Ремонт ДНК

редактировать

Клеточный механизм Повреждение ДНК, приводящее к нескольким сломанным хромосомам

Восстановление ДНК - это совокупность процессов, с С помощью которых клетка идентифицирует и исправляет повреждение молекулы ДНК, которые кодируют ее геном. В клетках человека как нормальная метаболическая активность, такие факторы окружающей среды, как радиация, вызываютповреждение ДНК, что приводит к 1 миллиону индивиду молекулярных поражениях. на ячейку в день. Многие из этих нарушают повреждение молекулы ДНК и клетки транскрибировать ген, который кодирует пораженную ДНК. Другие мутации в геноме влияют на выживаемость ее дочерних клеток после того, как она претерпевает негативные негативные последствия митоз. Как следствие, процесс восстановления ДНК постоянно активен, поскольку он реагирует наповреждение структуры ДНК. Когда нормальные процессы репарации терпят неудачу, и когда клеточный апоптоз не происходит, может произойти непоправимое повреждение ДНК, включая двухцепочечные разрывы и сшивки ДНК (межцепочечные сшивки или ICL). В конечном итоге это может привести к злокачественным опухолям или раку согласно гипотезе двух ударов.

Скорость восстановления ДНК зависит от многих факторов, включая клетки, возрастные клетки и внеклеточная среда.Клетка, в которой накоплено большое количество повреждений, которая больше не может восстановить повреждения, нанесенные ее ДНК, может войти в одно из трех состояний:

  1. необратимое состояние покоя, известное как старение
  2. самоубийство Также известное апоптоз или запрограммированная гибель клеток
  3. нерегулируемое деление клеток, которое может привести к образованию опухоли, которая раковой

Способность клетки репарации ДНК жизненно важна для еецелостности генов и, следовательно, для нормального функционирования этого организма. Многие гены, как показано, воздействуют на продолжительность жизни, которые оказались вовлеченными в восстановление и защиту ДНК от повреждений.

Файл: Paul Modrich.webm Воспроизвести медиа Пол Модрич рассказывает о себе и своей работе по восстановлению ДНК.

Нобелевская премия по химии за 2015 год была присуждена Томасу Линдалу, Полу Модричу и Азизу Санкару за их работупо молекулярной механизмам процессов репарации ДНК.

Содержание

  • 1 Повреждение ДНК
    • 1.1 Источники
    • 1.2 Типы
    • 1.3 Ядерное против митохондриального
    • 1.4 Старение и апоптоз
    • 1.5 Мутация
  • 2 Механизмы
    • 2.1 Прямое обращение
    • 2.2 Одноцепочечное повреждение
    • 2.3 Двухцепочечные разрывы
    • 2.4 Синтез трансформации
  • 3 Общий ответ на повреждение ДНК
    • 3.1 Начальные шаги
    • 3.2 Контрольные точки повреждения ДНК
    • 3.3 Прокариотический SOS-ответ
    • 3. 4 Эукариотический транскрипционный ответ на повреждение ДНК
  • 4 Старение
    • 4.1 Патологические эффекты плохой репарации ДНК
    • 4.2 Продолжительность жизни и ограничение калорийности
  • 5 Медицина и Модуляция репарации ДНК
    • 5.1 Наследственные нарушения репарации
  • 6 Рак
    • 6.1 Дефекты репарации ДНК при раке
    • 6.2 Эпигенетические дефекты репарации ДНК при раке
    • 6.3 Частоты эпимутаций в генах репарации ДНК
    • 6.4 Распределение репарации ДНК в соматических клеткахчеловека по всему геному
  • 7 Эволюция
    • 7.1 Скор ос ть эволюционных изменений
  • 8 Технология
  • 9 См. Также
  • 10 Ссылки
  • 11 Внешние ссылки

ДНК повреждение

Повреждение, вызванное факторами ДНК окружающей среды и нормальными метаболическими процессами внутри клетки, происходит со скоростью от 10 000 до 1 000 000 молекулярных повреждений на клетку в день. Хотя это составляет только 0,000165% от примерно 6 миллиардов оснований человеческого генома (3миллиарда пар оснований), неизлечимые повреждения критических генов (таких, как гены-супрессоры опухоли ), могут препятствовать способности клетки выполнять функцию и значительно увеличивает вероятность образования опухоли и вносит вклад в гетерогенность опухоли.

Подавляющее большинство повреждений ДНК первичная реакция двойная спирали; то есть сами основания химически модифицированы. Эти модификации, в свою очередь, могут нарушить регулярную спиральнуюмолекулу за счет введения ненативных химических связей или объемных аддуктов, которые не помещаются в стандартную двойную спираль. В отличие от белков и РНК, ДНК обычно не имеет третичной структуры, и поэтому на этом уровне не происходит повреждений или нарушений. Однако ДНК суперспиральна и намотана вокруг «упаковывающих» белков, называемых гистонами (у эукариот), и обе надстройки уязвимы для эффектов повреждения ДНК.

Источники

Повреждение ДНК можно подразделить на два основных типа:

  1. эндогенное повреждение, такое как атака реактивными формами кислорода, производимыми из нормальных побочных продуктов метаболизма (спонтанная мутация), особенно процесс окислительного дезаминирования
    1. , также включает ошибки репликации
  2. экзогенное повреждение, вызванное внешними агентами, такими как
    1. ультрафиолет [УФ 200–400 nm ] излучение от солнца или других источников искусственногосвета
    2. других частот излучения, включая рентгеновские лучи и гамма-лучи
    3. гидролиз или тепловое разрушение
    4. <появление токсины
    5. антропогенные мутагенные химические вещества, особенно ароматические соединения, которые соответствуют ДНК интеркалирующие агенты
    6. вирусов

Репликация поврежденной ДНК до деления может привести к включению неправильных ДНК в про тивоположн. ость поврежденным. Дочерние клетки,унаследованные неправильные основания, несут мутации, из исходной ДНК не могут быть восстановлены (за исключением редкого случая обратной мутации, например, посредством преобразования гена ).

Типы

Существует несколько типов повреждений ДНК из-за эндогенных клеточных процессов:

  1. окисление оснований [например, 8-оксо-7,8-дигидрогуанин (8-oxoG) ] и образование разрывов цепи ДНК из активных форм кислорода,
  2. алкилирование оснований (обычнометилирование ), такое как образование 7-метилгуанозин, 1-метиладенин, 6-O-метилгуанин
  3. гидролиз оснований, например дезаминирование, депуринирование, и депиримидинирование.
  4. «образование объемного аддукта» (например, аддукт бензо [a] пирендиол эпоксид-dG, аддукт аристолактама I-dA)
  5. несоответствие оснований из-за ошибок в Репликация ДНК, при которой неправильное основание ДНК сшивается на место формирующейсяцепи ДНК.
  6. Повреждение моноаддукта вызывается изменением одного азотистого основания ДНК
  7. Повреждение диаддукта

Повреждение, вызванное экзогенными агентами, бывает многих форм. Вот некоторые примеры:

  1. УФ-свет вызывает сшивание между соседними основаниями цитозина и тимина, создавая димеры пиримидина. Это называется большим повреждением ДНК..
  2. УФ-свет создает в основном свободные радикалы. Повреждение, вызванное свободными радикалами,называется непрямым повреждением ДНК.
  3. Ионизирующим излучением, например, вызванным радиоактивным распадом или космическими лучами, вызывающими разрывы в цепях ДНК. Ионизирующее излучение промежуточного уровня может вызвать непоправимое повреждение ДНК (приводящее к преждевременному запуску и транскрипции, может вызвать вирусные взаимодействия), что приведет к преждевременному старению и раку.
  4. Термическое нарушение с увеличенной скоростью депуринация ( потеря пуриновых оснований из основной цепи ДНК) и одноцепочечные разрывы. Например, гидролитическое депуринирование наблюдается у термофильных бактерий, которые растут в горячих источников при 40–80 ° C. Скорость депуринизации (300 пуриновых остатков геноме на поколение) у этих слишком высока, чтобы ее было восстановить с помощью нормального механизма репарации, поэтому нельзя исключить возможность адаптивного ответа..
  5. Промышленныехимикаты, такие как винилхлорид и перекись водорода, а также химические вещества для окружающей среды, такие как полициклические ароматические углеводороды, и в дыме, саже и смоле. имеется огромное разнообразие аддуктов ДНК - этеновые основания, окисленные основания, алкилированные фосфотриэфиры и сшивание ДНК, и это лишь некоторые из них.

