Репликация ДНК: механизмы обеспечения точности у прокариот

Точность репликации ДНК холоферментом ДНК-полимеразы III поражает воображение. Частота ошибочных включений нуклеотидов не превышает 10-9-10-10 на нуклеотид за один раунд репликации [ Cox E.C., 1976 ]. В то же время очищенные каталитические субъединицы реплицируют ДНК с пониженной точностью. В частности, изолированная альфа- субъединица допускает ошибки в опытах in vitro с частотой около 6 10-1 на нуклеотид за один раунд репликации. Частота ошибок, возникающих в ДНК, облученной УФ-светом, одна и та же в ведущей и отстающей цепях вновь синтезируемой ДНК in vivo.

По современным представлениям высокая точность репликации у проукариот достигается за счет трех последовательных механизмов:

1) подбора оснований ДНК (комплементарных основаниям матричной нити), который осуществляется альфа-субъединицей, входящей в состав трехсубъединичного (альфа, епсилион и h) кора голофермента PolIII;

2) корректирующей функцией 3'-5'-экзонуклеазы субъединицы епсилион Pol III

3) КНО с помощью специализированной системы MutHLSU клетки.

Только первые два механизма имеют отношение к собственно ДНК-полимеразе. В первом приближении, можно оценить вклад первого механизма в точность воспроизведения информации как допускающего 1 ошибку на 10#6 нуклеотидов, тогда как два последующих механизма повышают эту точность еще на два порядка каждый.

Корректирующая 3'-5'-экзонуклеазная активность ДНК-полимеразы приводит к расчистке участка ДНК с неправильно спаренным основанием и является результатом достаточно сложной цепи событий. Действительно, связывание dNTP с комплексом " ДНК-полимераза - матрица - 3'-конец синтезируемой нити" протекает, как минимум, через два конформационных изменения ДНК- полимеразы. Оба изменения замедляются, если неправильный dNTP попадает в реакцию, что способствует перемещению неправильного конца в активный центр 3'-5'-экзонуклеазы для расчистки участка ДНК вокруг неспаренного основания и для его ресинтеза. Так как в ходе расчистки удаляются не только неправильные, но и расположенные по соседству правильные нуклеотиды, то корректирующая активность ДНК-полимеразы не может превышать оптимальный предел, ибо в противном случае скорость " сверхкорректной" полимеризации могла бы оказаться чрезвычайно медленной при огромных энергозатратах клетки. Этот предел и ограничивает повышение точности репликации величиной 10#2.

Интересны два обстоятельства.

1) На разных нитях корректирующая активность полимеразы проявляется в разной степени. Частота ошибок в отстающей нити оказывается в 10-20 раз выше, чем в ведущей нити [ Veaute X., Fuchs R.P.P., 1993, Iwaki T., Kawamura A., et al., 1996 ].

2) Корректирующая активность Pol III исправляет преимущественно трансверсии [ Schaaper R.M., 1993 ], оставляя транзиции и сдвиги рамки считывания на долю механизма КНО.