Informacija

7.4: DNR taisymas – biologija

7.4: DNR taisymas – biologija


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Šaltinis: BiochemFFA_7_3.pdf. Visą vadovėlį autoriai gali nemokamai rasti adresu http://biochem.science.oregonstate.edu/content/biochemistry-free-and-easy

Genomo apsauga

Paskutiniame skyriuje aptarėme būdus, kuriais ląstelės susidoroja su iššūkiais, susijusiais su jų DNR atkartojimu – gyvybiškai svarbiu visoms ląstelėms procesu. Akivaizdu, kad jei DNR yra pagrindinė organizmo instrukcijų kopija, svarbu nepadaryti klaidų kopijuojant DNR, kad ji būtų perduota naujoms ląstelėms. Nors korektūra DNR polimerazėmis labai padidina replikacijos tikslumą, ląstelėse yra papildomų mechanizmų, kurie dar labiau užtikrina, kad naujai padauginta DNR būtų patikima originalo kopija, taip pat atitaisytų DNR pažeidimus per įprastą ląstelės gyvenimą.

DNR pažeidimas

Visa DNR laikui bėgant kenčia nuo ultravioletinių ir kitų spindulių poveikio, taip pat dėl ​​įvairių aplinkoje esančių cheminių medžiagų (7.34 ir 7.35 pav.). Net cheminės reakcijos, natūraliai vykstančios ląstelėse, gali sukelti junginių, galinčių pažeisti DNR. Kaip jau žinote, net nedideli DNR sekos pokyčiai, tokie kaip taškinės mutacijos, kartais gali turėti toli siekiančių pasekmių. Taip pat nepataisyta žala, kurią sukelia radiacija, aplinkos cheminės medžiagos ar net normali ląstelių chemija, gali trukdyti tiksliai perduoti informaciją DNR. Ląstelės „projekto“ vientisumo palaikymas yra gyvybiškai svarbus, ir tai atsispindi daugybėje mechanizmų, skirtų DNR klaidoms ir pažeidimams ištaisyti.

Po replikacinio neatitikimo taisymas

Anksčiau aptarėme DNR polimerazių korektūrą replikacijos metu. Nors korektūra žymiai sumažina klaidų skaičių, ne visas klaidas ištaiso DNR polimerazės.

Kokie yra mechanizmai, leidžiantys ištaisyti replikacijos klaidas, kurių nepastebi atliekant DNR polimerazių tikrinimo funkciją? Klaidos, kurios nuslysta atliekant korektūrą replikacijos metu, gali būti ištaisytos mechanizmu, vadinamu neatitikimo taisymu. Nors DNR replikacijos klaidų dažnis yra maždaug vienas iš 107 nukleotidų, nesant neatitikimo pataisymo, jis dar sumažėja šimtą kartų iki vieno iš 109 nukleotidų, kai neatitikimo taisymas veikia.

Su kokiomis užduotimis susiduria neatitikimo taisymo sistema?

Ji turi:

  • Nuskaitykite naujai sukurtą DNR, kad pamatytumėte, ar nėra kokių nors nesusijusių bazių (pvz., G suporuotas su T)
  • Nustatykite ir pašalinkite neatitikimo sritį
  • Teisingai užpildykite spragą, atsiradusią išpjovus neatitikimo sritį.

Išsiskiriančios sruogos

Svarbu tai, kad neatitikimo taisymo sistema turi turėti priemones, skirtas atskirti naujai sukurtą DNR grandinę nuo šablono grandinės, jei reikia teisingai ištaisyti replikacijos klaidas. Kitaip tariant, kai, pavyzdžiui, neatitikimo taisymo sistema susiduria su A-G klaidomis, ji turi žinoti, ar A turėtų būti pašalinta ir pakeista C, ar G turėtų būti pašalinta ir pakeista T.

Bet kaip neatitikimo taisymo sistema atskiria pradinę ir naujas DNR grandines? Bakterijose šios problemos sprendimas yra sistemos, kuri metilina DNR GATC sekose, egzistavimas. E.coli turi fermentą DNR adenino metilazę (Dam), kuri prideda metilo grupes ant adeninų DNR GATC sekose (7.36 pav.). Naujai replikuota DNR dar nebuvo metilinta, todėl ją galima atskirti nuo šabloninės grandinės, kuri yra metilinta.

Neatitikimo taisymo baltymai selektyviai pakeičia grandinę, kuriai trūksta metilinimo, taip užtikrinant, kad būtų pašalintos ir pakeistos naujos grandinės klaidos. Kadangi metilinimas yra kriterijus, leidžiantis neatitikimo taisymo sistemai pasirinkti taisomą grandinę, bakterijų neatitikimo taisymo sistema apibūdinama kaip nukreipta į metilą.

7.36 pav. Dam metilazė prideda metilo grupes GATC sekose

Genų neatitikimas

Neatitikimų taisymas buvo gerai ištirtas bakterijose ir buvo nustatyti susiję baltymai. E.coli neatitikimą taisančius baltymus koduoja genų grupė, bendrai vadinama mut genais. Svarbūs neatitikimų taisymo mechanizmų komponentai yra baltymai MutS, MutL ir MutH (7.37 pav.).

MutS veikia, kad atpažintų neatitikimą, o MutL ir MutH įdarbinami į neatitikimo vietą, susiejant MutS. MutH yra endonukleazė, kuri GATC pjauna naujai susintetintą ir kol kas nemetilintą DNR grandinę. Tai suaktyvina DNR helikazę ir egzonukleazę, kurios padeda atsipalaiduoti ir pašalinti sritį, kurioje yra neatitikimas. DNR polimerazė III užpildo spragą, naudodama priešingą grandinę kaip šabloną, o ligazė sujungia galus, kad atkurtų ištisinę grandinę.

Eukariotai taip pat turi neatitikimų taisymo sistemą, kuri ištaiso ne tik vienos bazės neatitikimus, bet ir įterpimus bei ištrynimus. E. coli MutS ir MutL homologai buvo nustatyti kituose organizmuose, įskaitant žmones: hMSH1 ir hMSH2 (žmogaus MutS homologai 1 ir 2) yra homologiški MutS, o hMLH 1 yra homologiški MutL. Jie kartu su papildomais baltymais atlieka neatitikimų taisymą eukariotinėse ląstelėse.

DNR metilinimas eukariotų ląstelėse nenaudojamas kaip būdas atskirti naują grandinę nuo šablono, ir dar nėra visiškai suprantama, kaip eukariotų neatitikimo taisymo sistema „žino“, kurią grandinę taisyti. Yra įrodymų, kad naujai sukurta DNR gali būti atpažįstama pagal tai, kad ji yra įtrūkusi arba nenuosekli. Tai rodo, kad nenutrūkstamumas, atsirandantis dėl Okazaki fragmentų, kurie dar nebuvo sujungti kartu, gali leisti atskirti naują grandinę nuo senos, ištisinės šabloninės grandinės.

DNR pažeidimo taisymas

Ankstesniame skyriuje apžvelgėme klaidas, padarytas kopijuojant DNR, kai naujos grandinės sintezės metu įterpiama neteisinga bazė. Tačiau net DNR, kuri nėra replikuojama, gali būti pažeista arba mutuoti. Tokio pobūdžio pažeidimai nėra susiję su DNR replikacija, o gali atsirasti bet kuriuo metu.

Kas sukelia žalą DNR? ,
Kai kurios pagrindinės DNR pažeidimo priežastys yra:
a. Radiacija (pvz., UV spinduliai saulės šviesoje ir įdegio kabinose arba jonizuojanti spinduliuotė)
b. Kenksmingų cheminių medžiagų, tokių kaip nitrozaminai arba policikliniai aromatiniai angliavandeniliai, poveikis aplinkoje (žr. 7.38 pav.)
c. Cheminės reakcijos ląstelėje (pvz., citozino deamininimas, kad susidarytų uracilas, arba guanino metilinimas, kad susidarytų metilguaninas).

Tai reiškia, kad jūsų ląstelėse esanti DNR yra pažeidžiama tiesiog dėl įprastų veiksmų, tokių kaip vaikščiojimas lauke, buvimas eisme arba cheminių transformacijų, vykstančių kiekvienoje ląstelėje, kaip jos kasdienės veiklos dalis. (Natūralu, kad žala yra daug didesnė tais atvejais, kai radiacijos arba žalingų cheminių medžiagų poveikis yra didesnis, pavyzdžiui, kai žmonės reguliariai naudojasi soliariume arba rūko.)

Žalos rūšys

Kokią žalą daro šie agentai? Radiacija gali sukelti įvairių rūšių DNR pažeidimus.

Kartais, kaip ir daugumos UV spindulių daromos žalos atveju, dvi gretimos pirimidino bazės DNR bus susietos, kad susidarytų ciklobutano pirimidino dimerai arba CPD (žr. 7.39 pav.). Atkreipkite dėmesį, kad tai yra dvi gretimos pirimidino bazės toje pačioje DNR grandinėje. UV poveikis taip pat gali sukelti kito tipo pažeidimo, žinomo kaip (6-4) fotoproduktas arba 6-4PP, susidarymą (7.39 pav.). Jonizuojanti spinduliuotė gali sukelti DNR stuburo pertraukas vienoje arba abiejose grandinėse.

7.39 pav. Galimos pirimidino dimero cheminės struktūros – 6-4PP (kairėje) ir CPD (dešinėje) – Vikipedija

Molekulės, tokios kaip benzopirenas, randamos automobilių išmetamosiose dujose, gali prisijungti prie bazių, sudarydamos didelių gabaritų DNR aduktus, kuriuose didelės cheminės grupės yra susietos su DNR bazėmis. Tokie pažeidimai, kaip pirimidino dimerai, 6-4PP arba cheminiai aduktai, gali fiziškai iškreipti DNR spiralę, todėl DNR ir RNR polimerazė sustoja, kai bando kopijuoti tas DNR sritis (7.40 pav.).

Ląstelėse vykstančios cheminės reakcijos gali sukelti DNR citozinų deaminavimą iki uracilo. Kiti šios kategorijos pažeidimai apima oksiduotų bazių, tokių kaip 8-okso-guaninas, arba alkilintų bazių, tokių kaip O6-metilguaninas, susidarymą. Tai iš tikrųjų nekeičia fizinės DNR spiralės struktūros, tačiau gali sukelti problemų, nes uracilas ir 8-okso-guaninas poruojasi su skirtingomis bazėmis nei pirminis citozinas ar guaninas, todėl kitame replikacijos etape atsiranda mutacijų. O6-metilguaninas taip pat gali sudaryti bazių poras su timinu, o ne citozinu.

Žalos pašalinimas

Ląstelės turi keletą būdų, kaip pašalinti aukščiau aprašytus pažeidimus. Pirmasis iš jų apibūdinamas kaip tiesioginis apsisukimas. Daugelis organizmų (nors, deja, mums, o ne žmonėms) gali atitaisyti UV žalą, pvz., CPD ir 6-4PP, nes jie turi fermentų, vadinamų fotoliazėmis (foto = šviesa; lyase = skaidymo fermentas - 7.41 pav.). Fotoliazės veikia per procesą, vadinamą fotoreaktyvacija, ir naudoja mėlynos šviesos energiją, kad katalizuoja fotocheminę reakciją, kuri nutraukia pažeistos DNR jungtis ir grąžina DNR į pradinę būseną.

Savižudybės fermentas

O6-metilguaninas iš DNR taip pat gali būti pašalintas tiesioginiu būdu, naudojant fermentą O6-metilguanino metiltransferazę. Tai labai neįprastas fermentas, kuris pašalina metilo grupę iš guanino ir perkelia ją į cisteino liekaną fermente. Pridėjus metilo grupę prie cisteino, fermentas neveikia.

Kaip žinote, dauguma fermentų yra katalizatoriai, kurie reakcijos metu išlieka nepakitę, todėl viena fermento molekulė gali pakartotinai katalizuoti reakciją. Kadangi O6-metilguanino metiltransferazė neatitinka šio aprašymo, kartais ji nelaikoma tikru fermentu. Jis taip pat vadinamas savižudybės fermentu, nes fermentas „miršta“ dėl savo veiklos.

Ekscizijos remontas

Iškirpimo taisymas yra dar viena įprasta strategija. Iškirpimo taisymas yra bendras pažeistos DNR srities iškirpimo ir pakartotinio sintezės terminas. Yra keletas skirtingų ekscizijos taisymo būdų, tačiau visi jie apima pažeistos DNR dalies išpjaustymą, po to atliekama taisymo sintezė, naudojant kitą grandinę kaip šabloną, ir galiausiai surišimas, siekiant atkurti taisytos grandinės tęstinumą. Ląstelės turi keletą skirtingų ekscizijos taisymo būdų, kurių kiekvienas yra pritaikytas tam tikroms DNR pažeidimams. Tarp jų šios taisymo sistemos sprendžia daugybę genomo įžeidimų.

Nukleotidų ekscizijos taisymas

Nukleotidų ekscizijos taisymas (NER) ištaiso žalą, pvz., cheminių aduktų susidarymą, taip pat UV žalą. Tiek cheminiai aduktai, tiek CPD arba 6,4 fotoproduktų susidarymas gali sukelti reikšmingą DNR spiralės iškraipymą. NER baltymai nupjauna pažeistą grandinę abiejose pažeidimo pusėse. Tada pašalinama trumpa DNR grandinės dalis, kurioje yra pažeidimas, ir DNR polimerazė užpildo spragą atitinkamais nukleotidais. Nukleotidų ekscizijos taisymas buvo plačiai ištirtas bakterijose.

E. coli pažeidimo atpažinimą ir pašalinimą atlieka uvrABC ir uvrD genų koduojamų baltymų grupė. uvrA, uvrB ir uvrC genų baltymų produktai veikia kartu kaip vadinamoji UvrABC ekscinukleazė. Iš pradžių žalą atpažįsta ir suriša UvrA ir UvrB baltymų kompleksas. Kai kompleksas yra susietas, UvrA disocijuoja, palikdamas UvrB prijungtą prie DNR, kur vėliau jį sujungia UvrC baltymas.

Sruogų įpjovimas

Tai kompleksas, susidedantis iš UvrB ir C, kuris nupjauna fosfodiesterio stuburą abiejose pažeidimo pusėse, sukurdamas įtrūkimus grandinėje maždaug 12–13 nukleotidų atstumu. Tada uvrD užkoduota helikazė išvynioja sritį, kurioje yra pažeidimas, išstumdama ją iš dvigubos spiralės kartu su UvrBC. DNR spragą užpildo DNR polimerazė, kuri kopijuoja nepažeistą grandinę, o plyšys užsandarinamas DNR ligazės pagalba.

Nukleotidų ekscizijos taisymas taip pat yra svarbus eukariotų būdas. Tai ypač svarbu šalinant UV žalą žmonėms, nes mums trūksta fotoliazės. Buvo nustatyta keletas baltymų, kurie veikia panašiai kaip Uvr baltymai.

Šių baltymų svarba akivaizdi iš to, kad juos koduojančių genų mutacijos gali sukelti daugybę genetinių ligų, tokių kaip Xeroderma pigmentosum arba XP. Žmonės, turintys XP, yra ypač jautrūs UV poveikiui, nes jo sukeltos žalos negalima atitaisyti, todėl jiems kyla daug didesnė rizika susirgti odos vėžiu.

Du remonto režimai

Nukleotidų ekscizijos taisymas veikia dviem režimais: vienas žinomas kaip visuotinis genomo taisymas, o kitas - kaip su transkripcija susietas taisymas. Nors abiejų funkcija yra pašalinti spiralę destabilizuojančius pažeidimus, tokius kaip ciklobutano pirimidino dimerai arba cheminiai aduktai, pažeidimų aptikimo būdas skiriasi.

Atliekant visuotinį genomo taisymą, žala nustatoma stebint visą genomą, ar nėra spiralę iškreipiančių pažeidimų. Su transkripcija susieto taisymo atveju RNR polimerazės sustojimas DNR pažeidimo vietoje yra indikatorius, suaktyvinantis šį nukleotidų ekscizijos taisymo būdą.

Pagrindo ekscizijos remontas

Bazės ekscizijos taisymas (BER) yra taisymo mechanizmas, skirtas tokioms situacijoms kaip citozino deamininimas į uracilą (7.43 pav.) arba purino bazės metilinimas. Šie pokyčiai paprastai neiškraipo DNR spiralės struktūros, skirtingai nei cheminiai aduktai ar UV pažeidimai.

Atliekant bazės ekscizijos taisymą iš DNR pirmiausia pašalinama viena pažeista bazė, o po to pašalinama trūkstamą bazę supanti DNR sritis. Tada tarpas pataisomas.