УФ-повреждение, окисление / метилирование, рентгеновское повреждение и окислительное повреждение примерынаведенного повреждения. Спонтанное повреждение основы, дезаминирование, сахарное сморщивание кольца и таутомерный сдвиг. Конститутивное (спонтанное) повреждение ДНК, вызванное эндогенными оксидантами, может быть обнаружено по низкому уровню фосфорилирования гистона H2AX в необработанных клетках.

Ядерное по сравнению с митохондриальным

в клетках человека и эукариотическим клетки в целом ДНК обнаруживаются в двух клеточных положениях - внутри ядра и внутри митохондрий. Ядерная ДНК (яДНК) существует как хроматин на нерепликативных стадиях клеточного цикла и конденсируется в агрегированные структуры, известные как хромосомы во время деления клетки.. В состоянии ДНК сильно уплотнена и свернута вокруг бусообразных белков, называемых гистонами. Всякий раз, когда клетке необходимо выразить генетическую информацию, закодированную в ее яДНК, необходимая хромосомная областьраскрывается, гены расположенные в ней, экспрессируются, а область конденсируется обратно до конформации покоя. Митохондриальная ДНК (мтДНК) находится внутри митохондрий органелл, существует в множестве копий, а также объединяет вместе с белками с образованием комплекса, известного как нуклеоид. Внутриохондрий активные формы кислорода (ROS) или свободные радикалы, побочные постоянные производства аденозинтрифосфата (АТФ) посредством окислительногофосфорилирования, равно высокоокислительную среду, которая, как известно, повреждает мтДНК. Решающим ферментом в противодействии токсичности этих видов является супероксиддисмутаза, который присутствует как в митохондриях, так и в цитоплазме эукариотических клеток.

Старение и апоптоз

Старение, необратимый процесс, при котором клетка больше не делится, является защитной реакцией на укорочение концов хромосомы. Теломерыобеспечивают собой длинные участки повторяющейся некодирующей ДНК, которые закрывают хромосомы и подвергаются частичной деградации каждый раз, когда клетка подвергается делению (см. предел Хейфлика ). Напротив, покой - это обратимое состояние клеточного покоя, которое не связано с повреждением генома (см. клеточный цикл ). Старение клетки может служить функциональной альтернативой апоптозу в тех случаях, когда физическое присутствие по пространственнымустройствам требуется организму, что служит механизмом «крайней меры» для предотвращения неправильной репликации клетки с поврежденной ДНК в отсутствие клеточного сигнала, стимулирующего рост ,. Нерегулируемые клетки могут привести к образованию опухоли (см. рак ), которая смертельна для организма. Следовательно, индукция старения и апоптоза считается частью стратегии защиты от рака.

Мутация

Важно различать повреждение ДНК и мутацию, два основных типаошибки в ДНК. Повреждение ДНК и мутация принципиально разные. Повреждение приводит к физическим аномалиям в ДНК, таким как одно- и двухцепочечные разрывы, остатки 8-гидроксидезоксигуанозина и аддукты полициклических ароматических углеводородов. Повреждение ДНК может быть распознано ферментами и таким образом, может быть правильно восстановлено, если избыточная информация, такая как неповрежденная последовательность в комплементарной цепи ДНК или в гомологичной хромосоме, доступной длякопирования. Если клетка повреждена ДНК, транскрипция гена может предотвратить, и, следовательно, трансляция белок также будет заблокирована. Репликация также может быть заблокирована или клетка может погибнуть.

В отличие от повреждений ДНК, мутация - это изменение последовательности оснований ДНК. Мутация не может быть распознана ферментами, если изменение присутствует в цепях ДНК, таким образом, мутация не может быть исправлена. На клеточном уровне мутации могут вызывать изменения вфункциях и регуляции белков. Мутации воспроизводятся при репликации клетки. Увеличиваются или уменьшаются в зависимости от воздействия мутации способность выживать и воспроизводиться.

Хотя повреждение ДНК вызывает генетические ошибки во время репликации или восстановления; эти ошибки причиненных мутаций.

Эти свойства повреждений ДНК ДНК, как можно видеть, повреждение ДНК, представляют собой особую проблему для неделящихся или медленно делящихся клеток, где не восстановленныеповреждения будут накапливаться с течением времени. Другой, в быстро движущихся клетках невосстановленное повреждение ДНК, которое не убивает клетку путем блокирования репликации, вызывающих репликации и, следовательно, мутации ошибки. Подавляющие большинство мутаций, которые не являются нейтральными по своему, вредны для выживания клетки. Таким образом, клетки популяции, формирующие ткань с реплицирующими клетками, мутантные клетки будут тенденцию к потере. Однако нечастые мутации, вызывающиетенденцию к клональному разрастанию за счет соседних клеток в ткани. Это преимущество клетки невыгодно для всего организма, потому что такие мутантные клетки могут вызывать рак. Таким образом, повреждение ДНК в делящихся клетках, причиной возникновения мутации, причиной рака. Напротив, повреждение ДНК в редко делящихся клетках, вероятно, является основной причиной старения.

Механизмы

Клетки не могут функционировать, если повреждение ДНК нарушает целостность и доступностьинформации в геном (но клетки остаются функционально функциональными, когда несущественные гены отсутствуют или повреждены). В зависимости от типа повреждения, нанесено двойная спиральная структура ДНК, для восстановления утраченной информации было разработано множество стратегий восстановления. Если, возможно, использовать систему немодифицированную комплементарную цепь ДНК или сестринскую хроматиду в качестве матрицы для восстановления исходной информации. Без доступа кшаблону клетки в крайнем случае подверженный ошибкам механизм восстановления, известный как синтез трансформации.

Повреждение ДНК изменяет пространственную конфигурацию спирали, и такие изменения могут быть обнаружены клеткой. Как только повреждение локализовано, специфические молекулы репарации ДНК связываются в месте повреждения или рядом с ним, заставляя другие молекулы связываться и образовывать комплекс, который позволяет осуществить репарацию.

Прямое обращение

Известно, что клетки устраняют три типа повреждений ДНК, химически обращенная их ДНК. Эти механизмы не требуют шаблона, поскольку они используются только на одной из четырех позиций. Такие механизмы прямого обращения специфичны для типа нанесенного повреждения и не связаны с разрывом фосфодиэфирного остова. Образование димеров пиримидина при облучении УФ-светом приводит к аномальной ковалентной связи между соседними пиримидиновыми основаниями. Процесс фотореактивации напрямую обращает это повреждение под действием фермента фотолиазы, активация которого обязательно зависит от энергии, поглощенной от синего / УФ-света (300–500 нм длина волны ) для ускорения катализа. Фотолиаза, старый фермент, присутствующий в бактериях, грибах и большинстве животных, больше не действует у людей, которые вместо этого используют эксцизионную репарацию нуклеотидов для ремонта повреждений отУФ-излучения. Другой тип повреждений, метилирование гуаниновых оснований, напрямую устраняет протеинметилгуанинметилтрансферазой (MGMT), бактериальный эквивалент которого называется ogt. Это дорогостоящий процесс, потому что каждую молекулу MGMT можно использовать только один раз; то есть реакция является стехиометрической, а не каталитической. Обобщенный ответ на метилирующие агенты у бактерий воздействует как адаптивный ответ и придает устойчивость калкилирующим агентам при длительном воздействии на счет активации ферментов, репарации алкилирования. Третий тип повреждений ДНК, обращенными клетками, - это определенное метилирование оснований цитозина и аденина.

