ДНҚ жөндеуінің жасушалық механизмдері

ДНҚ жөндеуі – геномды кодтаушы ДНҚ молекулаларының зақымдануын анықтап, түзету процесі. Бұл жасушалардың өміршеңдігі үшін маңызды, радиациядан қорғайды.

31 мин оқу

100%

Дереккөз: DNA repair — Wikipedia

Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.

Мазмұны

Кіріспе

Ұяшық механизмі

Журнал

ДНК-ны жөндеу – бұл жасушаның геномын кодтайтын ДНК молекулаларының зақымдануын анықтап, түзетуге арналған процестердің жиынтығы. Адам жасушаларында, қалыпты метаболизмдік белсенділік де, радиация сияқты қоршаған орта факторлары да ДНК зақымдануына себеп болуы мүмкін, нәтижесінде күніне әр жасушада ондаған мыңдаған жеке молекулалық зақымданулар пайда болады. Бұл зақымданулардың көпшілігі ДНК молекуласының құрылымын бұзады және жасушаның зақымдалған ДНК кодтайтын генді транскрипциялау қабілетін өзгерте немесе жоя алады. Басқа зақымданулар митозға түскеннен кейін оның қыз жасушаларының тірі қалуына әсер ететін жасуша геномындағы зиянды мутацияларды тудыруы мүмкін. Осының салдарынан, ДНК-ны жөндеу процесі ДНК құрылымындағы зақымдануға жауап ретінде үнемі белсенді болып тұрады. Егер қалыпты жөндеу процестері сәтсіз аяқталса және жасушалық апоптоз жүрмесе, ДНК-ның түзетуге келмейтін зақымдануы мүмкін. Бұл, әрине, екі соққы гипотезасына сәйкес, қатерлі ісіктерге немесе қатерлі ісікке алып келуі мүмкін. ДНК-ны жөндеу жылдамдығы көптеген факторларға байланысты, соның ішінде жасуша түріне, жасуша жасына және жасушадан тыс ортаға. ДНК-ның көп мөлшерде зақымдануын жинақтаған немесе ДНК-ның зақымдануын тиімді жөндемейтін жасуша үш мүмкін күйдің біріне ене алады: қайтымсыз ұйықтау күйі, яғни қартаю, жасушаның өз-өзіне қол жұмсауы, сондай-ақ апоптоз немесе бағдарламаланған жасуша өлімі, сондай-ақ қатерлі ісікке алып келуі мүмкін ісік пайда болуы. Жасушаның ДНК-ны жөндеу қабілеті оның геномның тұтастығы үшін және осы организмнің қалыпты жұмыс істеуі үшін өте маңызды. Өмір сүру ұзақтығына әсер ететін гендердің көпшілігі ДНК зақымдануын жөндеуге және қорғауға қатысатыны анықталды. 2015 жылы химия саласындағы Нобель сыйлығы Томас Линдалға, Пол Модрихке және Азиз Санкарға ДНК-ны жөндеу процестерінің молекулалық механизмдері бойынша жұмыстары үшін берілді.

ДНК зақымдануы

Қоршаған орта факторлары мен жасуша ішіндегі қалыпты метаболизм процестерінің салдарынан ДНК зақымдануы күніне бір жасушаға 10 000-нан 1 000 000-ға дейін молекулалық зақымданулар жиілігімен жүреді. Жасуша бөлінуге дейін зақымдалған ДНК-ның көбейтілуі зақымдалған негіздердің қарама-қарсы жағына қате негіздердің енуіне алып келуі мүмкін. Бұл қате негіздерді мұраға алған жасушалар түпнұсқа ДНК тізбегін қалпына келтіруге болмайтын мутацияларды (мысалы, гендік конверсия арқылы болатын кері мутация сияқты сирек жағдайларда) тасымалдайды.