Uracilo-DNR glikozilazė

Uracilą iš DNR pašalina fermentas uracilas-DNR glikozilazė, kuri gali atpažinti uracilą DNR ir nutraukti glikozidinį ryšį tarp uracilo ir nukleotide esančio cukraus (7.44 pav.). Pašalinus pagrindą, lieka tarpas, vadinamas apirimidinine vieta (AP vieta), nes šiuo atveju buvo pašalintas uracilas, pirimidinas. Svarbu atsiminti, kad šiuo metu DNR stuburas vis dar yra nepažeistas, o pašalinus vieną pagrindą tiesiog susidaro tarpas kaip išmuštas dantis.

AP vietos susidarymas sukelia fermento, žinomo kaip AP endonukleazė, kuris nupjauna DNR stuburą 5' iki AP vietos, aktyvumą. Likusiuose etapuose DNR polimerazė prisijungia prie slapyvardžio, tada, naudodama savo egzonukleazės ir polimerazės aktyvumą, pakeičia seką šioje srityje. Priklausomai nuo situacijos, gali būti pakeistas vienas nukleotidas (trumpas BER pataisas) arba kelių nukleotidų ruožas gali būti pašalintas ir pakeistas (ilgas BER pataisas). Galiausiai, kaip visada, DNR ligazė užsandarina DNR plyšį.

Dvigubų sruogų lūžių taisymas

Nors visi iki šiol aptarti taisymo mechanizmai fiksavo vienos DNR grandinės pažeidimą, naudodami kitą nepažeistą grandinę kaip šabloną, šie mechanizmai negali ištaisyti abiejų grandinių pažeidimų. Kas atsitiks, jei abi sruogos bus pažeistos? Jonizuojanti spinduliuotė, tam tikrų cheminių medžiagų poveikis arba ląstelėje susidarančios reaktyviosios deguonies rūšys gali sukelti DNR dvigubų grandinių pertraukas (DSB).

DSB yra potencialiai mirtina žalos forma, kuri, be replikacijos ir transkripcijos blokavimo, taip pat gali sukelti chromosomų translokacijas, kai vienos chromosomos dalis prisijungia prie kitos chromosomos dalies. Egzistuoja du skirtingi ląstelių mechanizmai, padedantys atkurti DSB (7.45 pav.), homologinę rekombinaciją (HR) ir nehomologinį galų sujungimą (NHEJ).

7.45 pav. Nehomologinis galo sujungimas (kairėje) prieš homologinę rekombinaciją (dešinėje) – Vikipedija

Homologinės rekombinacijos taisymas dažniausiai įvyksta vėlyvosiose S ir G2 ląstelės fazėse, kai kiekviena chromosoma buvo pakartota, o informacija iš seserinės chromatidės gali būti naudojama kaip šablonas, kad būtų atliktas be klaidų. Atkreipkite dėmesį, kad priešingai nei ekscizijos taisymas, kai pažeista grandinė buvo pašalinta, o nepažeista seserinė grandinė buvo pažeistos srities užpildymo šablonas, HR turi naudoti informaciją iš kitos DNR molekulės, nes abi DNR grandinės yra pažeistos DSB. .

Nukleazės veikimas

Dviejų grandžių pertraukos aptikimas suaktyvina nukleazės aktyvumą, kuris sukramto vieną sruogą kiekviename pertraukos gale. Dėl to kiekviename gale susidaro vienos grandinės 3 colių iškyšos. Šiuos vienos grandinės galus suriša keli baltymai, sukuriantys nukleoproteino siūlą, kuris vėliau gali „ieškoti“ homologinių (atitinkančių) sekų seserinėje chromatidėje.

Kai randamos tokios sekos, nukleoproteino siūlas įsiveržia į nepažeistą seserinę chromatidę, sudarydamas kryžminimą. Tai sukuria heterodupleksus, sudarytus iš skirtingų chromatidžių DNR grandžių. Po sruogų invazijos (7.47 pav.) vyksta šakų migracija, kurios metu Holiday sandūra juda išilgai DNR, pratęsdama heterodupleksą nuo pradinės kryžminimo vietos (7.48 pav.). E. coli šakų migracija priklauso nuo dviejų baltymų – RuvA ir RuvB – aktyvumo. Gautas rekombinacijos tarpinis produktas gali būti išspręstas naudojant RuvC, kad būtų sudarytos visos, be klaidų.

Nehomologinis galo sujungimas

Priešingai nei homologinė rekombinacija, nehomologinis galų sujungimas (NHEJ) yra linkęs į klaidas. Jis nenaudoja arba nereikalauja homologinio šablono, kad būtų galima nukopijuoti, ir veikia tiesiog sukramtant nulaužtus DSB galus ir juos surišant. Nenuostabu, kad dėl to NHEJ įveda delecijas DNR.

Transliacijos DNR sintezė

Kaip matėme, ląstelės turi įvairius mechanizmus, padedančius apsaugoti DNR informacijos vientisumą. Viena iš paskutinių priemonių yra transliacinė DNR sintezė, dar žinoma kaip apėjimo sintezė. Translezijos sintezė įvyksta, kai DNR polimerazė susiduria su DNR pažeidimu šablono grandinėje, tačiau užuot sustojusi arba praleidžianti pažeidimą, replikacija persijungia į klaidos režimą, ignoruodama šabloną ir įtraukdama atsitiktinius nukleotidus į naują grandinę. E.coli translezijos sintezė priklauso nuo baltymų, koduojamų umuC ir umuD genų, aktyvumo. Esant atitinkamoms sąlygoms (žr. SOS atsaką žemiau) UmuC ir UmuD suaktyvinami, kad būtų pradėta aplinkkelio sintezė. Būdama linkusi į klaidas, transliacijos sintezė sukelia daug mutacijų.

SOS atsakymas

Terminas „SOS remontas“, pavadintas standartiniais SOS nelaimės signalais, reiškia ląstelių atsaką į UV pažeidimus. Kai bakterijų ląstelės patiria didelę žalą savo DNR dėl UV poveikio, jos įjungia koordinuotą daugelio genų, būtinų DNR taisymui, ekspresiją. Tai apima uvr genus, reikalingus nukleotidų ekscizijos taisymui, ir recA, kuris dalyvauja homologinėje rekombinacijoje. Be šių mechanizmų, kurie gali atlikti be klaidų taisymą, SOS atsakas taip pat gali sukelti transliacijos polimerazių, užkoduotų dinA, dinB ir umuCD genų, ekspresiją.

Kaip visi šie genai koordinuotai indukuojami po UV pažeidimo? Visus SOS atsako sukeltus genus reguliuoja du komponentai. Pirmasis yra trumpos DNR sekos buvimas prieš juos koduojančią sritį, vadinamą SOS dėžute. Antrasis yra baltymas, LexA represorius (7.49 pav.), kuris jungiasi prie SOS dėžutės ir neleidžia transkripcijai pasroviui esantiems genams. Genų ekspresijai reikia pašalinti LexA iš jo surišimo vietos. Kaip tai pasiekiama?

Kai dėl spinduliuotės poveikio DNR nutrūksta, viengrandžių regionų buvimas skatina RecA baltymų aktyvavimą ir prisijungimą prie vienos grandinės srities, sukuriant nukleoproteino siūlą. RecA sąveika su LexA represoriumi sukelia represoriaus autoskilimą, leidžiantį išreikšti pasroviui esantį geną (-us) (7.50 pav.).

LexA represoriaus valdomi genai, kaip minėta anksčiau, koduoja baltymus, kurie yra būtini tiksliam DNR taisymui, taip pat klaidingai transliacijos sintezei. Įvairūs genai, dalyvaujantys DNR atstatyme, indukuojami tam tikra tvarka. Pradinėse stadijose derepresuoti taisymo genai yra skirti nukleotidų ekscizijos taisymui, o po to vyksta homologinė rekombinacija, abu be klaidų taisymo mechanizmai. Jei žala yra per didelė, kad ją būtų galima ištaisyti šiomis sistemomis, kraštutiniu atveju gali būti naudojami taisymo mechanizmai, kurie gali sukelti klaidų.

SOS atsakas ir atsparumas antibiotikams

Padidėjęs SOS atsako mutacijų greitis gali turėti įtakos bakterijų atsparumui antibiotikams įgyti (7.51 pav.).

Pavyzdys yra atsparumo topoizomerazės nuodams, pavyzdžiui, fluorokvinolonų grupės vaistų, išsivystymas. Fluorokvinolonai slopina topoizomerazių gebėjimą surišti substratų galus, juos įpjovus, kad suvyniota DNR galėtų atsipalaiduoti. Dėl to kaupiasi sruogų pertraukos, kurios gali sukelti SOS atsaką. Dėl klaidų linkusios DNR sintezės mažo tikslumo polimerazėmis SOS atsako metu labai padidėja mutacijų skaičius. Nors kai kurios mutacijos gali būti mirtinos bakterijoms, kitos gali prisidėti prie greito gyventojų atsparumo vaistams vystymosi.


Skyriaus santrauka

DNR polimerazė gali padaryti klaidų pridėdama nukleotidų. Jis redaguoja DNR, patikrindamas kiekvieną naujai pridėtą bazę. Neteisingi pagrindai pašalinami ir pakeičiami tinkamu pagrindu, o tada pridedamas naujas pagrindas. Dauguma klaidų ištaisomos replikacijos metu, nors kai tai neįvyksta, naudojamas neatitikimo taisymo mechanizmas. Neatitikimo taisymo fermentai atpažįsta neteisingai įtrauktą bazę ir išskiria ją iš DNR, pakeičiant ją tinkama baze. Atliekant dar vieną taisymo tipą, nukleotidų ekscizijos taisymą, neteisinga bazė pašalinama kartu su keliomis bazėmis 5′ ir 3′ galuose, o jos pakeičiamos kopijuojant šabloną DNR polimerazės pagalba. Naujai susintetinto fragmento galai prijungiami prie likusios DNR, naudojant DNR ligazę, kuri sukuria fosfodiesterio ryšį.

Dauguma klaidų ištaisomos, o jei ne, jos gali sukelti mutaciją, apibrėžtą kaip nuolatinį DNR sekos pokytį. Mutacijos gali būti įvairių tipų, tokių kaip pakeitimas, trynimas, įterpimas ir perkėlimas. Remonto genų mutacijos gali sukelti rimtų pasekmių, tokių kaip vėžys. Mutacijos gali būti sukeltos arba gali atsirasti spontaniškai.


Naujai atrastas baltymas atkuria DNR

Kreditas: Pixabay / CC0 viešasis domenas

Sevilijos universiteto mokslininkai, bendradarbiaudami su kolegomis iš Mursijos ir Marburgo universitetų (Vokietija), nustatė naują baltymą, kuris leidžia atkurti DNR. Aptariamas baltymas, vadinamas kriptochromu, išsivystė, kad įgytų šią ir kitas funkcijas ląstelėje.

Ultravioletinė spinduliuotė gali pažeisti DNR ir sukelti mutacijas, kurios sutrikdo ląstelių funkciją ir gali leisti vėžinėms ląstelėms augti nekontroliuojamai. Mūsų ląstelės turi DNR atkūrimo sistemas, kad apsisaugotų nuo tokios žalos. Viena iš šių sistemų yra pagrįsta baltymu, fotoliaze, kuri naudoja mėlyną šviesą, kad atitaisytų DNR pažeidimus, kol jie nesukels mutacijų.

Evoliucijos eigoje fotoliazės genai dubliavosi ir tapo specializuoti, sukurdami naujus baltymus, kriptochromus, kurie ištobulino savo gebėjimą suvokti mėlyną šviesą ir dabar atlieka kitas funkcijas ląstelėse. Pavyzdžiui, kriptochromai naudoja mėlyną šviesą kaip signalą augalų augimui reguliuoti ir ritmui, kuris kontroliuoja kasdienę grybų ir gyvūnų veiklą (cirkadinį ritmą).

Šio tyrimo autoriai išsiaiškino, kad grybelio Mucor circinelloides, žmogaus patogeno, kriptochromai yra baltymas, atsakingas už DNR atstatymą po ultravioletinės spinduliuotės poveikio, o šią funkciją turėtų atlikti fotoliazė. Jie taip pat teigia, kad šio grybelio kriptochromai sugebėjo pataisyti DNR evoliucijos metu iš protėvių kriptochromo, kuris negalėjo pataisyti DNR. Šis atradimas iliustruoja, kaip baltymai keičiasi, kai vystosi jų funkcijos.


Kas yra DNR taisymas?

DNR polimerazės fermentas kartais netyčia įveda netinkamas bazes, kurios sutrikdys įprastą Watson-Crick bazių skaidymąsi DNR. Taip pat yra daug DNR pažeidimo galimybių genetinės rekombinacijos metu, vykstant gametogenezei dalijantis mejozinėmis ląstelėmis. Jei somatinėse ląstelėse nepataisomi DNR pažeidimai ar klaidos, tai gali sukelti vėžio vystymąsi arba genų funkcijos praradimą. Be to, jei lytinių ląstelių DNR pažeidimai nebus ištaisyti, jie bus perkelti į kitą kartą per palikuonis. Taigi genetinės medžiagos pažeidimas yra didelė grėsmė visiems organizmams. Siekdamos atremti šias grėsmes, ląstelės sukūrė daugybę būdų, kaip įveikti ir ištaisyti įvairių tipų DNR pažeidimus. Visi šie metodai bendrai vadinami kaip DNR REMONTAS mechanizmai. Panašiai kaip DNR replikacija, transkripcija ir vertimas, DNR atstatymo procesas taip pat yra pagrindinis molekulinis įvykis ląstelėse, kuris yra labai svarbus galutiniam ląstelių ir organizmo išlikimui.

DNR taisymas ir Nobelio chemijos premija (2015 m.)

Karališkoji Švedijos mokslų akademija 2015 m. skyrė Nobelio chemijos premiją už DNR atkūrimo mechanizmo atradimą ir indėlį. Šių metų Nobelio chemijos premiją pasidalijo trys mokslininkai – Thomas Lindhalas, Paulas Modrichas ir Azizas Sancaras už „Mechanistinius DNR taisymo tyrimus“. Išsamus DNR atstatymo ląstelėse mechanizmas, kurį šiandien žinome, visų pirma yra dėl jų tyrimų. Profesorius Thomas Lindahlas įrodė, kad DNR yra nestabili molekulė, kuri net fiziologinėmis sąlygomis gali būti pažeista. Jis taip pat nustatė visiškai naują DNR glikozilazės fermentą ir apibūdino jų vaidmenį DNR atstatymo mechanizmus. Profesorius Paulas Modrichas neatitikimų taisymo sritį pakeitė į išsamų biocheminį supratimą pirmiausia bakterijose, o vėliau eukariotuose. Profesorius Sancar paaiškino nukleotidų ekscizijos taisymo mechanizmą pirmiausia bakterijose, o vėliau eukariotinėse ląstelėse. Jis taip pat paaiškino molekulinius mechanizmus, susijusius su fotoreaktyvacijos procesu, kuris yra nuo šviesos priklausomo DNR atkūrimo mechanizmo tipas. Visi šie įnašai padėjo mums suprasti kai kurių ligų, tokių kaip vėžys, pobūdį ir padėjo sukurti naujus gydymo būdus nuo daugelio ligų, įskaitant vėžį.

Ardomosios jėgos, su kuriomis susiduria DNR ląstelėje

Ląstelėse yra dviejų kategorijų destruktyvių jėgų, kurios gali pažeisti DNR tiek struktūriškai, tiek chemiškai. Jie yra:

(1). Vidiniai arba vidiniai veiksniai: jie apima: -

Ø Metaboliniai tarpiniai produktai

(2). Išoriniai arba išoriniai veiksniai: jie apima: -

Ø Spinduliuotė (rentgeno spinduliai, UV spinduliai, γ spinduliai)

Ø Kancerogenai / DNR įsiterpiančios medžiagos

Kaip rodo pavadinimas, vidiniai veiksniai atsiranda pačios ląstelės viduje. Reaktyvūs laisvieji radikalai ir tarpiniai metaboliniai produktai arba metaboliniai šalutiniai produktai gali smarkiai pažeisti DNR ir sukelti spontaniškas mutacijas. Pavyzdžiui, oksidacinį nukleotidų deaminavimą ląstelėse, dėl kurio citozinas virsta uracilu, sukelia tarpiniai metaboliniai produktai. Klaidos, atsirandančios DNR replikacijos ir rekombinacijos metu, taip pat laikomos vidiniais veiksniais.

Pagrindiniai išoriniai veiksniai, galintys pažeisti ląstelių DNR, patenka į dvi subkategorijas. Tarp kurių svarbiausi yra skirtingi radianų tipai. Spinduliuotė, tokia kaip UV spinduliai, rentgeno spinduliai ir γ spinduliai, gali labai sutrikdyti DNR struktūrą ir chemiją, todėl atsiranda įvairių mutacijų galimybių. Panašiai skirtingos kancerogeninės cheminės medžiagos, kurias paprastai vadinome DNR interkaluojančiomis medžiagomis, gali tiesiogiai reaguoti su DNR ir gali sukelti skirtingus struktūrinius ir cheminius DNR pakeitimus.