Одноцепочечное повреждение

Структура фермента репарации эксцизией оснований урацил-ДНК-гликозилаза, вырезающая гидролитически продуцируемый остаток урацила из ДНК. Остаток урацила представился желтым.

Когда только одна из двух нитей двойная спирали имеетдефект, другую цепь можно использовать в шаблоне для коррекции поврежденной цепи. Чтобы восстановить повреждение одной из двух парных молекул ДНК, существует ряд механизмов эксцизионной репарации, которые удаляют поврежденный нуклеотид и заменяют его неповрежденным нуклеотидом, комплементарным нуклеотиду, обнаруженным в неповрежденной цепи ДНК..

  1. эксцизионная репарация оснований (BER): поврежденные единичные основания или нуклеотиды чаще всего восстанавливаются путемудаления соответствующего основания или нуклеотида и вставки правильного основания или нуклеотида. При эксцизионной репарации оснований фермент гликозилаза удаляет поврежденное основание из ДНК, разрывая связь между основанием и дезоксирибозой. Эти ферменты удаляют одно основание, чтобы создать апуриновый или апиримидиновый сайт (AP-сайт ). Ферменты, называемые AP-эндонуклеазами, , зарезают поврежденный остов ДНК на AP-сайте. Затем ДНК-полимераза удаляетповрежденную область, используя свою 5’-3 ’экзонуклеазную активность, и правильно синтезирует новую цепь, используя комплементарную цепь в качестве матрицы. Затем разрыв закрывается ферментной ДНК-лигазой.
  2. эксцизионная репарация нуклеотидов (NER): объемные повреждения, искажающие спираль, такие как димеризация пиримидина, вызванная УФ-светом, обычно восстанавливаются три -шаговый процесс. Сначала обнаруживается повреждение ДНК длиной 12-24 нуклеотида, удаляется как перед,так и после повреждения участка эндонуклеазами, а удаленная область ДНК повторно синтезируется. NER - это высоко эволюционно консервативный механизм репарации, который используется почти во всех эукариотических и прокариотических клетках. У прокариот NER опосредуется белками Uvr. У эукариот задействовано гораздо больше белков, хотя общая стратегия такая же.
  3. Системы исправления несоответствий присутствуют практически во всех клетках для исправления ошибок, которыене исправляются с помощью корректуры. Эти системы состоят как минимум из двух белков. Один обнаруживает несоответствие, другое привлекает эндонуклеазу, которая расщепляет вновь синтезированную цепь нарушений области нарушения. В E. coli задействованы белки класса Mut: MutS, MutL и MutH. У большинства эукариот аналогом MutS является MSH, аналогом MutL - MLH. MutH присутствует в бактериях. После этого следует удаление поврежденной области экзонуклеазой, ресинтез ДНК-полимеразой изапечатывание разрывов ДНК-лигазой.

Двухцепочечные разрывы

Модели пути репарации двухцепочечных разрывов, которых

Двухцепочечные разрывы у обеих нити двойных спирали разорваны, особенно опасны для клеток, которые могут привести к перестройке генома. Фактически, когда двухцепочечный разрыв сопровождается перекрестным сшиванием двух цепей в одной точке, ни одна из цепей не может привести к завершению митоза, когда он делится и либо умирает, либо в редких случаях, подвергаетсямутации. Существуют три механизма восстановления двухцепочечных разрывов (DSB): негомологическое соединение концов (NHEJ), опосредованное микрогомологическое соединение концов (MMEJ) и гомологичная рекомбинация (HR). В системе in vitro MMEJ представлены механизмы млекопитающих уровней 10–20%, когда также были доступны механизмы HR и NHEJ.

Показанная выше ДНК-лигаза, восстанавливающая хромосомные повреждения, представляет собой фермент, который соединяетсломанные нуклеотиды вместе, катализируя образование межнуклеотидной связи сложнойэфирной связи между фосфатным острым и нуклеотидами дезоксирибозы.

В NHEJ ДНК-лигаза IV, специализированная ДНК-лигаза, которая образует комплекс с кофактором XRCC4, непосредственно соединяет два конца. Чтобы управлять точной репарацией, присутствующие на однонитевых хвостах соединяемых концов ДНК. Если эти выступы совместимы, ремонт обычно выполняется аккуратно. NHEJтакже может вносить мутации во время ремонта. Потеря поврежденных нуклеотидов в месте разрыва может привести к делу, а присоединение несовпадающих концов формирует вставки или транслокации. NHEJ особенно важен до того, как клетка реплицирует свою ДНК, поскольку нет матрицы, доступной для восстановления гомологичной рекомбинации. Есть «резервные» пути NHEJ у высших эукариот. Помимо своей роли в качестве хранителя генома, NHEJ требуется для соединения двухцепочечных разрывов, покрытыхшпилькой, индуцированных во время рекомбинации V (D) J, процесса, генерирует разнообразие в B-клетке и Т-клеточные рецепторы в иммунной системы позвоночных .

Гомологичная рекомбинация требует наличия идентичной или почти идентичной последовательности, используемой в матрице для восстановления перемена. Ферментативный аппарат, ответственный за этот процесс репарации, почти идентичен механизму, ответственному за хромосомный кроссовер вовремя мейоза. Этот путь позволяет получить поврежденную хромосому с использованием сестринской хроматиды (доступной в G2 после репликации ДНК) или гомологичной хромосомы в качестве матрицы. DSB, вызванные механизмом репликации, пытающимся синтезироваться через однонитевой разрыв или нерепарированное повреждение, вызывают коллапс репликационной вилки и обычно восстанавливаются путем рекомбинации.

MMEJ начинается с короткой резекции конца нуклеазойMRE11 по обеим сторонам от двухцепочечного разрыва для использования участков микрогомологии. На следующих этапах требуется поли (АДФ-рибоза) полимераза 1 (PARP1), который может быть ранним этапом в MMEJ. Происходит спаривание участков микрогомологии с последующим привлечением эндонуклеазы 1 (FEN1), специфичной к структуре лоскута, для удаления выступающих лоскутов. За этим следует рекрутирование XRCC1 - LIG3 на сайт для лигирования концов ДНК, чтоприводит к интактной ДНК. MMEJ всегда сопровождается делом, так что MMEJ является мутагенным путем для репарации ДНК.

Экстремофил Deinococcus radiodurans обладает способностью выдерживать повреждения ДНК из-за ионизирующее излучение и другие источники. По крайней мере, две копии генома со случайными разрывами ДНК образовывать фрагменты ДНК посредством отжига. Частично используемые фрагменты используются для использования гомологичных области через движущуюся D-петлю, которая может продолжать удлинение до тех пор, пока не найдет комплементарные партнерские цепи. На последнем этапе происходит кроссовер посредством RecA -зависимой гомологичной рекомбинации.

Топоизомеразы вводят как одно-, так и двухцепочечные разрывы в ходе изменения состояния ДНК сверхспирализации, особенно часто в областях вблизи открытой репликационной вилки. Такие разрывы не повреждены ДНК, потому чтоони являются естественным промежуточным звеном в биохимическом механизме топоизомеразы и немедленно восстанавливаются ферментами, которые их созданы.

