DNA parandamine (reparatsioon): definitsioon ja mehhanismid

DNA parandamine tähendab protsesse, mille abil rakk tuvastab ja parandab oma DNA-molekulide kahjustused.

Rakkudes kahjustavad DNA-d normaalne ainevahetustegevus ja keskkonnategurid, näiteks UV-valgus ja kiirgus. Ühe raku kohta tekib päevas kuni miljon molekulaarset kahjustust. Paljud neist kahjustustest põhjustavad DNA molekuli struktuurikahjustusi ja võivad muuta või kõrvaldada raku võime transkribeerida kahjustatud geeni. Teised kahjustused põhjustavad raku genoomis potentsiaalselt kahjulikke mutatsioone, mis mõjutavad raku tütarrakkude ellujäämist pärast jagunemist. DNA parandamise protsess peab olema pidevalt aktiivne, et ta saaks kiiresti reageerida igale DNA struktuuri kahjustusele.

DNA parandamise kiirus sõltub paljudest teguritest, sealhulgas raku tüübist, raku vanusest ja rakuvälisest keskkonnast. Rakk, mis on kogunud palju DNA-kahjustusi või mis ei paranda enam tõhusalt kahjustusi, võib sattuda ühte kolmest seisundist:

Rakk seiskub ja läheb senescentsi: rakk peatab jagunemise (püsiv rakutsüklist väljalangemine) ja jääb elujõuliseks, kuid enam ei paljune; see on sageli kaitsemehhanism kahjustuste leviku vastu.
Programmeeritud rakusurm (apoptoos): kui kahjustused on liiga ulatuslikud, aktiveeritakse apoptootilised rajad ja rakk hävib kontrollitud viisil, et vältida mutatsioonide edasi kandumist.
Rakk jääb elama mutatsioonidega: kui parandussüsteem ebaõnnestub, võivad tekkinud mutatsioonid viia pahaloomulise taandarengu ehk vähini.

DNA kahjustuste liigid

Baasilised kahjustused: oksüdatsioon, deaminatsioon, alküleerumine.
Ühe ahela katkestused: nicks ja lõigud ühe DNA ahela ahelas.
Kahe ahela katkestused (DSB): enamasti kõige ohtlikumad, võivad viia kromosoomide rearrangeerumiseni.
Bulky adducts ja tüvekrosse: suured kahjustused, mis häirivad DNA topoloogiat (näiteks UV-indutseeritud timiini dimeraadid).
Replikatsioonivead: valesti liidetud nukleotiidid replikatsiooni käigus.

Peamised parandamismehhanismid

Otsene pööramine (direct reversal): mõned kahjustused saab otseselt tagasi pöörata ilma nukleotiidi asendamata. Näiteks O6-methylguanine-DNA methyltransferase (MGMT) eemaldab O6-methüülrühmi. Paljudel organismidel on ka fotoliaasid, mis parandavad UV-indutseeritud dimeraate valguse abil; inimestel see mehhanism on piiratum.
Base Excision Repair (BER): eemaldab väiksemahulisi muutunud basiise (oksüdeerunud, deamineeritud). Protsessis osalevad DNA-glykosüülnaasid, AP-endonukleaasid, DNA-polümeraasi ja ligaasid.
Nucleotide Excision Repair (NER): tunnustab ja eemaldab suuri, strukturaalseid kahjustusi (nt UV poolt tekitatud dimeraadid ja keemiliste ainetega seotud lisandid). NER-i puhul lõigatakse välja mitu nukleotiidi pikkune fragmend ja täidetakse tühimik DNA-polümeraasi abil.
Mismatch Repair (MMR): parandab replikatsiooni vigu (valesti paigutatud nukleotiidid, insertion–deletioni loopid). MMR suurendab replikatsiooni täpsust märkimisväärselt.
Topeltraudkatkestuste parandamine (DSB repair):
- Homoloogne rekombinatsioon (HR): täpne, toimub sagedamini S/G2 faasis, kasutab õdechromaatiidi mallina.
- Mittemetastaalse liitmisega (NHEJ): kiire ja vahel ebatäpne; otsustab ahelaotsad kokku liita, võib lisada või eemaldada nukleotiide.
Translesiooni süntees (TLS): spetsiaalsed DNA-polümeraasid saavad mööda minna kahjustusest replikatsiooni ajal, mis võimaldab jagunemise jätkumist, kuid see on sageli mutageneetiline (veaõiguslik).
DNA kahjustustele reageerivad signaalrajad: ATM ja ATR kinasaasid tuvastavad ja vahendavad vastuseid suurtele kahjustustele, aktiveerides kontrollpunktid, parandustehnoloogiaid või apoptoosi.