Kai dėl bet kurio iš šių vidinių ar išorinių veiksnių prarandama normali DNR konformacinė chemija, galime sakyti, kad DNR yra pažeidimas. Kaip ir paveikslėlyje, normali DNR konformacinė simetrija prarandama dėl timino dimero susidarymo UV šviesoje ir dėl to vienoje grandinėje atsirado iškilimas. Timino dimero sukeltas išsipūtimas gali būti vadinamas DNR pažeidimu.

Galimi struktūriniai DNR pažeidimai:

(1). Timino dimero susidarymas:

Dažniausias struktūrinis DNR pažeidimas yra pirimidino dimero susidarymas. Jį sudaro kovalentinis ryšys tarp dviejų gretimų pirimidino liekanų, tokių kaip tarp dviejų timinų arba dviejų citozinų arba labai retai timino ir citozino. Pirimidino dimero susidarymą sukelia DNR ultravioletinis švitinimas. Tarp trijų pirimidino dimerų tipų dažniausiai susidaro timino dimeras. Kai DNR veikia UV šviesa, vandeniliniai ryšiai tarp dviejų grandinių nutrūksta ir tarp dviejų timino liekanų susidaro dvi kovalentinės jungtys. Du kovalentiniai ryšiai susidaro nutrūkus dviem dviguboms jungtims, esančioms tarp gretimų timino liekanų C5 ir C6. Timino dimeras taip pat vadinamas ciklobutano fotodimeru arba CPD, nes jis struktūriškai primena ciklobutano branduolį. Jei timino dimeras DNR nebus pakoreguotas, jis sukels melanomą, kuri yra odos vėžio rūšis.

(2). Spontaniškas DNR depurinavimas

Taip yra dėl spontaniško adenino arba guanino likučių pašalinimo iš DNR dėl N-glikozilo jungties, jungiančios azoto bazę su dezoksiribozės cukrumi, skilimo. Dėl depurinacijos susidaro apurininė vieta (AP vieta). Apurininė vieta struktūriškai sutrikdo normalią DNR konformaciją. Jei apurininė vieta paliekama nekoreguota, audinyje prasideda daugelio rūšių vėžinis augimas.

(3). Spontaniškas bazių deaminavimas DNR

Kaip rodo pavadinimas, tai amino grupių pašalinimas iš DNR azoto bazių. Deaminaciją dažniausiai sukelia oksidacinis amino grupės pašalinimas iš azoto bazių. Deaminacija sukuria nenatūralias bazes arba pasikeičia bazių seka ir sukelia taškinę DNR mutaciją. Nenatūralios bazės yra kitos nei adeninas, guaninas, timinas, citozinas ar urasilas. Hipoksantinas ir ksantinas yra dvi nenatūralios bazės, įtrauktos į DNR dėl spontaniškos deaminacijos.

Adenino deaminavimas sukelia hipoksantino susidarymą. Guanino deamininimas sukuria kitą nenatūralų pagrindą, vadinamą ksantinu. Citozino deaminavimas sukuria uracilą. Kadangi uracilas nėra DNR bazė, jis sunaikins įprastą Watson-Crick bazių porą DNR. Dėl amino grupės nebuvimo timino liekanų deamininimas neįmanomas. Yra dar vienas deaminacijos tipas, iš tikrųjų jis pats sunkiausias ir pavojingiausias. Kaip DNR reguliavimo mechanizmo dalis, didžioji dalis citozino, esančio DNR, bus metilinta 5-oje padėtyje kaip 5-metilcitozinas. Deaminuojant 5-metilcitoziną, susidaro timinas, todėl susidaro taškinė mutacija.

(4). DNR replikacijos/rekombinacijos klaidos

Taip yra dėl to, kad DNR replikacijos metu DNR polimerazė į DNR įtraukė neteisingas bazes. DNR polimerazė taip pat turi egzonukleazės aktyvumą, kuri paprastai pašalina netinkamas bazes ir įterpia tinkamą bazę, vadinamą „korektišku skaitymu“. Kartais korektūros skaitymo metodu nepavyksta aptikti netinkamos bazės, o netinkama bazė išlieka DNR. Jei šios klaidos nebus ištaisytos, kitame replikacijos cikle DNR pasikeičia bazė ir viena dukterinė DNR mutuoja.

Įvairūs DNR atkūrimo mechanizmai ląstelėje:

Šiame įraše mes tiesiog paminėsime skirtingų DNR taisymo mechanizmų pavadinimus, turime išsamius įrašus su vaizdo pamokomis apie kiekvieną iš šių taisymo mechanizmų.

Iki šiol mokslui žinomi šeši skirtingi DNR atkūrimo mechanizmų tipai.

(1). Fotoreaktyvavimas: nuo šviesos priklausomas DNR atstatymo mechanizmas, kuris pašalina timino dimerus

(2). Bazinio iškirpimo taisymas (BER): iš DNR grandinės pašalinama arba išpjaunama tik pažeista bazė, nepašalinant normalių bazių

(3). Nukleotidų iškirpimo taisymas (NER): pažeisti pagrindai kartu su trumpu sveiko stovo ruožu pašalinami ir vėl užpildomi tinkamais pagrindais

(4). Neatitikimo taisymas arba MMR: Kaip rodo pavadinimas, jis pašalina nesuderintas bazes iš DNR ir užpildo tinkamomis bazėmis.

(5). Dvigubos grandinės lūžių taisymas: ištaisomi dvigubos sruogos nutrūkimo pažeidimai

(6). Homologinis remontas: čia vyksta ilgas DNR atstatymo ruožas, konsultuojantis su seka homologinėje chromosomoje

Ląstelėse yra dar vienas DNR atkūrimo strategijos tipas, vadinamas SOS atsaku, iš tikrųjų nėra DNR atkūrimo mechanizmas. SOS atsakas pradedamas ląstelėse po didelio DNR pažeidimo. SOS atsakai sukelia daugybę molekulinių procesų ląstelėse, o DNR atstatymas yra vienas iš šių procesų.

Taisymo mechanizmai, tokie kaip fotoreaktyvacija, bazės ekscizijos taisymas, nukleotidų ekscizijos taisymas ir neatitikimo taisymas, atkuriama tik pažeista DNR duplekso grandinė, o nepažeista grandinė veikia kaip šablono grandinė. Tačiau dvigubos grandinės pertraukos taisymo ir homologija nukreipto taisymo metu yra taisomos abi DNR dvipusio pluošto grandinės.


Paskaitų konspektai

  • šios savybės leidžia tRNR prisijungti prie ribosomų surišimo vietų ir prie mRNR
  • kintamos kiekvieno tipo tRNR savybės sukuria skirtingas fizines ir chemines savybes, leidžiančias teisingai susieti aminorūgštis su specifinėmis tRNR
  • tRNR aktyvuojantis fermentas prijungia specifinę aminorūgštį prie tRNR 3’ galo
  • yra 20 skirtingų tRNR aktyvuojančių fermentų, po vieną kiekvienai iš 20 aminorūgščių
  • kiekvienas iš šių fermentų prijungia vieną konkrečią aminorūgštį prie visų tRNR molekulių, turinčių tą aminorūgštį atitinkantį antikodoną
  • ATP hidrolizė suteikia energijos aminorūgščių prijungimui prie tRNR, ši sukaupta energija taip pat vėliau naudojama aminorūgščių prijungimui prie augančios polipeptidinės grandinės transliacijos metu

7.4.2 Apibūdinkite ribosomų struktūrą, įskaitant:

  • baltymas (40 % svorio) ir rRNR (60 % svorio) sudėtis:
  • dideli ir maži subvienetai
  • trys tRNR surišimo vietos: E-site, P-site, A-site
  • mRNR surišimo vieta: ant mažo ribosominio subvieneto

7.4.3 Nurodykite, kad vertimą sudaro inicijavimas, pailginimas, perkėlimas ir užbaigimas

7.4.4 Nurodykite, kad vertimas vyksta 5' -> 3' kryptimi

7.4.5 Nubraižykite ir pažymėkite diagramą, rodančią peptidinio ryšio tarp dviejų aminorūgščių struktūrą.

7.4.6 Paaiškinkite vertimo procesą, įskaitant ribosomas, polisomas, pradžios kodonus ir pabaigos kodonus:

Spustelėkite, kad užbaigtumėte dvi paprastas interaktyvias baltymų sintezės animacijas:

  • 5’ mRNR galas jungiasi prie mažo ribosomos subvieneto
  • pradinis mRNR kodonas = AUG = pradžios kodonas
  • tRNR su antikodonas: UAC prisijungia prie mRNR AUG kodono papildomu bazių poravimu, metioninas prijungtas prie tRNR 3' terminalo
  • jungiasi didelis ribosomų subvienetas, užbaigia ribosomų struktūrą ir sukuria dvi ribosomų surišimo vietas: P svetainė & Svetainė

  • tRNR su antikodonu, papildančiu antrąjį mRNR kodoną, prisijungia prie ribosomos A vietos, o atitinkama aminorūgštis yra prijungta prie tRNR 3' galo
  • Ribosomų fermentai katalizuoja formavimąsi peptidinė jungtis tarp metionino ir 2-osios aminorūgšties
  • P vietos tRNR, dabar atskirta nuo metionino, išeina iš ribosomos
  • ribosoma perkelia vieną kodoną (3 nukleotidus) link mRNR 3' galo, taip perkeldama ankstesnę A vietos tRNR į P vietą ir atidarydama A vietą
  • tRNR su antikodonu, papildančiu A vietos mRNR kodoną, jungiasi prie ribosominės A vietos, o atitinkama aminorūgštis yra prijungta prie tRNR 3' galo
  • Ribosomų fermentai katalizuoja peptidinio ryšio tarp 2 ir 3 aminorūgščių susidarymą
  • P vietos tRNR, dabar atskirta nuo aminorūgšties, išeina iš ribosomos
  • ribosoma perkelia vieną kodoną (3 nukleotidus) link mRNR 3' galo, taip perkeldama ankstesnę A vietos tRNR į P vietą ir atidarydama A vietą
  • proceso kartojimas, kol pasiekiamas stop kodonas
  • kai ribosominė A vieta pasiekia a stop kodonas, jokia tRNR neturi papildomo antikodono
  • atpalaidavimo faktoriaus baltymas jungiasi prie ribosominės A vietos stop kodono
  • išsiskiria polipeptidas ir mRNR
  • atsiskiria dideli ir maži ribosomų subvienetai

D. polisomos: nuo kelių iki daugelio ribosomų, verčiančių tą pačią mRNR į baltymą, kiekviena juda 5–3 colių kryptimi

E. pradžios kodonas: mRNR tripletas kodonas AUG yra visuotinai pradinis kodonas, naudojamas žymėti geno koduojančios sekos pradžią, todėl tRNR su antikodonu UAC ir turinti aminorūgštį metioniną visada yra pirmoji tRNR, kuri transliacijos metu patenka į P vietą.

F. stop kodonas: genetiniame kode yra trys stop kodonai, nė vienas iš jų neturi atitinkamos tRNR, kai ribosoma susiduria su stop kodonu, atpalaidavimo faktorius prisijungia prie stop kodono, kuris nutraukia transliaciją ir leidžia atskirti visus jo komponentus.


Skyriaus santrauka

DNR polimerazė gali padaryti klaidų pridėdama nukleotidų. Jis redaguoja DNR, patikrindamas kiekvieną naujai pridėtą bazę. Neteisingi pagrindai pašalinami ir pakeičiami tinkamu pagrindu, o tada pridedamas naujas pagrindas. Dauguma klaidų ištaisomos replikacijos metu, nors kai tai neįvyksta, naudojamas neatitikimo taisymo mechanizmas. Neatitikimo taisymo fermentai atpažįsta neteisingai įtrauktą bazę ir išskiria ją iš DNR, pakeičiant ją tinkama baze. Atliekant dar vieną taisymo tipą, nukleotidų ekscizijos taisymą, neteisinga bazė pašalinama kartu su keliomis bazėmis 5′ ir 3′ galuose, o jos pakeičiamos kopijuojant šabloną DNR polimerazės pagalba. Naujai susintetinto fragmento galai prijungiami prie likusios DNR, naudojant DNR ligazę, kuri sukuria fosfodiesterio ryšį.

Dauguma klaidų ištaisomos, o jei ne, jos gali sukelti mutaciją, apibrėžtą kaip nuolatinį DNR sekos pokytį. Mutacijos gali būti įvairių tipų, tokių kaip pakeitimas, trynimas, įterpimas ir perkėlimas. Remonto genų mutacijos gali sukelti rimtų pasekmių, tokių kaip vėžys. Mutacijos gali būti sukeltos arba gali atsirasti spontaniškai.


Turinys

DNR pažeidimai, atsirandantys dėl aplinkos veiksnių ir normalių medžiagų apykaitos procesų ląstelės viduje, per dieną ląstelėje įvyksta 10 000–1 000 000 molekulinių pažeidimų.[2] Nors tai sudaro tik 0,000165 % žmogaus genomo maždaug 6 milijardų bazių, nepataisyti kritinių genų (pvz., naviką slopinančių genų) pažeidimai gali trukdyti ląstelės gebėjimui atlikti savo funkciją ir žymiai padidinti naviko susidarymo tikimybę bei prisidėti. dėl naviko heterogeniškumo.

Didžioji dauguma DNR pažeidimų paveikia pirminę dvigubos spiralės struktūrą, ty pačios bazės yra chemiškai modifikuotos. Šios modifikacijos savo ruožtu gali sutrikdyti įprastą molekulių spiralinę struktūrą, įvesdamos nevietines chemines jungtis arba didelių gabaritų aduktus, kurie netelpa į standartinę dvigubą spiralę. Skirtingai nuo baltymų ir RNR, DNR paprastai neturi tretinės struktūros, todėl žala ar trikdymas nevyksta tame lygyje. Tačiau DNR yra susukta ir suvyniota aplink „pakuojančius“ baltymus, vadinamus histonais (eukariotuose), ir abi antstatos yra pažeidžiamos DNR pažeidimo padarinių.

Redaguoti šaltinius

DNR pažeidimus galima suskirstyti į du pagrindinius tipus:

    žala, pvz., reaktyviųjų deguonies rūšių, susidarančių iš normalių medžiagų apykaitos šalutinių produktų (spontaninės mutacijos), ataka, ypač oksidacinės deaminacijos procesas
    1. taip pat apima replikacijos klaidas
    1. ultravioletinė [UV 200–400 nm] spinduliuotė iš saulės ar kitų dirbtinių šviesos šaltinių
    2. kiti spinduliuotės dažniai, įskaitant rentgeno ir gama spindulius arba šiluminius sutrikimus
    3. tam tikrų augalų toksinų
    4. žmogaus sukurtos mutageninės cheminės medžiagos, ypač aromatiniai junginiai, kurie veikia kaip DNR interkaluojantys agentai[8]

    Pažeistos DNR replikacija prieš ląstelių dalijimąsi gali sukelti netinkamų bazių įsisavinimą prieš pažeistas. Dukterinėse ląstelėse, kurios paveldi šias neteisingas bazes, yra mutacijų, iš kurių negalima atkurti pradinės DNR sekos (išskyrus retus atvejį, kai atsiranda nugaros mutacija, pavyzdžiui, per genų konversiją).

    Tipai Redaguoti

    Yra keletas DNR pažeidimų tipų dėl endogeninių ląstelių procesų:

    1. oksidacija bazių [pvz. 8-okso-7,8-dihidroguaninas (8-oksoG)] ir DNR grandinės pertrūkių susidarymas iš reaktyviųjų deguonies rūšių,
    2. alkilinimas bazių (dažniausiai metilinimas), pvz., 7-metilguanozino, 1-metiladenino, 6-O-metilguanino susidarymas
    3. hidrolizė bazių, tokių kaip deamininimas, depurinacija ir depirimidinacija. (pvz., benzo[a]pireno diolio epoksido-dG aduktas, aristolaktamo I-dA aduktas)
    4. neatitikimas bazių dėl DNR replikacijos klaidų, kai naujai besiformuojančioje DNR grandinėje į vietą susiuvama netinkama DNR bazė arba DNR bazė yra praleidžiama arba per klaidą įterpiama.
    5. Monoaddukto pažeidimas, kurį sukelia vienos azoto bazės pasikeitimas DNR
    6. Diadukto pažeidimas

    Egzogeninių veiksnių daroma žala būna įvairių formų. Keletas pavyzdžių:

    1. UV-B šviesa sukelia kryžminį ryšį tarp gretimų citozino ir timino bazių pirimidino dimerai. Tai vadinama tiesioginiu DNR pažeidimu.
    2. UV-A šviesa sukuria daugiausia laisvųjų radikalų. Laisvųjų radikalų daroma žala vadinama netiesioginiu DNR pažeidimu.
    3. Jonizuojanti radiacija pvz., susidaręs radioaktyvaus skilimo metu arba kosminiai spinduliai sukelia DNR grandinių pertraukas. Vidutinio lygio jonizuojanti spinduliuotė gali sukelti nepataisomą DNR pažeidimą (dėl to atsiranda replikacijos ir transkripcijos klaidų, reikalingų neoplazijai, arba gali sukelti virusų sąveiką), o tai gali sukelti priešlaikinį senėjimą ir vėžį.
    4. Šiluminis sutrikimas esant aukštesnei temperatūrai, padidėja depurinacijos greitis (purino bazių praradimas iš DNR stuburo) ir vienos grandinės pertraukos. Pavyzdžiui, termofilinėse bakterijose, kurios auga karštuose šaltiniuose 40–80 °C temperatūroje, pastebimas hidrolizinis depurinavimas. [9] [10] Depurinacijos greitis (300 purino likučių viename genome per kartą) yra per didelis šių rūšių gyvūnams, kad būtų galima taisyti įprastomis remonto mašinomis, todėl negalima atmesti adaptyvaus atsako galimybės.
    5. Pramoniniai chemikalai pvz., vinilo chloridas ir vandenilio peroksidas, ir aplinkos cheminės medžiagos, tokios kaip policikliniai aromatiniai angliavandeniliai, randami dūmuose, suodžiuose ir dervoje, sukuria didžiulę DNR aduktų – etenobazių, oksiduotų bazių, alkilintų fosfotriesterių ir DNR kryžminimo – įvairovę.