Ядролық митохондрияға қарсы

Адам жасушаларында және жалпы эукариот жасушаларында ДНҚ екі жасушалық орналасқан жерде кездеседі – ядроның ішінде және митохондрияның ішінде. Ядролық ДНҚ (n ДНҚ) клеткалық циклдің репликацияланбаған кезеңдерінде хроматин түрінде болады және клетка бөліну кезінде хромосомалар деп аталатын жиынтық құрылымдарға конденсацияланады. Екі жағдайда да ДНҚ жоғары деңгейде ықшамдалған және гистон деп аталатын моншақ тәрізді ақуыздардың айналасына оралған. Жасуша өзінің n ДНҚ-сында кодталған генетикалық ақпаратты білдіру қажет болғанда, қажетті хромосомалық аймақ ашылады, онда орналасқан гендер экспрессияланады, содан кейін аймақ тынығу күйіне конденсацияланады. Митохондриялық ДНҚ (мтДНҚ) митохондрия органеллаларының ішінде орналасқан, көптеген көшірмелерде кездеседі және нуклеоид деп аталатын кешенді құру үшін бірқатар ақуыздармен тығыз байланысты. Митохондрия ішінде реактивті оттегі түрлері (РОС) немесе бос радикалдар, окистеу фосфорилирлеу арқылы аденозин трифосфатының (АТФ) тұрақты өндірісінің қосалқы өнімдері, мтДНК-ға зақым келтіретін жоғары окистеу ортасын жасайды. Бұл түрлердің зиянды әсеріне қарсы тұрудағы маңызды фермент – супероксид дисмутаза, ол митохондрияда да, эукариот жасушаларының цитоплазмасында да кездеседі.

Қартаю және апоптоз

Қартаю – бұл жасуша енді бөлінбейтін, қайтымсыз процесс, ол хромосомалардың ұштары қысқаруына жауап ретінде пайда болады, бұл жерде теломерлер деп аталады. Теломерлер – хромосомаларды қорғайтын, қайталама кодталмаған ДНҚ-ның ұзын аймақтары және жасуша бөлінген сайын ішінара бұзылады (Хейфлик лимітін қараңыз). Ал, тыныштық – геномдық зақыммен байланысты емес, жасушаның қайтымды ұйқы күйі (клеткалық циклді қараңыз). Жасушалардағы қартаю, организмге жасушаның физикалық қатысуы кеңістіктік себептермен қажет болған жағдайларда апоптозға функционалдық балама болып табылады, бұл зақымдалған ДНҚ-сы бар жасушаның дұрыс емес көбейіп кетуіне қарсы "соңғы шара" механизмі ретінде қызмет етеді, өсуге ынталандыратын жасушалық сигналдардың болмауында. Бақытсыз жасушалық бөліну ісік пайда болуына алып келуі мүмкін (қатерлі ісікке қараңыз), бұл организм үшін өлімге әкелуі мүмкін. Сондықтан қартаю мен апоптозды күшейту қатерлі ісікке қарсы қорғаныс стратегиясының бір бөлігі деп есептеледі.

