Транслезио́нный си́нтез (ТЛС), репарация транслезионными ДНК-полимеразами, синтез «через повреждения» (англ. translesion DNA synthesis, TLS), система репарации ДНК, функцией которой является продолжение синтеза новой цепи ДНК по участку матричной цепи, содержащему повреждение, останавливающее работу репликативных ДНК-полимераз. Отличается высокой мутагенностью.

История открытия и изучения

Филогенетическое дерево Y-семейства транслезионных полимераз.Филогенетическое дерево Y-семейства транслезионных полимераз.В 1971 г. Дж. Лемонт выделил гены, кодирующие ДНК-полимеразы Rev1, Rev3, UmuC, в результате исследований роли этих ферментов в мутагенезе, индуцируемом повреждениями ДНК. Другие полимеразы были сначала идентифицированы по гомологии. В 1996 г. появилось первое биохимическое описание специализированной транслезионной ДНК-полимеразы, затем продемонстрирована полимеразная активность белка Rev1 [способность вставлять цитозин напротив АП-сайта (апуринового или апиримидинового сайта)].

Механизм транслезионного синтеза

В условиях генотоксического стресса системы репарации не всегда исправляют повреждения, которые остаются в структуре ДНК. Встречая повреждение в ходе репликации, ДНК-полимеразы останавливаются, тормозя репликацию молекулы ДНК. Неоконченная репликация хромосом представляет опасность для клетки; для предотвращения её гибели предусмотрена транслезионная система репарации, функционирующая в тех случаях, когда необходимо восстановить геном любой ценой. В таких случаях ферменты – транслезионные ДНК-полимеразы – продолжают синтез цепи даже после контакта с объёмным повреждением структуры, например, циклобутановыми пиримидиновыми димерами.

Схема работы транслезионных ДНК-полимераз.Схема работы транслезионных ДНК-полимераз.Выбор вставляемого нуклеотида происходит неслучайным образом: некоторые транслезионные ДНК-полимеразы специфичны к определённым нуклеотидам. Примером такой специфичности может служить человеческая ДНК-полимераза Pol η, принадлежащая к Y-семейству белков. Она способна встраивать напротив тиминовых димеров два аденозина. После преодоления повреждения репликативные белки продолжают свою работу.

У прокариот транслезионный синтез осуществляется полимеразами IV и V. Полимераза IV представлена одним белком DinB, полимераза V – комплексом белков UmuC и UmuD’ в стехиометрическом соотношении 1:2.

Белки транслезионных систем репарации эукариот принадлежат к 5 подсемействам Y-семейства (Rev1, UmuC, DinB/Pol κ, Pol ι, Pol η) и одному подсемейству, не входящему в Y-семейство [Pol ζ (Rev3/Rev7)]. Такое разнообразие транслезионных ДНК-полимераз позволяет репликативной вилке преодолевать различные формы повреждений структуры ДНК.

Регуляция транслезионного синтеза

Транслезионные ДНК-полимеразы в целом не обладают высокой специфичностью к включаемому в растущую последовательность нуклеотиду, т. е. встраивают его независимо от нуклеотида, стоящего в матричной цепи. Такая неточность может приводить к мутациям (транзициям и трансверсиям), из-за чего экспрессия транслезионных ДНК-полимераз жёстко регулируется.

В клетках прокариот функционирует SOS-система, управляющая экспрессией различных белков, в том числе транслезионных ДНК-полимераз. В регуляторных последовательностях белков SOS-системы находится консервативная последовательность – SOS-бокс, с которым в норме связывается репрессор LexA. В случае большого числа повреждений, например, тиминовых димеров, в клетке образуется много протяжённых одноцепочечных участков ввиду частичной остановки репликации. С ними связывается белок RecA, также контролируемый SOS-системой и экспрессируемый в норме на низком уровне. Активированный белок RecA связывается с LexA, запускает аутопротеазную функцию последнего, т. е. LexA начинает сам себя расщеплять. Он перестаёт сдерживать работу ферментов SOS-системы. Во время активной стадии репарации SOS-системой белок RecA необходим для расщепления UmuD, неактивного белка-предшественника UmuD’. Последний, связываясь с UmuC, формирует полимеразу V.

Таким образом, начинается активная экспрессия ферментов репарации, исправляющих повреждения. По окончании репарации одноцепочечные участки ДНК исчезают, в результате чего RecA больше не активируется, а белок LexA перестаёт разрушаться и начинает подавлять эксперссию генов, кодирующих белки SOS-системы, и их синтез прекращается.

У эукариот ДНК-полимеразы – как репликативные, так и транслезионные – функционируют в клетке в составе мультибелкового комплекса и активируются белком PCNA. Чтобы PCNA подключился к синтезу транслезионных полимераз вместо репликативных используется механизм убиквитинирования. Так, активность полимераз Rev1 и Pol η возрастает при связывании с убиквитинированным белком PCNA в сравнении с немодифицированным PCNA.

Сверхэкспрессия транслезионных ДНК-полимераз, обладающих низкой точностью, приводит к повышенному мутагенезу. Дефицит этих ферментов также оказывает негативное влияние. Недостаток экспрессии белка Pol η повышает чувствительность к УФ-излучению, приводит к предрасположенности к онкологическим заболеваниям и вариантной форме пигментной ксеродермы.