Fotoreaktivering er en direkte DNA-reparasjonsprosess katalysert av en enzymatisk reaksjon, der to kovalent koblede pyrimidindimerer (produkt av en tidligere fotoskade ) monomeriseres og gjenopprettes etter å ha blitt utsatt for synlig lys. [ 1 ]
Dette paradoksale reparasjonsfenomenet, der en type stråling med en viss bølgelengde brukes som et middel til å gjenopprette tidligere skader forårsaket av den samme fysiske mekanismen, er basert på involvering av fotolyaser , som fungerer som katalysatorer for reaksjonen som til slutt ender opp oppheve pyrimidin-dimerene, og returnere DNA-strukturen til dens primære konformasjon av kovalente bindinger. [ 1 ]
Takket være den amerikanske biologen Albert Kelner, var det den første reparasjonsmekanismen som ble oppdaget, nærmere bestemt i 1949, ved Cold Spring Harbor - laboratoriene i New York. [ 1 ] Selv om Kelners studier på dette feltet begynte år tidligere ved Delf University of Technology. [ 2 ]
Kelner rapporterte forbedrede overlevelsesrater i prøver av Strptomyces griseus utsatt for UV-stråling som ble utsatt for behandling med synlig lys . Følgelig produserte den første strålingen tymin-dimerer som produkter av DNA-skade. [ 1 ]
Kort tid etter observerte Renato Dubelcco den samme prosessen i E. Coli ., mens han jobbet som stipendiat i laboratoriet til Salvador Luria . Både Luria og Dubelcco tilskrev funnet til Kelner. [ 1 ]
DNA kan lide av ulike typer skade relatert til endogene eller eksogene cellulære prosesser. Noen eksempler på skader er:
1. Endring av et enkelt nukleotid .
2. Endring av to nukleotider.
3. Brudd i kjeden.
4. Dannelse av pyrimidin-dimerer: Ultrafiolett stråling genererer en krysning mellom cytosin og tymin , som gir opphav til pyrimidin-dimerer.
De tre hovedtypene av DNA-reparasjonsmekanismer er fotoreaktivering, eksisjonsreparasjon og rekombinasjonsreparasjon. De fleste DNA-reparasjonsprosesser er basert på å fjerne skadede nukleotider med deres underliggende rester og erstatte det fjernede området ved å bruke informasjon fra den komplementære tråden. På den annen side er fotoreaktivering basert på direkte endring av de skadede basene, uten å måtte eliminere dem først. Av denne grunn anses fotoreaktivering å være en direkte DNA-reparasjonsprosess. [ 3 ]
Pyrimidin-dimerer fjernes fra DNA ved hjelp av et stort antall mekanismer som kalles DNA-reparasjonsmekanismer. Fotoreaktivering er en av disse mekanismene. I denne spesielle prosessen blir de skadelige effektene forårsaket av innfallende stråling på DNA med korte bølgelengder korrigert takket være en påfølgende eksponering av det berørte området for stråling med lengre bølgelengde, i dette tilfellet mellom 300 og 500 nanometer. [ 4 ]
Det mest brukte enzymet i fotoreaktiveringsprosessen er fotolyase, som ikke kan finnes hos mennesker eller andre placentale pattedyr , som i stedet for å bruke fotoreaktiveringsmekanismen, er avhengige av prosesser som reparasjonsmekanismer for nukleotideksisjon, mye mindre effektive. [ 5 ] Fotoreaktiveringsreparasjon i humant DNA utføres av kryptokrom , et flavoprotein homologt med fotolyase kodet av CRY-genet. [ 6 ]
Hos mennesker kan reparasjonen av DNA-skader forårsaket av ultrafiolett stråling ta opptil 36 timer, mens i andre organismer som algen kalt Anacystis nidulans kan DNA-reparasjon gjøres på bare 30 timer. minutter.
Eksponering av DNA for ultrafiolett stråling forårsaker dannelse av cyklobutan-pyrimidin-dimerer (CPD-er, som inkluderer tymin-dimerer ), en prosess med direkte DNA-skade , hvor to tilstøtende baser av pyrimidin-dimerer er forbundet med en kovalent binding . Som en konsekvens vil ikke DNA replikeres eller transkriberes og mutasjoner vil oppstå i immunsystemet. [ 7 ]
Fotolyaseenzymet er klassifisert som et flavoenzym. Denne inneholder et flavinadenindinukleotid (FAD), et molekyl som fungerer som en katalytisk kofaktor, og som også er kodet av phr-genet til bakteriegenomet E. coli. [ 8 ] Fotolyase binder pyrimidin-dimerer i fravær av UV-stråling.
I initieringen av fotoreaktivering bruker fotolyaseenzymet lys for å katalysere reaksjonen. Fotolyaseenzymet, etter å ha blitt bestrålt av et foton med en bølgelengde mellom 300-500 nm, donerer et elektron til pyrimidinbasedimeren , som initierer en atomomorganisering. Denne atomære omorganiseringen tilsvarer spaltningen av de kovalente bindingene til cyklobutanringen fra dimeren til pyrimidinbaser. Når disse dimerbindingene brytes, gjenopprettes de to pyrimidinbasene.
De hyppigste dimerene for å danne denne kovalente bindingen er tymin -tymin, selv om tymin- cytosin og cytosin-cytosin- dimerer også kan finnes .
Fotolyaseenzymet inneholder 2 kromoforer , hvorav den ene er flavinadenindinukleotid (FAD) tilstede i redusert tilstand. Den andre kan variere avhengig av fotolyasen, og er 5-10 - metyltetrahydrofolat eller 8-hydroksy-5-deazaflavin: NADPH - oksidoreduktase. [ 9 ]
Resultatene fra nyere studier på DNA-fotolyase fra E.Coli og andre modellsystemer, ved bruk av teknikker som steady state og flash-fotolyse, tidsoppløst fluorescens og CIDNP-avbildning, ble bestemt.
En mekanisme ble foreslått for in vitro -reaksjonen av E. coli DNA-fotolyase som involverer fotoreduksjon av FAD-radikal-kofaktoren etterfulgt av elektrondonasjon til dimeren fra den koblede eksiterte tilstanden til den reduserte FAD. [ 4 ]