Мутация

ДНҚ-ның екі негізгі қатесін – ДНҚ зақымдануы мен мутациясын ажырату маңызды. ДНҚ зақымдануы мен мутациясы түбірінен өзгеше. Зақымдану ДНҚ-да физикалық аномалияларға, мысалы, бір және екі тізбектің үзілуіне, 8-гидроксидеоксигуанозин қалдықтарына және полициклді ароматты көмірсутектердің қосылыстарына әкеледі. ДНҚ зақымдануын ферменттер тани алады, сондықтан егер қосымша ақпарат, мысалы, толыққанды емес тізбектегі немесе гомологты хромосомадағы зақымдалмаған реттілік, көшіру үшін қолжетімді болса, оны дұрыс жөндеуге болады. Егер жасуша ДНҚ зақымдануын сақтап қалса, геннің транскрипциясы тоқтатылуы мүмкін, демек, белокқа аударма да бұғатталады. Репликация да тоқтауы немесе жасушаның өлуі мүмкін. ДНҚ зақымдануынан айырмашылығы, мутация – ДНҚ-ның негіздік реттілігінің өзгеруі. Мутацияны ферменттер екі тізбекте де базалық өзгеріс болған кезде тани алмайды, сондықтан оны қалпына келтіру мүмкін емес. Жасуша деңгейінде мутациялар белоктың функциясы мен реттелуін өзгертуі мүмкін. Мутация жасушаның көбеюі кезінде көбейеді. Жасушалар популяциясында мутантты жасушалардың жиілігі клетканың тіршілік ету және көбею қабілетіне мутацияның әсеріне байланысты артады немесе азаяды. Бір-бірінен айқын ерекшеленсе де, ДНҚ зақымдануы мен мутациясы байланысты, себебі ДНҚ зақымдануы жиі репликация немесе жөндеу кезінде ДНҚ синтезінің қателіктеріне әкеледі; осы қателіктер мутацияның негізгі көзі болып табылады. ДНҚ зақымдануы мен мутацияның осы қасиеттерін ескере отырып, ДНҚ зақымдануы уақыт өте келе жинақталуға бейім болатын бөлінбейтін немесе баяу бөлінетін жасушаларда ерекше мәселе болып табылатынын көруге болады. Екінші жағынан, жылдам бөлінетін жасушаларда репликацияны тоқтата тұрып, жасушаны өлтірмейтін жөнделмеген ДНҚ зақымдануы репликациялық қателіктерге және осылайша мутацияларға әкеледі. Әсері бойынша бейтарап емес мутациялардың басым көпшілігі жасушаның тіршілік етуіне зиян келтіреді. Сондықтан, тінді құрайтын жасушалар популяциясында көбейіп жатқан жасушалар болса, мутантты жасушалар жоғалуға бейім. Алайда, тіршілік етуге артықшылық беретін сирек кездесетін мутациялар тіндердегі көрші жасушалардың есебінен клоналды түрде кеңейеді. Бұл жасушаға пайдалы, бірақ бүкіл организмге зиянды, өйткені мұндай мутацияланған жасушалар қатерлі ісікке әкелуі мүмкін. Осылайша, жиі бөлінетін жасушалардағы ДНҚ зақымдануы, себебі ол мутацияларды тудырады, қатерлі ісікке себепші болады. Ал ДНҚ зақымдануы жиі бөлінбейтін жасушаларда қартаюдың себебі болуы мүмкін.

It is important to distinguish between DNA damage and mutation, the two major types of error in DNA. DNA damage and mutation are fundamentally different. Damage results in physical abnormalities in the DNA, such as single and double strand breaks, 8 hydroxydeoxyguanosine residues, and polycyclic aromatic hydrocarbon adducts. DNA damage can be recognized by enzymes, and thus can be correctly repaired if redundant information, such as the undamaged sequence in the complementary DNA strand or in a homologous chromosome, is available for copying. If a cell retains DNA damage, transcription of a gene can be prevented, and thus translation into a protein will also be blocked. Replication may also be blocked or the cell may die. In contrast to DNA damage, a mutation is a change in the base sequence of the DNA. A mutation cannot be recognized by enzymes once the base change is present in both DNA strands, and thus a mutation cannot be repaired. At the cellular level, mutations can cause alterations in protein function and regulation. Mutations are replicated when the cell replicates. In a population of cells, mutant cells will increase or decrease in frequency according to the effects of the mutation on the ability of the cell to survive and reproduce. Although distinctly different from each other, DNA damage and mutation are related because DNA damage often causes errors of DNA synthesis during replication or repair; these errors are a major source of mutation. Given these properties of DNA damage and mutation, it can be seen that DNA damage is a special problem in non dividing or slowly dividing cells, where unrepaired damage will tend to accumulate over time. On the other hand, in rapidly dividing cells, unrepaired DNA damage that does not kill the cell by blocking replication will tend to cause replication errors and thus mutation. The great majority of mutations that are not neutral in their effect are deleterious to a cell's survival. Thus, in a population of cells composing a tissue with replicating cells, mutant cells will tend to be lost. However, infrequent mutations that provide a survival advantage will tend to clonally expand at the expense of neighboring cells in the tissue. This advantage to the cell is disadvantageous to the whole organism because such mutant cells can give rise to cancer. Thus, DNA damage in frequently dividing cells, because it gives rise to mutations, is a prominent cause of cancer. In contrast, DNA damage in infrequently dividing cells is likely a prominent cause of aging.