Синтез трансфузии

Синтез транслезии (TLS) - это процесс устойчивости к повреждению ДНК, который позволяет аппарату репликации ДНК реплицировать прошлые повреждения ДНК, такие как димеры тимина или точки доступа. Он включает замену обычных ДНК-полимераз на специализированные транслезионныеполимеразы (например, ДНК-полимеразы IV или V из семейства Y-полимераз), часто с более крупными активными сайтами, которые могут облегчить вставку оснований поврежденных нуклеотидов. Полагают, что переключение полимеразы опосредуется, среди других факторов, посттрансляционной модификацией репликации процессивности фактор PCNA. Полимеразы транслезионного воспроизведения низкую точность воспроизведения (высокая склонность к вставке неправильных оснований) на неповрежденныематрицы по сравнению с обычными полимеразами. Однако многие из них эффективны при установке правильных базовых типов повреждений. Например, Pol η опосредует безошибочный обход поражений, вызванных УФ-облучением, тогда как Pol ι вводит мутации в эти сайты. Известно, что Pol η с помощью первого аденин через фотодимер T ^ T с использованием пары оснований Уотсона-Крика, а второй аденин будет добавлен в его син-конформации с основания Хугстина. спаривание. С клеточной точки зрения риск появления точечных мутаций во время транслезного синтеза может быть предпочтительнее обращение к более радикальным механизмам репарации ДНК, которые могут вызвать грубые хромосомные аберрации или гибель клетки. Корректируя, этот процесс включает в себя специализированные полимеразы, которые либо обходят, либо восстанавливают повреждения в местах остановки репликации ДНК. Например, ДНК-полимераза человека может обойти сложныеповреждения ДНК, такие как внутрицепочечное сшивание гуанин-тимин, G [8,5-Me] T, хотя она может вызвать целевые и полунацеленные мутации. Паромита Рэйчаудхури и Ашис изучали токсичность и мутагенез одного и того же у Escherichia coli путем репликации модифицированной G [8,5-Me] T плазмиды в E. coli со специфическими нокаутами ДНК-полимеразы. Жизнеспособность штамма, лишенного pol II, pol IV и pol V, трех SOS-индуцибельных ДНК-полимераз, была очень низкой, что указывает на то, что синтезтрансфузии осуществляется в основном этими специализированными ДНК-полимеразами. Платформа для обхода этих полимераз обеспечивается ядерным антигеном пролиферирующих клеток (PCNA). В нормальных условиях PCNA, связанная с полимеразами, реплицирует ДНК. На участке заражение PCNA убиквитинируется или модифицируется RAD6 / RAD18 , чтобы обеспечить платформу для использования полимераз, чтобы обойти поражение и возобновить репликацию ДНК. После синтезатранслезии требуется удлинение. Это расширение может быть выполнено репликативной полимеразой, если TLS не содержит ошибок, как в случае Pol η, но если TLS приводит к несоответствию, для его расширения требуется специализированная полимераза; Поль ζ. Pol ζ уникален тем, что он может расширять концевые несоответствия, тогда как более процессивные полимеразы не могут. Таким образом, при обнаружении поражения репликационная вилка остановится, PCNA переключится на процессивной полимеразына TLS-полимеразу, чтобы исправить поражение, PCNA может переключиться на Pol ζ, чтобы продлить несоответствие, и последний PCNA переключится в процессивную полимеразу для продолжения репликации.

Общий ответ на повреждение ДНК

Клетки, подвергнутые ионизирующему излучению, ультрафиолетовому свету или химическим веществам, склонны к образованию множественных участков объемных повреждений ДНК и двухниточные разрывы. Более того, агенты, повреждающие ДНК, могутповредить другие биомолекулы, такие как белки, углеводы, липиды и РНК. Накопление повреждений, именно двухцепочечных разрывов или аддуктов, останавливающих репликационные вилки, являются одними из известных сигналов стим для глобального ответа на повреждение ДНК. Общий ответ на повреждение - это действие, направленное на сохранение самих клеток, запускает несколько путей макромолекулярного восстановления, обхода, толерантности илиапоптоза. Общими чертами глобального ответа индукция нескольких генов, остановка цикла и ингибирование деления клеток.

Начальные шаги

Упаковка ДНК эукариот в хроматине представляет собой барьер для всех основанных на ДНК процессов, которые требуют привлечения ферментов к участкам их действия. Для репарации ДНК хроматин должен быть ремоделирован. У эукариот АТФ зависимые комплексы ремоделирования хроматина имодифицирующие гистоны ферменты являются двумя преобладающими факторами, используемыми для осуществления этого процесса ремоделирования.

Релаксация хроматина происходит быстро на месте повреждения ДНК. На одном из самых ранних этапов стресс-активируемая протеинкиназа c-Jun N-концевая киназа (JNK) фосфорилирует SIRT6 серина 10 в ответ на двухцепочечные разрывы или другие повреждения ДНК. Эта посттрансляционная модификация облегчает мобилизацию SIRT6на участки повреждения ДНК и требуется для эффективного рекрутирования поли (АДФ-рибоза) полимеразы 1 (PARP1) на участки разрыва ДНК и для эффективной репарации DSB. PARP1 белок начинает появляться на участках повреждения ДНК менее чем за секунду, с половиной максимального накопления в течение 1,6 секунды после возникновения повреждения. PARP1 сам синтезирует полимерные аденозиндифосфатрибозы (поли (АДФ-рибоза) или PAR) цепи. Затем ремоделирующий хроматин ALC1 быстро присоединяется к продукту действия PARP1, цепи поли-АДФ-рибозы, и ALC1 завершает прибытие к повреждению ДНК в течение 10 секунд после возникновения повреждения. Примерно половина максимальной релаксации хроматина, предположительно из-за действия ALC1, происходит через 10 секунд. Затем это позволяет задействовать фермент репарации ДНК MRE11, чтобы инициировать репарацию ДНК в течение 13 секунд.

γH2AX, фосфорилированная форма H2AX также участвует в первыешаги, ведущие к деконденсации хроматина после двухцепочечных разрывов ДНК. Вариант H2AX гистона составляет около 10% гистонов H2A в хроматине человека. γH2AX (H2AX, фосфорилированный по серину 139) может быть обнаружен уже через 20 секунд после облучения клеток (с образованием двухцепочечного разрыва ДНК), а половина максимального накопления γH2AX происходит за одну минуту. Размер хроматина с фосфорилированным γH2AX составляет около двух миллионов пар оснований в месте двухцепочечногоразрыва ДНК. γH2AX сам по себе не вызывает деконденсацию хроматина, но в течение 30 секунд после облучения белок RNF8 может быть обнаружен в ассоциации с γH2AX. RNF8 опосредует обширную деконденсацию хроматина посредством его последующего взаимодействия с CHD4, компонентом ремоделирования нуклеосом, и деацетилазный комплекс NuRD.

DDB2 встречается в гетеродимерном комплексе с DDB1. Этот комплекс дополнительно образует комплекс с убиквитинлигазой белком CUL4A и с PARP1. This larger complex rapidly associates with UV-induced damage within chromatin, with half-maximum association completed in 40 seconds. The PARP1 protein, attached to both DDB1 and DDB2, then PARylates (creates a poly-ADP ribose chain) on DDB2 that attracts the DNA remodeling protein ALC1. Action of ALC1 relaxes the chromatin at the site of UV damage to DNA. This relaxation allows other proteins in the nucleotide excisionвосстановление пути проникновения в хроматин и восстановление УФ-индуцированных повреждений димера пиримидина.

