Поправка на ДНК

Поправка на ДНК — збир на процеси преку кои клетката ги идентификува и ги поправа оштетувањата на својата геномска ДНК. 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 поединечни молекуларни лезии по клетка на ден. 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. Оваа појава на крај може да доведе до развој на злоќудни тумори, односно рак.
Стапката на поправка на ДНК е зависна од многу фактори, вклучувајќи ги типот на клетката, староста на клетката и вонклеточната 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:
# Неповратна состојба на латентност, кога клетката престанува да се дели,
# Апоптоза или програмирана клеточна смрт,
# 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.
1 Оштетување на ДНК
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 завојна структура на молекулата.
1.1 Фактори на оштетување
# Ендогени фактори – реактивни кислородни видови кои потекнуваат од нормалните метаболни активности на клетката, и грешки при репликацијата.
# Егзогени фактори – ултравиолетово, рендгенско и гама-зрачење, топлотна хидролиза, токсини, мутагени хемикалии и вируси.
1.2 Типови на оштетување
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 зрачење
* Индиректно оштетување на ДНК од слободни радикали создадени под дејство на UV-А зрачење
* 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.
1.3 Мутации
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 низа. 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.
2 Механизми на поправка на ДНК
Оштетувањето на ДНК ја менува просторната конфигурација на двојната завојница, 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.
2.1 Механизми со директна поправка
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. Фотолиазата е филогенетски стар ензим кој е присутен во бактериите, габите и повеќето животински организми, но е отсутен кај човекот.
Друг вид на штета, метилација на гванинот (6-О-метилгванин), може директно да се поправи со помош на ензимот ''O''<sup>6</sup>-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.
2.2 Механизми на поправка на едноверижни оштетувања
Кога само една од двете вериги на двојната завојница има дефект, другата верига може да послужи како урнек за исправка на оштетената верига. Постојат три механизми на поправка на едноверижни оштетувања:
# 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 белковини, 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 белковини 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.# Ексцизиона поправка на бази. Овој механизам е одговорен за отстранување на мали лезии кои не создаваат дисторзија на двојната завојница. 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.# Ексцизиона поправка на нуклеотиди. Овој механизам е одговорен за отстранување на поголеми лезии кои создаваат дисторзија на двојната завојница, како што се пиримидинските димери. Процесот започнува кога комплекс на ензими скенирајќи ја ДНК молекулата пронаоѓа дисторзија во нејзината тридимензионална 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.
2.3 Механизми на поправка на двоверижни пресеци
Двоверижните пресеци, кај кои обете вериги на двојната завојница 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.
Кај нехомологното поврзување на краевите, специјализирана ДНК-лигаза наречена ДНК-лигаза IV, која формира комплекс со кофакторот XRCC4, директно ги поврзува двата краја. За да се изврши точна поправка на двоверижните пресеци, нехомологното поврзување на краевите користи кратки хомологни низи, наречени микрохомологии, присутни на едноверижните „опашки“ на ДНК краевите кои треба да се поврзат. Ако овие едноверижни „опашки“ се компатибилни, поправката обично е точна. 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 бришењето, а поврзувањето на несовпаѓачки краеви предизвикува вметнувања 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.
Кај микрохомологно-посредуваното поврзување на краевите се користат микрохомологни низи долги 5-25 базни парови во тек на порамнувањето на пресечените краеви пред нивното поврзување, што резултира со појава на бришења од двете страни на оригиналниот пресек. Затоа овој механизам на поправка често е поврзан со хромозомски абнормалности, како што се бришења, 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.
3 Поврзано
* Репликација на ДНК
* Клеточен циклус
4 Наводи
5 Дополнителна литература
# Mutirangura A. (2019). . In Epigenetics. IntechOpen.