteinprodukte von Genen zu charakterisieren. uvrA, uvrB und uvrC und zeigte, dass sie einen Komplex bilden, der genannt wurde Exzynose (Excinuclease) – er konnte schneiden (Englisch Exzision) ein Stück DNA mit einer Größe von 13 Nukleotidpaaren um Thymindimer herum. Daraus wird der gesamte Mechanismus aufgerufen Nukleotid-Exzisionsreparatur (Nukleotid-Exzisionsreparatur, NER; Fig. 2). Weitere Studien haben gezeigt, dass nach dem Schneiden eines Fragments,Die DNA-Polymerase, die den Schaden enthält, synthetisiert den normalen Teil der DNA-Kette, und der Reparaturprozess wird mit dem DNA-Ligase-Enzym abgeschlossen, das die Integrität des DNA-Rückgrats wiederherstellt.

Abb. 2 Nucleotidexzisionsreparatur. UvrABC excineum schneidet einen kurzen Abschnitt der DNA um den Schaden, UvrD-Helikase verdrängt es und die resultierende Lücke wird mit DNA-Polymerase aufgebaut

Wie sich später herausstellte, ist die Exzisionsreparatur von Nukleotiden für das gesamte Leben viel wichtiger als die Photoreaktivierung. Zum Beispiel, Menschen haben keine Photolyase – von allen Säugetieren, nur Beuteltiere haben es bewahrt, und der Rest haben Homologe der Photolyase, Cryptochrome, verantwortlich für zirkadiane Rhythmen (und auch von Sanjar entdeckt). Daher beruhen alle Reparaturen, die durch UV-Lichtschäden verursacht werden, ausschließlich auf der Exzisionsreparatur von Nukleotiden. Es stimmt, die Proteine ​​dieses Systems sind überhaupt nicht wie die bakteriellen, aber das Prinzip der Operation ist das gleiche – ein Segment der DNA zu schneiden und durch ein neues zu ersetzen. Defekte der Nukleotidexzisionsreparatur verursachen die schwerste Erbkrankheit – Pigmentxerodermie, bei der die geringste Sonnenexposition zu Verbrennungen führt und innerhalb weniger Lebensjahre Hautkrebs entsteht.In der Tat gibt es Haut: Krebs der Zungenspitze ist sehr charakteristisch für Pigment Xeroderma – eine Person leckt trockene Lippen im Licht, und diese wenigen Sekunden der Exposition sind genug für die DNA so viel Schaden verursachen, dass in Ermangelung der Reparatur sie Mutationen und Krebs verursachen. Noch wichtiger ist, dass Photoreaktivierung ein Prozess ist, der spezifisch für Thymindimere ist, andere Schäden werden dadurch nicht korrigiert, aber die Nukleotidexzisionsreparatur ist universell und hilft bei der Bekämpfung einer großen Anzahl von DNA-Schäden, wie sie durch Karzinogene im Tabakrauch verursacht werden.

Nachdem wir die Nukleotid-Exzisionsreparatur gelobt haben, müssen wir sofort feststellen, dass sie die Stärke von 10% aller Schäden korrigiert, die in unserer DNA auftreten. Der Rest wird von Systemen verwaltet, die von zwei anderen Preisträgern eröffnet wurden. Das Prinzip ihrer Aktionen basiert auch auf der Entfernung des beschädigten Teils der DNA und ihrer Resynthese, aber die Mechanismen unterscheiden sich sehr stark.

