Поправка на ДНК

Оштетување на ДНК кое резултира со повеќе хромозомски пресеци (обележани со стрелки)

Поправка на ДНК — збир на процеси преку кои клетката ги идентификува и ги поправа оштетувањата на својата геномска ДНК.[1] Во човековите клетки, оштетувањето на ДНК може да биде предизвикано и од нормални метаболички активности на клетката и од факторите на животната средина, што резултира со околу 1 милион индивидуални молекуларни лезии по клетка на ден.[2] Многу од овие лезии предизвикуваат структурни оштетувања на ДНК молекулата и може да ја променат или елиминираат способноста на клетката да транскрибира одреден ген кого оштетената ДНК го кодира. Други типови на лезии предизвикуваат потенцијално штетни мутации во геномот на клетката, кои влијаат врз опстанокот на клетките-ќерки по митозата. Од овие причини, процесот на поправка на ДНК е постојано активен во клетката. Кога процесот на поправка на ДНК не успева да ја поправи оштетената ДНК, и кога не успева да се покрене процесот на клеточна апоптоза, може да се јават непоправливи оштетувања на ДНК, како што се двоверижни пресеци и накрсни поврзувања во ДНК.[3][4] Оваа појава на крај може да доведе до развој на малигни тумори, односно рак.

Стапката на поправка на ДНК е зависна од многу фактори, вклучувајќи ги типот на клетката, староста на клетката и екстрацелуларната средина. Клетката која има акумулирано голем број на ДНК оштетувања, или која повеќе не може ефикасно да ги поправа, може да влезе во една од трите можни состојби:

  1. Неповратна состојба на латентност, кога клетката престанува да се дели,
  2. Апоптоза или програмирана клеточна смрт,
  3. Неконтролирана клеточна делба која може да доведе до рак.

Во 2015 година била доделена Нобеловата награда за хемија на Томас Линдал, Пол Модрич и Азиз Санџар за нивната работа во полето на молекуларните механизми на процесите на поправка на ДНК.[5][6]

Оштетување на ДНКУреди

Најголем број на оштетувања на ДНК влијаат на нејзината примарна структура, т.е. настанува хемиска модификација на самите азотни бази. Овие модификации влијаат на нормалната хеликсна структура на молекулата.

Фактори на оштетувањеУреди

  1. Ендогени фактори – реактивни кислородни видови кои потекнуваат од нормалните метаболни активности на клетката, и грешки при репликацијата.
  2. Егзогени фактори – ултравиолетово, рендгенско и гама зрачење, топлотна хидролиза, токсини, мутагени хемикалии и вируси.

Типови на оштетувањеУреди

Типови на оштетување на ДНК под влијание на ендогени фактори можат да бидат:

  • Оксидација на азотните бази (пр. 8-оксо-7,8-дихидрогванин)
  • Алкилација на азотните бази (најчесто метилација), како на пример создавање на 7-метилгванозин, 1-метиладенин и 6-О-метилгванин
  • Хидролиза на азотните бази, како што се деаминација, депуринација и депиримидинација
  • ДНК адукти
  • Несовпаѓање на азотните бази, поради грешка при процесот на репликација кога се поврзува некомплементарен нуклеотид
  • Моноадукт аштетување
  • Диадукт оштетување

Типови на оштетување на ДНК под влијание на егзогени фактори можат да бидат:

  • Пиримидински димери предизвикани од UV-B радијација
  • Индиректно оштетување на ДНК од слободни радикали создадени под дејство на UV-А радијација
  • Пресеци во ДНК нишките предизвикани од јонизирачко зрачење (радиоактивен распад или космичко зрачење)
  • Термално оштетување (најчесто во форма на депуринација и едноверижни пресеци)
  • Индустриски хемикалии можат да предизвикаат разновидни типови на оштетувања: ДНК адукти, оксидирани азотни бази, алкилирани фосфотриестери, вкрстени поврзувања и друго.

МутацииУреди

Важно е да се направи разлика помеѓу поимите оштетување на ДНК и ДНК мутација, иако и двата поима се однесуваат на грешки во ДНК молекулата. Оштетување на ДНК значи присуство на физичка абнормалност во структурата на ДНК, додека ДНК мутација е промена во нуклеотидната секвенца. Оштетувањата на ДНК можат да бидат препознаени и поправени од страна на посебни ензими, додека мутациите не можат да бидат препознаени и поправени доколку базите се променети и на двете комплементарни вериги.

Механизми на поправка на ДНКУреди

Оштетувањето на ДНК ја менува просторната конфигурација на двојниот хеликс, а таквите промени клетката може да ги открие. Откако штетата е локализирана, специфични ензими за поправка на ДНК се врзуваат на или близу до местото на оштетување, овозможувајќи други молекули да се врзат и да формираат комплекс кој врши поправка на оштетувањето.

Механизми со директна поправкаУреди

Карактеристично за овие механизми е тоа што не е потребен урнек за поправка на оштетувањето и што не настанува кинење на фосфодиестерската врска. Типичен пример е поправката на пиримидинските димери со помош на ензимот фотолиаза. Бидејќи за каталитичкиот процес на фотолиазата е потребна апсорпција на фотон со бранова должина 300-500 nm, овој процес е наречен фотореактивација.[7] Фотолиазата е филогенетски стар ензим кој е присутен во бактериите, габите и повеќето животински организми, но е отсутен кај човекот.[8]

Друг вид на штета, метилација на гванинот (6-О-метилгванин), може директно да се поправи со помош на ензимот O6-метилгванин-ДНК метилтрансфераза (МГМТ). Било покажано дека губитокот на МГМТ генот кај глувци е поврзан со зголемен ризик за појава на рак, кога глувците се изложени на алкилирачки агенси.[9]

Механизми на поправка на едноверижни оштетувањаУреди

Кога само една од двете вериги на двојниот хеликс има дефект, другата верига може да послужи како урнек за корекција на оштетената верига. Постојат три механизми на поправка на едноверижни оштетувања:

  1. Поправка на погрешно спарени нуклеотиди. За време на репликацијата на ДНК, новосинтетизираната верига може да поседува грешки, како што се погрешно спарени нуклеотиди (G/T или A/C спарување). Ваквите грешки се поправаат со препознавање на деформитетот создаден од некомплементарноста на базите, утврдување која од двете вериги има погрешно инкорпориран нуклеотид, отстранување на погрешниот нуклеотид и негова замена со точен нуклеотид. За да започне процесот на поправка, ензимите мора да ја разликуваат новосинтетизираната верига од старата (родителска) верига. Кај Грам-негативните бактерии, транзиентната хемиметилација ги разликува двете вериги (старата е метилирана, а новата не). Сепак, кај другите прокариоти и кај еукариотите, точниот механизам на разликување на двете вериги не е доволно јасен. Системот на поправка се состои од најмалку два различни протеини, од кои едниот ја препознава грешката, а другиот регрутира ендонуклеаза која ја сече новосинтетизираната верига во близина на местото на грешката. Кај E. coli, тоа се протеини од Mut класата: MutS, MutL и MutH. Кај повеќето еукариоти, аналог на MutS е MSH, а аналог на MutL е MLH, додека MutH е присутен само кај бактериите. Егзонуклеаза ги отстранува нуклеотидите во регионот на грешката, по што следи ресинтеза со ДНК полимераза и ДНК лигаза.[10][11]
  2. Ексцизиона поправка на бази. Овој механизам е одговорен за отстранување на мали лезии кои не создаваат дисторзија на двојниот хеликс. Најчесто со овој механизам се отстрануваат оштетени азотни бази, кои доколку останат можат да доведат до појава на мутации. Процесот на поправка го отпочнува ензимот ДНК гликозилаза, кој препознава и отстранува специфични оштетени или несоодветни азотни бази, создавајќи на тој начин АП места (апурински/апиримидински места). Ензимот АП ендонуклеаза прави пресеци на АП местата, овозможувајќи ѝ на ДНК полимеразата да го отстрани оштетениот регион со помош на својата 5’ кон 3’ егзонуклеазна активност и точно да ја синтетизира новата верига имајќи ја комплементарната верига како урнек.[12]
  3. Ексцизиона поправка на нуклеотиди. Овој механизам е одговорен за отстранување на поголеми лезии кои создаваат дисторзија на двојниот хеликс, како што се пиримидинските димери. Процесот започнува кога комплекс на ензими скенирајќи ја ДНК молекулата пронаоѓа дисторзија во нејзината тродимензионална конфигурација. Потоа биваат регрутирани дополнителни ензими кои ги раздвојуваат двете вериги на оштетеното место и ги стабилизираат раздвоените вериги. Дел од оштетената верига кој е долг 12-24 нуклеотиди, и каде се наоѓа лезијата, бива отстранет со помош на ендонуклеази, по што ДНК полимеразата и ДНК лигазата ја пополнуваат празнината. Овој механизам на поправка е еволуционо сочуван и е присутен и кај прокариотите и кај еукариотите.[13]

Механизми на поправка на двоверижни пресециУреди

Двоверижните пресеци, кај кои обете вериги на двојниот хеликс се пресечени, се особено опасни за клетката, бидејќи тие можат да доведат до преуредување на геномот. Нивната поправка е потешка во однос на другите типови на оштетување на ДНК бидејќи ниту една од веригите може да послужи како урнек за поправка. Постојат три механизми за поправка на двоверижни пресеци: нехомологно поврзување на краевите, микрохомологно-посредувано поврзување на краевите (исто така наречено алтернативно нехомологно поврзување на краевите) и хомологна рекомбинација.[14]

