Полимеразно-таутомерная модель радиационно-индуцированной нестабильности генома: мишенные задерживающиеся мутации замены оснований при синтезе, склонном к ошибкам, и SOS-синтезе двунитевой ДНК, содержащей цис-син циклобутановые тиминовые димеры

Полимеразно-таутомерная модель радиационно-индуцированной нестабильности генома: мишенные задерживающиеся мутации замены оснований при синтезе, склонном к ошибкам, и SOS-синтезе двунитевой ДНК, содержащей цис-син циклобутановые тиминовые димеры

В рамках полимеразно-таутомерной модели предлагаются механизмы образования мишенных задерживающихся мутаций замены оснований, вызванных цис-син циклобутановыми тиминовыми димерами....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2017
1. Verfasser: Гребнева, Е.А.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України 2017
Schriftenreihe:Физика и техника высоких давлений
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/168161
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Полимеразно-таутомерная модель радиационно-индуцированной нестабильности генома: мишенные задерживающиеся мутации замены оснований при синтезе, склонном к ошибкам, и SOS-синтезе двунитевой ДНК, содержащей цис-син циклобутановые тиминовые димеры / Е.А. Гребнева // Физика и техника высоких давлений. — 2017. — Т. 27, № 3. — С. 131-148. — Бібліогр.: 46 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-168161
record_format dspace
spelling irk-123456789-1681612020-04-24T01:25:37Z Полимеразно-таутомерная модель радиационно-индуцированной нестабильности генома: мишенные задерживающиеся мутации замены оснований при синтезе, склонном к ошибкам, и SOS-синтезе двунитевой ДНК, содержащей цис-син циклобутановые тиминовые димеры Гребнева, Е.А. В рамках полимеразно-таутомерной модели предлагаются механизмы образования мишенных задерживающихся мутаций замены оснований, вызванных цис-син циклобутановыми тиминовыми димерами. A mechanism of targeted delayed base substitution mutations caused by cis-syn cyclobutane thymine dimers is proposed within the framework of the polymerasetautomeric model. 2017 Article Полимеразно-таутомерная модель радиационно-индуцированной нестабильности генома: мишенные задерживающиеся мутации замены оснований при синтезе, склонном к ошибкам, и SOS-синтезе двунитевой ДНК, содержащей цис-син циклобутановые тиминовые димеры / Е.А. Гребнева // Физика и техника высоких давлений. — 2017. — Т. 27, № 3. — С. 131-148. — Бібліогр.: 46 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 87.53.–j, 87.14.Gg http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/168161 ru Физика и техника высоких давлений Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description В рамках полимеразно-таутомерной модели предлагаются механизмы образования мишенных задерживающихся мутаций замены оснований, вызванных цис-син циклобутановыми тиминовыми димерами.
format Article
author Гребнева, Е.А.
spellingShingle Гребнева, Е.А.
Полимеразно-таутомерная модель радиационно-индуцированной нестабильности генома: мишенные задерживающиеся мутации замены оснований при синтезе, склонном к ошибкам, и SOS-синтезе двунитевой ДНК, содержащей цис-син циклобутановые тиминовые димеры
Физика и техника высоких давлений
author_facet Гребнева, Е.А.
author_sort Гребнева, Е.А.
title Полимеразно-таутомерная модель радиационно-индуцированной нестабильности генома: мишенные задерживающиеся мутации замены оснований при синтезе, склонном к ошибкам, и SOS-синтезе двунитевой ДНК, содержащей цис-син циклобутановые тиминовые димеры
title_short Полимеразно-таутомерная модель радиационно-индуцированной нестабильности генома: мишенные задерживающиеся мутации замены оснований при синтезе, склонном к ошибкам, и SOS-синтезе двунитевой ДНК, содержащей цис-син циклобутановые тиминовые димеры
title_full Полимеразно-таутомерная модель радиационно-индуцированной нестабильности генома: мишенные задерживающиеся мутации замены оснований при синтезе, склонном к ошибкам, и SOS-синтезе двунитевой ДНК, содержащей цис-син циклобутановые тиминовые димеры
title_fullStr Полимеразно-таутомерная модель радиационно-индуцированной нестабильности генома: мишенные задерживающиеся мутации замены оснований при синтезе, склонном к ошибкам, и SOS-синтезе двунитевой ДНК, содержащей цис-син циклобутановые тиминовые димеры
title_full_unstemmed Полимеразно-таутомерная модель радиационно-индуцированной нестабильности генома: мишенные задерживающиеся мутации замены оснований при синтезе, склонном к ошибкам, и SOS-синтезе двунитевой ДНК, содержащей цис-син циклобутановые тиминовые димеры
title_sort полимеразно-таутомерная модель радиационно-индуцированной нестабильности генома: мишенные задерживающиеся мутации замены оснований при синтезе, склонном к ошибкам, и sos-синтезе двунитевой днк, содержащей цис-син циклобутановые тиминовые димеры
publisher Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
publishDate 2017
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/168161
citation_txt Полимеразно-таутомерная модель радиационно-индуцированной нестабильности генома: мишенные задерживающиеся мутации замены оснований при синтезе, склонном к ошибкам, и SOS-синтезе двунитевой ДНК, содержащей цис-син циклобутановые тиминовые димеры / Е.А. Гребнева // Физика и техника высоких давлений. — 2017. — Т. 27, № 3. — С. 131-148. — Бібліогр.: 46 назв. — рос.