    Sukeltos žalos pavyzdžiai yra UV pažeidimai, alkilinimas/metilinimas, rentgeno spindulių pažeidimai ir oksidaciniai pažeidimai. Spontaniška žala gali apimti pagrindo praradimą, deaminaciją, šugarų susitraukimą ir tautomerinį poslinkį. Konstitucinis (spontaniškas) DNR pažeidimas, kurį sukelia endogeniniai oksidatoriai, gali būti aptiktas kaip mažas histono H2AX fosforilinimo lygis neapdorotose ląstelėse. [11]

    Branduolinis ir mitochondrinis Redaguoti

    Žmogaus ląstelėse ir apskritai eukariotinėse ląstelėse DNR randama dviejose ląstelių vietose – branduolio viduje ir mitochondrijose. Branduolinė DNR (nDNR) egzistuoja kaip chromatinas nereplikaciniuose ląstelių ciklo etapuose ir ląstelių dalijimosi metu kondensuojasi į agregatines struktūras, žinomas kaip chromosomos. Bet kurioje būsenoje DNR yra labai sutankinta ir suvyniota aplink karoliukus primenančius baltymus, vadinamus histonais. Kai ląstelė turi išreikšti genetinę informaciją, užkoduotą jos nDNR, reikiama chromosomų sritis išardoma, joje esantys genai išreiškiami, o tada sritis kondensuojama atgal į ramybės konformaciją. Mitochondrijų DNR (mtDNR) yra mitochondrijų organelių viduje, egzistuoja keliomis kopijomis ir taip pat yra glaudžiai susijusi su daugybe baltymų, kad sudarytų kompleksą, žinomą kaip nukleoidas. Mitochondrijose reaktyviosios deguonies rūšys (ROS) arba laisvieji radikalai, nuolatinės adenozino trifosfato (ATP) gamybos per oksidacinį fosforilinimą šalutiniai produktai, sukuria labai oksidacinę aplinką, kuri, kaip žinoma, pažeidžia mtDNR. Svarbus fermentas, neutralizuojantis šių rūšių toksiškumą, yra superoksido dismutazė, kuri yra tiek eukariotinių ląstelių mitochondrijose, tiek citoplazmoje.

    Senėjimas ir apoptozė Redaguoti

    Senėjimas, negrįžtamas procesas, kurio metu ląstelė nebesiskirsto, yra apsauginė reakcija į chromosomų galų sutrumpėjimą. Telomerai yra ilgos pasikartojančios nekoduojančios DNR sritys, kurios uždengia chromosomas ir dalinai suyra kiekvieną kartą, kai ląstelė dalijasi (žr. Hayflick ribą). [12] Priešingai, ramybė yra grįžtama ląstelių ramybės būsena, nesusijusi su genomo pažeidimu (žr. ląstelių ciklą). Senėjimas ląstelėse gali būti funkcinė alternatyva apoptozei tais atvejais, kai dėl erdvinių priežasčių organizmui reikalingas fizinis ląstelės buvimas [13], o tai yra „paskutinė išeitis“ mechanizmas, neleidžiantis ląstelei su pažeista DNR daugintis. netinkamai, kai nėra augimą skatinančių ląstelių signalų. Nereguliuojamas ląstelių dalijimasis gali sukelti naviko (žr. vėžį) susidarymą, kuris gali būti mirtinas organizmui. Todėl senėjimo ir apoptozės sukėlimas laikomas apsaugos nuo vėžio strategijos dalimi. [14]

    Mutacijos redagavimas

    Svarbu atskirti DNR pažeidimą ir mutaciją – du pagrindinius DNR klaidų tipus. DNR pažeidimai ir mutacijos iš esmės skiriasi. Dėl pažeidimo atsiranda fizinių DNR anomalijų, tokių kaip vienos ir dviejų grandžių pertraukos, 8-hidroksideoksiguanozino liekanos ir policikliniai aromatiniai angliavandenilių aduktai. DNR pažeidimus gali atpažinti fermentai, todėl juos galima tinkamai ištaisyti, jei galima kopijuoti perteklinę informaciją, pvz., nepažeistą seką papildomoje DNR grandinėje arba homologinėje chromosomoje. Jei ląstelėje išlieka DNR pažeidimai, galima užkirsti kelią geno transkripcijai, taigi bus užblokuotas vertimas į baltymą. Replikacija taip pat gali būti užblokuota arba ląstelė gali mirti.

    Priešingai nei DNR pažeidimas, mutacija yra DNR bazinės sekos pasikeitimas. Fermentai negali atpažinti mutacijos, kai bazės pokytis yra abiejose DNR grandinėse, todėl mutacijos negalima ištaisyti. Ląstelių lygiu mutacijos gali sukelti baltymų funkcijos ir reguliavimo pokyčius. Mutacijos kartojasi, kai ląstelė replikuojasi. Ląstelių populiacijoje mutantinių ląstelių dažnis padidės arba mažės, atsižvelgiant į mutacijos poveikį ląstelės gebėjimui išgyventi ir daugintis.

    Nors DNR pažeidimai ir mutacijos skiriasi vienas nuo kito, jie yra susiję, nes DNR pažeidimas dažnai sukelia DNR sintezės klaidas replikacijos ar taisymo metu, šios klaidos yra pagrindinis mutacijų šaltinis.

    Atsižvelgiant į šias DNR pažeidimo ir mutacijos savybes, galima pastebėti, kad DNR pažeidimas yra ypatinga nesidalijančių arba lėtai besidalijančių ląstelių problema, kur laikui bėgant nepataisyta žala kaupsis. Kita vertus, greitai besidalijančiose ląstelėse nepataisytas DNR pažeidimas, kuris neužmuša ląstelės blokuodamas replikaciją, gali sukelti replikacijos klaidas, taigi ir mutacijas. Didžioji dauguma mutacijų, kurių poveikis nėra neutralus, kenkia ląstelės išlikimui. Taigi ląstelių populiacijoje, kurią sudaro audinys su besidauginančiomis ląstelėmis, mutantinės ląstelės bus linkusios prarasti. Tačiau nedažnos mutacijos, kurios suteikia išgyvenimo pranašumą, linkusios kloniškai plėstis kaimyninių audinių ląstelių sąskaita. Šis pranašumas ląstelei yra nepalankus visam organizmui, nes tokios mutantinės ląstelės gali sukelti vėžį. Taigi DNR pažeidimas dažnai besidalijančiose ląstelėse, nes sukelia mutacijas, yra svarbi vėžio priežastis. Priešingai, DNR pažeidimas retai besidalijančiose ląstelėse greičiausiai yra svarbi senėjimo priežastis. [15]

    Ląstelės negali funkcionuoti, jei DNR pažeidimas pažeidžia esminės informacijos vientisumą ir prieinamumą genome (tačiau ląstelės išlieka paviršutiniškai veikiančios, kai trūksta neesminių genų arba jie yra pažeisti). Priklausomai nuo DNR dvigubai spiralinei struktūrai padarytos žalos tipo, buvo sukurtos įvairios taisymo strategijos prarastai informacijai atkurti. Jei įmanoma, ląstelės naudoja nemodifikuotą papildomą DNR grandinę arba seserinę chromatidę kaip šabloną, kad atkurtų pradinę informaciją. Neturėdamos prieigos prie šablono, ląstelės kaip paskutinę priemonę naudoja atkūrimo mechanizmą, kuris gali sukelti klaidų.

    DNR pažeidimas pakeičia spiralės erdvinę konfigūraciją ir tokius pokyčius gali aptikti ląstelė. Kai pažeidimas yra lokalizuotas, specifinės DNR taisymo molekulės jungiasi prie pažeidimo vietos arba šalia jos, paskatindamos kitas molekules jungtis ir sudaryti kompleksą, kuris įgalina realų taisymą.

    Tiesioginis atšaukimas Redaguoti

    Yra žinoma, kad ląstelės pašalina trijų rūšių žalą savo DNR, chemiškai ją pakeisdamos. Šiems mechanizmams nereikia šablono, nes žala, kurią jie neutralizuoja, gali atsirasti tik vienoje iš keturių bazių. Tokie tiesioginiai apsisukimo mechanizmai yra būdingi padarytos žalos tipui ir nėra susiję su fosfodiesterio stuburo lūžimu. Pirimidino dimerų susidarymas apšvitinant UV šviesa sukelia nenormalų kovalentinį ryšį tarp gretimų pirimidino bazių. Fotoreaktyvacijos procesas tiesiogiai panaikina šią žalą, veikiant fermentui fotoliazei, kurio aktyvacija būtinai priklauso nuo energijos, sugertos iš mėlynos / UV šviesos (bangos ilgis 300–500 nm), kad būtų skatinama katalizė. [16] Fotoliazė, senas fermentas, esantis bakterijose, grybuose ir daugumoje gyvūnų, žmonėms nebeveikia [17], kurie vietoj to naudoja nukleotidų iškirpimą, kad atitaisytų UV spinduliuotės padarytą žalą. Kitas pažeidimo tipas, guanino bazių metilinimas, yra tiesiogiai pakeičiamas baltymo metilguanino metiltransferazė (MGMT), kurios bakterinis atitikmuo vadinamas ogt. Tai brangus procesas, nes kiekviena MGMT molekulė gali būti naudojama tik vieną kartą, tai yra, reakcija yra stechiometrinė, o ne katalizinė. [18] Apibendrintas atsakas į metilinimo agentus bakterijose yra žinomas kaip adaptyvusis atsakas ir suteikia atsparumo alkilinančioms medžiagoms lygį, esant ilgalaikiam poveikiui, padidinus alkilinimo atkūrimo fermentų reguliavimą. [19] Trečiasis ląstelių DNR pažeidimo tipas yra tam tikras citozino ir adenino bazių metilinimas.

    Vienos grandinės pažeidimas Redaguoti

    Kai tik viena iš dviejų dvigubos spiralės gijų turi defektą, kita sruogelė gali būti naudojama kaip šablonas, padedantis koreguoti pažeistą sruogą. Siekiant ištaisyti žalą vienai iš dviejų suporuotų DNR molekulių, yra keletas iškirpimo taisymo mechanizmų, kurie pašalina pažeistą nukleotidą ir pakeičia jį nepažeistu nukleotidu, papildančiu nepažeistoje DNR grandinėje randamą nukleotidą. [18]

      (BER): pažeistos pavienės bazės arba nukleotidai dažniausiai pataisomi pašalinant bazę arba atitinkamą nukleotidą ir įterpiant tinkamą bazę arba nukleotidą. Atkuriant bazę, glikozilazės [20] fermentas pašalina pažeistą bazę iš DNR, suardydamas ryšį tarp bazės ir dezoksiribozės. Šie fermentai pašalina vieną bazę, kad sukurtų apurininę arba apirimidininę vietą (AP vietą). [20] Fermentai, vadinami AP endonukleaze, suardo pažeistą DNR stuburą AP vietoje. Tada DNR polimerazė pašalina pažeistą sritį, naudodama savo 5'–3' egzonukleazės aktyvumą, ir teisingai sintezuoja naują grandinę, naudodama kaip šabloną komplementarią grandinę. [20] Tada tarpas uždaromas fermentu DNR ligaze. [21] (NER): didelių gabaritų, spiralę iškraipantys pažeidimai, pvz., UV spindulių sukelta pirimidino dimerizacija, paprastai pataisomi trijų etapų procesu. Pirmiausia atpažįstama žala, tada 12-24 nukleotidų ilgio DNR grandinės pašalinamos tiek prieš, tiek pasroviui nuo pažeidimo vietos endonukleazėmis, o pašalinta DNR sritis sintezuojama iš naujo. [22] NER yra labai evoliuciškai konservuotas remonto mechanizmas ir naudojamas beveik visose eukariotinėse ir prokariotinėse ląstelėse. [22] Prokariotuose NER tarpininkauja Uvr baltymai. [22] Eukariotuose dalyvauja daug daugiau baltymų, nors bendra strategija ta pati. [22] sistemos yra iš esmės visose ląstelėse, kad ištaisytų klaidas, kurios nėra ištaisytos korektūros būdu. Šios sistemos susideda iš mažiausiai dviejų baltymų. Vienas aptinka neatitikimą, o kitas įdarbina endonukleazę, kuri suskaido naujai susintetintą DNR grandinę arti pažeidimo srities. Į E. coli , dalyvaujantys baltymai yra Mut klasės baltymai: MutS, MutL ir MutH. Daugumoje eukariotų MutS analogas yra MSH, o MutL analogas yra MLH. MutH yra tik bakterijose. Po to pažeista sritis pašalinama naudojant egzonukleazę, resintezuojama DNR polimeraze ir užklijuojama DNR ligazė. [23]

    Dvigubos grandinės pertraukos Redaguoti

    Dvigubos grandinės pertraukos, kai nutrūksta abi dvigubos spiralės grandinės, yra ypač pavojingos ląstelei, nes gali sukelti genomo persitvarkymą. Tiesą sakant, kai dvigubos grandinės pertrauką lydi kryžminis ryšys, sujungiantis dvi grandines tame pačiame taške, nė viena grandinė negali būti naudojama kaip atstatymo mechanizmų šablonas, todėl ląstelė negalės užbaigti mitozės. po to jis dalijasi ir arba mirs, arba retais atvejais patirs mutaciją. [3] [4] Yra trys dvigubos grandinės pertraukų (DSB) taisymo mechanizmai: nehomologinis galų sujungimas (NHEJ), mikrohomologinis galų sujungimas (MMEJ) ir homologinė rekombinacija (HR). [18] [24] An in vitro sistemoje, MMEJ pasireiškė žinduolių ląstelėse esant 10–20% HR lygiui, kai taip pat buvo prieinami ir HR, ir NHEJ mechanizmai. [25]

    NHEJ DNR ligazė IV, specializuota DNR ligazė, kuri sudaro kompleksą su kofaktoriumi XRCC4, tiesiogiai sujungia du galus. [26] Kad būtų galima tiksliai atstatyti, NHEJ remiasi trumpomis homologinėmis sekomis, vadinamomis mikrohomologijomis, esančiomis DNR galų, kuriuos reikia sujungti, uodegose. Jei šios iškyšos yra suderinamos, remontas paprastai yra tikslus. [27] [28] [29] [30] NHEJ taip pat gali įvesti mutacijas remonto metu. Pažeistų nukleotidų praradimas lūžio vietoje gali sukelti delecijas, o nesutampančių galų sujungimas sudaro intarpus arba translokacijas. NHEJ yra ypač svarbus, kol ląstelė nepakartojo savo DNR, nes nėra šablono, kurį būtų galima pataisyti homologinės rekombinacijos būdu. Aukštesniuosiuose eukariotuose yra „atsarginiai“ NHEJ keliai. [31] Be genomo prižiūrėtojo vaidmens, NHEJ reikalingas norint sujungti plaukų segtuku uždengtas dvigubos grandinės pertraukas, sukeltas V(D)J rekombinacijos metu – procese, kuris sukuria B ląstelių ir T ląstelių receptorių įvairovę stuburinių imuninėje sistemoje. sistema. [32]

    Homologinei rekombinacijai reikalinga identiška arba beveik identiška seka, kuri būtų naudojama kaip lūžio taisymo šablonas. Fermentinė mašina, atsakinga už šį taisymo procesą, yra beveik identiška mechanizmui, atsakingai už chromosomų kryžminimą mejozės metu. Šis būdas leidžia pataisyti pažeistą chromosomą naudojant seserinę chromatidę (galima G2 po DNR replikacijos) arba homologinę chromosomą kaip šabloną. DSB, kuriuos sukelia replikacijos mechanizmai, bandantys susintetinti per vienos grandinės pertrauką arba nepataisytą pažeidimą, sukelia replikacijos šakės žlugimą ir paprastai yra pataisomos rekombinacijos būdu.