Механизмдер

Егер ДНК зақымдануы геномдағы маңызды ақпараттың тұтастығы мен қолжетімділігін бұзатын болса, жасушалар жұмыс істей алмайды (бірақ маңызды емес гендер жоғалған немесе зақымдалған кезде жасушалар сырттай жұмыс істей береді). ДНҚ-ның екі спиральді құрылымына тигізілген зақымдану түріне байланысты, жоғалған ақпаратты қалпына келтіру үшін әртүрлі жөндеу стратегиялары қалыптасқан. Мүмкіндігі шектеулі болса, жасушалар бастапқы ақпаратты қалпына келтіру үшін ДНК-ның өзгертілмеген толықтырушы жібін немесе әпкесі хроматидті үлгі ретінде пайдаланады. Егер үлгі қолжетімді болмаса, жасушалар соңғы шара ретінде қатеге бейім қалпына келтіру механизмі – транслезиялық синтезді қолданады. ДНҚ-ға зақым келтіру спиральдің кеңістіктік конфигурациясын өзгертеді, және жасуша мұндай өзгерістерді анықтай алады. Зақымдану локалдасқаннан кейін, нақты ДНК жөндеу молекулалары зақымдалған жерде немесе оның жанында байланысып, басқа молекулаларды байланысуға және жөндеу процесін жүзеге асыруға қабілетті кешен құруға ынталандырады.

Тікелей кері айналдыру

Жасушалар ДНК-ның үш түрін химиялық жолмен түзетуге қабілетті. Бұл механизмдерге үлгі қажет болмайды, себебі олар күресетін зақымдану түрлері төрт негіздің тек біреуінде ғана пайда болуы мүмкін. Мұндай тікелей түзету механизмдері зақымдану түріне қатысты және фосфодиэстер тізбегін үзуді қамтымайды. Ультракөк сәулеленген кезде пиримидин димерлерінің пайда болуы жақын орналасқан пиримидин негіздері арасында аномальды ковалентті байланысқа алып келеді. Фотореактивация процесі фотолиза ферментінің әрекеті арқылы бұл зақымдануды тікелей түзетуге мүмкіндік береді, оның белсенділігі 300–500 нм толқын ұзындығындағы көк/ультракөк сәуледен сіңірілген энергияға байланысты және катализді ынталандырады. Фотолиза – бактериялар, саңырауқұлақтар және көптеген жануарларда кездесетін ескі фермент, бірақ ол адамдарда жұмыс істемейді, олар ультракөк сәулеленуден туындаған зақымды түзету үшін нуклеотидті кесу механизмін пайдаланады. Гуанин негіздерінің метилирленуі сияқты тағы бір зақымдану түрі метилгуанин метилтрансфераза (MGMT) ферментімен тікелей түзетіледі, оның бактериядағы баламасы ogt деп аталады. Бұл үнемсіз процесс, себебі әрбір MGMT молекуласын тек бір рет қолдануға болады; яғни, реакция катализдік емес, стехиометриялық болып табылады. Бактерияларда метилирлеуші заттарға берілетін жалпы жауап адаптивті жауап деп аталады және алкилдеуші ферменттердің экспрессиясын арттыру арқылы алкилдеуші заттарға ұзақ уақыт бойы тозуға төзімділік деңгейін қамтамасыз етеді. Жасушалар түзетуге қабілетті ДНК зақымдануының үшінші түрі – цитозин және аденин негіздерінің белгілі бір метилирленуі.