Кај нехомологното поврзување на краевите, специјализирана ДНК лигаза наречена ДНК лигаза IV, која формира комплекс со кофакторот XRCC4, директно ги поврзува двата краја.[15] За да се изврши точна поправка на двоверижните пресеци, нехомологното поврзување на краевите користи кратки хомологни секвенци, наречени микрохомологии, присутни на едноверижните „опашки“ на ДНК краевите кои треба да се поврзат. Ако овие едноверижни „опашки“ се компатибилни, поправката обично е точна.[16][17][18][19] Нехомологното поврзување на краевите исто така може да воведе мутации за време на поправката. Губењето на оштетените нуклеотиди на местото на пресекот може да доведе до делеција, а поврзувањето на несовпаѓачки краеви предизвикува инсерции или транслокации. Нехомологното поврзување на краевите е особено важно пред клетката да ја реплицира својата ДНК, бидејќи не постои достапен образец за поправка со хомологна рекомбинација. Постојат „резервни“ патеки на нехомологно поврзување на краевите кај вишите еукариоти.[20]

Кај микрохомологно-посредуваното поврзување на краевите се користат микрохомологни секвенци долги 5-25 базни парови во тек на порамнувањето на пресечените краеви пред нивното поврзување, што резултира со појава на делеции од двете страни на оригиналниот пресек.[21] Затоа овој механизам на поправка често е поврзан со хромозомски абнормалности, како што се делеции, транслокации, инверзии и други посложени преуредувања.

Кај хомологната рекомбинација потребно е присуство на идентична или скоро идентична полинуклеотидна верига која ќе се користи како урнек за поправка на пресекот. Ензимската машинерија одговорна за овој процес на поправка е скоро идентична со машинеријата одговорна за хромозомскиот кросовер за време на мејозата. Оштетениот хромозом се поправа со употреба на сестринската хроматида како урнек (која е достапна во G2 фазата, по репликацијата на ДНК), или со употреба на хомологен хромозом.