    MMEJ prasideda trumpojo nuotolio galo rezekcija MRE11 nukleaze abiejose dvigubos grandinės pertraukos pusėse, kad būtų atskleisti mikrohomologijos regionai. [25] Tolesniuose etapuose [33] reikalinga poli (ADP-ribozės) polimerazė 1 (PARP1), kuri gali būti ankstyvas MMEJ etapas. Mikrohomologiniai regionai suporuojami, po to įjungiama slankstelių struktūrai būdinga endonukleazė 1 (FEN1), kad būtų pašalinti išsikišę atvartai. Po to XRCC1 – LIG3 įdarbinamas į vietą DNR galams surišti, todėl DNR yra nepažeista. MMEJ visada lydi delecija, todėl MMEJ yra mutageninis DNR taisymo kelias. [34]

    Ekstremofilas Deinococcus radiodurans turi puikų gebėjimą išgyventi DNR pažeidimus dėl jonizuojančiosios spinduliuotės ir kitų šaltinių. Bent dvi genomo kopijos su atsitiktiniais DNR pertrūkiais gali sudaryti DNR fragmentus atkaitinimo būdu. Tada iš dalies persidengiantys fragmentai naudojami homologinių regionų sintezei per judančią D kilpą, kuri gali tęsti pratęsimą, kol suranda papildomas partnerių grandines. Paskutiniame etape vyksta kryžminimas naudojant nuo RecA priklausomą homologinę rekombinaciją. [35]

    Keisdamos DNR superspiralės būseną, topoizomerazės įveda tiek vienos, tiek dviejų grandžių pertraukas, o tai ypač būdinga regionuose, esančiuose šalia atviros replikacijos šakės. Tokie lūžiai nelaikomi DNR pažeidimu, nes jie yra natūralus tarpinis topoizomerazės biocheminio mechanizmo produktas ir juos iš karto pataiso juos sukūrę fermentai.

    Vertimo sintezė Redaguoti

    Transliacijos sintezė (TLS) yra DNR pažeidimo tolerancijos procesas, leidžiantis DNR replikacijos mechanizmui pakartoti ankstesnius DNR pažeidimus, tokius kaip timino dimerai arba AP vietos. [36] Tai apima įprastų DNR polimerazių išjungimą specializuotoms transliacijos polimerazėms (t. y. IV arba V DNR polimerazėms iš Y polimerazės šeimos), dažnai su didesnėmis aktyviosiomis vietomis, kurios gali palengvinti bazių įterpimą priešais pažeistus nukleotidus. Manoma, kad polimerazės perjungimą, be kitų veiksnių, lemia ir potransliacinė replikacijos proceso faktoriaus PCNA modifikacija. Translezijos sintezės polimerazės dažnai turi mažą tikslumą (didelį polinkį įterpti netinkamas bazes) ant nepažeistų šablonų, palyginti su įprastomis polimerazėmis.Tačiau daugelis jų labai efektyviai įdeda teisingus pagrindus, priešingus tam tikroms žalos rūšims. Pavyzdžiui, Pol η tarpininkauja be klaidų apeinant UV spinduliuotės sukeltus pažeidimus, o Pol ι šiose vietose įveda mutacijas. Yra žinoma, kad Pol η prideda pirmąjį adeniną per T^T fotodimerį, naudodamas Watson-Crick bazių porą, o antrasis adeninas bus pridėtas sinchronizacijoje, naudojant Hoogsteen bazių porą. Žvelgiant iš ląstelių perspektyvos, rizikuoti taškinių mutacijų atsiradimu transliacijos sintezės metu gali būti geriau, nei naudoti drastiškesnius DNR atstatymo mechanizmus, kurie gali sukelti didelių chromosomų aberacijų arba ląstelių mirtį. Trumpai tariant, procesas apima specializuotas polimerazes, kurios apeina arba atstato pažeidimus sustojusios DNR replikacijos vietose. Pavyzdžiui, žmogaus DNR polimerazė eta gali apeiti sudėtingus DNR pažeidimus, tokius kaip guanino ir timino vidinis kryžminis ryšys, G[8,5-Me]T, nors tai gali sukelti tikslines ir pusiau tikslines mutacijas. [37] Paromita Raychaudhury ir Ashis Basu [38] tyrė to paties pažeidimo toksiškumą ir mutagenezę m. Escherichia coli replikuojant G[8,5-Me]T modifikuotą plazmidę E. coli su specifiniais DNR polimerazės išmušimais. Padermės, neturinčios pol II, pol IV ir pol V, trijų SOS indukuojamų DNR polimerazių, gyvybingumas buvo labai mažas, o tai rodo, kad transliacijos sintezę pirmiausia vykdo šios specializuotos DNR polimerazės. Šioms polimerazėms suteikia apėjimo platformą dauginantis ląstelių branduolinis antigenas (PCNA). Įprastomis aplinkybėmis PCNA, prisijungusi prie polimerazių, replikuoja DNR. Pažeidimo vietoje PCNA yra visur arba modifikuojama RAD6/RAD18 baltymų, kad būtų sukurta platforma specializuotoms polimerazėms apeiti pažeidimą ir atnaujinti DNR replikaciją. [39] [40] Po transliacijos sintezės reikia išplėsti. Šį išplėtimą galima atlikti replikacine polimeraze, jei TLS yra be klaidų, kaip ir Pol η atveju, tačiau jei TLS sukelia neatitikimą, reikalinga specializuota polimerazė, kad ją išplėstų Pol ζ. Pol ζ yra unikalus tuo, kad gali išplėsti galinius neatitikimus, o procesyvesnės polimerazės negali. Taigi, aptikus pažeidimą, replikacijos šakutė sustos, PCNA pereis nuo proceso polimerazės prie TLS polimerazės, pvz., Pol ι, kad sutvarkytų pažeidimą, tada PCNA gali pereiti prie Pol ζ, kad pratęstų neatitikimą, o paskutinė PCNA persijungs. į proceso polimerazę, kad tęstų replikaciją.

    Ląstelės, veikiamos jonizuojančiosios spinduliuotės, ultravioletinių spindulių ar cheminių medžiagų, yra linkusios į daugybę didelių DNR pažeidimų ir dvigubos grandinės pertrūkių vietų. Be to, DNR žalingos medžiagos gali pažeisti kitas biomolekules, tokias kaip baltymai, angliavandeniai, lipidai ir RNR. Žalos kaupimasis, ty specifiniai, dvigubos grandinės pertraukos arba aduktai, sustabdantys replikacijos šakutes, yra vienas žinomų stimuliavimo signalų, skirtų visuotiniam atsakui į DNR pažeidimą. [41] Visuotinis atsakas į žalą yra veiksmas, nukreiptas į pačių ląstelių išsaugojimą ir sukelia daugybę makromolekulinio atstatymo, pažeidimo apėjimo, tolerancijos ar apoptozės būdų. Bendri visuotinio atsako bruožai yra kelių genų indukcija, ląstelių ciklo sustabdymas ir ląstelių dalijimosi slopinimas.

    Pradiniai veiksmai Redaguoti

    Eukariotinės DNR supakavimas į chromatiną yra kliūtis visiems DNR procesams, kuriems reikia pritraukti fermentus į jų veikimo vietas. Kad būtų galima atkurti DNR, chromatinas turi būti pertvarkytas. Eukariotuose nuo ATP priklausomi chromatino remodeliavimo kompleksai ir histoną modifikuojantys fermentai yra du pagrindiniai veiksniai, naudojami šiam remodeliavimo procesui atlikti. [42]

    DNR pažeidimo vietoje greitai įvyksta chromatino atsipalaidavimas. [43] [44] Viename iš ankstyviausių etapų streso suaktyvinta baltymų kinazė, c-Jun N-galinė kinazė (JNK), fosforilina SIRT6 serine 10, reaguodama į dvigubos grandinės pertraukas ar kitus DNR pažeidimus. [45] Ši potransliacinė modifikacija palengvina SIRT6 mobilizavimą į DNR pažeidimo vietas ir reikalinga efektyviam poli (ADP-ribozės) polimerazės 1 (PARP1) įdarbinimui į DNR lūžio vietas ir efektyviam DSB atkūrimui. [45] PARP1 baltymas DNR pažeidimo vietose pradeda atsirasti greičiau nei per sekundę, o pusė didžiausio susikaupia per 1,6 sekundės po pažeidimo. [46] PARP1 sintezuoja polimerines adenozino difosfato ribozės (poli (ADP-ribozės) arba PAR) grandines ant savęs. Tada chromatino remodeliatorius ALC1 greitai prisijungia prie PARP1 veikimo produkto, poli-ADP ribozės grandinės, o ALC1 užbaigia DNR pažeidimą per 10 sekundžių nuo pažeidimo atsiradimo. [44] Maždaug pusė didžiausio chromatino atsipalaidavimo, tikriausiai dėl ALC1 veikimo, įvyksta per 10 sekundžių. [44] Tai leidžia įdarbinti DNR atkūrimo fermentą MRE11, kad per 13 sekundžių būtų pradėtas DNR atstatymas. [46]

    γH2AX, fosforilinta H2AX forma, taip pat dalyvauja ankstyvuosiuose etapuose, vedančius į chromatino dekondensaciją po DNR dvigubos grandinės pertraukų. Histono variantas H2AX sudaro apie 10% H2A histonų žmogaus chromatine. [47] γH2AX (H2AX, fosforilintas ant serino 139) galima aptikti praėjus 20 sekundžių po ląstelių apšvitinimo (su DNR dvigubos grandinės pertrauka), o pusė didžiausio γH2AX susikaupia per vieną minutę. [47] Chromatino kiekis su fosforilintu γH2AX yra maždaug du milijonai bazinių porų DNR dvigubos grandinės lūžio vietoje. [47] γH2AX pats savaime nesukelia chromatino dekondensacijos, tačiau per 30 sekundžių po švitinimo galima aptikti RNF8 baltymą, susijusį su γH2AX. [48] ​​RNF8 tarpininkauja plačiai chromatino dekondensacijai, vėliau sąveikaudamas su CHD4, [49] nukleozomų remodeliavimo ir deacetilazės komplekso NuRD komponentu.

    DDB2 yra heterodimeriniame komplekse su DDB1. Šis kompleksas toliau kompleksuoja su ubikvitino ligazės baltymu CUL4A [50] ir su PARP1. [51] Šis didesnis kompleksas greitai susieja su UV sukelta chromatino pažeidimu, o pusė maksimalaus susiejimo užbaigiama per 40 sekundžių. [50] PARP1 baltymas, prijungtas ir prie DDB1, ir prie DDB2, tada PARilatas (sukuria poli-ADP ribozės grandinę) ant DDB2, kuris pritraukia DNR remodeliuojantį baltymą ALC1. [51] ALC1 veikimas atpalaiduoja chromatiną UV pažeidimo DNR vietoje. Šis atsipalaidavimas leidžia kitiems baltymams, esantiems nukleotidų ekscizijos taisymo kelyje, patekti į chromatiną ir atitaisyti UV sukeltus ciklobutano pirimidino dimero pažeidimus.

    Po greito chromatino remodeliavimo suaktyvinami ląstelių ciklo kontroliniai taškai, kad DNR būtų atkurta prieš prasidedant ląstelių ciklui. Pirma, dvi kinazės, ATM ir ATR, aktyvuojamos per 5 ar 6 minutes po DNR pažeidimo. Po to maždaug 10 minučių po DNR pažeidimo vyksta ląstelių ciklo kontrolinio taško baltymo Chk1 fosforilinimas, pradėdamas jo funkciją. [52]

    DNR pažeidimo kontroliniai taškai Redaguoti

    Po DNR pažeidimo aktyvuojami ląstelių ciklo kontroliniai taškai. Kontrolinio taško aktyvinimas pristabdo ląstelės ciklą ir suteikia ląstelei laiko atitaisyti žalą prieš tęsiant dalijimąsi. DNR pažeidimo kontroliniai taškai atsiranda G1/S ir G2/M ribose. Taip pat yra vidinis S kontrolės punktas. Kontrolinio taško aktyvavimą valdo dvi pagrindinės kinazės – ATM ir ATR. ATM reaguoja į DNR dvigubos grandinės pertraukas ir chromatino struktūros sutrikimus [53], o ATR pirmiausia reaguoja į sustojusias replikacijos šakes. Šios kinazės fosforilina pasroviui esančius taikinius signalo perdavimo kaskadoje, galiausiai sustodamos ląstelių ciklo. Taip pat buvo nustatyta kontrolinių taškų tarpininkų baltymų klasė, įskaitant BRCA1, MDC1 ir 53BP1. [54] Atrodo, kad šie baltymai reikalingi norint perduoti kontrolinio taško aktyvavimo signalą pasroviui esantiems baltymams.

    DNR pažeidimo patikros taškas yra signalo perdavimo kelias, kuris blokuoja ląstelių ciklo progresavimą G1, G2 ir metafazėse bei sulėtina S fazės progresavimo greitį, kai DNR yra pažeista. Dėl to ląstelės ciklas sustabdomas, todėl ląstelė turi laiko atitaisyti žalą prieš tęsiant dalijimąsi.

    Kontrolinis taškas Baltymai gali būti suskirstyti į keturias grupes: į fosfatidilinozitolio 3-kinazę (PI3K) panašią baltymų kinazę, į proliferuojančią ląstelių branduolio antigeną (PCNA) panašią grupę, dvi serino/treonino (S/T) kinazes ir jų adapterius. Svarbiausias visų DNR pažeidimo sukeltų kontrolinių taškų atsakas yra didelių baltymų kinazių pora, priklausanti pirmajai į PI3K panašių baltymų kinazių grupei – ATM (Ataxia telangiectasia mutated) ir ATR (Su ataksija ir Rad susijusios) kinazės, kurių seka ir funkcijos evoliucijoje buvo gerai išsaugotos. Visiems DNR pažeidimo atsakams reikia arba ATM, arba ATR, nes jie turi galimybę prisijungti prie chromosomų DNR pažeidimo vietoje kartu su papildomais baltymais, kurie yra platformos, ant kurių galima surinkti DNR pažeidimo atsako komponentus ir DNR atkūrimo kompleksus.

    Svarbus pasroviui skirtas ATM ir ATR taikinys yra p53, nes jis reikalingas apoptozei sukelti po DNR pažeidimo. [55] Nuo ciklino priklausomą kinazės inhibitorių p21 indukuoja ir nuo p53 priklausomi, ir nuo p53 nepriklausomi mechanizmai ir jis gali sustabdyti ląstelių ciklą G1/S ir G2/M kontroliniuose taškuose, deaktyvuodamas nuo ciklino/ciklino priklausomus kinazės kompleksus. [56]

    Prokariotų SOS atsakas Redaguoti

    SOS atsakas yra genų ekspresijos pokyčiai Escherichia coli ir kitos bakterijos, reaguojant į didelį DNR pažeidimą. Prokariotinę SOS sistemą reguliuoja du pagrindiniai baltymai: LexA ir RecA. LexA homodimeras yra transkripcijos represorius, kuris jungiasi prie operatorių sekų, paprastai vadinamų SOS dėžėmis. Į Escherichia coli Yra žinoma, kad LexA reguliuoja maždaug 48 genų, įskaitant lexA ir recA genus, transkripciją. [57] Žinoma, kad SOS atsakas yra plačiai paplitęs bakterijų srityje, tačiau dažniausiai jo nėra kai kuriose bakterijų grupėse, pvz., Spirochetes. [58] Dažniausi ląstelių signalai, aktyvuojantys SOS atsaką, yra vienos grandinės DNR (ssDNR) sritys, atsirandančios dėl įstrigusių replikacijos šakučių arba dvigubos grandinės pertraukų, kurios yra apdorojamos DNR helikaze, kad atskirtų dvi DNR grandines. [41] Iniciacijos etape RecA baltymas prisijungia prie ssDNR ATP hidrolizės varomoje reakcijoje ir sukuria RecA-ssDNA gijas. RecA – ssDNA gijos suaktyvina LexA autoproteazės aktyvumą, o tai galiausiai lemia LexA dimero skilimą ir vėlesnį LexA skaidymą. LexA represoriaus praradimas sukelia SOS genų transkripciją ir leidžia toliau indukuoti signalą, slopinti ląstelių dalijimąsi ir padidinti baltymų, atsakingų už žalos apdorojimą, kiekį.

