МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2014, том 48, № 4, с. 531-542
= ОБЗОРЫ
УДК 577.2:577.3
МЕХАНИЗМЫ МИШЕННЫХ МУТАЦИЙ СДВИГА РАМКИ СЧИТЫВАНИЯ - ПОЯВЛЕНИЕ ИНСЕРЦИЙ ПРИ СКЛОННОМ К ОШИБКАМ ИЛИ SOS-СИНТЕЗЕ ДНК, СОДЕРЖАЩЕЙ цис-син ЦИКЛОБУТАНОВЫЕ ТИМИНОВЫЕ ДИМЕРЫ
© 2014 г. Е. А. Гребнева*
Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАНУкраины, Донецк, 83114 Украина
Поступила в редакцию 12.11.2013 г.
Принята к печати 17.12.2013 г.
В настоящее время не вполне ясен механизм образования мутаций сдвига рамки считывания, вызванных циклобутановыми пиримидиновыми димерами. Механизмы образования различных мутаций обычно рассматривают в рамках полимеразной модели мутагенеза. Здесь развивается альтернативная, полиме-разно-таутомерная, модель ультрафиолетового мутагенеза. Впервые предлагается механизм образования мишенных инсерций, вызванных цис-син циклобутановыми тиминовыми димерами. Мишенные ин-серции — это мутации типа сдвига рамки, обусловленные встраиванием одного или нескольких нуклео-тидов в молекулу ДНК напротив повреждений, способных останавливать синтез ДНК. Мишенные инсерции могут быть вызваны, например, циклобутановыми пиримидиновыми димерами. Ультрафиолетовое облучение может приводить к изменению таутомерных состояний оснований ДНК. Так, для основания тимин может образовываться пять редких таутомерных форм, которые стабильны, если соответствующие нуклеотиды входят в состав циклобутановых димеров. Структурный анализ встраивания оснований показал, что напротив одной редкой таутомерной формы тимина невозможно встроить ни одно из канонических оснований так, чтобы между ними образовались водородные связи. Вот почему при SOS- или склонном к ошибкам синтезе ДНК, содержащей цис-син циклобутановые тиминовые димеры с основанием в такой редкой таутомерной форме, специализированные или модифицированные ДНК-полимеразы в соответствующем участке синтезируемой ими цепи оставляют бреши в один нуклеотид. На участках ДНК с однородным нуклеотидным составом, в соответствии с моделью Стрейзингера, конец растущей нити ДНК может сползти, образовать комплементарные пары с близлежащей областью матричной цепи, приняв при этом форму петли. В результате дочерняя нить удлиняется и появляется мишенная инсерция. Впервые показано, что к мишенным инсерциям приводят такие цис-син циклобутановые тими-новые димеры, одно или оба основания в которых находится в определенной таутомерной форме, напротив которой невозможно встроить ни одно из канонических оснований, чтобы между ними образовались водородные связи. Кроме того, разработана модель образования мишенных вставок из одного или нескольких оснований, вызванных цис-син циклобутановыми тиминовыми димерами. Следовательно, поли-меразно-таутомерная модель ультрафиолетового мутагенеза способна объяснить природу и механизмы образования не только горячих и холодных пятен, мишенных и немишенных мутаций замены оснований, но и мишенных мутаций сдвига рамки.
Ключевые слова: УФ-мутагенез, редкие таутомерные формы оснований ДНК, мишенные мутации сдвига рамки, мишенные инсерции, цис-син циклобутановые тиминовые димеры, склонная к ошибкам репликация, 808-репликация.
MECHANISMS OF TARGETED FRAMESHIFT MUTATIONS - INSERTION FORMATION UNDER ERROR-PRONE OR SOS SYNTHESIS OF DNA CONTAINING CIS-SYN CYCLOBUTANE THYMINE DIMERS, by H. A. Grebneva* (Galkin Donetsk Physical and Technical Institute, National Academy of Sciences of Ukraine, Donetsk 83114, Ukraine; *e-mail: grebneva@gmail.com). Up to now the mechanism of formation of frameshift mutations caused by cyclobutane pyrimidine dimers has not been yet explained satisfactorily. Mechanisms of different mutations are usually considered in polymerase model. Here, the alternative polymerase-tautomer model of ultraviolet mutagenesis is developed. The mechanism of targeted insertion formation caused by cis-syn cyclobutane thymine dimers is proposed. Insertions are mutations when one or several DNA bases are inserted. Targeted insertions are mutations of a frameshift type - when one or several nucleotides are inserted opposite damages which may stop synthesis of DNA. Targeted insertions are induced by cyclobutane pyrimidine
* Эл. почта: grebneva@gmail.com
dimmers. Ultraviolet irradiation may result in a change of tautomer state.of DNA bases. A thymine base may form 5 rare tautomer forms that are stable if the base is a part of cyclobutane dimer. As it was shown by structural analysis, one rare tautomeric form of thymine forms hydrogen bonds with no one canonical DNA base. Therefore, under SOS or error-prone synthesis of DNA containing cis-syn cyclobutane thymine dimers with such rare tautomeric.form a specialize or modified DNA polymerase leaves a single nucleotide gap opposite the cis-syn cyclobutane thymine dimer. According to Streisinger model, if the DNA composition within this region is homogeneous, the end of the growing DNA strand can slip and form complementary pairs with a template nucleotide neighboring to the dimer of such type a loop is formed. Further elongation of the daughter strand leads to the appearance of targeted insertion in the daughter strand. Here, it is first shown that cis-syn cyclobutane thymine dimers with one or both bases in the specific tautomer conformation — opposite which it is impossible to insert a canonical base with a hydrogen bond formation — results in targeted insertions. Moreover, the model of forming targeted single- and several-base insertions is developed. The polymerase-tautomer model of ultraviolet mutagenesis can explain a nature and mechanism of appearing not only hot and cold spots, targeted and untargeted base substitution mutations but also targeted frameshift mutations.
