DNA- reparasjon er et sett med prosesser der en celle identifiserer og korrigerer skade gjort på DNA- molekylene som koder for genomet . I menneskelige celler kan både metabolske aktiviteter og miljøfaktorer, som UV-stråler eller radioaktivitet , forårsake DNA-skade, og forårsake opptil en million molekylære lesjoner per celle per dag. [ 1 ] Mange av disse lesjonene forårsaker strukturell skade på DNA-molekylet, og kan endre eller eliminere cellens evne til å transkribere genet som koder for det berørte DNA. Andre lesjoner produserer potensielt skadelige mutasjoner i cellens genom, og påvirker overlevelsen til dens "datterceller" på tidspunktet for mitose . Følgelig er DNA-reparasjonsprosessen konstant aktiv, og reagerer på skade på DNA-strukturen . [ 2 ] [ 3 ]
Hastigheten på DNA-reparasjon avhenger av mange faktorer, som celletype, alder og det ekstracellulære miljøet. En celle som har akkumulert en stor mengde DNA-skade, eller som ikke er i stand til å reparere DNA-skaden effektivt, kan gå inn i en av tre mulige tilstander:
DNA-reparasjonskapasiteten er avgjørende for integriteten til dets genom, og derfor for dets normale funksjon og organismens. Når det gjelder mange av genene som hadde vist seg å påvirke lang levetid , har de senere blitt avslørt å ha en rolle i DNA-reparasjon og -beskyttelse. [ 4 ] Manglende evne til å korrigere molekylære lesjoner i cellene som danner kjønnsceller kan introdusere mutasjoner i genomet til deres etterkommere, og påvirke utviklingshastigheten .
DNA-skader, som skyldes miljøfaktorer og normale metabolske prosesser i cellen, skjer med en hastighet på 1 000 til 1 000 000 molekylære lesjoner per celle per dag. [ 1 ] Selv om dette bare representerer 0,000165 % av de rundt seks milliarder basene (tre milliarder baseparene) i det menneskelige genomet , kan ikke-reparerte lesjoner i kritiske gener (som tumorsuppressorgener) stoppe en celle fra å utføre sin funksjon og øke betydelig. sjansen for svulstdannelse .
De aller fleste DNA-skader påvirker den primære strukturen til dobbelthelixen, det vil si at kjemien til selve basene endres. Disse modifikasjonene kan i sin tur ødelegge den normale spiralformede strukturen til molekylene, og introdusere nye kjemiske bindinger eller voluminøse addukter som ikke passer inn i standard dobbelhelix. I motsetning til proteiner og RNA mangler DNA vanligvis tertiær struktur, så det er vanligvis ingen skade eller forstyrrelse på dette nivået. Imidlertid har DNA supercoils pakket rundt "emballasje" proteiner kalt histoner (i eukaryoter ), og begge strukturer er sårbare for effekten av DNA-skade.
DNA-skader kan deles inn i to hovedtyper:
Replikasjonen av skadet DNA før cellen deler seg kan føre til at feil baser blir inkorporert før de skadede. Dattercellene som arver disse feilaktige basene bærer mutasjoner der den opprinnelige DNA-sekvensen er uopprettelig (bortsett fra i det sjeldne tilfellet med en reversering av mutasjonen, eller oftere gjennom genetisk rekombinasjon til tross for at den er like sjelden).
Det er fire hovedtyper av DNA-skader på grunn av endogene cellulære prosesser :
Skadene forårsaket av eksogene stoffer er av mange typer. [ 8 ] Noen eksempler er:
UV-strålingsskader, alkylering/metylering, røntgenskader og oksidativ skade er eksempler på indusert skade. Spontan skade inkluderer tap av en base, deaminering, folding av sukkerringer og tautomerskift . [ 11 ]
I menneskelige celler, og eukaryote celler generelt, finnes DNA på to punkter i cellen: i kjernen og i mitokondriene . Kjernefysisk DNA (nDNA) eksisterer som kromatin under ikke-replikerende faser av cellesyklusen , og kondenseres til aggregerte strukturer kalt kromosomer under celledeling . I begge stater er DNA svært kompakt og kveilet rundt perleformede proteiner kalt histoner . Når en celle trenger å uttrykke den genetiske informasjonen som er kodet i dens nDNA, avvikles den korresponderende kromosomregionen, genene blir uttrykt , og deretter kondenseres regionen til sin hvileform. Mitokondrielt DNA (mtDNA) finnes i mitokondrier (en type organell ), eksisterer i flere kopier, og er nært forbundet med en rekke proteiner for å danne et kompleks kalt en nukleoid . Innenfor mitokondriene skaper reaktive oksygenarter ( ROS ) og frie radikaler, biprodukter av den konstante produksjonen av adenosintrifosfat (ATP) via oksidativ fosforylering , et svært oksidativt miljø kjent for å skade mtDNA. Et nøkkelenzym for å kompensere for toksisiteten til disse artene er superoksiddismutase , som er til stede i både mitokondriene og cytoplasmaet til eukaryote celler.