Was zu tun ist, wenn es nicht passt

Lass uns darüber reden nicht übereinstimmende Reparationen (DNA-Mismatch-Reparatur). Sie hatte nicht einmal Glück mit dem Namen: Die Terminologie in diesem Bereich wurde Ende der 1980er Jahre gebildet, als es der Wissenschaft in Russland nicht gut ging, deshalb gibt es keinen allgemein akzeptierten Begriff – jemand kopiert nur Englisch nicht übereinstimmende Reparatur (Wort Nichtübereinstimmung in Englisch, bezeichnet das falsche, ungeeignete Paar, Mesalliance), jemand verwendet die Namen "Reparatur von Heteroduplexen", "Reparatur von nicht-kanonischen Basenpaaren" … In jedem Fall ist es ein System, das Fehler von DNA-Polymerasen korrigiert, wenn sie DNA in die Synthese einschließen nicht die Nukleotide, die Sie brauchen – bilden Sie keine Paare A: T und G: C, sondern etwas anderes, zum Beispiel G: T. Dies passiert selten, aber es passiert immer noch, weil kein Enzym mit 100% Genauigkeit arbeitet.

Das Hauptproblem beim Korrigieren solcher Fehler in DNA-Polymerasen ist nicht, wie ein falsch eingebautes Nukleotid entfernt werden kann, sondern wie man weiß, dass es falsch eingeschlossen ist. In der Tat haben wir vorher über beschädigte DNA-Verbindungen gesprochen – ihre Struktur ist anders als normal und irgendwie können sie erkannt werden. Und was ist, wenn beide Nukleotide normal sind, aber nicht einander entsprechen? Welcher von ihnen war in der ursprünglichen DNA, in der mütterlichen Kette und welche wurde fälschlicherweise in die Tochterkette aufgenommen?

Viele Bakterien lösen dieses Problem, indem sie die elterliche Kette mit Hilfe von Methylgruppen markieren, die ein spezielles Enzym, DNA-Methylase Dam, in die Basen von Adenin, die in den Sequenzen -GATC- gefunden werden, einführt.Somit bleibt diese Sequenz unmittelbar nach der DNA-Synthese einige Minuten lang semimethyliert – das heißt, sie trägt Methylgruppen in der mütterlichen Kette und enthält sie nicht in der neu synthetisierten Tochterkette. Dieses Mal reicht das Mismatch Reparation System aus, um zu funktionieren. Beim Menschen ist der Mechanismus, der die mütterliche und die Tochterkette unterscheidet, anders und komplexer, basierend auf der asymmetrischen Bindung einiger Proteine ​​während der Replikation, aber es existiert immer noch, eine Fehlpaarungsreparatur kann ohne einen solchen Mechanismus nicht funktionieren.

Wie genau sich Ereignisse nach der Markierung von Ketten mit Methylgruppen entwickeln – das sind die Hauptbeiträge. Paul Modrica in DNA-Reparaturstudien. Zu der Zeit, als Modric begann, in diesem Bereich zu arbeiten, war die Situation ähnlich der, in der sich Sanjar befand: Die Gene, die für die Reparatur notwendig waren, waren bekannt (mutH, mutl und mutS), es war klar, dass die Unterscheidung zwischen der Mutter- und der Tochterkette auf Methylierung beruhte, aber niemand hatte eine Idee, was und wie jedes Protein auf diese Weise tut. Modric entwickelte ein elegantes System, das auf der Bildung von Doppelsträngen zwischen Bakteriophagen-DNA-Strängen beruht, die sich um ein Nukleotid unterscheiden,was ihm erlaubte, das Schicksal der falschen Nukleotidpaare im Detail zu verfolgen – und mit isolierten Proteinen des Reparatursystems und in den Zellen von Bakterien. Wie sich herausstellte, beginnt der Prozess mit der Tatsache, dass das MutH-Protein unmittelbar nach der Replikation an die hemimethylierten Sequenzen -GATC- bindet. Zur gleichen Zeit binden zwei Moleküle des MutS-Proteins an das falsche Nukleotidpaar. Es ist witzig, dass, als Wissenschaftler im Jahr 2000 die Struktur von MutS bestimmten, die beiden Proteinmoleküle sehr ähnlich zu den im Gebet gefalteten Händen waren, zwischen denen die DNA geklemmt ist. Wenn der Abstand zwischen MutH und dem MutS-Dimer ihnen erlaubt zu interagieren (wobei ihnen das dritte Mitglied des Systems, MutL, hilft), wandelt sich das MutH-Protein in eine Endonuklease um, die die unmethylierte Kette in der Sequenz -GATC- spaltet. Ausgehend von dieser Unterbrechung wird die Tochter-DNA-Kette dann in Richtung des MutS-gebundenen Proteins entfernt. Wenn das falsche Basenpaar erreicht ist, wird die DNA-Zerstörung gestoppt, wonach das fehlende Stück DNA erneut synthetisiert wird.