После быстрого ремоделирования хроматина, клеточный цикл контрольные точки активируются, чтобы позволить репарации ДНК происходить до того, как клеточный цикл прогрессирует. Во-первых, две киназы, ATM и ATR активируются в течение 5 или 6 минут после повреждения ДНК. За этим следует фосфорилирование белка контрольной точки клеточного цикла Chk1, инициируя его s функционирует примерно через 10 минут после повреждения ДНК.

Контрольные точки повреждения ДНК

После повреждения ДНК активируются клеточный цикл контрольные точки. Активация контрольной точки приостанавливает клеточный цикл и дает клетке время на восстановление повреждений, прежде чем продолжить деление. Контрольные точки повреждения ДНК встречаются на границах G1 /S и G2 /M. Также существует внутренняя контрольная точка S. Активация контрольной точки контролируется двумя главными киназами, ATM и ATR. Банкомат responds to DNA double-strand breaks and disruptions in chromatin structure, whereas ATR primarily responds to stalled replication forks. These kinases phosphorylate downstream targets in a signal transduction cascade, eventually leading to cell cycle arrest. A class of checkpoint mediator proteins including BRCA1, MDC1, и 53BP1 также был идентифицирован. Эти белки, по-видимому, необходимы для передачи сигнала активации контрольной точкинижестоящим белкам.

Контрольная точка повреждения ДНК - это путь передачи сигнала, который блокирует клеточный цикл прогрессирование в G1, G2 и метафазе и замедляет скорость S фаза прогрессирования, когда ДНК повреждена. Это приводит к паузе в клеточном цикле, позволяя клетке время отремонтировать повреждение, прежде чем продолжить деление.

Белки контрольной точки можно разделить на четыре группы: фосфатидилинозитол-3-киназа ( PI3K) -подобная протеинкиназа, ядерный антиген пролиферирующих клеток ( PCNA) -подобная группа, две серин / треониновые (S / T) киназы и их адаптеры. Центральным во всех ответах контрольных точек, вызванных повреждением ДНК, является пара больших протеинкиназ, принадлежащих к первой группе PI3K-подобных протеинкиназ - ATM (Ataxia telangiectasia mutated ) и ATR (Ataxia- и Rad-related) киназы, последовательность и функции которых хорошо сохранились в процессе эволюции.Вся реакция на повреждение ДНК требует либо ATM, либо ATR, потому что они обладают способностью связываться с хромосомами в месте повреждения ДНК, вместе с дополнительными белками, которые являются платформами, на которых компоненты ответа на повреждение ДНК и комплексы репарации ДНК могут быть собранным.

Важной нижестоящей мишенью ATM и ATR является p53, поскольку он необходим для индукции апоптоза после повреждения ДНК. ингибитор циклин-зависимойкиназы p21 индуцируется как p53-зависимым, так и p53-независимым механизмами и может останавливать клеточный цикл в контрольных точках G1 / S и G2 / M путем деактивации циклин / ​​комплексы циклин-зависимой киназы.

Прокариотический SOS-ответ

SOS-ответ - это изменения в экспрессия гена в Escherichia coli и других бактериях в ответ на обширное повреждение ДНК. Система прокариот SOS регулируется двумяключевыми белками: LexA и RecA. Гомодимер LexA представляет собой транскрипционный репрессор, который связывается с последовательностями оператора, обычно называемыми SOS-боксами. В Escherichia coli известно, что LexA регулирует транскрипцию примерно 48 генов, включая гены lexA и recA. Известно, что ответ SOS широко распространен в домене бактерий, но в основном отсутствует в некоторых типах бактерий, таких как спирохеты. Наиболее распространенными клеточными сигналами, активирующими SOS-ответ, являются участки одноцепочечной ДНК (оцДНК), вызывающие в результате остановки репликационных вилок или двухцепочечных разрывов, которые обрабатываются ДНК-геликазой для разделите две нити ДНК. На стадии инициации белка RecA связывается с оцДНК в реакции, управляемой гидролизом АТФ, создавая филаменты RecA-оцДНК. Филаменты RecA - оцДНК активируют активность LexA auto проте, что в результате приводит к расщеплению димера LexA и предыдущей деградации LexA. Потеря репрессора LexA вызывает транскрипцию генов SOS и делает возможным дальней индукцию сигнала, ингибирование клеточного деления и повышение уровней уровней, ответственных за обработку повреждений.

В Escherichia coli SOS-боксы представляют собой 20-нуклеотидные последовательности, следующие рядом с промоторами с палиндромной структурой и высокой степенью консервативностипоследовательностей. В других классах и типах последовательностей SOS-боксов значительно отличается, с разной длиной и составом, но она всегда высококонсервативна и является одним из самых сильных коротких сигналов в геноме. Высокое информационное содержание SOS-боксов позволяет дифференцированно связывать LexA с разными промоторами и позволяет рассчитывать время для SOS-ответа. Гены восстановления индуцируют в начале SOS-ответа. Подверженные ошибкам полимеразы трансфузии, например, UmuCD'2 ( также называемые ДНК-полимеразой V) индуцируются позже в крайнем случае. Используя полимераз или рекомбинации, количество одноцепочечной ДНК в клетках, уменьшение количества волокон RecA снижает активность расщепления гомодимера LexA, который связывается с SOS-боксами рядом с промоторами и восстанавливает нормальная экспрессия генов.

Транскрипционные ответы эукариот на повреждение ДНК

Эукариотические клетки, подвергшиеся воздействию агентов, повреждающих ДНК, также активируютважные защитные пути, вызывая множественные белки, участвующие в репарации ДНК, контрольная точка клеточного цикла контроль, трафик и деградация белков. Такой транскрипционный масштаб всего генома очень сложен и жестко регулируется, что позволяет скоординировать глобальный ответ на повреждение. Воздействие на дрожжей Saccharomyces cerevisiae агентов, повреждающих ДНК, приводит к перекрывающимся, но различным профилям транскрипции. Сходство с шоковой реакцией окружающей среды указывает на то, что существует общий глобальный путь стрессовой реакции на уровне транскрипционной активации. Напротив, разные клетки человека по-разному реагируют на повреждения, что вызывает отсутствие глобального глобального ответа. Вероятное объяснение этой разницы между клетками дрожжей и человека может заключаться в гетерогенности клеток млекопитающих. У животных разных типов клеток распределены среди разных органов, которые развили разнуючувствительность к повреждению ДНК.

В целом глобальный ответ на повреждение ДНК включает экспрессию нескольких генов, ответственных за пострепликационную репарацию, гомологичная рекомбинация, эксцизионная репарация нуклеотидов, контрольная точка повреждения ДНК, глобальная активация транскрипции, гены, контролирующие распад мРНК, и многие другие. Большой ущерб, нанесенный клетке, заставляет ее принять важное решение: подвергнуться апоптозу и умереть или выжитьценой жизни с измененным геномом. Повышение устойчивости к повреждениям может привести к увеличению выживаемости, что приведет к большему накоплению мутаций. Дрожжи Rev1 и человеческая полимераза представляют собой усиленные мутагенезы во время глобального ответа на повреждение ДНК у эукариот, присутствующие во время глобального ответа на ДНК семейства Y полимераз, присутствующие во время глобального ответа на повреждение ДНК.