Aldring , en irreversibel tilstand der cellen ikke lenger deler seg ( mitose ), er en beskyttende respons ved forkortning av endene av kromosomer ( telomerer ). Telomerer er lange, repeterende, ikke-kodende DNA-regioner som avgrenser kromosomer og blir delvis degradert hver gang en celle deler seg ( Hayflick limit ). [ 12 ] I stedet er hviletilstand en reversibel tilstand av latens som ikke er relatert til skade på genomet ( cellesyklus ). Cellealdring kan representere et funksjonelt alternativ til apoptose ved at den fysiske tilstedeværelsen av en celle er nødvendig for organismen, [ 13 ] fungerer som en "siste utvei"-mekanisme for å forhindre at en DNA-skadet celle brytes ned replikere unormalt i fravær av cellekommunikasjon for vekst . Ukontrollert celledeling kan føre til dannelse av en svulst ( kreft ), som er potensielt dødelig for kroppen. Derfor anses induksjon av aldring og apoptose som en del av den beskyttende strategien mot kreft.
Det er viktig å skille mellom DNA-skader og mutasjoner , de to hovedtypene av feil i DNA. [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] DNA-skader og mutasjoner er fundamentalt forskjellige. Disse skadene er til syvende og sist kjemiske abnormiteter i DNA-strukturen, slik som enkelt- og dobbelttrådsbrudd, 8-hydroksydeoksyguanosinrester og polysykliske aromatiske hydrokarbonaddukter . Visse proteiner kan gjenkjenne disse endringene i DNA, slik at de kan reparere dem hvis overflødig informasjon er tilgjengelig for å kopieres fra den intakte sekvensen til den komplementære DNA-strengen som ikke har gjennomgått denne endringen. Hvis en celle ikke reparerer skade på DNA, kan ekspresjonen av et gen stoppes . [ 18 ]
I motsetning til DNA-skade, er en mutasjon en endring i DNA-basesekvensen, det vil si at det ikke er noen endring som kan gjenkjennes av proteinene som er ansvarlige for å korrigere disse endringene, siden dens kjemiske sammensetning og struktur er "normal". Mutasjoner fra syntesefeil kan ikke gjenkjennes av enzymer når baseendringen er tilstede i begge DNA-strengene, så mutasjoner er uoppdagelige i korreksjon og repareres ikke. Mutasjoner replikeres under celledeling . [ 19 ]
På cellenivå kan mutasjoner forårsake endringer i metabolismen og spredningen av disse cellene. [ 20 ] I en organismes cellepool vil antallet mutante celler øke eller redusere avhengig av effekten av mutasjonen på cellens evne til å overleve og reprodusere. Selv om det er klart forskjellige fra hverandre, er DNA-skader og mutasjoner relatert, ettersom DNA-skade ofte fører til DNA-syntesefeil under replikering eller reparasjon, og disse feilene er en hovedårsak til DNA-syntese mutasjoner.
Tatt i betraktning egenskapene til DNA-skader og mutasjoner, kan man se at DNA-skader er et spesielt problem i celler som ikke deler seg eller deler seg sakte, ettersom ikke-reparerte skader har en tendens til å hope seg opp med tiden. På den annen side, i raskt delende celler, fører ureparert DNA-skade som ikke dreper cellen ved å forhindre replikasjon ofte til feil under replikasjon og dermed mutasjoner. [ 21 ]
De aller fleste mutasjoner som ikke har en nøytral effekt er skadelige for en celles overlevelse. Således, i en populasjon av celler i et vev med replikerende celler, har mutantcellene en tendens til å forsvinne. Imidlertid har de få mutasjonene som gir en fordel for celleproliferasjon en tendens til å spre seg klonalt på bekostning av naboceller. Denne fordelen for cellen er en ulempe for organismen generelt, siden disse mutante cellene sprer seg fritt, og slipper unna kontroll over cellesyklusen , de er kreftceller. De celletypene som deler seg oftere har en tendens til å akkumulere mutasjoner lettere, siden når mutasjonene først oppstår, tar disse cellene kort tid å replikere DNA, og derfor vil mutasjonen inkorporere kort tid med den første kopien av den komplementære kjeden. Når den er delt, vil en av de to cellene som er et resultat av delingen ha "fiksert" mutantvarianten, noe som gjør det vanskeligere for korreksjonen å finne sted. DNA-skader i celler som deler seg ofte er en viktig årsak til kreft , [ 22 ] ettersom det fører til mutasjoner. I stedet er DNA-skader i dårlig delende celler trolig en viktig årsak til aldring. [ 23 ]
Celler kan ikke fungere hvis DNA-skade ødelegger integriteten og tilgjengeligheten til viktig informasjon i genomet (men celler forblir tilsynelatende funksjonelle når "ikke-essensielle" gener mangler eller er skadet). Avhengig av typen skade på DNA-dobbelhelixstrukturen, har en rekke reparasjonsstrategier utviklet seg for å gjenopprette tapt informasjon. Om mulig bruker cellene den komplementære DNA-strengen (hvis den ikke er modifisert) eller søsterkromatidet som en "mal" for å gjenopprette den opprinnelige informasjonen. Hvis ingen mal er tilgjengelig, bruker celler som en siste utvei et feilutsatt gjenopprettingssystem kjent som translesjonssyntese .