Mõned olulised valgud ja geenid

DNA-polümeraasid (täpsed ja TLS-variantideks)
DNA-ligaasid (seovad ahelaotstes olevad servad)
Endonukleaasid ja eksnukleaasid (lõikavad kahjustatud ühendusi)
Helikasaasid (lahti harutavad DNA-d)
BRCA1/BRCA2 (HR-i võtmefaktorid)
ATM, ATR, p53 (kahjustusvastuse signaalivalgud ja kontrollpunktid)

Rakusünteetiline tähtsus ja kliiniline seos

DNA parandamise ebaõnnestumine on seotud mitmete haigustega ja vananemisprotsessiga. Näited:

Xeroderma pigmentosum: NER-i puudulikkus — äärmine tundlikkus UV-kiirgusele ja suurenenud nahavähi risk.
Lynch'i sündroom (HNPCC): MMR-geenide mutatsioonid — soodumus kolonivähile ja teistele vähivormidele.
Ataksia-telangiektasia: ATM defekt — neurodegeneratsioon, immuunpuudulikkus ja radiosensitiivsus.

Parandamise meeldiv meditsiiniline ärakasutamine: näiteks PARP-inhibiitorid on tõhusad BRCA-mutatsiooniga kasvajatel, sest need pärsivad alternatiivset kahjustuste parandust ja põhjustavad vähirakkude selektiivse hukkumise (sünteetiline letaalus).

DNA parandamine ja raku tsükkel

Paljud parandussüsteemid on rakutsükli-faasis reguleeritud: näiteks HR on aktiivsem S/G2 faasis (kuna olemas on õdechromaatiidiparandusmall), NHEJ saab toimida kõikidel etappidel. Kontrollpunktid peatavad tsükli, et anda aega uue DNA sünteesiks ja kahjustuste parandamiseks.

Erinevused mtDNA-s ja telomeerides

Mitochondriaalne DNA (mtDNA) on kaitsetum ja selle parandussüsteemid on piiratumad; see muudab mtDNA tundlikumaks oksüdatiivse stressi mõjule. Samuti on telomeeride lühenemine seotud rakulise vananemisega ning telomeraasi aktiivsus mängib rolli rakkude korduvuses ja on sageli reguleeritud pahaloomulistes rakkudes.

Meetodid DNA kahjustuste ja parandamise uurimiseks

Comet assay (single-cell gel electrophoresis) — mõõdab DNA katkestusi üksikutes rakkudes.
γ-H2AX fookused — indikaator topeltraudkatkestustest.
Sequencing ja mutatsiooniprofiili analüüs — tuvastavad reparatsiooni puudulikkuse signatuurid.
Biokeemilised katsed ja in vitro reparatsioonisüsteemid — jälgivad konkreetsete valkude tegevust.

Järeldus

DNA parandamine on eluliselt tähtis kogu elu säilitamiseks, geeniekspressiooni korrektseks toimimiseks ja genoomi stabiilsuse hoidmiseks. Parandussüsteemide mitmetasandilisus — alates otsestest pööramistest kuni keerukate signaaliradadeni — tagab paindlikkuse ja efektiivsuse. Kui need süsteemid ei tööta korralikult, suureneb haiguste ja vananemise risk, kuid samal ajal annavad need mehhanismid võimalusi ka sihipäraseks meditsiiniliseks sekkumiseks.

DNA kahjustus, mille tulemuseks on mitu katkist kromosoomi

DNA parandamine

DNA parandamise kiirus sõltub paljudest teguritest, sealhulgas raku tüübist, raku vanusest ja rakuvälisest keskkonnast. On selgunud, et paljud geenid, mis algselt mõjutasid eluiga, on seotud DNA kahjustuste parandamise ja kaitsega.

Kahjustus ja mutatsioon

DNA kahjustused ja mutatsioon on põhimõtteliselt erinevad.