Бір жіпті зақымдану

Егер қос спиральдің екі талшығының тек біреуінде ақау болса, екінші талшық зақымдалған талшықты түзетуге бағыт беру үшін үлгі ретінде қолданылуы мүмкін. ДНҚ-ның екі жұптасқан молекуласының бірінің зақымдануын жөндеу үшін бірнеше экзизиялық жөндеу механизмдері бар, олар зақымдалған нуклеотидті алып тастап, оны зақымдалмаған ДНҚ талшығында кездесетін зақымдалмаған нуклеотидпен алмастырады. Фермент зақымдалған негізді ДНҚ-дан негіз бен дезоксирибоза арасындағы байланысты үзіп алып тастайды. Бұл ферменттер апуриндік немесе апириминдік орынды (АП-орын) жасау үшін бір негізді алып тастайды. Нуклеотидті кесу жөндеу (NER): ультракүлгін сәулесінен туындаған пиримидин димеризациясы сияқты ірі, спиральды бұрмалайтын зақымданулар әдетте үш қадамдық процесте жөнделеді. Біріншіден, зақымдану анықталады, содан кейін 12-24 нуклеотидті ДНК талшықтары эндонуклеазалар арқылы зақымдану орнының жоғары және төменгі жағынан алынып тасталады, ал алынған ДНК аймағы қайта синтезделеді. NER – жоғары эволюциялық тұрақты жөндеу механизмі және барлық эукариоттық және прокариоттық жасушаларда қолданылады.