series Физика и техника высоких давлений
work_keys_str_mv AT grebnevaea polimeraznotautomernaâmodelʹradiacionnoinducirovannojnestabilʹnostigenomamišennyezaderživaûŝiesâmutaciizamenyosnovanijprisintezesklonnomkošibkamisossintezedvunitevojdnksoderžaŝejcissinciklobutanovyetiminovyedimery
first_indexed 2025-07-15T02:45:53Z
last_indexed 2025-07-15T02:45:53Z
_version_ 1837679321393659904
fulltext Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 3 © Е.А. Гребнева, 2017 PACS: 87.53.–j, 87.14.Gg Е.А. Гребнева ПОЛИМЕРАЗНО-ТАУТОМЕРНАЯ МОДЕЛЬ РАДИАЦИОННО-ИНДУЦИРОВАННОЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ ГЕНОМА: МИШЕННЫЕ ЗАДЕРЖИВАЮЩИЕСЯ МУТАЦИИ ЗАМЕНЫ ОСНОВАНИЙ ПРИ СИНТЕЗЕ, СКЛОННОМ К ОШИБКАМ, И SOS-СИНТЕЗЕ ДВУНИТЕВОЙ ДНК, СОДЕРЖАЩЕЙ ЦИС-СИН ЦИКЛОБУТАНОВЫЕ ТИМИНОВЫЕ ДИМЕРЫ Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина Статья поступила в редакцию 17 мая 2017 года В рамках полимеразно-таутомерной модели предлагаются механизмы образования мишенных задерживающихся мутаций замены оснований, вызванных цис-син циклобутановыми тиминовыми димерами. Как было установлено ранее, тимин может образовывать пять редких таутомерных форм, которые будут стабиль- ными, если соответствующие нуклеотиды входят в состав циклобутановых диме- ров. Структурный анализ встраивания оснований показал, что напротив редкой таутомерной формы тимина 3T  можно встроить любое каноническое основание так, чтобы между ними образовались водородные связи. А напротив каноническо- го тимина можно встроить только цитозин. Если синтез ДНК, содержащей цис- син циклобутановые димеры, идет с помощью ДНК-полимераз со сравнительно высокой точностью синтеза, мутации не появятся. Но, если в дальнейшем в син- тезе ДНК будут участвовать ДНК-полимеразы, обладающие низкой точностью синтеза, могут появиться мутации замены оснований. Причем, они могут образо- ваться через много циклов репликации после повреждения ДНК. Показано, что цис-син циклобутановые тиминовые димеры TT могут приводить только к мишен- ным задерживающимся трансверсиям T–A  G–C, а димеры 3TT  – к T–A  C–G и к трансверсиям T–A  G–C или T–A  A–T. Ключевые слова: радиационно-индуцированная нестабильность генома, редкие таутомерные формы оснований ДНК, цис-син циклобутановые тиминовые димеры, мишенные задерживающиеся мутации замены оснований, склонная к ошибкам репликация, SOS-репликация Введение Радиационно-индуцированной нестабильностью генома называются био- логические эффекты, которые возникают в потомстве облученных клеток через многие поколения клеточного деления [1]. Следовательно, согласно этому определению такая нестабильность генома включает только задержи- вающиеся мутации. К ним относятся как мишенные, так и немишенные Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 3 132 задерживающиеся мутации. Нестабильность генома, приводящая к раковым заболеваниям, характеризуется резким возрастанием количества немишен- ных и задерживающихся мутаций [2]. Для того чтобы понять механизм об- разования мишенных задерживающихся мутаций замены оснований, изу- чим, какие мутации могут появляться напротив цис-син циклобутановых пи- римидиновых димеров. Такие димеры – это повреждения молекулы ДНК, чаще всего возникающие при ее облучении ультрафиолетовым (УФ) светом [3]. Ультрафиолетовый мутагенез довольно хорошо изучен, УФ-свет приво- дит к небольшому количеству фотоповреждений, кроме того, он вызывает рак кожи. Следовательно, он является прекрасной моделью для изучения природы и механизмов образования любых типов мутаций. В результате облучения молекулы ДНК УФ-светом образуются циклобу- тановые пиримидиновые димеры или (6–4)-аддукты. Чаще всего появляются цис-син циклобутановые пиримидиновые димеры, в которых ориентация ос- нований относительно сахаро-фосфатного остова не изменяется. Мутации всегда образуются при синтезе ДНК в процессах склонной к ошибкам или SOS-репликации, репарации или транскрипции. Эти процессы вызывают мишенные мутации замены оснований, мишенные инсерции, мишенные де- леции, мишенные сложные мутации и мишенные задерживающиеся мута- ции. Только 5–12% циклобутановых димеров и (6–4)-аддуктов приводят к ошибкам репликации, большая часть фотодимеров не вызывает мутации. Когда мутации образуются напротив фотопродуктов, циклобутановых пиримиди- новых димеров или (6–4)-аддуктов, такой мутагенез называется мишенным. Когда же мутации появляются в небольшой окрестности от димеров, имеет место немишенный мутагенез. Иногда образуются задерживающиеся мута- ции [1] (см. обзор в [4]). Однократное воздействие УФ-света UVA может оказывать влияние в те- чение нескольких дней после облучения, усиливая, таким образом, вредные эффекты воздействия. Задерживающиеся мутации обычно точечные, больше половины из которых составляют мутации замены оснований [5]. Как пока- зывает эксперимент, повреждения ДНК, приводящие к задерживающимся мутациям, обычно не удаляются. Такие мутации могут вносить значитель- ный вклад в генетические заболевания. В настоящее время не известны молекулярные механизмы, лежащие в ос- нове индуцированной геномной нестабильности [1]. Классическая парадиг- ма радиобиологии основана на концепции, что на живой материи все эффек- ты радиации обусловлены ее прямым действием. Считается, что нестабиль- ность генома, включающая мишенные и немишенные задерживающиеся му- тации, просто не может быть объяснена на основе прямого повреждения ДНК. Поэтому предлагается сменить парадигмы радиационной биологии для низких доз радиации. Задерживающиеся эффекты могут играть важную роль в процессе радиационного канцерогенеза [2]. Была высказана идея, что последний не прямо связан с мутациями, а излучение вызывает рак вслед- Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 3 133 ствие повреждения белка. Исследуется гипотеза, что сигнальные механизмы играют важную роль в геномной нестабильности (см. обзор в [6]). Сразу в определение радиационно-индуцированной нестабильности генома включа- ется утверждение, что она образовалась в клетках, которые не были облуче- ны [1]. Это утверждение может быть ошибочным. По крайней мере, оно тре- бует детальной проверки. Таким образом, в настоящее время не ясен меха- низм образования задерживающихся мутаций [1]. Общепринятая полимеразная парадигма связывает причину образования мутаций исключительно со спорадическими ошибками ДНК-полимераз (см. обзор в [7,8]). Таутомерные модели мутагенеза опираются на идею Уот- сона и Крика [9] о том, что в его основе может лежать способность основа- ний ДНК находиться в различных таутомерных формах. Выполнено боль- шое количество работ, посвященных изучению редких таутомерных форм как в основаниях ДНК, так и в других модельных молекулах. Показано, что после того как цитозин облучали УФ-светом (цитозин был изолирован в низкотемпературной аргоновой матрице), он переходил из основной в ред- кие таутомерные формы, их соотношение зависело от интенсивности облу- чения (см. обзор в [6–8]). В [10,11] природа дефектных состояний в кристал- лах оснований нуклеиновых кислот, облученных УФ-светом, изучена мето- дом термостимулированной люминесценции. Авторами сделан вывод о на- личии редких таутомерных форм цитозина в исследованных кристаллах. Однако все существующие в настоящее время модели мутагенеза не могут объяснить большинство его явлений (см. анализ в обзорах [6–8]). В ряде работ автор данной статьи предложила и разрабатывает полиме- разно-таутомерные модели УФ-мутагенеза [4,6–8,12–36], радиационно-ин- дуцированных нестабильности генома [35] и байстендер-эффектов [6,19, 22,27,29,36]. Результаты, полученные по УФ-мутагенезу, просуммированы в работе [8]. Предложен механизм образования редких таутомерных форм ос- нований ДНК [8,12–14]. Показано, что при появлении цис-син циклобутано- вых пиримидиновых димеров может изменяться таутомерное состояние вхо- дящих в них оснований [8,21,23]. Возможно образование пяти новых редких таутомерных состояний тимина и аденина [8,21,23] и семи – гуанина и цито- зина [4,17,25]; они устойчивы, когда входят в состав циклобутановых диме- ров или находятся в ближайших окрестностях от них, а также во время син- теза ДНК [8,24]. Разработаны механизмы образования мишенных мутаций замены оснований [8,20,24], инсерций [9,30,31], делеций [8,32,34] и сложных инсерций [8,33] при склонном к ошибкам или SOS-синтезе молекулы ДНК, содержащей цис-син циклобутановые тиминовые димеры, а также формиро- вания мишенных мутаций замены оснований [4,18,26] и сдвига рамки счи- тывания (инсерций) [30] при склонном к ошибкам или SOS-синтезе молеку- лы ДНК, содержащей цис-син циклобутановые цитозиновые димеры. Кроме того, предложен механизм образования горячих и холодных пятен УФ-мутагенеза [16,28]. Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 3 134 Возможно формирование пяти цис-син циклобутановых тиминовых ди- меров 1TT , 2TT , 3TT , 4TT и 5TT , содержащих молекулы тимина в редких таутомерных формах. Димеры 1TT , 4TT и 5TT могут вызывать только ми- шенные мутации замены оснований [8,20,24]; димеры 2TT – мишенные му- тации сдвига рамки чтения, инсерции [8,30,31] и делеции [8,32,34]; димеры 3TT – только задерживающиеся мишенные мутации замены оснований [35]. Участок ДНК, содержащий цис-син циклобутановые тиминовые димеры с молекулами тимина в различных редких таутомерных формах, может при- водить к мишенным сложным мутациям, например к сложным инсерциям [8,33]. В рамках полимеразно-таутомерной модели радиационно-инду- цированных байстендер-эффектов, подробно обоснованной в [6], были разработаны механизмы образования немишенных мутаций замены основа- ний [6,19,22,27,29] и сдвига рамки считывания [36]. Источником этих мутаций являются основания ДНК в определенных редких таутомерных формах, находящиеся в небольших окрестностях от циклобутановых диме- ров [6,19,22,27, 29]. Механизм образования задерживающихся мишенных мутаций замены оснований разработан в рамках полимеразно-таутомерной модели радиаци- онно-индуцированной нестабильности генома [35]. В данной работе иссле- дуем, к каким биологическим последствиям могут привести канонические цис-син циклобутановые тиминовые димеры TT и димеры 3TT с основания- ми, находящимися в редкой таутомерной форме 3T . Для того чтобы понять механизм образования задерживающихся мутаций, надо хорошо понимать, как происходит синтез ДНК и как работают различные ДНК-полимеразы. 1. Особенности синтеза ДНК Основной функцией ДНК, как известно, является сохранение наследст- венной информации путем полуконсервативной репликации. Репликация – процесс удвоения ДНК (синтез ДНК на ее матрице). Матричный синтез, происходящий при репликации и транскрипции, следует правилам компли- ментарности азотистых оснований (А–Т и G–C), основанным на их особой химической структуре, позволяющей ферментам этого синтеза (ДНК- и РНК-полимеразам) точно копировать последовательность нуклеотидов. Большинство данных ферментов строго различают нормальные звенья в матричных молекулах, поэтому химические модификации нуклеотидов в ДНК приводят, как правило, к блокированию нормальной транскрипции и репликации, т.е. являются некодирующими повреждениями. Обычно ДНК-полимеразы ведут синтез с очень высокой точностью – от 10 –9 до 10 –11 ошибочных оснований на пару оснований при репликации де- лящейся клетки [37]. Повреждения в ДНК устраняются с помощью ряда ре- парационных механизмов. К ним относятся фоторепарация, эксцизионная и пострепликативная репарация, коррекция неправильно спаренных основа- Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 3 135 ний и др. [38]. Если не все повреждения будут удалены, то возможно инду- цирование склонной к ошибкам или SOS-системы. В этом случае может происходить и синтез на ДНК, содержащей повреждения, который называ- ется синтезом через повреждение. Он может вызывать мутации [37], появ- ляющиеся в результате ошибок ДНК-полимераз. SOS-репликация и SOS-ре- парация бактерий или склонные к ошибкам репликация и репарация млеко- питающих могут приводить к мутациям в результате действия механизма скользящей скрепки [39] или при работе специализированных ДНК-поли- мераз, характеризующихся низкой точностью синтеза [40]. Эти процессы действуют совместно и согласованно, так что синтезируется наиболее под- ходящая полимераза, соответствующая данному повреждению ДНК [40]. 