Keywords: UV-mutagenesis, rare tautomeric forms of DNA bases, targeted frameshift mutations, targeted insertions, cis-syn thymine cyclobutane dimers, error-prone replication, SOS replication.
DOI: 10.7868/S0026898414030069
ВВЕДЕНИЕ
В результате облучения молекулы ДНК ультрафиолетовым светом образуются циклобутановые пиримидиновые димеры или (6-4)-аддукты [1—8]. Чаще всего образуются цис-син циклобутановые пиримидиновые димеры, в которых ориентация оснований относительно сахарофосфатного остова не изменяется [7]. Они эффективно удаляются эксцизионной репарацией [9] или фоторепарацией [10, 11]. Если не все димеры будут удалены, то могут появиться мутации замены оснований, сдвига рамки считывания или сложные мутации [12—17]. Мутации, образующиеся напротив фото-димеров, называют мишенным мутациями [18, 19]. Иногда мутации появляются на небольшом расстоянии от фотодимеров — это немишенный мутагенез [20, 21] Мутации формируются в процессах репликации, репарации или транскрипции [22—33]. Нередко мутации появляются через несколько циклов синтеза ДНК после воздействия мутагена — это задерживающиеся мутации [34—36]. Известно, что основная причина онкологических и некоторых других заболеваний — нестабильность генома, высокий уровень мутаций [37, 38]. Однако только некоторые из фотодимеров приводят к мутациям, более 90% фотодимеров мутаций не вызывают [22].
Если синтез ДНК, содержащей фотодимеры, такие как циклобутановые пиримидиновые ди-меры и (6, 4)-аддукты, ведут безошибочные конститутивные ДНК-полимеразы, то обычно происходят следующие события. Синтез идет на участке, не содержащем повреждения, останавливается, встретив фотодимер, и продолжается на свободных от фотодимеров участках. В результате появляются протяженные бреши, которые застраиваются с помощью пострепликативной репарации [39, 40]. Химически модифицированные
основания могут обходиться специализированными полимеразами, что зачастую приводит к мутациям [41], и безошибочными [42] полимеразами или другими способами [43]. ДНК-полимераза обычно действует в комплексе с другими ферментами и белками. Холофермент ДНК-полимеразы, как правило, включает саму ДНК-полимеразу, белки, регулирующие процессивность, 3' ^ 5'-экзо-нуклеазу, 5' ^ З'-экзонуклеазу и другие белки [44]. Если в процессе репликации встраивается ошибочное основание, то оно обычно удаляется с помощью 3' ^ 5'-экзонуклеазы. После совершения ошибки З'-ОН-конец праймера выходит из двойной спирали ДНК, что приводит к диссоциации ДНК-полимера-зы от праймера, после чего с ней связывается экзо-нуклеаза [44—46]. Скорость удлинения праймера в это время снижается в 103—106 раз — в зависимости от конкретного сочетания неспаренных нуклеотидов. Во время этой паузы ошибочные нуклеотиды могут быть удалены 3' ^ 5'-экзонуклеазами данной ДНК-полимеразы, других ДНК-полимераз или автономными 3' ^ 5'-экзонуклеазами. Удалив неспаренный нуклеотид, 3' ^ 5'-экзонуклеаза вскоре отделяется от ДНК, и полимеразный синтез возобновляется [44-46].
Мутации появляются, если синтез ДНК идет с помощью модифицированных или специализированных ДНК-полимераз [31, 44, 47-51]. Даже конститутивные ДНК-полимеразы млекопитающих 8 (Pol 8) и s (Pol s) [43, 44, 48, 49] и ДНК-полимераза III (Pol III) Escherichia coli [50, 51] способны приводить к мутациям. Конститутивные ДНК-полиме-разы могут участвовать в образовании мутаций, если действует механизм "скользящей скрепки". Частица в ДНК-полимеразы III E. coli или белок PCNA млекопитающих образуют тор, который обхватывает молекулу ДНК [52, 53]. Когда ДНК-по-лимераза встречает повреждение, такое как цик-
лобутановый пиримидиновый димер, скользящая скрепка прижимает холофермент к молекуле ДНК, в результате ДНК-полимераза ведет синтез и напротив повреждения, а 3' ^ 5'-экзонуклеаза не способна удалить ошибочное основание, что и приводит к появлению мутаций [54—57].
Специализированные ДНК-полимеразы, такие как Pol IV и Pol V E. coli [58-62] и Pol n, Pol Z, Pol i и Pol у млекопитающих [63-72], способны вести синтез ДНК через повреждение, что может приводить к мутациям. Анализ работы различных ДНК-полимераз показал, что специализированные и модифицированные ДНК-полимеразы встраивают напротив матричных оснований такие канонические основания, которые способны образовывать водородные связи [73]. Другими словами, синтез ДНК, приводящий к ошибкам,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.