    Į Escherichia coli, SOS dėžutės yra 20 nukleotidų ilgio sekos šalia promotorių, turinčių palindrominę struktūrą ir aukštą sekos išsaugojimo laipsnį. Kitose klasėse ir phyla SOS dėžučių seka labai skiriasi, skiriasi ilgiu ir sudėtimi, tačiau ji visada yra labai konservuota ir vienas stipriausių trumpųjų signalų genome. [58] Didelis SOS dėžučių informacijos kiekis leidžia skirtingai susieti LexA su skirtingais promotoriais ir nustatyti SOS atsako laiką. Pažeidimų taisymo genai indukuojami SOS atsako pradžioje. Klaidoms linkusios transliacijos polimerazės, pavyzdžiui, UmuCD'2 (taip pat vadinamos DNR polimeraze V), vėliau sukeltos kaip paskutinė priemonė. [59] Kai DNR pažeidimas yra atitaisomas arba apeinamas naudojant polimerazes arba rekombinaciją, vienos grandinės DNR kiekis ląstelėse sumažėja, o sumažėjus RecA filamentų kiekiui, sumažėja LexA homodimero skilimo aktyvumas, kuris vėliau prisijungia prie SOS dėžučių šalia. skatina ir atkuria normalią genų ekspresiją.

    Eukariotų transkripcijos atsakai į DNR pažeidimus Redaguoti

    Eukariotinės ląstelės, veikiamos DNR žalojančių medžiagų, taip pat suaktyvina svarbius gynybinius kelius, sukeldamos daugybę baltymų, dalyvaujančių DNR atstatyme, ląstelių ciklo kontrolinio taško kontrolėje, baltymų apykaitos ir skaidymo procese. Toks genomo plataus transkripcijos atsakas yra labai sudėtingas ir griežtai reguliuojamas, todėl galima koordinuoti visuotinį atsaką į žalą. Mielių poveikis Saccharomyces cerevisiae DNR žalingų agentų poveikis sukelia persidengiančius, bet skirtingus transkripcijos profilius. Panašumai su atsaku į aplinkos šoką rodo, kad transkripcijos aktyvavimo lygiu egzistuoja bendras pasaulinis atsako į stresą būdas. Priešingai, skirtingi žmogaus ląstelių tipai skirtingai reaguoja į žalą, o tai rodo bendro visuotinio atsako nebuvimą. Tikėtinas šio skirtumo tarp mielių ir žmogaus ląstelių paaiškinimas gali būti žinduolių ląstelių nevienalytiškumas. Gyvūnuose skirtingų tipų ląstelės pasiskirsto tarp skirtingų organų, kurių jautrumas DNR pažeidimams yra skirtingas. [60]

    Apskritai pasaulinis atsakas į DNR pažeidimą apima kelių genų, atsakingų už poreplikacijos taisymą, homologinę rekombinaciją, nukleotidų iškirpimo taisymą, DNR pažeidimo kontrolinį tašką, visuotinį transkripcijos aktyvavimą, genus, kontroliuojančius mRNR skilimą, ekspresiją ir daugelį kitų. Didelė žala ląstelei palieka jai svarbų sprendimą: patirti apoptozę ir mirti arba išgyventi pragyvenimo kaina su modifikuotu genomu. Padidėjęs atsparumas pažeidimams gali padidinti išgyvenamumą, o tai leis daugiau kauptis mutacijoms. Mielės Rev1 ir žmogaus polimerazė η yra [Y šeimos transliacijos DNR polimerazių, esančių visuotinio atsako į DNR pažeidimą metu, nariai ir yra atsakingi už sustiprintą mutagenezę visuotinio atsako į DNR pažeidimą eukariotuose metu. [41]

    Blogo DNR atstatymo patologinis poveikis Redaguoti

    Eksperimentiniai gyvūnai, turintys genetinių DNR atkūrimo trūkumų, dažnai rodo sutrumpėjusią gyvenimo trukmę ir padidėjusį vėžio dažnį. [15] Pavyzdžiui, pelės, kurioms trūksta dominuojančio NHEJ kelio ir telomerų palaikymo mechanizmų, dažniau suserga limfoma ir infekcijomis, todėl jų gyvenimo trukmė yra trumpesnė nei laukinių pelių. [61] Panašiai pelėms, kurioms trūksta pagrindinio taisymo ir transkripcijos baltymo, kuris išvynioja DNR spiralę, per anksti prasideda su senėjimu susijusios ligos ir dėl to sutrumpėja jų gyvenimo trukmė. [62] Tačiau ne kiekvienas DNR atstatymo trūkumas sukuria tiksliai numatytą poveikį pelėms, kurioms trūksta NER kelio, jų gyvenimo trukmė sutrumpėja be atitinkamai didesnio mutacijų greičio. [63]

    Jei DNR pažeidimo greitis viršija ląstelės gebėjimą ją ištaisyti, klaidų kaupimasis gali užvaldyti ląstelę ir sukelti ankstyvą senėjimą, apoptozę arba vėžį. Paveldimos ligos, susijusios su netinkamu DNR atstatymo veikimu, sukelia priešlaikinį senėjimą, [15] padidina jautrumą kancerogenams ir atitinkamai padidina vėžio riziką (žr. toliau). Kita vertus, organizmai su patobulintomis DNR taisymo sistemomis, pvz Deinococcus radiodurans, labiausiai atsparus spinduliuotei žinomas organizmas, pasižymi nepaprastu atsparumu dviejų grandžių lūžimą sukeliančiam radioaktyvumo poveikiui, greičiausiai dėl padidėjusio DNR atkūrimo efektyvumo ir ypač NHEJ. [64]

    Ilgaamžiškumas ir kalorijų apribojimas Redaguoti

    Nustatyta, kad kai kurie atskiri genai įtakoja gyvenimo trukmės pokyčius organizmų populiacijoje. Šių genų poveikis labai priklauso nuo aplinkos, ypač nuo organizmo mitybos. Dėl kalorijų apribojimo pailgėja įvairių organizmų gyvenimo trukmė, greičiausiai dėl maistinių medžiagų jutimo būdų ir sumažėjusio medžiagų apykaitos greičio. Molekuliniai mechanizmai, dėl kurių toks apribojimas pailgina gyvenimo trukmę, kol kas neaiškūs (kai kurias diskusijas žr. [65]), tačiau daugelio genų, kurie, kaip žinoma, dalyvauja DNR atstatyme, elgesys pasikeičia kalorijų apribojimo sąlygomis. Buvo įrodyta, kad keletas agentų, turinčių senėjimą stabdančių savybių, susilpnina konstitucinį mTOR signalizacijos lygį, o tai rodo, kad sumažėjo metabolinis aktyvumas, ir kartu sumažina konstitucinį DNR pažeidimo lygį, kurį sukelia endogeniškai sukurtos reaktyviosios deguonies rūšys. [66]

    Pavyzdžiui, padidinus SIR-2 geno dozę, kuri reguliuoja DNR pakavimą nematodo kirminuose. Caenorhabditis elegantiškas, gali žymiai pailginti gyvenimo trukmę. [67] Yra žinoma, kad žinduolių SIR-2 homologas indukuoja tolesnius DNR atkūrimo veiksnius, susijusius su NHEJ, o ši veikla ypač skatinama kalorijų apribojimo sąlygomis. [68] Kalorijų apribojimas buvo glaudžiai susijęs su bazinės ekscizijos atstatymo greičiu graužikų branduolinėje DNR [69], nors panašaus poveikio mitochondrijų DNR nepastebėta. [70]

    The C. elegans genas AGE-1, DNR atstatymo kelių efektorius, suteikia dramatiškai pailgintą gyvenimo trukmę laisvo maitinimo sąlygomis, tačiau sumažina reprodukcinį tinkamumą kalorijų apribojimo sąlygomis. [71] Šis stebėjimas patvirtina biologinės senėjimo kilmės pleiotropijos teoriją, kuri rodo, kad genai, suteikiantys didelį išgyvenimo pranašumą ankstyvame gyvenimo etape, bus atrinkti, net jei jie turi atitinkamą trūkumą vėlyvame amžiuje.

    Paveldimi DNR atstatymo sutrikimai Redaguoti

    NER mechanizmo defektai yra atsakingi už keletą genetinių sutrikimų, įskaitant:

      : padidėjęs jautrumas saulės šviesai / UV, dėl kurio padidėja odos vėžio atvejų ir priešlaikinis senėjimas : padidėjęs jautrumas UV ir cheminiams veiksniams : jautri oda, lūžinėjantys plaukai ir nagai

    Pastaruosius du sutrikimus dažnai lydi protinis atsilikimas, o tai rodo padidėjusį vystymosi neuronų pažeidžiamumą.

    Kiti DNR atkūrimo sutrikimai yra šie:

      : priešlaikinis senėjimas ir sulėtėjęs augimas: padidėjęs jautrumas saulės šviesai, didelis piktybinių navikų (ypač leukemijų) dažnis. : jautrumas jonizuojančiai spinduliuotei ir kai kurioms cheminėms medžiagoms

    Visos minėtos ligos dažnai vadinamos „segmentinėmis progerijomis“ („pagreitėjusio senėjimo ligomis“), nes jų aukos atrodo pagyvenusios ir su senėjimu susijusiomis ligomis serga neįprastai jauname amžiuje, o ne visi senatvės simptomai.

    Kitos ligos, susijusios su sumažėjusia DNR atkūrimo funkcija, yra Fanconi anemija, paveldimas krūties vėžys ir paveldimas gaubtinės žarnos vėžys.

    Dėl būdingų DNR atkūrimo mechanizmų apribojimų, jei žmonės gyventų pakankamai ilgai, jie visi galiausiai susirgtų vėžiu. [72] [73] Yra mažiausiai 34 paveldimos žmogaus DNR atkūrimo genų mutacijos, kurios padidina vėžio riziką. Dėl daugelio šių mutacijų DNR atstatymas yra mažiau veiksmingas nei įprastai. Visų pirma, paveldimas nepolipozinis gaubtinės ir tiesiosios žarnos vėžys (HNPCC) yra stipriai susijęs su specifinėmis mutacijomis DNR neatitikimo taisymo kelyje. BRCA1 ir BRCA2, du svarbūs genai, kurių mutacijos nešiotojams labai padidina krūties vėžio riziką [74], abu yra susiję su daugybe DNR atstatymo būdų, ypač NHEJ ir homologine rekombinacija.

    Vėžio terapijos procedūros, tokios kaip chemoterapija ir radioterapija, padidina ląstelės gebėjimą atitaisyti DNR pažeidimus, todėl ląstelė miršta. Labiausiai pažeidžiamos ląstelės, kurios dalijasi greičiausiai – dažniausiai vėžinės ląstelės. Šalutinis poveikis yra tas, kad taip pat pažeidžiamos ir kitos ne vėžinės, bet greitai besidalijančios ląstelės, tokios kaip žarnyno, odos ir kraujodaros sistemos progenitorinės ląstelės.Šiuolaikiniai vėžio gydymo būdai bando lokalizuoti DNR pažeidimus ląstelėse ir audiniuose, susijusiuose tik su vėžiu, arba fizinėmis priemonėmis (koncentruojant terapinį agentą naviko srityje), arba biocheminėmis priemonėmis (išnaudojant unikalią vėžio ląstelėms organizme būdingą savybę). . Terapijos, nukreiptos į DNR pažeidimo atsako genus, kontekste pastarasis metodas buvo vadinamas „sintetiniu mirtingumu“. [75]

    Bene labiausiai žinomas iš šių „sintetinių mirtinų“ vaistų yra poli(ADP-ribozės) polimerazės 1 (PARP1) inhibitorius olaparibas, kurį Maisto ir vaistų administracija patvirtino 2015 m., skirtą moterų, turinčių BRCA defektų, gydymui. vėžys. Auglio ląstelės, iš dalies praradusios atsaką į DNR pažeidimą (konkrečiai, homologinės rekombinacijos atstatymas), priklauso nuo kito mechanizmo – vienos grandinės pertraukos atstatymo – mechanizmo, kurį iš dalies sudaro PARP1 geno produktas. [76] Olaparibas derinamas su chemoterapiniais vaistais, siekiant slopinti vienos grandinės pertrūkį, sukeltą DNR pažeidimo, kurį sukelia kartu vartojama chemoterapija. Naviko ląstelės, besiremiančios šiuo likutiniu DNR atstatymo mechanizmu, negali atitaisyti žalos, todėl negali išgyventi ir daugintis, o normalios ląstelės gali atitaisyti žalą, naudodamos veikiantį homologinį rekombinacijos mechanizmą.

    Šiuo metu tiriama daugelis kitų vaistų, skirtų naudoti prieš kitus liekamuosius DNR atstatymo mechanizmus, dažniausiai aptinkamus sergant vėžiu. Tačiau sintetinio mirtingumo gydymo metodai buvo suabejoti dėl naujų įgyto atsparumo įrodymų, pasiekiamų perjungiant DNR pažeidimo reagavimo būdus ir atkuriant anksčiau slopintus defektus. [77]

    DNR atstatymo defektai sergant vėžiu Redaguoti

    Per pastaruosius kelerius metus paaiškėjo, kad atsakas į DNR pažeidimą veikia kaip kliūtis piktybinei preneoplastinių ląstelių transformacijai. [78] Ankstesni tyrimai parodė padidėjusį DNR pažeidimo atsaką ląstelių kultūros modeliuose su onkogeno aktyvacija [79] ir preneoplastinėmis gaubtinės žarnos adenomomis. [80] DNR pažeidimo atsako mechanizmai sustabdo ląstelių ciklą ir bando atitaisyti DNR pažeidimus arba skatina ląstelių mirtį / senėjimą, jei tai neįmanoma. Replikacijos stresas stebimas preneoplastinėse ląstelėse dėl padidėjusių onkogeninių mutacijų proliferacijos signalų. Replikacijos įtampai būdinga: padidėjusi replikacijos iniciacija / kilmė, padidėjusi transkripcija ir transkripcijos-replikacijos kompleksų susidūrimai; nukleotidų trūkumas; reaktyviųjų deguonies rūšių (ROS) padidėjimas. [81]

    Dėl replikacijos streso, kartu su atranka inaktyvuoti DNR pažeidimo atsako genų mutacijas naviko evoliucijoje [82], sumažėja kai kurių DNR pažeidimo atsako mechanizmų reguliavimas ir (arba) prarandami, taigi ir DNR atstatymo ir (arba) senėjimo praradimas. užprogramuota ląstelių mirtis. Eksperimentiniuose pelių modeliuose DNR pažeidimo sukeliamo ląstelių senėjimo praradimas buvo pastebėtas panaudojus trumpą plaukų segtuko RNR (shRNR), kad būtų slopinama dvigubos grandinės pertraukos atsako kinazės ataksija telangiektazija (ATM), dėl to padidėjo naviko dydis ir invaziškumas. [80] Žmonės, gimę su paveldimais DNR atkūrimo mechanizmų defektais (pavyzdžiui, Li-Fraumeni sindromu), turi didesnę vėžio riziką. [83]

    DNR pažeidimo atsako mutacijų paplitimas skiriasi priklausomai nuo vėžio tipų, pavyzdžiui, 30% krūties invazinių karcinomų turi genų, dalyvaujančių homologinėje rekombinacijoje, mutacijų. [78] Sergant vėžiu, sumažėjęs reguliavimas stebimas visuose atsako į DNR pažeidimus mechanizmuose (bazės ekscizijos atstatymas (BER), nukleotidų pašalinimo atstatymas (NER), DNR neatitikimo atstatymas (MMR), homologinės rekombinacijos atstatymas (HR), nehomologinis galų sujungimas ( NHEJ) ir transliacijos DNR sintezė (TLS). [84] Be DNR pažeidimo taisymo genų mutacijų, mutacijos taip pat atsiranda genuose, atsakinguose už ląstelių ciklo sustabdymą, kad būtų pakankamai laiko DNR atstatymui, o kai kurie genai yra susiję. tiek DNR pažeidimo atstatyme, tiek ląstelių ciklo kontrolinių taškų kontrolėje, pavyzdžiui, ATM ir kontrolinio taško kinazė 2 (CHEK2) – naviko slopintuvas, kurio dažnai nėra arba jis yra sumažintas sergant nesmulkialąsteliniu plaučių vėžiu [85].