ПоврзаноУреди

НаводиУреди

  1. „Nature Reviews Series: DNA damage“. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 5 Jul 2017. Посетено на 7 Nov 2018.
  2. Lodish H, Berk A, Matsudaira P, Kaiser CA, Krieger M, Scott MP, Zipursky SL, Darnell J (2004). Molecular Biology of the Cell (изд. 5th.). New York: WH Freeman. стр. 963.
  3. Acharya, PV (1971). „The isolation and partial characterization of age-correlated oligo-deoxyribo-ribonucleotides with covalently linked aspartyl-glutamyl polypeptides“. Johns Hopkins Medical Journal. Supplement (1): 254–60. PMID 5055816.
  4. Bjorksten, J; Acharya, PVN; Ashman, S; Wetlaufer, DB (1971). „Gerogenic fractions in the tritiated rat“. Journal of the American Geriatrics Society. 19 (7): 561–74. doi:10.1111/j.1532-5415.1971.tb02577.x. PMID 5106728.
  5. Broad, William J. (7 October 2015). „Nobel Prize in Chemistry Awarded to Tomas Lindahl, Paul Modrich and Aziz Sancar for DNA Studies“. The New York Times. Посетено на 7 October 2015.
  6. Staff (7 October 2015). „The Nobel Prize in Chemistry 2015 – DNA repair – providing chemical stability for life“ (PDF). Nobel Prize. Посетено на 7 October 2015.
  7. Sancar, Aziz (2003-06). „Structure and function of DNA photolyase and cryptochrome blue-light photoreceptors“. Chemical Reviews. 103 (6): 2203–2237. doi:10.1021/cr0204348. ISSN 0009-2665. PMID 12797829. Проверете ги датумските вредности во: |date= (help)
  8. Lucas-Lledó, José Ignacio; Lynch, Michael (2009-05). „Evolution of mutation rates: phylogenomic analysis of the photolyase/cryptochrome family“. Molecular Biology and Evolution. 26 (5): 1143–1153. doi:10.1093/molbev/msp029. ISSN 1537-1719. PMC 2668831. PMID 19228922. Проверете ги датумските вредности во: |date= (help)
  9. Shiraishi, A.; Sakumi, K.; Sekiguchi, M. (2000). „Increased susceptibility to chemotherapeutic alkylating agents of mice deficient in DNA repair methyltransferase“. Carcinogenesis. 21 (10): 1879–1883. doi:10.1093/carcin/21 октомври 1879 Проверете ја вредноста |doi= (help). ISSN 0143-3334. PMID 11023546.
  10. Iyer, Ravi R.; Pluciennik, Anna; Burdett, Vickers; Modrich, Paul L. (2006-02). „DNA mismatch repair: functions and mechanisms“. Chemical Reviews. 106 (2): 302–323. doi:10.1021/cr0404794. ISSN 0009-2665. PMID 16464007. Проверете ги датумските вредности во: |date= (help)
  11. Larrea, Andres A.; Lujan, Scott A.; Kunkel, Thomas A. (2010-05-14). „SnapShot: DNA mismatch repair“. Cell. 141 (4): 730.e1. doi:10.1016/j.cell.2010 мај 002 Проверете ја вредноста |doi= (help). ISSN 1097-4172. PMID 20478261.
  12. Liu, Yuan; Prasad, Rajendra; Beard, William A.; Kedar, Padmini S.; Hou, Esther W.; Shock, David D.; Wilson, Samuel H. (2007-05-04). „Coordination of steps in single-nucleotide base excision repair mediated by apurinic/apyrimidinic endonuclease 1 and DNA polymerase beta“. The Journal of Biological Chemistry. 282 (18): 13532–13541. doi:10.1074/jbc.M611295200. ISSN 0021-9258. PMC 2366199. PMID 17355977.
  13. Reardon, Joyce T.; Sancar, Aziz (2006). „Purification and characterization of Escherichia coli and human nucleotide excision repair enzyme systems“. Methods in Enzymology. 408: 189–213. doi:10.1016/S0076-6879(06)08012-8. ISSN 0076-6879. PMID 16793370.
  14. Liang, Li; Deng, Li; Chen, Yanping; Li, Gloria C.; Shao, Changshun; Tischfield, Jay A. (2005-09-09). „Modulation of DNA end joining by nuclear proteins“. The Journal of Biological Chemistry. 280 (36): 31442–31449. doi:10.1074/jbc.M503776200. ISSN 0021-9258. PMID 16012167.
  15. Wilson, T. E.; Grawunder, U.; Lieber, M. R. (1997-07-31). „Yeast DNA ligase IV mediates non-homologous DNA end joining“. Nature. 388 (6641): 495–498. doi:10.1038/41365. ISSN 0028-0836. PMID 9242411.
  16. Moore, J. K.; Haber, J. E. (1996-05). „Cell cycle and genetic requirements of two pathways of nonhomologous end-joining repair of double-strand breaks in Saccharomyces cerevisiae“. Molecular and Cellular Biology. 16 (5): 2164–2173. doi:10.1128/mcb.16 мај 2164 Проверете ја вредноста |doi= (help). ISSN 0270-7306. PMID 8628283. Проверете ги датумските вредности во: |date= (help)
  17. Boulton, S. J.; Jackson, S. P. (1996-09-16). „Saccharomyces cerevisiae Ku70 potentiates illegitimate DNA double-strand break repair and serves as a barrier to error-prone DNA repair pathways“. The EMBO journal. 15 (18): 5093–5103. ISSN 0261-4189. PMID 8890183.
  18. Wilson, T. E.; Lieber, M. R. (1999-08-13). „Efficient processing of DNA ends during yeast nonhomologous end joining. Evidence for a DNA polymerase beta (Pol4)-dependent pathway“. The Journal of Biological Chemistry. 274 (33): 23599–23609. doi:10.1074/jbc.274.33.23599. ISSN 0021-9258. PMID 10438542.
  19. Budman, Joe; Chu, Gilbert (2005-02-23). „Processing of DNA for nonhomologous end-joining by cell-free extract“. The EMBO journal. 24 (4): 849–860. doi:10.1038/sj.emboj.7600563. ISSN 0261-4189. PMID 15692565.
  20. Wang, Huichen; Perrault, Ange Ronel; Takeda, Yoshihiko; Qin, Wei; Wang, Hongyan; Iliakis, George (2003-09-15). „Biochemical evidence for Ku-independent backup pathways of NHEJ“. Nucleic Acids Research. 31 (18): 5377–5388. doi:10.1093/nar/gkg728. ISSN 1362-4962. PMID 12954774.
  21. McVey, Mitch; Lee, Sang Eun (2008). „MMEJ repair of double-strand breaks (director's cut): deleted sequences and alternative endings“. Trends in genetics: TIG. 24 (11): 529–538. doi:10.1016/j.tig.2008 август 007 Проверете ја вредноста |doi= (help). ISSN 0168-9525. PMC 5303623. PMID 18809224.

За понатамошно читањеУреди

  1. Mutirangura A. (2019). A Hypothesis to Explain How the DNA of Elderly People Is Prone to Damage: Genome-Wide Hypomethylation Drives Genomic Instability in the Elderly by Reducing Youth-Associated Genome-Stabilizing DNA Gaps. In Epigenetics. IntechOpen. doi:10.5772/intechopen.83372

Надворешни врскиУреди