Қос жіпті үзілімдер

Қос спиральдің екі жібі де үзілген қос жіптің үзілуі клетка үшін өте қауіпті, өйткені олар геномды қайта реттеуге әкелуі мүмкін. Шын мәнінде, қос жіптің үзілуі екі жіпті бір нүктеде біріктіретін қиылысқан байланысқа ұшырағанда, жіптің ешқайсысы да жөндеу механизмдерінің үлгісі ретінде қолданылмайды, сондықтан жасуша келесі бөлінген кезде митозды аяқтай алмайды және өледі немесе сирек жағдайларда мутацияға ұшырайды. Екі жіптің үзілуін (DSB) жөндеу үшін үш механизм бар: гомолог емес аяқтарды біріктіру (NHEJ), микрогомология арқылы аяқтарды біріктіру (MMEJ) және гомологтық рекомбинация (HR). NHEJ-де ДНК лигаза IV, XRCC4 кофакторымен кешен құрайтын мамандандырылған ДНК лигазасы, екі аяқты тікелей біріктіреді. Дәл жөндеуді басқару үшін NHEJ біріктірілетін ДНК-ның бір жіпті құйрықтарында бар микрогомологиялар деп аталатын қысқа гомологтық тізбектерге сүйенеді. Егер бұл тұйықтамалар үйлесімді болса, жөндеу әдетте дұрыс болады. NHEJ сонымен қатар жөндеу кезінде мутациялар енгізе алады. Бөліну орнында зақымдалған нуклеотидтердің жоғалуы өшірілулерге әкелуі мүмкін, ал сәйкес келмейтін терминалардың қосылуы кіріктірулер немесе транслокацияларды құрайды. NHEJ клетканың ДНК-сы қайталанбастан бұрын өте маңызды, өйткені гомологтық рекомбинация арқылы жөндеуге арналған үлгі жоқ. Жоғары эукариоттарда "көшірме" NHEJ жолдары бар. Геномды күтіп ұстаушы рөлінен басқа, NHEJ V((D)J рекомбинациясы кезінде пайда болған екі жапсырмалы бұзылуларды біріктіру үшін қажет, бұл омыртқалылардың иммундық жүйесіндегі В және Т жасушалары рецепторларының әртүрлілігін тудыратын процесс. MMEJ микрогомология аймақтарын ашу үшін екі жақты жіптің екі жағында MRE11 нуклеазасымен қысқа қашықтықтағы резекциядан басталады. Алдағы қадамдарда Poly (ADP рибоза) полимераза 1 (PARP1) талап етіледі және ол MMEJ-дің алғашқы қадамы болуы мүмкін. Микрогомологиялық аймақтарды жұптастыру, содан кейін қақпақ құрылысына тән эндонуклеаза 1 (FEN1) қақпақтарды алып тастау үшін шақыру жүргізіледі. Мұнан кейін XRCC1–LIG3 ДНК ұштарын байлау үшін сайтқа тартылады, бұл бүтін ДНК-ға әкеледі. MMEJ әрқашан өшірілумен (deletion) бірге жүреді, сондықтан MMEJ ДНК-ны жөндеу үшін мутагендік жол болып табылады. HR сынықты жөндеу үшін үлгі ретінде пайдаланылатын бірдей немесе бірдей реттіліктің болуын талап етеді. Бұл жөндеу процесіне жауапты ферменттік механизм мейоз кезінде хромосомалық кроссоверге жауапты механизммен бірдей. Бұл жол зақымдалған хромосоманы бауырлас хроматидті (ДНҚ репликациясынан кейін G2-де бар) немесе үлгі ретінде гомолог хромосоманы қолдана отырып жөндеуге мүмкіндік береді. Репликациялық механизмнің бір жіптің үзілуіне немесе жөнделмеген зақымдануға байланысты синтездеуге тырысқан DSB репликациялық бұранданың құлдырауына әкеледі және әдетте рекомбинация арқылы жөнделеді. In vitro жүйесінде сүтқоректілердің жасушаларында MMEJ HR мен NHEJ механизмдері де бар кезде HR-ның 10–20% деңгейінде пайда болды. Топоизомеразалар ДНК-ның суперколинг күйін өзгерту барысында бір және екі жіптің үзілуін енгізеді, бұл ашық репликациялық бұрандаға жақын аймақтарда жиі кездеседі. Мұндай сынықтар ДНК зақымдануы деп саналмайды, өйткені олар топоизомеразаның биохимиялық механизміне табиғи аралық болып табылады және оларды жасаған ферменттер оларды дереу қалпына келтіреді. ДНҚ қос жіптің тағы бір түрі ДНҚ жылу сезімтал немесе жылу лабильді жерлерден пайда болады. Бұл ДНК-ның орналасуы бастапқы DSB-ға ұқсамайды. Алайда олар жоғары температурамен өңделгеннен кейін DSB-ге айналады. Иондаушы сәулелену ДНК-ның өте күрделі түрін, яғни кластерлік зақымдануды тудырады. Ол ДНК спиральінің әр түрлі жерлеріндегі әртүрлі ДНК зақымдануларынан тұрады. Осы жақын орналасқан зақымданулардың кейбіреулері жоғары температураға ұшыраған кезде DSB-ға айналуы мүмкін. Бірақ бұл зақымданулардың нақты сипаты және олардың өзара әрекеттесуі әлі белгісіз.

Double strand breaks, in which both strands in the double helix are severed, are particularly hazardous to the cell because they can lead to genome rearrangements. In fact, when a double strand break is accompanied by a cross linkage joining the two strands at the same point, neither strand can be used as a template for the repair mechanisms, so that the cell will not be able to complete mitosis when it next divides, and will either die or, in rare cases, undergo a mutation. Three mechanisms exist to repair double strand breaks (DSBs): non homologous end joining (NHEJ), microhomology mediated end joining (MMEJ), and homologous recombination (HR):