Abb. 3 Nicht übereinstimmende Reparatur. Das Dimer des MutS-Proteins erkennt ein abnormales Nukleotidpaar und das MutH-Protein die halbmethylierte Region -GATC-. Dann führt MutH eine Unterbrechung in der unmethylierten Kette ein, die als eine Tochtergesellschaft betrachtet wird,und ein Stück DNA bis zum falschen Paar wird entfernt und erneut synthetisiert

Die Prinzipien der Mismatch-Reparatur bei Bakterien und Menschen wurden im Paul-Modric-Labor entdeckt. Das Mismatch-Reparation-System ist dem bakteriellen System sehr ähnlich, mit Ausnahme des Prinzips der Bestimmung der Eltern- und Tochterkette. Mutationen in den Genen, die für die Fehlpaarungsreparatur verantwortlich sind, führen zur Entwicklung von erblichem Darmkrebs und sind die häufigste Ursache dieser Krankheit.

Das wichtigste System

Schließlich wollen wir uns dem dritten großen Reparatursystem zuwenden – Exzisionsgrundreparatur. In der Tat sollte es zuerst genannt werden, zumindest in der Bedeutung, weil es die überwiegende Mehrheit aller Schäden beseitigt. Dazu gehören gerade solche, die unter Einwirkung von Wasser und Sauerstoff zwangsläufig in der DNA entstehen, aber auch viele andere Verletzungen werden dadurch korrigiert. Wenn Fehler in anderen Reparatursystemen zu schweren Krankheiten führen, zeigt sich die Fehlfunktion der Exzisionsreparatur der Basen beim Menschen, mit seltenen Ausnahmen, nicht in Krankheiten – solche Kinder erscheinen einfach nicht, die Embryonen sterben in den frühesten Stadien.

Wahrscheinlich ist bei der Exzisionsreparatur der Basen das Interessanteste, dass es geöffnet wurde, wie man sagt, "an der Spitze des Stiftes". Wie der französische Astronom Urben Le Verrier über die Störungen der Umlaufbahn des Uranus nachdachte und Neptun entdeckte, so in den frühen 1970er Jahren Thomas Lindal über die chemische Reaktivität der DNA nachgedacht und einen neuen Reparaturmechanismus entdeckt. Lindahl selbst behauptet, dass er von dem berühmten "White Book" inspiriert wurde – der Monographie "The Organic Chemistry of Nucleic Acids", ins Englische übersetzt von Akademiemitglied N. K. Kochetkov und Mitautoren, die in vielen biochemischen Laboratorien der Welt zu einem Nachschlagewerk wurde. Nach seiner Lektüre erkannte der Biologe Lindahl, dass die Idee der DNA als chemisch stabiles Molekül, das nur gelegentlich durch ultraviolette Strahlung, Strahlung oder chemische Mutagene geschädigt wird, grundsätzlich falsch ist – DNA in der aquatischen Umwelt wird dauerhaft geschädigt. Zwei einfache und leichtgängige chemische Reaktionen – die Umwandlung von Cytosin in Uracil (die normalerweise in RNA, aber nicht in DNA vorkommt) und Apurinierung (Spaltung von Adenin oder Guanin aus DNA) – zeigten, dass Lindahl auch in isolierter DNA vorkommt. und in einem lebenden Käfig.Darüber hinaus entdeckte er, nachdem er eine DNA erhalten hatte, in der ein Teil des Cytosins durch Uracil ersetzt war, ein Enzym, das Uracil in Form einer freien Base abspaltete – Uracil-DNA-Glycosylase (Uracil-DNA-Glycosylasen) – und eine neue Art von Reparatur wurde entdeckt.