Старение

Патологические эффекты плохойрепарации ДНК

Скорость репарации ДНК является детерминантой клеточной патологии

Экспериментальные животные с генетическими недостатками репарации ДНК часто сокращают продолжительности жизни и повышенную заболеваемость раком. Например, мыши, лишенные доминирующего пути NHEJ и механизмы поддержания теломер, чаще болеют лимфомой и инфекциями, как следствие, имеют более короткую продолжительность жизни, чем мыши дикого типа. Точно так же у мышей, дефицитных по ключевому белкурепарации и транскрипции, которые раскручивает спирали ДНК, преждевременно начинаются заболевания, связанные со старением, и, как следствие, сокращается продолжительность жизни. Однако не каждый дефицит репарации ДНК вызывает точно предсказанные эффекты; у мышей, дефицитных по пути NER, сокращалась продолжительность жизни без, соответственно, более высоких скоростей мутаций.

. Увеличение способности клетки к раннему старению, апоптоз или рак. Унаследованные заболевания, связанные снеправильным функционированием репарации ДНК, приводят к преждевременному старению, повышенной чувствительности к канцерогенам и, соответственно, повышенному риску рака (см. ниже ). С другой стороны, организмы с улучшенными системами репарации ДНК, такие как Deinococcus radiodurans, наиболее радиационно-устойчивый из существующих организмов, проявляющий замечательную устойчивость к вызывающим двухцепочечный разрыв эффектам радиоактивности <391.>, вероятно, из-заповышенной эффективности репарации ДНК и особенно NHEJ.

Продолжение жизни и ограничение калорий

Некоторые гены, влияющие на продолжительность жизни, влияют на скорость повреждения ДНК

Некоторые гены были идентифицированы как влияющие на вариации продолжительности в популяции организмаов. Эффекты этих генов сильно зависят от окружающей среды, в частности от диеты организма. Ограничение калорийности воспроизводимо приводит к увеличению продолжительности жизни уразличных организмов, вероятно, за счет чувствительности к питательным веществам и снижению скорости метаболизма. Молекулярные механизмы, с помощью такого ограничения приводит к увеличению продолжительности жизни, пока неясны (см. Некоторые обсуждения); однако многие генов, как известно, участвуют в репарации ДНК, изменяются в условиях ограничения калорийности. Было показано, что несколько агентов, обладающих антивозрастными свойствами, ослабляют конститутивный уровеньпередачи сигналов mTOR, что свидетельствует о снижении метаболической активности, и одновременно снижают конститутивный уровень Повреждение ДНК, вызванное эндогенно генерируемыми реактивными формами кислорода.

Например, увеличение дозы гена гена SIR-2, который регулирует упаковку ДНК в нематодном червя Caenorhabditis elegans, может значительно продлить жизнь. Известно, что гомолог SIR-2 млекопитающих индуцирует нижестоящие факторырепарации ДНК, участвующие в NHEJ, активность, которая особенно усиливается в условиях ограничения калорийности. Ограничение калорийности системы использует эксцизионную репарацию, основанную на ядерной ДНК, грызунов, аналогичные эффекты не наблюдаются в митохондри ДНК.

Ген AGE-1 C. elegans, вышестоящий эффектор Пути репарации ДНК значительно увеличивает продолжительность жизни в условиях свободного кормления, но приводит к снижению репродуктивной способности в условиях ограничениякалорийности. Это наблюдение поддерживает теорию плейотропии биологического происхождения старения, которая предполагает, что гены, дающие большие преимущества выживания в раннем возрасте, будут отбираться, даже если они несут соответствующие недостатки в конце жизни. жизнь.

Медицина и модуль репарации ДНК

Наследственные нарушения репарации ДНК

Дефекты в механизме NER вызывают несколько генетических нарушений, в том числе:

  • Xeroderma pigment osum : гиперчувствительность к солнечному свету / ультрафиолету, что приводит к увеличению устойчивости кожи и преждевременному старению
  • синдром Кокейна : гиперчувствительность к ультрафиолету и химическим веществам
  • трихотиодистрофия : чувствительная кожа, ломкие волосы и ногти

Умственная отсталость часто сопровождает последние два расстройства, предполагаемая повышенная уязвимость нейронов развития.

Другие нарушения репарации ДНК, включая:

Все вышеперечисленные заболевания часто называют «сегментарными прогериями » («заболеваниями, вызывающими ускоренное старение. "), потому что их жертвы выглядятпожилыми и страдают от болезней, связанных со старением, в аномально молодом возрасте, при этом не проявляется всех симптомов старости.

Другие заболевания, связанные со снижением функции восстановления. ДНК, включает Анемия Фанкони, наследственный рак груди и наследственный рак толстой кишки.

Рак

Из-за внутренних ограничений механизма вх восстановления ДНК, если люди жили достаточно до лго, они у всех в итоге разовьется рак. Существует не менее 34унаследованных мутаций гена репарации ДНК человека, которые увеличивают риск рака. Многие из этих мутаций приводят к тому, что восстановление ДНК менее эффективно, чем обычно. В частности, (HNPCC) прочно специфическими мутациями в пути репарации ошибочного спаривания ДНК. BRCA1 и BRCA2, два важных гена, мутации которых приводят к повышенному риску рака груди у носителей, оба связанных с большим количеством путей репарации ДНК, особенно с NHEJ и гомологомрекомбинацией.

Процедуры лечения рака, такие как химиотерапия и лучевая терапия, работают, подавляя способность клетки восстанавливать повреждения ДНК, что приводит к гибели клетки. Предпочтительно поражаются наиболее быстро делящиеся клетки - чаще всего раковые. Побочным эффектом является то, что поражаются другие незлокачественные, но быстро делящиеся клетки, такие как клетки-предшественники в кишечнике, коже и кроветворной системе. Современные методы леченияиспользуются локализовать повреждение ДНК в тканях, связанное только с раком, либо физическими средствами (средствами терапевтического агента в области опухоли), либо биохимическими средствами (свойство уникального для раковых клеток в организме). В контексте терапии, направленной на гены реакции на повреждение ДНК, последний подход получил название «синтетическая летальность».

Возможно наиболее эффективным из этих препаратов «синтетической летальности» является поли (АДФ-рибоза)полимераза. 1 (PARP1 ) ингибитор олапариб, который был одобрен Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов в 2015 году для лечения рака яичников с дефектом BRCA у женщин. Опухолевые клетки с частичным потерей ответа на повреждение ДНК (в частности, гомологичная рекомбинация репарация) зависят от другого механизма репарации одноцепочечных разрывов, частично из продукта PARP1. 434>Олапариб химиотерапевтическими средствами дляингибирования репарации одноцепочечных разрывов, вызванных повреждением ДНК, вызванным введенной химиотерапией. Опухолевые клетки, полагающиеся на этот механизм репарации остаточной ДНК, неспособны восстанавливать повреждения и, следовательно, не способны выживать и пролиферировать, тогда как нормальные клетки могут восстанавливать повреждения с помощью функционирующего механизма гомологичной рекомбинации.

Многие другие лекарства для использования против других механизмов репарацииостаточной ДНК, обычно обнаруживаемых при раке, в настоящее время исследуются. Тем не менее, синтетические подходы к лечению летальности подверглись сомнению из-за появляющихся доказательств устойчивости, достигаемой за счет перестройки путей ответа на повреждение ДНК и реверсии ранее ингибированных дефектов.

Дефекты репарации ДНК при раке

Очевидно, что реакция на повреждение ДНК действует как барьер на пути качественной трансформации пренеопластических клеток. Предыдущиеисследования показали повышенный ответ на повреждение ДНК в моделях клеточной культуры активацией онкогенов и пренеопластическими аденомами толстой кишки. Механизмы реакции на повреждение ДНК запускают остановку цикла и повреждения ДНК или гибели / старения клеток, если восстановление невозможно. Стресс репликации наблюдается в предопухолевых клетках из-за повышенных сигналов пролиферации от онкогенных мутаций. Стресс репликации характеризуется: усилением инициации репликации /активации ориджина; усиление транскрипции и коллизий комплексов транскрипция-репликация; нуклеотидная недостаточность; увеличение количества активных форм кислорода (АФК).

