Полимеразно-таутомерная модель механизма образования мишенных задерживающихся мутаций замены оснований при синтезе ДНК, содержащей цис-син циклобутановые тиминовые димеры

Abstract

Впервые предложен механизм образования мишенных задерживающихся мутаций замены оснований, вызванных цис-син циклобутановыми тиминовыми димерами. Мишенные задерживающиеся мутации — это мутации, которые могут появляться напротив повреждений ДНК, способных останавливать синтез ДНК, через несколько циклов репликации после воздействия мутагена. Структурный анализ встраивания оснований показал, что напротив редкой таутомерной формы тимина T*₃ можно встроить аденин, но можно встроить и любое другое каноническое основание так, чтобы между ними образовались водородные связи. Если синтез ДНК, содержащей цис-син циклобутановый тиминовый димер TT*₃, осуществляется с помощью ДНК-полимераз со сравнительно высокой точностью синтеза, мутации не появятся. Но, если в дальнейшем в синтезе ДНК будут участвовать ДНК-полимеразы, обладающие низкой точностью синтеза, могут появиться мутации замены оснований. Причем такие мутации могут образоваться через много циклов репликации после повреждения ДНК. Следовательно, это задерживающиеся мутации. Таким образом, полимеразно-таутомерная модель ультрафиолетового мутагенеза способна объяснить природу и механизмы образования не только горячих и холодных пятен ультрафиолетового мутагенеза, мишенных и немишенных мутаций замены оснований, мишенных инсерций и делеций, мишенных комплексных мутаций, но и мишенных задерживающихся мутаций замены оснований. В рамках полимеразно-таутомерной модели можно понять природу байстендер эффектов и нестабильности генома.

Вперше запропоновано механiзм утворення мiшенних затримних мутацiй замiни основ, викликаних цис-син циклобутановими тимiновими димерами. Мiшеннi затримнi мутацiї — це мутацiї, якi можуть з’являтися навпроти пошкоджень ДНК, здатних зупиняти синтез ДНК, через кiлька циклiв реплiкацiї пiсля впливу мутагену. Структурний аналiз вбудовування основ показав, що навпроти рiдкiсної таутомерної форми тимiну T*₃ можна вбудувати аденiн, але можна вбудувати i будь-яку iншу канонiчну основу так, щоб мiж ними утворилися водневi зв’язки. Якщо синтез ДНК, що мiстить цис-син циклобутановий тимiновий димер TT*₃, вiдбувається за допомогою ДНК-полiмераз з порiвняно високою точнiстю синтезу, мутацiї не з’являться. Але, якщо в подальшому в синтезi ДНК братимуть участь ДНК-полiмерази, що мають низьку точнiсть синтезу, можуть з’явитися мутацiї замiни основ. Причому вони можуть утворитися через багато циклiв реплiкацiї пiсля пошкодження ДНК. Отже, це затримнi мутацiї. Таким чином, полiмеразно-таутомерна модель ультрафiолетового мутагенезу здатна пояснити природу i механiзми утворення не тiльки гарячих i холодних плям ультрафiолетового мутагенезу, мiшенних i немiшенних мутацiй замiни основ, мiшенних iнсерцiй i делецiй, мiшенних комплексних мутацiй, але й мiшенних затримних мутацiй замiни основ. В рамках полiмеразно-таутомерної моделi можна зрозумiти природу байстендер ефектiв i нестабiльностi геному.

For the first time, a mechanism of targeted delayed base substitution mutations caused by cissyn cyclobutane thymine dimers is proposed. Delayed mutations are mutations that may appear in a few cycles of replication after the exposure to a mutagen. Targeted delayed mutations appear opposite to DNA damages that are able to stop the synthesis of DNA. Structural analysis of the insertion of the bases showed that adenine can be incorporated opposite to the rare tautomeric form of thymine T*₃. But any other canonical base may be inserted so that hydrogen bonds are formed between them. If, in the synthesis of DNA containing the cis-syn cyclobutane dimer TT*₃, DNA polymerases with relatively high fidelity of synthesis are involved, mutations not appear. However, if the further DNA synthesis will involve DNA polymerases having a low fidelity of synthesis, there may be base substitution mutations. Moreover, they may be formed through many cycles of replication after the damage of DNA. Consequently, these are the delayed mutations. Thus, the polymerase-tautomeric model of ultraviolet mutagenesis is able to explain not only the nature and mechanisms of formation of hot and cold spots under the ultraviolet mutagenesis, targeted and untargeted substitution mutations, targeted deletions and targeted insertions, targeted complex mutations, but also targeted delayed substitution mutations. The nature of bystander effects and the genomic instability can be explained in the framework of the polymerase-tautomeric model as well.