    HR NHEJ SSA FA BER NER MMR
    bankomatas x x x
    ATR x x x
    PAXIP x x
    RPA x x x
    BRCA1 x x
    BRCA2 x x
    RAD51 x x
    RFC x x x
    XRCC1 x x
    PCNA x x x
    PARP1 x x
    ERCC1 x x x x
    MSH3 x x x

    Lentelė: Genai, dalyvaujantys DNR pažeidimo atsako keliuose ir dažnai mutuojantys sergant vėžiu (HR = homologinė rekombinacija NHEJ = nehomologinė galo sujungimas SSA = vienos grandinės atkaitinimas FA = fankonio anemijos kelias BER = bazės ekscizijos taisymas NER = nukleotidų ekscizijos taisymas MMR = neatitikimas remontas)

    Epigenetiniai DNR atstatymo defektai sergant vėžiu Redaguoti

    Klasikiniu požiūriu į vėžį buvo žiūrima kaip į ligų, kurias lemia progresuojantys genetiniai anomalijos, įskaitant naviką slopinančių genų ir onkogenų mutacijas bei chromosomų aberacijas, rinkinį. Tačiau tapo akivaizdu, kad vėžį taip pat skatina epigenetiniai pokyčiai. [86]

    Epigenetiniai pakitimai reiškia funkciškai svarbias genomo modifikacijas, nesusijusias su nukleotidų sekos pasikeitimu. Tokių modifikacijų pavyzdžiai yra DNR metilinimo (hipermetilinimo ir hipometilinimo) ir histonų modifikacijos pokyčiai [87], chromosomų architektūros pokyčiai (sukeliami dėl netinkamos baltymų, tokių kaip HMGA2 arba HMGA1, ekspresijos) [88] ir mikroRNR sukelti pokyčiai. Kiekvienas iš šių epigenetinių pakitimų padeda reguliuoti genų ekspresiją nekeičiant pagrindinės DNR sekos. Šie pokyčiai dažniausiai išlieka per ląstelių dalijimąsi, trunka kelias ląstelių kartas ir gali būti laikomi epimutacijomis (atitinkančios mutacijas).

    Nors vėžio atveju randama daug epigenetinių pakitimų, DNR taisymo genų epigenetiniai pokyčiai, dėl kurių sumažėja DNR taisymo baltymų ekspresija, yra ypač svarbūs. Manoma, kad tokie pakitimai atsiranda anksti progresuojant vėžiui ir yra tikėtina vėžiui būdingo genetinio nestabilumo priežastis. [89] [90] [91]

    Sumažėjusi DNR taisymo genų ekspresija sukelia nepakankamą DNR atstatymą. Kai DNR atstatymas yra nepakankamas, DNR pažeidimai ląstelėse išlieka didesni nei įprastai ir dėl šių perteklinių pažeidimų padidėja mutacijų ar epimutacijų dažnis. Mutacijų dažnis labai padidėja ląstelėse, turinčiose defektų DNR neatitikimo taisymo [92] [93] arba homologinio rekombinacinio atstatymo (HRR). [94] Chromosomų pertvarkymai ir aneuploidija taip pat didėja ir ląstelėse, turinčiose defektų HRR. [95]

    Didesnis DNR pažeidimo lygis ne tik padidina mutaciją, bet ir padidina epimutaciją. Taisant DNR dvigubos grandinės lūžius arba taisant kitus DNR pažeidimus, nepilnai išvalytos taisymo vietos gali sukelti epigenetinio geno nutildymą. [96] [97]

    Nepakankama DNR atkūrimo baltymų ekspresija dėl paveldimos mutacijos gali padidinti vėžio riziką. Asmenims, kuriems yra paveldėtas bet kurio iš 34 DNR atkūrimo genų sutrikimas (žr. straipsnį DNR atstatymo trūkumo sutrikimas), padidėja vėžio rizika, o kai kurie defektai sukelia iki 100 % vėžio tikimybę visą gyvenimą (pvz., p53 mutacijos). [98] Tačiau tokios gemalo linijos mutacijos (kurios sukelia labai įsiskverbiančius vėžio sindromus) yra tik maždaug 1 procento vėžio priežastis. [99]

    DNR remonto genų epimutacijų dažnis Redaguoti

    DNR atkūrimo fermentų trūkumus kartais sukelia naujai atsiradusi somatinė DNR atkūrimo geno mutacija, tačiau daug dažniau juos sukelia epigenetiniai pakitimai, kurie sumažina arba nutildo DNR atkūrimo genų ekspresiją. Pavyzdžiui, kai iš eilės buvo ištirta 113 gaubtinės ir tiesiosios žarnos vėžio atvejų, tik keturiose DNR taisymo geno MGMT buvo klaidinga mutacija, o daugumai jų buvo sumažinta MGMT ekspresija dėl MGMT promotoriaus srities metilinimo (epigenetinis pakitimas). [100] Penki skirtingi tyrimai parodė, kad 40–90 % gaubtinės ir tiesiosios žarnos vėžio atvejų sumažino MGMT ekspresiją dėl MGMT promotoriaus srities metilinimo. [101] [102] [103] [104] [105]

    Panašiai iš 119 neatitikimo atstatomų gaubtinės ir tiesiosios žarnos vėžio atvejų, kuriems trūko DNR atkūrimo geno PMS2 ekspresijos, PMS2 trūko 6 dėl PMS2 geno mutacijų, o 103 atvejais PMS2 ekspresija buvo nepakankama, nes jo poravimosi partneris MLH1 buvo represuotas dėl į promotoriaus metilinimą (PMS2 baltymas yra nestabilus, kai nėra MLH1). [106] Kitais 10 atvejų PMS2 ekspresijos praradimas greičiausiai buvo dėl epigenetinės per didelės mikroRNR miR-155 ekspresijos, kuri sumažina MLH1 reguliavimą. [107]

    Kitame pavyzdyje buvo nustatyti epigenetiniai defektai sergant įvairiomis vėžio formomis (pvz., krūties, kiaušidžių, gaubtinės ir tiesiosios žarnos bei galvos ir kaklo). Du ar trys ERCC1, XPF arba PMS2 ekspresijos trūkumai vienu metu atsiranda daugumoje iš 49 gaubtinės žarnos vėžio atvejų, kuriuos įvertino Facista ir kt. [108]

    Šiame skyriuje pateiktoje diagramoje pateikiami kai kurie dažni DNR žalingi veiksniai, jų sukeliamų DNR pažeidimų pavyzdžiai ir būdai, kuriais susiduriama su šiais DNR pažeidimais. Mažiausiai 169 fermentai yra tiesiogiai naudojami DNR taisymui arba turi įtakos DNR atkūrimo procesams. [109] Iš jų 83 yra tiesiogiai naudojami 5 diagramoje pavaizduotų DNR pažeidimų tipų taisymui.

    Kai kurie iš geriau ištirtų genų, kurie yra svarbūs šiems remonto procesams, parodyti diagramoje. Raudona, pilka arba žalsvai mėlyna spalva rodomi genų pavadinimai rodo genus, dažnai epigenetiškai pakitusius įvairių tipų vėžiui. Vikipedijos straipsniuose apie kiekvieną geną, paryškintą raudona, pilka arba žalsvai mėlyna spalva, aprašomi epigenetiniai pakitimai ir vėžys, kuriuose aptinkamos šios epimutacijos. Apžvalgos straipsniai [110] ir plačios eksperimentinės apklausos straipsniai [111] [112] taip pat dokumentuoja daugumą šių epigenetinių DNR atstatymo trūkumų sergant vėžiu.

    Raudonai paryškinti genai dažnai sumažinami arba nutildomi dėl įvairių vėžio formų epigenetinių mechanizmų. Kai šių genų ekspresija yra maža arba jos visai nėra, gali kauptis DNR pažeidimai. Replikacijos klaidos po šių pažeidimų (žr. transliacijos sintezę) gali sukelti mutacijų padidėjimą ir galiausiai vėžį. DNR atkūrimo genų epigenetinės represijos tikslūs Atrodo, kad DNR atkūrimo būdai yra pagrindiniai kancerogenezės veiksniai.

    Du pilkai paryškinti genai RAD51 ir BRCA2, reikalingi homologiniam rekombinaciniam taisymui. Kartais jie yra per daug epigenetiškai išreikšti, o kartais nepakankamai išreikšti tam tikrose vėžio formose. Kaip nurodyta Vikipedijos straipsniuose apie RAD51 ir BRCA2, tokie vėžiai paprastai turi epigenetinių kitų DNR atkūrimo genų trūkumų. Dėl šių remonto trūkumų greičiausiai padidėtų nepataisoma DNR žala. Pernelyg didelė išraiška RAD51 ir BRCA2 pastebėti šių vėžio formų atveju, gali atspindėti selektyvų kompensacinį spaudimą RAD51 arba BRCA2 per didelė ekspresija ir padidėjęs homologinis rekombinacinis taisymas, kad bent iš dalies būtų pašalintas toks perteklinis DNR pažeidimas. Tais atvejais, kai RAD51 arba BRCA2 yra nepakankamai išreikšti, tai savaime padidintų nepataisytus DNR pažeidimus. Replikacijos klaidos po šių pažeidimų (žr. transliacijos sintezę) gali sukelti mutacijų ir vėžio padidėjimą, todėl nepakankama RAD51 arba BRCA2 savaime būtų kancerogeninis.

    Žydros spalvos paryškinti genai yra mikrohomologijos sukelto galo sujungimo (MMEJ) kelyje ir yra labiau reguliuojami sergant vėžiu. MMEJ yra papildoma klaidų tikimybė netikslus taisymo kelias, skirtas dviejų krypčių pertraukoms. Atliekant dvigubos grandinės pertraukos MMEJ taisymą, pakanka 5–25 vienas kitą papildančių bazių porų homologijos tarp abiejų suporuotų gijų, kad būtų suderintos sruogos, tačiau dažniausiai yra nesutampančių galų (atvartų). MMEJ pašalina papildomus nukleotidus (atvartus), kur grandinės yra sujungtos, o tada juos suriša, kad sukurtų nepažeistą dvigubą DNR spiralę. MMEJ beveik visada apima bent nedidelę deleciją, todėl tai yra mutageninis kelias. [24] FEN1, atvarto endonukleazė MMEJ, epigenetiškai padidėja dėl promotoriaus hipometilinimo ir yra per daug ekspresuojamas daugumoje krūties, [113] prostatos, [114] skrandžio, [115] [116] neuroblastomų, [ 117] kasa, [118] ir plaučiai. [119] PARP1 taip pat yra per daug ekspresuojamas, kai jo promotoriaus regiono ETS vieta yra epigenetiškai hipometilinta, ir tai prisideda prie endometriumo vėžio progresavimo [120] ir BRCA mutavusio serozinio kiaušidžių vėžio. [121] Kiti MMEJ kelyje esantys genai taip pat per daug ekspresuojami sergant daugeliu vėžio formų (santrauką žr. MMEJ), taip pat rodomi žalsvai mėlyna spalva.

    DNR atstatymo pasiskirstymas žmogaus somatinėse ląstelėse genomo mastu Redaguoti

    Skirtingas DNR atkūrimo kelių aktyvumas įvairiuose žmogaus genomo regionuose lemia, kad mutacijos naviko genomuose pasiskirsto labai netolygiai. [122] [123] Visų pirma, genų turtingi, anksti besidauginantys žmogaus genomo regionai pasižymi mažesniu mutacijų dažniu nei genų neturtingas, vėlai replikuojantis heterochromatinas. Vienas iš mechanizmų, kuriais grindžiamas tai, apima histono modifikaciją H3K36me3, kuri gali įdarbinti neatitikimus atstatančius baltymus [124], taip sumažinant mutacijų dažnį H3K36me3 pažymėtuose regionuose. [125] Kitas svarbus mechanizmas yra susijęs su nukleotidų ekscizijos taisymu, kurį gali įdarbinti transkripcijos mechanizmai, sumažinant somatinių mutacijų greitį aktyviuose genuose [123] ir kituose atviruose chromatino regionuose. [126]

    Pagrindiniai DNR atkūrimo procesai yra labai konservuoti tiek prokariotuose, tiek eukariotuose ir net tarp bakteriofagų (virusų, kurie užkrečia bakterijas), tačiau sudėtingesni organizmai su sudėtingesniais genomais turi atitinkamai sudėtingesnius atkūrimo mechanizmus. [127] Daugelio baltymų struktūrinių motyvų gebėjimas katalizuoti atitinkamas chemines reakcijas suvaidino svarbų vaidmenį kuriant taisymo mechanizmus evoliucijos metu. Itin išsamią hipotezių, susijusių su DNR atstatymo raida, apžvalgą žr. [128]

    Fosilijos įrašai rodo, kad vienaląstė gyvybė planetoje pradėjo plisti tam tikru metu Prekambro laikotarpiu, nors tiksliai neaišku, kada pirmą kartą atsirado atpažįstama šiuolaikinė gyvybė. Nukleino rūgštys tapo vienintele ir universalia genetinės informacijos kodavimo priemone, reikalaujančia DNR atstatymo mechanizmų, kuriuos pagrindine forma paveldėjo visos išlikusios gyvybės formos iš savo bendro protėvio. Dėl fotosintetinių organizmų atsiradusios deguonies turtingos Žemės atmosferos (vadinamos „deguonies katastrofa“), taip pat dėl ​​oksidacinio fosforilinimo ląstelėje esančių potencialiai žalingų laisvųjų radikalų, reikėjo sukurti DNR atkūrimo mechanizmus, kurie veikia konkrečiai. kovoti su oksidacinio streso sukeltos žalos rūšimis.

    Evoliucinių pokyčių greitis Redaguoti

    Kai kuriais atvejais DNR pažeidimas nepataisomas arba yra pataisomas mechanizmu, linkusiu į klaidas, dėl kurių pasikeičia pradinė seka. Kai tai įvyksta, mutacijos gali plisti į ląstelės palikuonių genomus. Jei toks įvykis įvyktų lytinės linijos ląstelėje, kuri galiausiai gamins gametą, mutacija gali būti perduota organizmo palikuonims. Tam tikros rūšies (arba tam tikro geno) evoliucijos greitis priklauso nuo mutacijos greičio. Dėl to DNR atkūrimo mechanizmų greitis ir tikslumas turi įtakos evoliucinių pokyčių procesui. [129] Apsauga nuo DNR pažeidimų ir taisymas neturi įtakos adaptacijos greičiui genų reguliavimu ir rekombinacija bei alelių atranka. Kita vertus, DNR pažeidimų atstatymas ir apsauga daro įtaką nepataisomų, naudingų, kodą plečiančių, paveldimų mutacijų kaupimosi greičiui ir sulėtina evoliucinį organizmų genomo plėtimosi naujomis funkcijomis mechanizmą. Reikia toliau tirti įtampą tarp evoliucijos ir mutacijų atkūrimo bei apsaugos.

    2012 m. buvo atrasta technologija, pavadinta sugrupuotu reguliariais tarpais išdėstytu trumpu palindrominiu pakartojimu (sutrumpinta iki CRISPR-Cas9). Naujoji technologija leidžia kiekvienam, turinčiam išsilavinimą molekulinės biologijos srityje, tiksliai pakeisti bet kurios rūšies genus, sukeliant DNR pažeidimą tam tikrame taške ir tada. DNR taisymo mechanizmų keitimas, siekiant įterpti naujus genus. [130] Tai pigesnė, efektyvesnė ir tikslesnė nei kitos technologijos. Naudodamiesi CRISPR-Cas9, mokslininkai gali redaguoti genomo dalis pašalindami, pridėdami arba pakeisdami dalis DNR sekoje.


    Rad51 ir DNR atstatymo vaidmuo vėžyje: molekulinė perspektyva

    Genomo vientisumo palaikymas yra būtinas bet kurio organizmo išlikimui ir bruožų paveldėjimui palikuonims. Šiuo tikslu ląstelės sukūrė sudėtingą DNR taisymo sistemą, skirtą apsaugoti genetinę informaciją nuo endogeninių ir egzogeninių žalos šaltinių. Atitinkamai, dėl įvairių DNR pažeidimų formų gali atsirasti daugybė taisymo būdų, kurie gali būti veiksmingi. per se arba per kryžminį pokalbį su kitais, kad užbaigtumėte visą DNR atkūrimo procesą. DNR gijimo trūkumai, dėl kurių atsiranda klaidingas atstatymas ir (arba) užsitęsęs DNR pažeidimas, gali sukelti genų mutacijas, chromosomų pertvarkymus, genomo nestabilumą ir galiausiai kancerogenezę ir (arba) vėžio progresavimą. Nors tai gali atrodyti paradoksalu, tuo pačiu metu tokie DNR atkūrimo būdų defektai gali turėti terapinių pasekmių galimai klinikinei praktikai. Čia pateikiame pagrindinių DNR atstatymo būdų apžvalgą, ypatingą dėmesį skiriant homologinio atstatymo ir RAD51 rekombinazės baltymo vaidmeniui reaguojant į ląstelių DNR pažeidimą. Toliau aptarsime rekombinazės struktūrą ir funkciją per se ir kartu su visais pagrindiniais tarpininkais ir reguliuotojais. Galiausiai, baigiame analizuodami įvairius vaidmenis, kuriuos RAD51 atlieka kancerogenezėje, vėžio progresavime ir atsparumui priešvėžiniams vaistams, ir užbaigiame šį darbą perspektyviausių terapinių strategijų, skirtų nukreipti RAD51 eksperimentinėje onkologijoje, apžvalgą.


    DNR atstatymas yra būtinas ląstelių gyvybingumui, ląstelių išgyvenimui ir vėžio prevencijai, tačiau ląstelių gebėjimas užlopyti pažeistą DNR mažėja su amžiumi dėl iki galo nesuprantamų priežasčių.