Стресс репликации, наряду с отбором инактивирующих мутаций в генах ответа на повреждение ДНК в процессе развития опухоли, приводит к подавлению и / или утрате некоторых механизмов ответа на повреждение ДНК и, следовательно, к потере репарации ДНК и / или старению / запрограммированная гибель клеток. Вэкспериментальных моделях потеря клеточного старения, опосредованная ответом на повреждение ДНК наблюдалась после короткой шпильочной РНК (shRNA) для ингибирования реакций киназы на двухцепочечный разрыв киназы, атаксии, телеангиэктазии (ATM ), что приводит к увеличению размера опухоли и инвазивности. Люди, рожденные с наследственными дефектами механизмов восстановления ДНК (например, синдром Ли-Фраумени ), имеют более высокий риск рака.

Распространенность мутаций ответа на повреждение ДНК различается в зависимости от типа рака; например, 30% инвазивных карцином груди имеют мутации в генах, участвующих в гомологичной рекомбинации. При раке подавление наблюдается во всех механизмах ответа на повреждение ДНК (эксцизионная репарация оснований (BER), эксцизионная репарация нуклеотидов (NER), репарация несоответствия ДНК (MMR), репарация гомологической рекомбинацией (HR), негомологическое соединение концов (NHEJ) и транслезионныйсинтез ДНК (TLS). Помимо мутаций в генах повреждения ДНК, мутации также включают в генах, ответственных за остановку клеточного цикла, чтобы дать достаточно времени для восстановления ДНК, и дать некоторые гены вовлечены как в репарации повреждений ДНК, так и в контроле контрольных точек клеточного цикла, например ATM и киназа контрольной точки 2 (CHEK2) - опухолевый супрессор, который часто отсутствует или подавляется при немелкоклеточном раке легкого.

HRNHEJSSAFA BERNERMMR
ATMxxx
ATRxxx
PAXIPxx
RPAxxx
BRCA1 xx
BRCA2 xx
RAD51xx
RFCxxx
XRCC1xx
PCNAxxx
PARP1 xx
ERCC1xxxx
MSH3xxx

Таблица: гены, участвующие в путях ответа на повреждение ДНК и часто мутировавшие при раке (HR = гомологичная рекомбинация; NHEJ = негомологичное соединение концов; SSA = однониточный отжиг; FA = путь анемии фанкони; BER = эксцизионная репарация основания; NER = эксцизионная репарация нуклеотидов; MMR = восстановлениенесоответствия)

Эпигенетические дефекты репарации ДНК при раке

Классически рак рассматривался как набор заболеваний, вызванных прогрессирующими генетическими аномалиями, включающими мутации в генах-супрессорах опухолей и онкогены и хромосомные аберрации. Однако стало очевидно, что рак также вызывается эпигенетическими изменениями..

Эпигенетические изменения относятся к функционально значимым модификациям генома, которые не связаны с изменением нуклеотиднойпоследовательности. Примерами таких модификаций являются изменения в метилировании ДНК (гиперметилирование и гипометилирование) и модификации гистонов, изменения в архитектуре хромосомы (вызванные несоответствующей экспрессией белков, таких как HMGA2 или HMGA1 ) и изменения, вызванные микроРНК. Каждое из этих эпигенетических изменений служит для регулирования экспрессии генов без изменения лежащей в основе последовательности ДНК. Этиизменения обычно сохраняются через деления клеток, сохраняются для нескольких поколений клеток и могут считаться эпимутациями (эквивалентными мутациям).

Хотя при раке обнаруживается большое количество эпигенетических изменений, особенно важны эпигенетические изменения в генах репарации ДНК, вызывающие снижение экспрессии белков репарации ДНК. Считается, что такие изменения возникают на ранних стадиях прогрессирования рака и являются вероятной причиной генетической нестабильности, характерной для рака.

Снижение экспрессии генов репарации ДНК вызывает недостаточную репарацию ДНК. Когда репарация ДНК недостаточна, повреждения ДНК остаются в клетках на более высоком уровне, чем обычно, и эти избыточные повреждения вызывают повышенную частоту мутаций или эпимутаций. Скорости мутаций существенно увеличиваются в клетках, дефектных по репарации ошибочного спаривания ДНК или гомологичной рекомбинационной репарации (HRR). Хромосомныеперестройки и анеуплоидия также увеличиваются в клетках с дефектом HRR.

Более высокие уровни повреждения ДНК не только вызывают усиление мутаций, но также вызывают усиление эпимутаций. Во время репарации двухцепочечных разрывов ДНК или репарации других повреждений ДНК не полностью очищенные участки репарации могут вызывать эпигенетическое молчание генов.

Недостаточная экспрессия белков репарации ДНК из-за наследственной мутации может вызвать повышенный риск рака. Лица снаследственным нарушением любого из 34 генов репарации ДНК (см. Статью расстройство, связанное с репарацией ДНК ), имеют повышенный риск рака, при этом некоторые дефекты приводят к 100% вероятности возникновения рака на протяжении всей жизни (например, p53 мутации). Однако такие мутации зародышевой линии (которые вызывают синдромы высокопенетрантного рака) являются причиной только около 1 процента случаев рака.

Частота эпимутаций в генах репарации ДНК

Таблицараспространенных повреждающих ДНК агентов, примеры повреждения, которые они вызывают в ДНК, и пути, используемые для восстановления этих повреждений. Также показаны многие из генов этих путей, что указывает на то, какие гены эпигенетически регулируются, чтобы иметь сниженную (или повышенную) экспрессию при различных раковых заболеваниях. Он также показывает, что гены в гибком пути соединения концов, опосредованном микрогомологией, с повышенной экспрессией при различных формах рака.

Дефицитферментов репарации ДНК иногда вызван вновь возникающей соматической мутацией в гене репарации ДНК, но гораздо чаще вызван эпигенетическими изменениями, которые снижают или заглушают экспрессию генов репарации ДНК. Например, когда 113 случаев рака прямой кишки были исследованы последовательно, только четыре имели миссенс-мутацию в гене репарации ДНК MGMT, в то время как у большинства из них экспрессия MGMT была снижена из-за метилирования MGMT. промоторная область ( эпигенетическое изменение). Пять различных исследований показали, что от 40% до 90% колоректального рака снижают экспрессию MGMT из-за метилирования промоторной области MGMT.

Аналогичным образом, из 119 случаев колоректального рака с дефицитом репарации несоответствия, не имевшего репарации ДНК. экспрессия гена PMS2, PMS2 был недостаточен в 6 из-за мутаций в гене PMS2, в то время как в 103 случаях экспрессия PMS2 была недостаточной, потому что его партнер по спариванию MLH1 был подавлен из-за метилирования промотора (PMS2 белок нестабилен в отсутствие MLH1). В других 10 случаях потеря экспрессии PMS2, вероятно, была связана с эпигенетической сверхэкспрессией микроРНК, miR-155, которая подавляет MLH1.

Другой пример, эпигенетические дефекты были обнаружены при различных формах рака (например, груди, яичников, колоректального рака, головы и шеи). Два или три дефицита экспрессии ERCC1, XPF или PMS2 возникаютодновременно в большинстве из 49 случаев рака толстой кишки, оцененных Facista et al.

Диаграмма в этом В разделе показаны некоторые часто встречающиеся агенты, повреждающие ДНК, примеры повреждений ДНК, которые они вызывают, и пути, которые имеют дело с этими повреждениями ДНК. По крайней мере, 169 ферментов либо непосредственно используются в репарации ДНК, либо влияют на процессы репарации ДНК. Из них 83 непосредственно используются для восстановления 5 типов повреждений ДНК,показанных на диаграмме.