1.1. ДНК-полимеразы ДНК-полимеразы – это ферменты, участвующие в репликации ДНК. Они осуществляют синтез дочерних нитей ДНК при репликации, застраивают поврежденные участки ДНК в ходе репарации и потому играют ключевую роль в процессах репродукции генома и сохранения его первичной структу- ры. В бактерии E. coli было найдено три конститутивные ДНК-полимеразы. Главной является ДНК-полимераза III, осуществляющая репликацию ДНК. ДНК-полимеразы человека δ и ε являются ключевыми ферментами в репли- кации хромосом. Указанные полимеразы обладают 35-экзонуклеазной активностью, выполняющей корректорскую функцию в ходе синтеза ДНК [37,41]. Ферменты и белки, участвующие в репликации (их больше 40), объединены в единый комплекс – реплисому. Известно, что ДНК-поли- мераза обычно действует в комплексе с другими ферментами и белками. Холофермент ДНК-полимеразы может включать саму ДНК-полимеразу, белки, регулирующие скорость синтеза, 35-экзонуклеазу и т.д. [37]. 1.2. Механизм скользящей скрепки Изучение механизма смены полимеразной активности на корректорскую показало, что, например, ДНК-полимераза III диссоциирует от ДНК, после чего с ней ассоциирует экзонуклеазный центр той же или другой молекулы. Аналогичный механизм наблюдается у ДНК-полимеразы δ эукариот. Если в процессе репликации было встроено ошибочное основание, то оно обычно удаляется с помощью 35-экзонуклеазы. После совершения ошибки 3–ОН-конец праймера выходит из двойной спирали ДНК и вероятность диссоциации ДНК-полимеразы от праймера возрастает. Она диссоциирует от ДНК, после чего с ней ассоциирует экзонуклеазный центр той же или другой молекулы [41]. Скорость удлинения праймера уменьшается в 10 3 – –10 6 раз в зависимости от конкретного сочетания неспаренных нуклеотидов. Во время этой паузы ошибочные нуклеотиды могут быть удалены 35-экзонуклеазами данной или других ДНК-полимераз либо автономны- ми 35-экзонуклеазами. Даже бактериальная 35-экзонуклеаза (субъе- Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 3 136 диница ε из холофермента ДНК-полимеразы III E. coli) эффективно исправ- ляет ошибки, допущенные ДНК-полимеразами млекопитающих, несмотря на отсутствие комплекса между этими ферментами. Удалив неспаренный нуклеотид, 35-экзонуклеаза вскоре отделяется от ДНК, и полимеразный синтез возобновляется [41]. Решающую роль в регуляции соотношения полимеразной и корректор- ской активности ДНК-полимеразы III E. coli играет фактор процессивности – субъединица β. Его молекулы образуют кольцевую перемещающуюся по ДНК подвижную платформу или «скользящую скрепку» с отверстием для двунитевой ДНК в центральной части, которая удерживает ДНК-полимеразу III на матрице и обеспечивает высокопроцессивный синтез ДНК (синтез с высокой скоростью) [41]. Аналогичный механизм имеется и у мле- копитающих. Следовательно, при склонном к ошибкам или SOS-синтезе ДНК, содер- жащей димеры, во-первых, ослабляется контроль над основаниями мат- ричной ДНК. Это, в частности, выражается в том, что нуклеотидные ос- нования встраиваются напротив димеров. Во-вторых, если образовалась ошибочная пара, механизм «скользящей скрепки» прижимает ДНК-по- лимеразу к матрице и не дает 35-экзонуклеазе удалить «неправильное основание». 1.3. Специализированные ДНК-полимеразы Для обеспечения эффективной и своевременной репликации молекулы ДНК организмы обладают специализированными ДНК-полимеразами, спо- собными вести синтез через различные типы повреждений ДНК. Синтез че- рез повреждение – это процесс, в котором специализированные ДНК-по- лимеразы реплицируют напротив повреждений ДНК. Известно несколько специализированных ДНК-полимераз эукариот: зета (Pol ζ), каппа (Pol κ), эта (Pol η), тета (Pol θ), йота (Pol ι) [37,42]. В E. coli известны две специализированные ДНК-полимеразы – IV и V [40]. Оба фермента – это индуцибельные компоненты SOS-системы. Они являются частью индуцированного стрессом процесса, который позволяет им функционировать только тогда, когда высокая скорость образования мутаций выгодна для организма [37,40]. ДНК-полимераза V находится под жестким контролем и обычно синтезируется только при индукции SOS-сис- темы. ДНК-полимераза IV появляется гораздо чаще, чем Pol III – приблизи- тельно 250 молекул Pol IV приходятся на 30 молекул Pol III. ДНК-поли- мераза Pol IV приводит к немишенному мутагенезу, кроме того, она участ- вует в мутагенезе неделящихся клеток. Когда ДНК-полимераза III останав- ливается, происходит замена Рol III на ДНК-полимеразу IV, способную обходить специфические повреждения. ДНК-полимераза V способствует застройке брешей в образующейся (дочерней, растущей) нити ДНК и ответственна за значительную часть Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 3 137 УФ-мутагенеза. Кроме того, она вносит вклад в немишенный мутагенез [40] эффективно обходит цис-син циклобутановые тиминовые димеры in vitro и in vivo [40]. Но в отсутствие ДНК-полимеразы V почти не происходит репликация участка ДНК, содержащего цис-син циклобутановые тиминовые димеры [40]. Замены конститутивных ДНК-полимераз на специализированные, спо- собные вести синтез на матрице, содержащей повреждения, дают возмож- ность обходить повреждения и предотвращают гибель клеток. Тонкая регу- ляция, позволяющая вовлекать самую подходящую в каждый данный мо- мент ДНК-полимеразу, обеспечивает максимально возможную в данной си- туации точность синтеза (см. обзор в [4]). Например, больные ксеродермой пигментозой (xeroderma pigmentosum) имеют нормальную эксцизионную репарацию, тем не менее они предрасположены к раку, вызываемому све- том. У них в 25 раз чаще, чем у здоровых людей образуются мутации, инду- цированные УФ-светом, причем очень необычного спектра – главным обра- зом трансверсии. Первичным дефектом в клетках ксеродермы пигментозы является недостаток функциональной ДНК-полимеразы Pol η. При ее отсут- ствии работает полимераза Pol ι, которая аномально склонна к ошибкам. Было показано, что в клетках, недостаточных по Pol η, ДНК-полимераза Pol ι ответственна за высокую частоту и аномальный спектр УФ-инду- цированных мутаций и в конечном счете за их злокачественное перерож- дение [43]. Однако УФ-индуцированные опухоли на коже у мышей, клетки которых имели недостаточность по Рol η, проявлялись на 4 недели раньше, если, кроме того, добавлялась недостаточность по Рol ι. Таким образом, ДНК-полимераза Рol ι способна не только обходить УФ-фотопродукты, но и задерживать индуцированный светом рак кожи [44]. Скользящая β-скрепка функционирует со всеми ДНК-полимеразами Е.