DNA-skade endrer den romlige konfigurasjonen av helixen, dens topologi , og cellen er i stand til å oppdage disse endringene. Når skaden er oppdaget, fester spesifikke DNA-reparasjonsmolekyler seg til eller nær det skadede stedet, og induserer andre molekyler til å feste seg og danne et kompleks som lar reparasjon finne sted. Hvilke typer molekyler som er involvert og reparasjonsmekanismen som brukes avhenger av typen skade på DNA og fasen av cellesyklusen cellen er i.
Når bare én av de to strengene i dobbeltspiralen har en defekt, kan den andre brukes som en mal for å rette korrigeringen av den skadede strengen. For å reparere skade på et av de sammenkoblede DNA-molekylene, eksisterer det flere utskjæringsreparasjonsmekanismer, som fjerner det skadede nukleotidet og erstatter det med et intakt nukleotid som er komplementært til det som finnes i den uskadede DNA-tråden.
Disse metodene som er nevnt så langt reparerer DNA-et pålitelig og gjenvinner den opprinnelige genotypen. Men når skaden er for stor, oppstår følgende typer reparasjoner, som allerede er utsatt for feil: de gjenoppretter ikke den opprinnelige genotypen, de er nødløsninger når celleoverlevelse står på spill.
Dobbelttrådsbrudd, der begge trådene i dobbeltspiralen brytes, er spesielt farlige for cellen da de kan forårsake problemer i genomet. Det er to mekanismer som reparerer disse bruddene: Ikke-homolog DNA-endesammenføyning (NHEJ ) og rekombinativ reparasjon (også kjent som malassistert reparasjon eller homolog rekombinasjonsreparasjon).
I NHEJ forbinder DNA-ligase IV , en spesialisert DNA-ligase som danner et kompleks med kofaktoren XRCC4 , direkte de to endene. [ 24 ] For å sikre nøyaktig reparasjon, er NHEJ avhengig av korte homologe sekvenser kalt mikrohomologier , tilstede på de enkelttrådede halene av DNA-endene som må kobles sammen. Hvis disse sekvensene er kompatible, er reparasjonen vanligvis vellykket. [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] NHEJ kan også forårsake mutasjoner under reparasjon. Tap av nitrogenholdige baser ved spaltningsstedet kan føre til delesjoner og sammenføyning av terminalt mismatchede translokasjoner. NHEJ er spesielt viktig før cellen har replikert sitt DNA, siden det ikke er noen mal for homolog rekombinasjonsreparasjon. Det er "sikkerhets" NHEJ-veier i høyere eukaryoter. [ 29 ] I tillegg til sin rolle som "vaktmester" av genomet, er NHEJ pålagt å bygge bro over dobbelttrådsbrudd med hårnålsender, forårsaket under V(D)J-rekombinasjon, prosessen som genererer reseptordiversitet. av B-lymfocytter og T lymfocytter i virveldyrets immunsystem . [ 30 ]
Rekombinant reparasjon krever tilstedeværelsen av en identisk eller nesten identisk sekvens som brukes som en mal for å reparere bruddet. Det enzymatiske maskineriet som er ansvarlig for denne prosessen er nesten identisk med maskineriet som er ansvarlig for kromosomkryssing under meiose . Denne veien gjør at et skadet kromosom kan repareres ved å bruke et søsterkromatid (tilgjengelig i G2 etter DNA-replikasjon ) eller et homologt kromosom som mal. Dobbelttrådsbrudd forårsaket av replikeringsmaskineriets forsøk på å syntetisere gjennom et enkelttrådsbrudd eller ureparert skade forårsaker at replikasjonsgaffelen kollapser og repareres vanligvis ved rekombinasjon.
Topoisomeraser forårsaker både enkelt- og dobbelttrådsbrudd når de endrer den superkveilede tilstanden til DNA , som er spesielt vanlig i områder nær en åpen replikasjonsgaffel. Disse bruddene betraktes ikke som DNA-skader, siden de er et naturlig mellomledd av den biokjemiske mekanismen til topoisomeraser og blir umiddelbart reparert av enzymene som har skapt dem.
En gruppe franske forskere bombarderte Deinococcus radiodurans for å studere mekanismen for reparasjon av DNA-dobbeltrådbrudd i denne organismen. Minst to kopier av genomet, med tilfeldige DNA-brudd, kan danne DNA-fragmenter gjennom sammenkobling . De delvis overlappende fragmentene brukes deretter til å syntetisere de homologe regionene via en bevegelig D-løkke som kan fortsette utvidelsen til de møter komplementære matchende tråder. I det siste trinnet skjer en crossover ved hjelp av reload-avhengig homolog rekombinasjon . [ 31 ]