Auf dem Weg der Basenexzisionsreparatur werden kleine beschädigte Basen und aufpolierte Nukleotide repariert, die keine wesentlichen Verzerrungen in die DNA-Struktur einführen und daher nicht durch das Nukleotid-Exzisionsreparatursystem erkannt werden. Zunächst wird die beschädigte Base von einem der Enzyme der Klasse der DNA-Glycosylasen (DNA-Glycosylase) erkannt, die es von der DNA abspalten. DNA-Glykosylasen haben eine Gruppenspezifität – einige entfernen nur oxidierte Purinbasen von DNA, andere oxidieren Pyrimidine, entfernen dritte alkylierte Basen, behandeln Uracil, etc. Danach zerbricht das AP-Endonukleaseenzym die DNA zusammen mit dem Schaden, den die DNA-Polymerase bildet eine (die so genannte "Reparatur-Reparatur") oder mehrere Nukleotide ("Reparations-Reparatur"), und die Reparatur wird durch eine DNA-Ligase vervollständigt. Im Prozess der Basenexzisionsreparatur sind mehrere Proteine ​​beteiligt, aber sie spielen eine unterstützende Rolle.

Abb. 4 Exzisionsreparaturbasis. Die DNA-Glycosylase schneidet die beschädigte Base, dann bricht die AP-Endonuclease die beschädigte DNA-Kette, und dann werden abhängig von der beteiligten DNA-Polymerase ein oder mehrere Nucleotide der beschädigten Kette verdrängt, während gleichzeitig ein neues DNA-Segment synthetisiert wird

In den letzten Jahren hat sich herausgestellt, dass die Natur, die gerne vorgefertigte Lösungen verwendet, die Exzisionsreparatur von Basen nicht nur für die DNA-Reparatur, sondern auch für scheinbar völlig überflüssige Dinge angepasst hat. Zum Beispiel werden die gleichen menschlichen Uracil-DNA-Glycosylase-Zellen verwendet, um Viren, insbesondere HIV, zu bekämpfen. Es gibt ein spezielles Enzym APOBEC, das in der viralen DNA Cytosin massiv in Uracil umwandelt, und dann spaltet die Uracil-DNA-Glycosylase diese DNA auf. Die Immunantwort erfordert auch die Beteiligung von Uracil-DNA-Glycosylase, die in diesem Fall für die Erzeugung einer Vielzahl von Antikörpern verantwortlich ist. Die Exzisionsreparatur der Basen unterliegt den epigenetischen Prozessen – der gerichteten DNA-Modifikation, die die Aktivität von Genen reguliert. In Krebszellen sind einige Reparaturwege ausgeschaltet – und Inhibitoren der verbleibenden Wege, hauptsächlich die Reparatur von Exzisionsgrundlagen, werden jetzt als neue vielversprechende Arzneimittel in der Onkologie angesehen.

Neben vielen seiner eigenen Entdeckungen hat Thomas Lindal der Wissenschaft einen großen Dienst erwiesen und viele Studenten erzogen. Fast die Hälfte der modernen Marktführer im Bereich der DNA-Reparatur durchlief sein Labor in Clare-Hall-Labors in London (Clare Hall Laboratories). Im Juni dieses Jahres wurde eine Konferenz zu Ehren von Lindahl organisiert, zu der viele von ihnen aus der ganzen Welt kamen, und ihr wissenschaftliches Niveau war wahrscheinlich das höchste, was der Autor dieser Zeilen nur sehen musste.