сoli [40]. При повреждении ДНК поврежденное основание на лидирующей нити останавливает синтез ДНК, происходящий с помощью Pol III. Синтез этого участка ДНК продолжается полимеразами с низкой точностью синте- за, такими как Pol IV и Pol V, они обходят повреждение, после чего Pol III может возобновить синтез [40]. Смена полимераз происходит с помощью скользящей β-скрепки. Она одновременно связывает две различные ДНК- полимеразы: одной из них является Pol III, обладающая высокой точностью синтеза, а другой – специализированная полимераза Pol IV или Pol II. Таким образом, когда индуцируется склонная к ошибкам или SOS-систе- ма, ослабляется контроль за основаниями, и даже конститутивные ДНК-по- лимеразы Pol III E. coli и ДНК-полимеразы млекопитающих δ и ε могут встраивать основания напротив циклобутановых димеров. Даже когда фор- мируется ошибочная пара оснований, механизм «скользящей скрепки» прижимает ДНК-полимеразу к матрице, что предотвращает удаление 35-экзонуклеазой «неправильного» основания. Кроме того, синтез ДНК могут вести ДНК-полимеразы, вообще не имеющие экзонуклеаз (напри- Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 3 138 мер, ДНК-полимеразы E. coli IV или V либо млекопитающих Pol ζ, Pol ι или Pol κ). Кроме того, специализированные ДНК-полимеразы могут прижи- маться «скользящей скрепкой», что понижает точность, но повышает скорость синтеза и в случае большого количества повреждений позволяет предотвратить гибель клетки. а б в г д е Рис. 1. Редкое таутомерное состояние тимина 3T (б) и структурный анализ спари- вания тимина 3T с каноническими основаниями ДНК: аденином (в), гуанином (г), цитозином (д), тимином (е). Для примера приведены тимин (Т) и аденин (А) в канонических таутомерных формах (а) Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 3 139 2. Образование мишенных задерживающихся мутаций замены оснований при склонном к ошибкам или SOS-синтезе молекулы ДНК, содержащей цис-син циклобутановые димеры  3TT Если циклобутановые пиримидиновые димеры не устранены в процессах репарации, то они могут приводить к мишенным мутациям при склонной к ошибкам или SOS-репликации, репарации или транскрипции [8]. Мутации образуются, если в синтез ДНК вовлекаются модифицированные или спе- циализированные ДНК-полимеразы [40]. Как показал анализ работы различ- ных ДНК-полимераз, специализированные и модифицированные ДНК-по- лимеразы встраивают напротив циклобутановых пиримидиновых димеров такие канонические основания, которые могут образовывать с ними водород- ные связи [24]. То есть ошибочный синтез ДНК идет точно так же, как и безошибочный. а б в Рис. 2. Склонный к ошибкам и SOS-синтез участка ДНК, содержащего цис-син циклобутановые тиминовые димеры TT и 3TT , когда они не приводят к появлению мутаций: а – участок ДНК, содержащий димеры TT и 3TT ; б – напротив тимина в редкой таутомерной форме 3T и канонического тимина Т встраиваются молекулы аденина; в – напротив молекул аденина встраиваются молекулы тимина, мутации не образуются Проведем структурный анализ встраивания канонических оснований на- против тимина в редкой таутомерной форме 3T (рис. 1,б). Как видно из рис. 1,в, тимин 3T может сформировать одну водородную связь с аденином. Кроме того, он может образовать две водородные связи с гуанином (рис. 1,г), одну – с цитозином (рис. 1,д) и одну – с тимином (рис. 1,е). Рассмотрим участок ДНК (рис. 2,а), одна нить которого содержит один цис-син циклобутановый тиминовый димер 3TT , одно основание в котором – это канонический тимин, а второе – это тимин 3T в редкой таутомерной форме (см. рис. 1,б). Пусть другие цис-син циклобутановые тиминовые ди- Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 3 140 меры находятся довольно далеко от него. Поскольку повреждение всего од- но, синтез через повреждение будет идти довольно быстро и с высокой точ- ностью, например, с помощью ДНК-полимеразы Pol III бактерий E. coli или ДНК-полимеразы δ эукариот. Если случайно напротив димера 3TT будет встроен «неправильный» нуклеотид, то ошибочные нуклеотиды могут быть удалены 35-экзонуклеазами. Следовательно, с высокой вероятностью на- против тимина 3T будет встроен аденин (рис. 2,б). В этом случае мутация не образуется (рис. 2,в). И так может продолжаться много циклов репликации ДНК. Мутации не будут появляться до тех пор, пока ситуация не изменится. а б в Рис. 3. Склонный к ошибкам и SOS-синтез участка ДНК, содержащего цис-син циклобутановые тиминовые димеры TT и 3TT , когда димер 3TT приводит к появ- лению транзиции T–A  C–G, а димер TT не приводит к мутации: а – участок ДНК, содержащий димеры 3TT и TT; б – напротив тимина 3T встраивается гуанин, а напротив канонических молекул тимина Т встраивается аденин; в – напротив гуа- нина встраивается цитозин, появилась транзиция T–A  C–G Пусть через некоторое, возможно, продолжительное время недалеко от цис-син циклобутанового димера 3TT образовался другой, например, кано- нический циклобутановый димер (рис. 3,а). В этом случае синтез через повреждение с помощью модифицированных или специализированных ДНК-полимераз будет идти с меньшей точностью. Например, синтез по- прежнему будет идти с помощью ДНК-полимеразы Pol III E. coli или ДНК-полимеразы δ эукариот, но в присутствии скользящей скрепки. Тогда, если появится «неправильная» пара оснований, скользящая скрепка будет Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 3 141 прижимать ДНК-полимеразу к нити ДНК и не позволит 35-экзо- нуклеазам удалить ошибочное основание. Допустим, что в этом случае по- низится точность контроля над количеством водородных связей, образую- щихся между основаниями ДНК. Но сохранится контроль над тем, чтобы формировались только пары оснований пиримидин-пурин. Следовательно, напротив тимина 3T с некоторой вероятностью может быть встроен гуанин (рис. 3,б). В этом случае появится задерживающаяся мишенная транзиция T–A  C–G (рис. 3,в). а б в г д Рис. 4. Склонный к ошибкам и SOS-синтез участка ДНК, содержащего цис-син циклобутановые тиминовые димеры TT и 3TT , когда димер 3TT приводит к появ- лению трансверсии T–A  G–C или гомологичной трансверсии T–A  A–T, а ка- нонический димер TT приводит к появлению трансверсии T–A  G–C: а – участок ДНК, содержащий димеры 3TT и TT, а также повреждения Ch и Sp, способные останавливать синтез ДНК; б – напротив тимина 3T и канонического тимина, вхо- дящих в состав димеров 3TT и TT встраивается цитозин; в – напротив тимина 3T встраивается тимин, а напротив тимина Т, входящего в состав димера TT, встраи- вается цитозин; г – напротив цитозина встраивается гуанин, образуется трансверсия T–A  G–C; д – напротив тимина встраивается аденин, образуется гомологичная трансверсия T–A  A–T Пусть через некоторое время после облучения ДНК УФ-светом недалеко от цис-син циклобутанового димера 3TT появится много других поврежде- ний, способных останавливать синтез ДНК. Часть из них может быть вызва- на, например, свободными радикалами – основной причиной спонтанного мутагенеза. На рис. 4 они обозначены как Sp. Другие повреждения ДНК мо- гут быть обусловлены действием каких-то других химических веществ. Хо- Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 3 142 рошо известно, у больных сердечно-сосудистыми и раковыми заболевания- ми обнаружено большое количество тяжелых металлов и других химических веществ [45]. На рис. 4 они обозначены как Ch. Как показывает экспери- мент, если имеется большое количество повреждений ДНК, в синтез через повреждение вовлекаются ДНК-полимеразы с более низкой скоростью и точностью синтеза. Например, синтез будет вестись с помощью ДНК-по- лимераз IV или V E. coli, или каких-то специализированных ДНК-по- лимераз эукариот. Да еще, возможно, они будут прижиматься скользящей скрепкой. В этом случае с большой вероятностью могут образовываться не только транзиции, но и трансверсии. Напротив тимина 3T может быть встроен цитозин (рис. 4,б), в этом случае появится трансверсия T–A  G–C. Кроме того, напротив тимина 3T может быть встроен тимин (рис. 4,б), в этом случае появится гомологичная трансверсия T–A A–T [35]. 3. Образование мишенных задерживающихся мутаций замены оснований при склонном к ошибкам или SOS-синтезе молекулы ДНК, содержащей цис-син циклобутановые тиминовые димеры ТТ Изучим, могут ли при определенных условиях канонические цис-син циклобутановые тиминовые димеры приводить к каким-либо мишенным мутациям (это очень важный вопрос, поскольку, как правило, 88–95% таких димеров не вызывают мутаций [46]). Выполним структурный анализ и вы- ясним, какие канонические основания могут образовывать водородные связи с молекулами тимина. Разумеется, тимин способен спариваться с аденином (рис. 5,а), не может спариваться с каноническими гуанином (рис. 5,в) и тимином (рис. 5,г), однако он может образовывать водородные связи с кано- ническим цитозином (рис. 5,б). (Впрочем, этот факт давно известен.) Необходимо установить, при каких условиях канонические цис-син циклобутановые тиминовые димеры могут приводить к мутациям и к каким именно. При наличии одного или двух димеров (см. рис. 2,а, 3,а) синтез через повреждение идет довольно быстро и с высокой точностью. Следова- тельно, с высокой вероятностью напротив тимина T будет встроен аденин (см. рис. 2,б, 3,б). В этом случае мутация не образуется (см. рис. 2,в, 3,в). И так может продолжаться много циклов репликации ДНК. Пусть через некоторое, возможно, продолжительное время недалеко от цис-син циклобутанового димера TT сформировались несколько других циклобутановых пиримидиновых димеров (см. рис. 3,а). Синтез через повреждение с помощью модифицированных или специализированных ДНК-полимераз будет идти с меньшей точностью. Допустим, что при этом понизится точность контроля над количеством водородных связей, обра- зующихся между основаниями ДНК, но сохранится контроль над тем, чтобы спаривались основания пиримидин–пурин. И в этом случае напротив кано- нического тимина будет встроен аденин (рис. 3,б) и мутации не появятся (рис. 3,в). Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 3 143 а б в г Рис. 5. Структурный анализ возможности спаривания канонического тимина T с каноническими основаниями ДНК: аденином (а), цитозином (б), гуанином (в), тимином (г) Допустим, через некоторое время после облучения ДНК УФ-светом неда- леко от димера TT появится много других повреждений, способных оста- навливать синтез ДНК. Часть из них может быть вызвана, например, сво- бодными радикалами. На рис. 4 они обозначены как Sp. Другие поврежде- ния ДНК могут быть обусловлены действием каких-то других химических веществ. Как хорошо известно, у больных сердечно-сосудистыми и раковы- ми заболеваниями обнаружено большое количество тяжелых металлов и других химических веществ, способных повреждать молекулу ДНК [45]. На рис. 4 они обозначены как Ch. Эксперимент показывает, что если имеется большое количество повреждений ДНК, в синтез через повреждение вовле- каются ДНК-полимеразы с более низкими скоростью и точностью синтеза. Например, синтез будет вестись с помощью ДНК-полимераз IV, или V Е. coli, или каких-то специализированных ДНК-полимераз эукариот. Скорее всего, они будут прижиматься скользящей скрепкой. Только в этом случае могут образовываться трансверсии. Напротив тимина T может быть встроен цитозин (рис. 4,б), и появится трансверсия T–A  G–C (рис. 4,в). Тот факт, что при этих условиях мутации могут появляться напротив ка- нонических цис-син циклобутановых тиминовых димеров, меняет ситуацию кардинальным образом. Оценим, во сколько раз повышается в этом случае вероятность появления задерживающихся мутаций замены оснований по Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 3 144 сравнению с тем случаем, когда источником таких мутаций являются только димеры 3TT . Только 5–10% димеров, как правило, приводят к мутациям [46]. Как показано в полимеразно-таутомерной модели УФ-мутагенеза, это димеры с основаниями в редких таутомерных формах [4,7,8]. Следователь- но, если к мутациям будут приводить все димеры, то вероятность образова- ния мутаций (по этой причине) возрастет в 10–20 раз. Возможно образова- ние 5 редких таутомерных форм тимина [8,23]. Только одна из них может приводить к задерживающимся мутациям замены оснований [35]. Следова- тельно, по этой причине вероятность образования рассматриваемых мута- ций увеличится в 50–100 раз. Кроме того, как известно, основная часть му- таций появляется напротив цитозиновых димеров или димеров, состоящих из цитозина и тимина [47]. Согласно полимеразно-таутомерной модели это связано с тем, что цитозин чаще образует редкие таутомерные формы, чем тимин [8,23]. По этой причине вероятность появления задерживающихся мутаций замены оснований, вызванных каноническими цис-син циклобута- новыми тиминовыми димерами, будет в 500–1000 раз больше, чем, если бы они образовывались только напротив димеров 3TT . Эту оценку легко про- верить экспериментально. При очень большом количестве повреждений ДНК мишенные задерживающиеся мутации замены оснований, вызванные цис-син циклобутановыми цитозиновыми и тиминовыми димерами, будут встречаться с близкими вероятностями. Можно сделать вывод, что, источником мишенных задерживающихся му- таций замены оснований могут быть цис-син циклобутановые тиминовые димеры 3TT , одно или оба основания которых находятся в таких редких таутомерных формах, которые могут образовывать водородные связи и с аденином, и с другими каноническими основаниями ДНК. Кроме того, к мишенным задерживающимся мутациям могут приводить и канонические цис-син циклобутановые тиминовые димеры ТТ. Появится или нет задержи- вающаяся мутация, полностью зависит от соседнего окружения. Если рядом нет других повреждений ДНК или их очень мало, то синтез через поврежде- ние будет идти довольно точно и мутация не образуется. Если рядом с ди- мером 3TT находятся другие повреждения, способные останавливать синтез ДНК, то синтез будет идти с помощью других специализированных ДНК-полимераз с более низкой точностью синтеза. В результате могут поя- виться транзиции T–A  C–G. Наконец, если рядом с димером 3TT или ТТ находятся много повреждений, способных останавливать синтез ДНК, то в синтез через повреждение будут вовлечены специализированные ДНК-по- лимеразы с очень низкой точностью синтеза, которая может понижаться еще и работой скользящей скрепки. В этом случае димер 3TT может привести к трансверсии T–A  G–C или гомологичной трансверсии T–A  A–T. Но канонический цис-син циклобутановый тиминовый димер TT может вызвать только трансверсию T–A  G–C. Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 3 145 Заключение Автором настоящей статьи предложены и развиты полимеразно- таутомерные модели УФ-мутагенеза, радиационно-индуцированных неста- бильности генома и байстендер-эффектов. Предложен механизм образова- ния мишенных задерживающихся мутаций замены оснований, вызванных цис-син циклобутановыми тиминовыми димерами. Ранее был разработан механизм образования редких таутомерных форм оснований ДНК и показа- но, что тимин может образовывать пять редких таутомерных форм, которые стабильны, если соответствующие нуклеотиды входят в состав циклобута- новых димеров. Структурный анализ встраивания оснований показал, что напротив одной редкой таутомерной формы тимина 3T можно встроить аденин, но также и любое другое каноническое основание так, чтобы между ними образовались водородные связи. Если синтез ДНК, содержащей димер 3TT , идет с помощью ДНК-полимераз со сравнительно высокой точностью синтеза, мутации не появятся. Но, если в дальнейшем в синтезе ДНК будут участвовать ДНК-по-лимеразы, обладающие низкой корректорской точно- стью, способны появиться мишенные задерживающиеся мутации замены оснований. Причем, они могут образоваться через много циклов репликации после повреждения ДНК. Кроме того, выяснилось, что даже канонические цис-син циклобутановые тиминовые димеры способны приводить к мишен- ным задерживающимся мутациям замены оснований. Они могут вызывать только мишенные задерживающиеся трансверсии T–A  G–C. Такие мута- ции способны образоваться только в том случае, когда рядом с каноничес- ким тиминовым димером имеется очень много других повреждений ДНК. Сделан вывод, что причиной нестабильности генома является большое количество повреждений ДНК. Не все эти повреждения обязательно должны быть мутагенными. Если эти повреждения способны останавливать синтез ДНК то, следовательно, они могут приводить к синтезу через повреждение, вызывать ДНК-полимеразы с низкой точностью синтеза и, следовательно, вносить вклад в мутагенез. Таким образом, полимеразно-таутомерная модель способна объяснить мишенные мутации замены оснований, мишенные инсерции, мишенные де- леции, мишенные сложные инсерции, появляющиеся сразу после облуче- ния ДНК, а также причины образования горячих и холодных пятен УФ-мутагенеза. Кроме того, она может объяснить такие радиационно-инду- цированные байстендер-эффекты, как немишенные мутации замены основа- ний, сдвига рамки считывания, и такие явления радиационно-индуцирован- ной нестабильности генома, как мишенные задерживающиеся мутации за- мены оснований. Сделан вывод, что для объяснения радиационно-индуцированных бай- стендер-эффектов и радиационно-индуцированной нестабильности генома нет необходимости в смене парадигмы радиационной биологии или генети- ки. Достаточно всего лишь сменить парадигму в мутагенезе. Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 3 146 1. J.B. Little, Oncogene 22, 6978 (2003). 2. O. Niwa, J. Radiation Research 47, B25 (2006). 3. G.P. Pfeifer, Photochem. Photobiol. 65, 270 (1997). 4. H.A. Grebneva, Int. J. Mol. Biol. Open Access, 1(1): 00002. DOI: 10.15406/ijmboa.2016.01.00002. 5. J.B. Little, H. Nagasawa, T. Pfenning, H. Vetrovs. Radiat. Res. 148, 299 (1997). 6. H.A. Grebneva, Int. J. Mol. Biol. Open Access 2, № 2, 1 (2017). 7. H.A. Grebneva, Environ. Mol. Mutagen. 47, 733 (2006). 8. H.A. Grebneva, Polymerase-tautomeric model for ultraviolet mutagenesis. Targeted base substitution and frameshift mutations caused by cis-syn cyclobutane thymine dimmers, LAP LAMBERT Academic Publishing, Germany (2017), p. 134. 9. J.D. Watson, F.H.C. Crick, Cold Spring Harbor Symp. Quant. Biol. 18, 123 (1953). 10. Н.И. Остапенко, Ю.А. Скрышевский, А.К. Кадащук, Ю.В. Рубин, Биополимеры и клетка 6, № 3, 65 (1990). 11. Н.И. Остапенко, Ю.А. Скрышевский, А.К. Кадащук, Ю.В. Рубин, Изв. АН СССР. Сер. физ. 54, 445 (1990). 12. Е.А. Гребнева, УФЖ 37, 1636 (1992). 13. Е.А. Гребнева, Докл. НАН Украины № 2, 73 (1994). 14. Е.А. Гребнева, Мол. Биол. 28, 805 (1994). 15. Е.А. Гребнева, ФТВД 6, № 3, 141 (1996). 16. Е.А. Гребнева, ФТВД 11, № 4, 83 (2001). 17. Е.А. Гребнева, Докл. НАН Украины № 7, 165 (2001). 18. Е.А. Гребнева, Докл. НАН Украины № 8, 183 (2001). 19. Е.А. Гребнева, М.О. Иванов, Биополимеры и клетка 17, 388 (2001). 20. Е.А. Гребнева, Биополимеры и клетка 17, 487 (2001). 21. Е.А. Гребнева, Биополимеры и клетка 18, 205 (2002). 22. Е.А. Гребнева, Биополимеры и клетка 18, 394 (2002). 23. H.A. Grebneva, J. Mol. Struct. 645, 133 (2003). 24. H.A. Grebneva, Environ. Mol. Mutagen. 47, 733 (2006). 25. Е.А. Гребнева, Вісник донецького національного університету. Серия А: Природничі науки № 2, 306 (2008). 26. Е.А. Гребнева, Вісник донецького національного університету. Серия А: Природничі науки № 1, 323 (2009). 27. Е.А. Гребнева, Вісник донецького національного університету. Серия А: Природничі науки № 2, 132 (2011). 28. Е.А. Гребнева, Докл. НАН Украины № 10, 181 (2012). 29. Е.А. Гребнева, Докл. НАН Украины № 1, 143 (2013). 30. Е.А. Гребнева, Докл. НАН Украины № 11, 156 (2014). 31. Е.А. Гребнева, Мол. Биол. 48, 531 (2014). 32. HA. Grebneva, J. Phot. Mat. Techn. 1, № 2, 19 (2015). 33. Е.А. Гребнева, Докл. НАН Украины № 5, 145 (2015). 34. Е.А. Гребнева, Докл. НАН Украины № 4, 124 (2015). 35. Е.А. Гребнева, Докл. НАН Украины № 5, 101 (2016). 36. Е.А. Гребнева, Вестник ЛГУ (2017) (в печати). 37. В.С. Михайлов, Мол. Биол. 33, 567 (1999). http://dx.doi.org/10.15406/ijmboa.2016.01.00002 Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 3 147 38. E.C. Friedberg, G.C. Walker, W. Siede, DNA Rrepair and Mutagenesis, ASM Press, Washington (2006), Part 3. 39. A. Furukohri, M.F. Goodman, H.A. Maki, J. Biol. Chem. 283, 11260 (2008). 40. M. Tang, P. Pham, X. Shen, J.S. Taylor, M. O’Donnell, R. Woodgate, M. Goodman, Nature 404, 1014 (2000). 41. В.М. Крутяков, Мол. Биол. 32, 229 (1998). 42. I.Y. Yang, K. Hashimoto, N. de Wind et al., J. Biol. Chem. 284, 191 (2009). 43. Y. Wang, R. Woodgate, T.P. McManus, S. Mead, J.J. McCormick, V.M. Maher, Cancer Res. 67, 3018 (2007). 44. C.A. Dumstorf, A.B. Clark, Q. Lin, G.E. Kissling, T. Yuan, R. Kucherlapati, W.G. McGregor, T.A. Kunkel, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 103, 18083 (2006). 45. R. Khlifi, A. Hamza-Chaffai, Toxicol. Appl. Pharmacol. 248, № 2, 71 (2010). 46. C.W. Lawrence, S.K. Banerjee, A. Borden, J.E. LeCler, Mol. Gen. Genet. 222, № 1, 166 (1990). H.A. Grebneva POLYMERASE-TAUTOMERIC MODEL FOR RADIATION-INDUCED GENOMIC INSTABILITY: TARGETED DELAYED SUBSTITUTION MUTATIONS UNDER ERROR-PRONE AND SOS SYNTHESIS OF DOUBLE-STRANDED DNA CONTAINING CIS-SYN CYCLOBUTANE THYMINE DIMERS A mechanism of targeted delayed base substitution mutations caused by cis-syn cyclobutane thymine dimers is proposed within the framework of the polymerase- tautomeric model. Thymine is reported to form five rare tautomeric forms, which are stable if the related nucleotides are components of cyclobutane dimers. Structural analysis of the insertion of the bases shows that any canonical base can be incorporated opposite to rare tautomeric form of thymine 3T so that hydrogen bonds would be formed between them. Only cytosine can be incorporated opposite to canonical thymine. If DNA polymerases with relatively high fidelity of synthesis are involved to the synthesis of DNA containing the cis-syn cyclobutane dimer 3TT , mutations do not appear. However, if further DNA synthesis will involve DNA polymerases characterized by a low fidelity of synthesis, base substitution mutations can arise. Moreover, they can be formed through many cycles of replication after DNA has been damaged. It is shown that canonical cis-syn cyclobutane thymine dimers TT can result only in targeted delayed transversions T–A  G–C, but cis-syn cyclobutane thymine dimers 3TT can generate targeted delayed transitions T–A  C–G, targeted delayed transversions T–A  G–C and T–A  A–T. Keywords: UV-mutagenesis, rare tautomeric forms of DNA bases, cis-syn cyclobutane thymine dimers, delayed substitution mutations, error-prone replication, SOS replication Fig. 1. Rare tautomeric state of 3T (б) thymine and structural analysis of pairing of thymine 3T with canonical DNA bases: adenine (в); guanine (г); cytosine (д); As an example, thymine (Т) and adenine (А) are presented in canonical tautomeric forms (a) Физика и техника высоких давлений 2017, том 27, № 3 148 Fig. 2. Error-prone and SOS-replication of the DNA containing ТT and 3TT cis-syn cyclobutane thymine dimmers when mutation are not generated: a – a DNA site containing cis-sin cyclobutane thymine dimers ТT and 3TT ; б – adenine molecules are inserted opposite to thymine in the rare tautomeric form of 3T and canonical thymine T; в – molecules of thymine are inserted opposite to the molecules of adenine, mutations are not formed Fig. 3. Error-prone and SOS-replication of the DNA containing ТT and 3TT cis-syn cyclobutane thymine dimmers when dimer 3TT results in T–A  C–G transition, and dimer ТT does not: a – a DNA site containing cis-sin cyclobutane thymine dimers ТT and 3TT ; б – guanine is inserted opposite to thymine 3TT , and molecules of adenine are inserted opposite to molecules of canonical thymine T; в – cytosine is inserted against guanine, transition T–A  C–G is appeared Fig. 4. Error-prone and SOS-replication of the DNA containing ТT and 3TT cis-syn cyclobutane thymine dimers when dimer 3TT results in T–A  G–C transversion or homologous T–A  A–T transversion, and canonical dimer ТT generates T–A  G–C transversion: a – a DNA site containing dimers ТT and 3TT , as well as damages Ch and Sp that are capable of stopping the synthesis of DNA; б – cytosine is inserted opposite to thymine 3T and canonical thymine, which are parts of dimers 3TT and TT; в – thymine is inserted opposite to thymine 3T , cytosine is inserted opposite canonical thymine T, which is a part of dimer TT; г – guanine is inserted opposite cytosine, T–A  G–C trans- version is formed; д – adenine is inserted opposite to thymine, homologous transversion T–A  A–T is formed Fig. 5. Structural analysis of possible pairing of canonical thymine T with canonical DNA bases: adenine (а), cytosine (б), guanine (в), thymine (г)

Ähnliche Einträge