In NHEJ, DNA Ligase IV, a specialized DNA ligase that forms a complex with the cofactor XRCC4, directly joins the two ends. To guide accurate repair, NHEJ relies on short homologous sequences called microhomologies present on the single stranded tails of the DNA ends to be joined. If these overhangs are compatible, repair is usually accurate. NHEJ can also introduce mutations during repair. Loss of damaged nucleotides at the break site can lead to deletions, and joining of nonmatching termini forms insertions or translocations. NHEJ is especially important before the cell has replicated its DNA, since there is no template available for repair by homologous recombination. There are "backup" NHEJ pathways in higher eukaryotes. Besides its role as a genome caretaker, NHEJ is required for joining hairpin capped double strand breaks induced during V(D)J recombination, the process that generates diversity in B cell and T cell receptors in the vertebrate immune system. MMEJ starts with short range end resection by MRE11 nuclease on either side of a double strand break to reveal microhomology regions. In further steps, Poly (ADP ribose) polymerase 1 (PARP1) is required and may be an early step in MMEJ. There is pairing of microhomology regions followed by recruitment of flap structure specific endonuclease 1 (FEN1) to remove overhanging flaps. This is followed by recruitment of XRCC1–LIG3 to the site for ligating the DNA ends, leading to an intact DNA. MMEJ is always accompanied by a deletion, so that MMEJ is a mutagenic pathway for DNA repair. HR requires the presence of an identical or nearly identical sequence to be used as a template for repair of the break. The enzymatic machinery responsible for this repair process is nearly identical to the machinery responsible for chromosomal crossover during meiosis. This pathway allows a damaged chromosome to be repaired using a sister chromatid (available in G2 after DNA replication) or a homologous chromosome as a template. DSBs caused by the replication machinery attempting to synthesize across a single strand break or unrepaired lesion cause collapse of the replication fork and are typically repaired by recombination. In an in vitro system, MMEJ occurred in mammalian cells at the levels of 10–20% of HR when both HR and NHEJ mechanisms were also available. Topoisomerases introduce both single and double strand breaks in the course of changing the DNA's state of supercoiling, which is especially common in regions near an open replication fork. Such breaks are not considered DNA damage because they are a natural intermediate in the topoisomerase biochemical mechanism and are immediately repaired by the enzymes that created them. Another type of DNA double strand breaks originates from the DNA heat sensitive or heat labile sites. These DNA sites are not initial DSBs. However, they convert to DSB after treating with elevated temperature. Ionizing irradiation can induces a highly complex form of DNA damage as clustered damage. It consists of different types of DNA lesions in various locations of the DNA helix. Some of these closely located lesions can probably convert to DSB by exposure to high temperatures. But the exact nature of these lesions and their interactions is not yet known