Jenseits des Preises

Es wäre falsch, die Tatsache zu verschweigen, dass DNA-Reparatur eine der Richtungen ist, in der russische Wissenschaftler jetzt und zu einem guten Preis mit Weltklassikern konkurrieren können. Das Wort "streiten" ist hier jedoch unpassend: historisch gesehen ist Reparation ein Bereich, in dem ein scharfer Wettbewerb unpopulär ist, im Gegenteil, führende Labore arbeiten eng zusammen. In Russland werden die wichtigsten DNA-Reparaturstudien in mehreren Laboratorien des Instituts für Chemische Biologie und Grundlagenmedizin der Sibirischen Abteilung der Russischen Akademie der Wissenschaften in Novosibirsk durchgeführt; In dieser Richtung arbeiten Gruppen an der Moskauer Staatlichen Universität, am Institut für Molekulare Genetik der Russischen Akademie der Wissenschaften, am Institut für Zytologie der Russischen Akademie der Wissenschaften in St. Petersburg,Petersburger Institut für Kernphysik.

Die Reparatur von DNA ist nicht auf die in dieser Anmerkung beschriebenen Arten beschränkt. Es gibt auch Rekombinationsreparatur (Homologe Rekombination), wenn eine Kopie von einem anderen Chromosom verwendet wird, um die korrekte DNA – Sequenz zu rekonstruieren, und Wiedervereinigung von nicht-homologen Enden (Mikrohomologie-vermittelte Endverbindung), wenn ein Teil der DNA verloren geht, aber dies ist oft unwichtig, da es auf nicht-kodierende Regionen fällt. Beide Reparaturarten werden verwendet, wenn Sie eine doppelsträngige DNA-Unterbrechung reparieren müssen. Es gibt Systeme Schadenstoleranz (Translations-Synthese), wenn eine Zelle funktionieren und sogar teilen kann, obwohl ihr Genom nicht in Ordnung ist. Es gibt zelluläre Schadensreaktionssysteme (DNA-Schaden Antwort), die bestimmen, was eine Zelle tun sollte, wenn ihre DNA beschädigt ist – teilen, stoppen Sie die Teilung und versuchen, den Schaden zu reparieren, sterben … Übrigens, für das Studium des letzten Systems in diesem Jahr, Amerikaner Stephen Elledge und Evelyn Witkin ( Evelyn M. Witkin) wurde mit dem Lasker Award (Lasker Award) ausgezeichnet – der zweitwichtigste in der Biomedizin; es dient oft als "Vorbote" des Nobel. Aber die 94-jährige Evelyn Vitkin, die das erste System der koordinierten zellulären Reaktion auf DNA-Schäden – die SOS-Reaktion – eröffnete, wird kaum auf eine geschätzte Medaille warten.Umsonst vermachte Nobel, den Preis durch nicht mehr als drei zu teilen; Würdige Kandidaten sind viel mehr.

Quellen:
1) Tomas Lindahl. Neue Klasse von Enzymen Natur. 1976. V. 259. S. 64-66.
2) Tomas Lindahl. Instabilität und Zerfall der Primärstruktur der DNA // Natur. 1993. V. 362. P. 709-715.
3) A.-Lien Lu, Susanna Clark und Paul Modrich. Basenpaar-Mismatches in vitro // Proc. Natl Acad. Sci. USA. 1983. V. 80. P. 4639-4643.
4) Paul Modrich. Mechanismen und biologische Effekte der Mismatch-Reparatur // Annu. Rev. Genet. 1991. V. 25. S. 229-253.
5) Aziz Sancar, W. Dean Rupp. Ein neuartiges Reparaturenzym: UVRABC Exzisionsnuklease von Escherichia coli schneidet einen DNA-Strang auf beiden Seiten der beschädigten Region // Zelle. 1983. V. 33. P. 249-260.
6) Aziz Sancar. Struktur und Funktion der DNA-Photolyase // Biochemie. 1994. V. 33. P. 2-9.

Dmitri Zharkow


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