Некоторые из наиболее хорошо изученных генов, играющих ключевую роль в этих процессах восстановления, показаны в таблице. Обозначения генов, показанные красным, серым или голубым цветом, указывают на гены, которые часто эпигенетически изменяются при различных типах рака. Статьи в Википедии о каждом из генов, выделенных красным, серым или голубым цветом, описывают эпигенетические изменения и рак (ы), при которых обнаруживаются эти эпимутации. Обзорные статьи иобширные экспериментальные обзорные статьи также документируют большинство этих эпигенетических недостатков репарации ДНК при раке.

Выделенные красным гены часто уменьшаются или заглушаются эпигенетическими механизмами при различных формах рака. Когда эти гены имеют низкую экспрессию или ее отсутствие, могут накапливаться повреждения ДНК. Ошибки репликации после этих повреждений (см. синтез трансфузии ) могут привести к увеличению мутаций и, в конечном итоге, к раку.Эпигенетическая репрессия генов репарации ДНК в точных путях репарации ДНК, по-видимому, играет центральную роль в канцерогенезе.

Два выделенных серым цветом гена RAD51 и BRCA2, необходимы для гомологичной рекомбинационной репарации. Иногда они эпигенетически чрезмерно выражены, а иногда недостаточно выражены при некоторых формах рака. Как указано в статьях Википедии о RAD51 и BRCA2, такие раковые заболевания обычно имеютэпигенетические дефекты в других генах репарации ДНК. Эти дефекты репарации, вероятно, вызовут увеличение нереставрированных повреждений ДНК. Сверхэкспрессия RAD51 и BRCA2, наблюдаемая при этих злокачественных новообразованиях, может отражать селективное давление на компенсаторную сверхэкспрессию RAD51 или BRCA2 и повышенную гомологичную рекомбинационную репарацию, по крайней мере, для частичного устранения таких избыточных повреждений ДНК. В тех случаях, когда RAD51 или BRCA2недоэкспрессированы, это само по себе может приводить к увеличению нерепарированных повреждений ДНК. Ошибки репликации после этих повреждений (см. синтез трансфузии ) могут вызвать усиление мутаций и рак, так что недостаточная экспрессия RAD51 или BRCA2 сама по себе будет канцерогенной.

Выделенные голубым цветом гены находятся в пути соединения концов (MMEJ), опосредованном микрогомологией, и активируются при раке. MMEJ - это дополнительный путь неточного ремонта,подверженный ошибкам, для двухцепочечных разрывов. При репарации двухцепочечного разрыва MMEJ гомология 5-25 комплементарных пар оснований между обеими спаренными цепями достаточна для выравнивания цепей, но обычно присутствуют несовпадающие концы (лоскуты). MMEJ удаляет лишние нуклеотиды (створки) в местах соединения цепей, а затем лигирует эти цепи, чтобы создать неповрежденную двойную спираль ДНК. MMEJ почти всегда включает в себя хотя бы небольшую делецию, так что это мутагенный путь. FEN1, эндонуклеаза лоскута в MMEJ, эпигенетически увеличивается за счет гипометилирования промотора и сверхэкспрессируется в большинстве случаев рака грудь, простата, желудок, нейробластомы, поджелудочная железа и легкие. PARP1 также сверхэкспрессируется, когда его промоторный участок ETS сайт эпигенетически гипометилирован, и это способствует прогрессированию рака эндометрия и серозного рака яичников с мутацией BRCA. Другие гены пути MMEJ такжесверхэкспрессируются при ряде раковых заболеваний (см. MMEJ для обобщения) и также показаны голубым цветом.

Распределение репарации ДНК в соматических клетках человека по всему геному.

Дифференциальная активность путей репарации ДНК в различных областях генома человека приводит к тому, что мутации очень неравномерно распределяются в геномах опухолей. В частности, богатые генами, рано реплицирующиеся области человеческого генома демонстрируют более низкие частотымутаций, чем бедные генами, поздно реплицирующиеся гетерохроматин. Один из механизмов, лежащих в основе этого, включает модификацию гистона H3K36me3, которая может рекрутировать белки репарации несоответствия, тем самым снижая частоту мутаций в H3K36me3 -меченных областях. Другой важный механизм касается эксцизионной репарации нуклеотидов, которая может быть задействована аппаратом транскрипции, снижая частоту соматических мутацийв активных генах и других областях открытого хроматина.

Эволюция

основные процессы репарации ДНК в высокой степени консервативны как среди прокариот, так и эукариот и даже среди бактериофагов (вирусов, которые заразить бактериями ); однако более сложные организмы с более сложными геномами имеют, соответственно, более сложные механизмы восстановления. Способность большого количества структурных мотивов белка катализировать соответствующие химические реакции сыграла значительную роль в разработке механизмов репарации в ходе эволюции. Для чрезвычайно подробного обзора гипотез, касающихся эволюции репарации ДНК, см.

палеонтологическая летопись указывает на то, что одноклеточная жизнь начала размножаться на планете в какой-то момент во время докембрийский период, хотя точно неясно, когда впервые появилась узнаваемая современная жизнь. Нуклеиновые кислоты стали единственным и универсальным средством кодирования генетической информации, требующим механизмов восстановления ДНК, которые в своей основной форме унаследованы всеми существующими формами жизни от их общего предка. Возникновение богатой кислородом атмосферы Земли (известное как "кислородная катастрофа ") из-за фотосинтезирующих организмов, а также наличия потенциально опасных свободных радикалов в клетке из-за окислительного фосфорилирования,потребовало развития механизмов репарации ДНК, которые действуют специфически, чтобы противодействовать типам повреждений, вызванных окислительным стрессом.

Скорость эволюционных изменений

В некоторых случаях повреждение ДНК не восстанавливается или восстанавливается с помощью механизма, подверженного ошибкам, который приводит к изменению исходной последовательности. Когда это происходит, мутации могут распространяться в геномах потомства клетки. Если такое событиепроисходит в клетке зародышевой линии, которая в конечном итоге будет производить гамету, мутация может быть передана потомству организма. Скорость эволюции у конкретного вида (или в конкретном гене) является функцией скорости мутации. Как следствие, скорость и точность механизмов репарации ДНК влияют на процесс эволюционных изменений. Защита от повреждений и репарация ДНК не влияет на скорость адаптации за счет регуляции генов, рекомбинации и отбора аллелей. Сдругой стороны, восстановление и защита повреждений ДНК действительно влияет на скорость накопления непоправимых, полезных, расширяющих код наследуемых мутаций и замедляет эволюционный механизм расширения генома организмов с новыми функциями. Противоречие между эволюционируемостью и восстановлением и защитой мутаций требует дальнейшего изучения.

Технология

В 2012 году была открыта технология, получившая название кластеризованные с регулярными интервалами короткие палиндромныеповторы (сокращенно до CRISPR -Cas9). Новая технология позволяет любому, кто прошел обучение молекулярной биологии, прецизионно изменять гены любого вида, вызывая повреждение ДНК в определенной точке и затем изменяя механизмы репарации ДНК для вставки новых генов. Это дешевле, эффективнее и точнее, чем другие технологии. С помощью CRISPR – Cas9 ученые могут редактировать части генома путем удаления, добавления или изменения частей в последовательности ДНК.

См. Также

  • icon Портал биологии

Ссылки

Внешние ссылки

Слушайте эту статью Разговорный значок Википедии Этот аудиофайл был созданна основе редакции этой статьи от 17 июня 2005 г. не отражать последующие правки. ()

.

Последняя правка сделана 2021-05-16 09:17:44
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте