Основы биохимии Том 3 - А. Ленинджер 1985

Молекулярные механизмы передачи генетической информации
Репликация и транскрипция ДНК
ДНК-полимеразы могут находить и исправлять ошибки

Было установлено, что частота ошибок при репликации ДНК Е. coli не превышает 1 на 10⁹-10¹⁰ нуклеотидов. Поскольку хромосома Е. coli содержит приблизительно 4,5 ∙ 10⁶ пар оснований, на 10 000 клеток, претерпевших один цикл деления, встраивается всего один неправильный нуклеотид. Долгое время считалось, что столь высокая степень точности воспроизведения генетической информации целиком определяется точностью уотсон-криковского спаривания между матричной и новообразованной (дочерней) цепями, однако в результате последующего анализа выяснилось, что если бы точность репликации зависела исключительно от правильности спаривания оснований, то частота ошибок была бы значительно выше - приблизительно 1 на 10⁴-10⁵ остатков. Следовательно, чтобы объяснить такую низкую частоту ошибок при репликации in vivo, необходимо предположить участие в процессе репликации еще какого-то одного или нескольких факторов.

Рис. 28-15. Исправление ошибок с помощью 3'-экзонуклеазной активности ДНК-полимеразы.

Более детальное изучение свойств высокоочищенных ДНК-полимераз позволило получить по крайней мере частичный ответ на вопрос о природе этих факторов. Напомним, что ДНК-полимеразы I и III обладают тремя различными ферментативными активностями. Мы уже видели, как фермент функционирует в качестве полимеразы, а также как он может удалять нуклеотидные остатки с 5'-конца фрагмента ДНК. Однако 3'-экзонуклеазная активность ДНК-полимераз I и III очень озадачивала исследователей, ибо она означала, что эти ферменты способны “пятиться”, отщепляя 3'-концевые нуклеотиды в направлении, противоположном тому, в котором они действуют как полимеразы. 3'-экзону- клеазная активность ДНК-полимераз I и III - это средство проверки новосинтезированной цепи ДНК и исправления ошибок, сделанных ферментом при его работе в качестве полимеразы. Если ДНК-полимераза встраивает неправильный нуклеотид, то фермент сам может распознать неспособность этого нуклеотида образовать правильную пару с соответствующим нуклеотидом матрицы (рис. 28-15). В этом случае фермент возвращается назад и отщепляет неправильный нуклеотид с 3'-конца цепи, после чего полимераза продолжает присоединять правильные нуклеотиды, т.е. возобновляет свое обычное продвижение в направлении 5'→3'. Таким образом, по мере перемещения репликативной вилки вдоль матрицы осуществляется проверка каждого встроенного нуклеотида. Корректирующее действие ДНК-полимеразы очень эффективно; благодаря ему точность репликации повышается как минимум в 10⁴ раз. Суммарная ошибка возникает в результате ошибок, допускаемых ферментом в ходе полимеризации и в процессе исправления их при корректировке; она не превышает одной ошибки на 10⁹-10¹⁰ нуклеотидных остатков.

Очень важно отметить, что процесс репликации протекает со значительно более высокой степенью точности, чем процессы транскрипции и трансляции. Частые ошибки в репликации подвергли бы большому риску сохранность видов и их жизнеспособность. Ошибки же в транскрипции и трансляции гораздо менее опасны, поскольку они влияют на образование РНК или белка только в одной клетке и не изменяют всю последующую родословную вида. Корректировка с помощью ДНК-полимеразы - это, вероятно, лишь один из путей, обеспечивающих высокую точность репликации. Возможно, исключительно сложная организация репликативного процесса и участие в нем множества белков необходимы для достижения именно этой цели. Интересно, что некоторые эукариотические ДНК-полимеразы не осуществляют корректировку. По-видимому, эукариоты обеспечивают точность и надежность процесса репликации с помощью каких-то других средств.