Kahjustused on füüsilised kõrvalekalded DNAs, näiteks ühe- ja kahesoonelised katkestused. DNA kahjustused on ensüümide poolt äratuntavad ja seega on neid võimalik parandada. Parandamiseks on vaja kahjustamata järjestust komplementaarses DNA-ahelas või homoloogilises kromosoomis. Kui rakk säilitab DNA-kahjustuse, võib takistada geeni transkriptsiooni ja seega ka translatsiooni valguks. Ka replikatsioon võib olla blokeeritud või rakk võib surra.
Mutatsioon on muutus DNA alusjärjestuses. Mutatsioone ei ole võimalik ensüümide poolt ära tunda, kui alusmuutus on olemas mõlemas DNA-ahelas, seega ei saa mutatsiooni parandada. Raku tasandil võivad mutatsioonid põhjustada muutusi valkude funktsioonis ja regulatsioonis. Mutatsioonid replitseeruvad raku replikatsiooni käigus. Rakkude populatsioonis suureneb või väheneb mutantsete rakkude sagedus vastavalt mutatsiooni mõjule raku ellujäämis- ja paljunemisvõimele.

Kuigi nad erinevad teineteisest, on DNA kahjustused ja mutatsioonid omavahel seotud, sest DNA kahjustused põhjustavad sageli DNA sünteesi vigu replikatsiooni või parandamise käigus; need vead on peamine mutatsiooni allikas. DNA kahjustused sageli jagunevates rakkudes, kuna need põhjustavad mutatsioone, on vähktõve üks peamisi põhjusi. Seevastu DNA kahjustused harva jagunevates rakkudes on tõenäoliselt vananemise silmapaistev põhjus.

2015. aasta Nobeli preemia teadus

2015. aasta Nobeli keemiaauhind läks kolmele teadlasele, kes igaüks avastas osa DNA parandamise loost.

Tomas Lindahl FRS, kes on rootslane ja töötab Ühendkuningriigis, avastas mehhanismi, mida nimetatakse baasi eksisioonireparanduseks. See toimib DNA lagunemise vastu.
Türgi päritolu Aziz Sancar, Põhja-Carolina ülikooli professor, leidis teistsuguse DNA parandamise, mida nimetatakse nukleotiidide eksisioonireparanduseks.
Ameerika Paul Modrich näitas Põhja-Carolinas asuvas Duke'i ülikoolis, kuidas rakud parandavad rakkude jagunemisel tekkivaid DNA-vigu. Selle mehhanismi, mida nimetatakse ebakõla parandamiseks, tulemuseks on DNA replikatsioonil esinevate vigade sageduse 1000-kordne vähenemine.

Küsimused ja vastused

K: Mis on DNA parandamine?

V: DNA parandamine on protsess, mille käigus rakk tuvastab ja parandab oma DNA-molekulide kahjustused, mis on põhjustatud normaalsest ainevahetustegevusest ja keskkonnateguritest, näiteks UV-valgusest ja kiirgusest.

K: Kui palju molekulaarseid kahjustusi võib ühe raku kohta päevas tekkida?

V: Ühe raku kohta võib esineda kuni miljon molekulaarset kahjustust päevas.

K: Mida võivad põhjustada DNA molekuli struktuursed kahjustused?

V: DNA-molekuli struktuurne kahjustus võib muuta või kõrvaldada raku võime transkribeerida kahjustatud geeni.

K: Mida võivad mõjutada DNA kahjustuste poolt esilekutsutud potentsiaalselt kahjulikud mutatsioonid?

V: DNA-kahjustuste põhjustatud potentsiaalselt kahjulikud mutatsioonid võivad mõjutada raku tütarrakkude ellujäämist pärast raku jagunemist.

K: Miks peab DNA parandamise protsess olema pidevalt aktiivne?

V: DNA parandamisprotsess peab olema pidevalt aktiivne, et ta saaks kiiresti reageerida mis tahes kahjustusele DNA struktuuris.

K: Millised tegurid võivad mõjutada DNA parandamise kiirust?

V: DNA parandamise kiirust võivad mõjutada paljud tegurid, sealhulgas raku tüüp, raku vanus ja rakuväline keskkond.

K: Mis võib juhtuda rakuga, mis on kogunud palju DNA-kahjustusi või mis ei paranda enam tõhusalt kahjustusi?

V: Rakk, mis on kogunud palju DNA-kahjustusi või mis ei paranda enam tõhusalt kahjustusi, võib sattuda ühte kolmest seisundist.