    Dabar Harvardo medicinos mokyklos (HMS) mokslininkų vadovaujami tyrimai atskleidžia svarbų žingsnį molekulinėje įvykių grandinėje, leidžiančioje ląstelėms pataisyti pažeistą DNR.

    Išvadose, kurios bus paskelbtos kovo 24 d. žurnale Science, pateikiama kritinė įžvalga apie tai, kaip ir kodėl organizmo gebėjimas fiksuoti DNR laikui bėgant mažėja, ir nurodo anksčiau nežinomą signalinės molekulės NAD, kaip pagrindinio baltymo ir baltymų reguliatoriaus, vaidmenį. sąveika DNR atstatyme. NAD, identifikuotas prieš šimtmetį, jau žinomas dėl savo, kaip ląstelėms žalingos oksidacijos kontrolieriaus, vaidmens.

    Be to, su pelėmis atlikti eksperimentai rodo, kad gydymas NAD pirmtaku NMN sumažina su amžiumi susijusį DNR pažeidimą ir apsaugo nuo DNR pažeidimo dėl radiacijos poveikio.

    Senėjimo paslapčių išaiškinimas

    Mokslininkai įspėja, kad daugelio gydomųjų medžiagų poveikis pelėms ir žmonėms dažnai labai skiriasi dėl esminių biologinių skirtumų.Tačiau, jei tai patvirtinama tolesniuose tyrimuose su gyvūnais ir žmonėmis, išvados gali padėti pradėti gydymą, užkertantį kelią DNR pažeidimams, susijusiems su senėjimu ir vėžio gydymu, susijusiu su radiacijos poveikiu ir kai kuriomis chemoterapijos rūšimis, kurios kartu su navikų naikinimu gali sukelti didelę DNR žalą sveikose ląstelėse. Tikimasi, kad bandymai su žmonėmis su NMN prasidės per šešis mėnesius, sakė mokslininkai.

    „Mūsų rezultatai atskleidžia pagrindinį ląstelių degeneracijos ir senėjimo mechanizmą, bet ne tik jie rodo terapinį būdą sustabdyti ir pakeisti su amžiumi ir radiacijos sukeltą DNR žalą“, – sakė vyresnysis autorius Davidas Sinclairas, Genetikos katedros profesorius. HMS, Paulo F. Glenno senėjimo biologijos centro direktorius ir Naujojo Pietų Velso universiteto medicinos mokyklos Sidnėjuje profesorius.

    Ankstesnis Sinclairo vadovaujamas tyrimas parodė, kad NMN pakeitė pelių raumenų senėjimą.

    Siužetas su daugybe personažų

    Tyrėjai pradėjo nuo baltymų ir molekulių, kurie, kaip įtariama, vaidina svarbų vaidmenį ląstelių senėjimo procese, rinkinį. Vieni iš jų buvo žinomi personažai, kiti – mįslingesnės figūros.

    Tyrėjai jau žinojo, kad NAD, kuris nuolat mažėja su amžiumi, padidina SIRT1 baltymo aktyvumą, kuris atitolina senėjimą ir pailgina mielių, musių ir pelių gyvenimą. Tiek SIRT1, tiek PARP1, baltymas, kontroliuojantis DNR taisymą, savo darbe naudoja NAD.

    Kitas baltymas, DBC1, vienas gausiausių žmonių baltymų ir randamas įvairiose gyvybės formose – nuo ​​bakterijų iki augalų ir gyvūnų – buvo daug niūresnis. Kadangi anksčiau buvo įrodyta, kad DBC1 slopina gyvybingumą didinančią SIRT1, mokslininkai įtarė, kad DBC1 taip pat gali kažkaip sąveikauti su PARP1, atsižvelgiant į panašius PARP1 ir SIRT1 vaidmenis.

    „Manėme, kad jei yra ryšys tarp SIRT1 ir DBC1, viena vertus, ir tarp SIRT1 ir PARP1, iš kitos pusės, tai galbūt PARP1 ir DBC1 taip pat dalyvauja tam tikruose tarpląsteliniame žaidime“, – sakė pirmasis šio žaidimo autorius Jun Li. studija ir mokslinis bendradarbis HMS Genetikos katedroje.

    Kad geriau suprastų cheminį ryšį tarp trijų baltymų, mokslininkai išmatavo baltymų ir baltymų sąveikos molekulinius žymenis žmogaus inkstų ląstelėse. DBC1 ir PARP1 stipriai jungiasi vienas su kitu. Tačiau kai NAD lygis padidėjo, šis ryšys buvo sutrikdytas. Kuo daugiau NAD buvo ląstelėse, tuo mažiau gali susidaryti molekulinių ryšių PARP1 ir DBC1. Kai mokslininkai slopino NAD, PARP1-DBC1 jungčių skaičius padidėjo. Kitaip tariant, kai NAD yra daug, jis neleidžia DBC1 prisijungti prie PARP1 ir kištis į jo gebėjimą ištaisyti pažeistą DNR.

    Pasak mokslininkų, tai rodo, kad NAD mažėjant su amžiumi, atsiranda vis mažiau NAD molekulių, kad būtų sustabdyta žalinga DBC1 ir PARP1 sąveika. Rezultatas: DNR pažeidimai nepataisomi ir, laikui bėgant, kaupiasi, sukelia ląstelių pažeidimus, ląstelių mutacijas, ląstelių mirtį ir organų funkcijų praradimą.

    Nelaimių išvengimas

    Be to, norėdami suprasti, kaip tiksliai NAD neleidžia DBC1 prisijungti prie PARP1, komanda įsitraukė į DBC1 regioną, žinomą kaip NHD, kišeninę struktūrą, randamą maždaug 80 000 skirtingų gyvybės formų ir rūšių baltymų, kurių funkcijos mokslininkams nepavyko. Grupės eksperimentai parodė, kad NHD yra NAD surišimo vieta ir kad DBC1 NAD blokuoja šį specifinį regioną, kad DBC1 neužsifiksuotų su PARP1 ir trukdytų DNR taisymui.

    Sinclairas teigė, kad kadangi NHD yra labai paplitęs tarp rūšių, išvados rodo, kad prisijungdamas prie jo NAD gali atlikti panašų vaidmenį užkertant kelią žalingoms baltymų sąveikoms daugelyje rūšių, kad būtų galima kontroliuoti DNR atstatymą ir kitus ląstelių išgyvenimo procesus.

    Susijęs


    Biologija 171

    Šio skyriaus pabaigoje galėsite atlikti šiuos veiksmus:

    DNR replikacija yra labai tikslus procesas, tačiau kartais gali pasitaikyti klaidų, pavyzdžiui, DNR polimerazė įterpia neteisingą bazę. Neištaisytos klaidos kartais gali sukelti rimtų pasekmių, tokių kaip vėžys. Remonto mechanizmai ištaiso klaidas. Retais atvejais klaidos neištaisomos, kitais atvejais sukelia mutacijas, patys remontiniai fermentai yra mutuoti arba sugedę.

    Daugumą klaidų DNR replikacijos metu greitai ištaiso pačios DNR polimerazės korektūros gebėjimas. ((Paveikslas)). Korektūroje DNR pol nuskaito naujai pridėtą bazę prieš pridedant kitą, todėl galima atlikti pataisymą. Polimerazė patikrina, ar naujai pridėtas pagrindas tinkamai susietas su pagrindu šablono gijoje. Jei tai tinkama bazė, pridedamas kitas nukleotidas. Jei buvo pridėta neteisinga bazė, fermentas įpjauna fosfodiesterio ryšį ir išskiria netinkamą nukleotidą. Tai atlieka 3′ egzonukleazės veikimas DNR pol. Pašalinus netinkamą nukleotidą, jį galima pakeisti tinkamu.


    Kai kurios klaidos neištaisomos replikacijos metu, bet ištaisomos baigus replikaciją. Šio tipo taisymas vadinamas neatitikimo taisymu ((pav.)). Konkretūs remonto fermentai atpažįsta netinkamai susijusį nukleotidą ir išimama grandinės dalis, kurioje jis yra, iškirpta sritis yra sintezuojama iš naujo. Jei neatitikimas lieka nepataisytas, tai gali sukelti ilgalaikę žalą, kai neatitikimas DNR bus replikuotas. Kaip neatitikimą taisantys fermentai atpažįsta, kuri iš dviejų bazių yra neteisinga? Į E. coli, po replikacijos azoto bazės adeninas įgyja metilo grupę, kurios pradinė DNR grandinė turės metilo grupes, o naujai susintetinta grandis jų neturi. Taigi, DNR polimerazė gali pašalinti neteisingai įterptas bazes iš naujai susintetintos, nemetilintos grandinės. Eukariotuose mechanizmas nėra labai gerai suprantamas, tačiau manoma, kad jis apima neužsandarintų įtrūkimų atpažinimą naujoje grandinėje, taip pat trumpalaikį nuolatinį kai kurių replikacijos baltymų susiejimą su nauja dukterine grandine, kai replikacija baigta. .


    Kitas taisymo mechanizmo tipas, nukleotidų ekscizijos taisymas, yra panašus į neatitikimo taisymą, išskyrus tai, kad jis naudojamas pažeistoms bazėms pašalinti, o ne nesuderinamoms. Remonto fermentai pakeičia nenormalias bazes, įpjaunant tiek 3′, tiek 5′ pažeisto pagrindo galus ((pav.)). DNR segmentas pašalinamas ir pakeičiamas teisingai suporuotais nukleotidais, veikiant DNR pol. Užpildžius pagrindus, likęs tarpas užsandarinamas fosfodiesterio jungtimi, katalizuojama DNR ligazės. Šis taisymo mechanizmas dažnai naudojamas, kai UV poveikis sukelia pirimidino dimerų susidarymą.


    Gerai ištirtas klaidų neištaisymo pavyzdys matomas žmonėms, sergantiems pigmentine kseroderma ((Pav.)). Paveiktų asmenų oda yra labai jautri saulės UV spinduliams. Kai asmenys yra veikiami UV spindulių, susidaro pirimidino dimerai, ypač timino, žmonės, sergantys pigmentine kseroderma, negali ištaisyti žalos. Jie nepataisomi dėl nukleotidų ekscizijos taisymo fermentų defekto, o normalių asmenų timino dimerai išpjaunami ir defektas ištaisomas. Timino dimerai iškreipia DNR dvigubos spiralės struktūrą ir tai gali sukelti problemų DNR replikacijos metu. Žmonės, sergantys pigmentine kseroderma, gali turėti didesnę riziką susirgti odos vėžiu nei tie, kurie šia liga neserga.


    Klaidos DNR replikacijos metu nėra vienintelė priežastis, kodėl DNR atsiranda mutacijų. Mutacijos, genomo nukleotidų sekos variacijos, taip pat gali atsirasti dėl DNR pažeidimo. Tokios mutacijos gali būti dviejų tipų: sukeltos arba spontaniškos. Sukeltos mutacijos yra tos, kurios atsiranda dėl cheminių medžiagų, UV spindulių, rentgeno spindulių ar kitų aplinkos veiksnių poveikio. Spontaniškos mutacijos atsiranda be jokio aplinkos poveikio, jos yra natūralių organizme vykstančių reakcijų rezultatas.

    Mutacijos gali turėti platų poveikį. Taškinės mutacijos yra tos mutacijos, kurios veikia vieną bazių porą. Dažniausios nukleotidų mutacijos yra pakaitalai, kurių metu viena bazė pakeičiama kita. Šie pakaitalai gali būti dviejų tipų: perėjimai arba transversijos. Pereinamasis pakaitalas reiškia purino arba pirimidino pakeitimą tos pačios rūšies baze, pavyzdžiui, purinas, toks kaip adeninas, gali būti pakeistas purino guaninu. Transversijos pakaitalai reiškia, kad purinas pakeičiamas pirimidinu, arba atvirkščiai, pavyzdžiui, citozinas, pirimidinas, pakeičiamas adeninu, purinu. Kai kurios taškinės mutacijos nėra išreikštos, jos yra žinomos kaip tyliosios mutacijos. Tyliosios mutacijos dažniausiai atsiranda dėl pakeitimo trečiojoje kodono bazėje, kuri dažnai reiškia tą pačią aminorūgštį kaip ir pirminis kodonas. Dėl kitų taškinių mutacijų viena aminorūgštis gali būti pakeista kita, o tai gali pakeisti baltymo funkciją. Taškinės mutacijos, generuojančios stop kodoną, gali anksti nutraukti baltymą.

    Dėl kai kurių mutacijų gali padidėti to paties kodono kopijų skaičius. Tai vadinama trinukleotidų pasikartojančiais išsiplėtimais ir sukelia pasikartojančius tos pačios aminorūgšties regionus. Mutacijos taip pat gali atsirasti dėl bazės pridėjimo, žinomo kaip įterpimas, arba bazės pašalinimo, taip pat žinomo kaip delecija, rezultatas. Jei dėl įterpimo arba ištrynimo pakeičiamas transliacinis skaitymo rėmas (kadrų poslinkio mutacija), gautas baltymas paprastai neveikia. Kartais DNR dalis iš vienos chromosomos gali būti perkelta į kitą chromosomą arba kitą tos pačios chromosomos regioną, o tai dar vadinama translokacija. Šie mutacijų tipai parodyti (pav.).


    Kadrų poslinkio mutacija, dėl kurios įterpiami trys nukleotidai, dažnai yra mažiau žalinga nei mutacija, dėl kurios įterpiamas vienas nukleotidas. Kodėl?

    Buvo žinoma, kad taisymo genų mutacijos sukelia vėžį. Daugelis mutavusių atkūrimo genų buvo susiję su tam tikromis kasos vėžio, gaubtinės žarnos vėžio ir gaubtinės ir tiesiosios žarnos vėžio formomis. Mutacijos gali paveikti somatines ląsteles arba lytines ląsteles. Jei somatinėje ląstelėje susikaupia daug mutacijų, jos gali sukelti problemų, tokių kaip nekontroliuojamas ląstelių dalijimasis, stebimas sergant vėžiu. Jei lytinėse ląstelėse įvyksta mutacija, mutacija bus perduota kitai kartai, kaip hemofilijos ir pigmentinės kserodermos atveju.

    Skyriaus santrauka

    DNR polimerazė gali padaryti klaidų pridėdama nukleotidų. Jis redaguoja DNR, patikrindamas kiekvieną naujai pridėtą bazę. Netinkami pagrindai pašalinami ir pakeičiami tinkamu pagrindu, prieš tęsiant pailginimą. Dauguma klaidų ištaisomos replikacijos metu, nors kai tai neįvyksta, naudojamas neatitikimo taisymo mechanizmas. Neatitikimo taisymo fermentai atpažįsta neteisingai įtrauktą bazę ir išskiria ją iš DNR, pakeičiant ją tinkama baze. Atliekant dar vieną atstatymo tipą, nukleotidų ekscizijos taisymą, pažeista bazė pašalinama kartu su keliomis bazėmis 5′ ir 3′ galuose, o jos pakeičiamos kopijuojant šabloną DNR polimerazės pagalba. Naujai susintetinto fragmento galai prijungiami prie likusios DNR, naudojant DNR ligazę, kuri sukuria fosfodiesterio ryšį.

    Dauguma klaidų ištaisomos, o jei ne, jos gali sukelti mutaciją, apibrėžtą kaip nuolatinį DNR sekos pokytį. Mutacijos gali būti įvairių tipų, tokių kaip pakeitimas, ištrynimas, įterpimas ir trinukleotidų kartojimas. Remonto genų mutacijos gali sukelti rimtų pasekmių, tokių kaip vėžys. Mutacijos gali būti sukeltos arba gali atsirasti spontaniškai.

    Meno jungtys

    (Paveikslas) Kadrų poslinkio mutacija, dėl kurios įterpiami trys nukleotidai, dažnai yra mažiau žalinga nei mutacija, dėl kurios įterpiamas vienas nukleotidas. Kodėl?

    (Paveikslėlis) Jei pridedami trys nukleotidai, viena papildoma aminorūgštis bus įtraukta į baltymų grandinę, bet skaitymo rėmas nepasikeis.

    Nemokamas atsakymas

    Kokios yra neatitikimo taisymo fermento mutacijos pasekmės? Kaip tai paveiks geno funkciją?

    Mutacijos nepataisomos, kaip ir pigmentinės kserodermos atveju. Gali būti paveikta genų funkcija arba ji gali būti neišreikšta.

    Suaugusio žmogaus, kurio istorija buvo įdegusi, genomas yra sekvenuojamas. Jo DNR baltymus koduojančios srities pradžia yra ATGGGGATATGGCAT. Jei sveiko suaugusio žmogaus baltymus koduojančiame regione yra ATGGGGATATGAGCAT, nustatykite mutacijos vietą ir tipą.

    Tai yra kadrų poslinkio mutacija su „A“ ištrynimu 12-oje kodavimo srities padėtyje.

    Žodynėlis


    Žiūrėti video įrašą: How mRNA Vaccines Work - Simply Explained (Birželis 2022).