Транслезиялық синтез

Транслезиялық синтез (ТЛС) – ДНК зақымдануына төзімділік процесі, ДНК репликациялық машинасына тимин димерлері немесе АП-сайттар сияқты ДНК зақымдануларын асып өтуге мүмкіндік береді. Ол жүйелі ДНҚ полимеразаларды арнайы транслезиялық полимеразаларға (яғни Y полимеразалар тұқымдасына жататын ДНҚ полимераза IV немесе V) ауыстыруды қамтиды, көбінесе олардың белсенді орталықтары үлкенірек болып, зақымдалған нуклеотидтерге қарама-қарсы базаларды енгізуді жеңілдетеді. Полимеразаның ауысуы, басқа факторлармен қатар, репликация процессивтілігі факторы PCNA-ның посттрансляциялық модификациясымен байланысты деп есептеледі. Транслезиялық синтездегі полимеразалардың зақымдалмаған матрицалардағы тұрақты полимеразаларға қарағанда төмен дәлдігі (бұрыс базаларды енгізуге бейімділігі жоғары) болады. Дегенмен, олардың көпшілігі белгілі бір зақымдану түрлеріне қарсы дұрыс базаларды енгізуде өте тиімді. Мысалы, Pol η УФ сәулеленуінен туындаған зақымдануларды қатесіз айналып өтеді, ал Pol ι осы жерлерде мутацияларды енгізеді. Pol η Ватсон-Крик жұптасуын пайдалана отырып, T^T фотодимеріне бірінші аденин қосатыны белгілі, ал екінші аденин Хугстин жұптасуын пайдалана отырып, син конформациясында қосады. Жасушалық деңгейде, транслезиялық синтез кезінде нүктелік мутацияларды енгізу қаупі, ДНК жөндеудің күрделі механизмдеріне жүгінуден артық болуы мүмкін, бұл ірі хромосомалық аберрацияларға немесе жасуша өліміне әкелуі мүмкін. Қысқасы, бұл процесте арнайы полимеразалар ДНК репликациясы тоқталған жерлердегі зақымдануларды айналып өтеді немесе жөндеуге қатысады. Мысалы, адамның ДНК полимеразасы eta Г[8,5 Me]T сияқты күрделі ДНК зақымдануларын айналып өте алады, бірақ ол мақсатты және жартылай мақсатты мутацияларды тудыруы мүмкін. Паромита Райчаудхури және Ашис Басу Escherichia coli бактериясындағы G[8,5 Me]T модификацияланған плазмидті ДНК полимеразаларының жоқтығында көбейтіп, бірдей зақымданудың уыттылығы мен мутагенезін зерттеді. pol II, pol IV және pol V – үш SOS-индукцияланатын ДНК полимеразасы жоқ штаммдағы тіршілік ету деңгейі өте төмен болды, бұл транслезиялық синтез негізінен осы арнайы ДНК полимеразаларымен жүзеге асырылатынын көрсетеді. Бұл полимеразаларға көбейіп жатқан жасушалық ядролық антиген (PCNA) айналып өту платформасын ұсынады. Қалыпты жағдайда PCNA полимеразалармен байланысып, ДНК-ны көбейтіп жасайды. Зақымдану орнында PCNA RAD6/RAD18 ақуыздарымен барлық жерде орналасады немесе модификацияланады, бұл арнайы полимеразаларға зақымдануды айналып өтуге және ДНК репликациясын қайта бастауға мүмкіндік береді. Транслезиялық синтезден кейін кеңейту қажет. Бұл кеңейтуді репликативтік полимераза жүзеге асыруы мүмкін, егер ТЛС қатесіз болса, Pol η жағдайындағыдай, бірақ егер ТЛС сәйкессіздікке әкелсе, оны кеңейту үшін арнайы полимераза қажет – Pol ζ. Pol ζ ерекшелігі – ол терминалдық сәйкессіздіктерді кеңейте алады, ал процессивті полимеразалар мұны істей алмайды. Сондықтан, зақымдану кездескен кезде репликация шанышқысы тоқтап, PCNA процессивті полимеразадан Pol ι сияқты ТЛС полимеразасына ауысады, содан кейін PCNA сәйкессіздікті кеңейту үшін Pol ζ-ға ауысады, ал соңында PCNA репликацияны жалғастыру үшін процессивті полимеразаға ауысады.

Translesion synthesis (TLS) is a DNA damage tolerance process that allows the DNA replication machinery to replicate past DNA lesions such as thymine dimers or AP sites. It involves switching out regular DNA polymerases for specialized translesion polymerases (i. e. DNA polymerase IV or V, from the Y Polymerase family), often with larger active sites that can facilitate the insertion of bases opposite damaged nucleotides. The polymerase switching is thought to be mediated by, among other factors, the post translational modification of the replication processivity factor PCNA. Translesion synthesis polymerases often have low fidelity (high propensity to insert wrong bases) on undamaged templates relative to regular polymerases. However, many are extremely efficient at inserting correct bases opposite specific types of damage. For example, Pol η mediates error free bypass of lesions induced by UV irradiation, whereas Pol ι introduces mutations at these sites. Pol η is known to add the first adenine across the T^T photodimer using Watson Crick base pairing and the second adenine will be added in its syn conformation using Hoogsteen base pairing. From a cellular perspective, risking the introduction of point mutations during translesion synthesis may be preferable to resorting to more drastic mechanisms of DNA repair, which may cause gross chromosomal aberrations or cell death. In short, the process involves specialized polymerases either bypassing or repairing lesions at locations of stalled DNA replication. For example, Human DNA polymerase eta can bypass complex DNA lesions like guanine thymine intra strand crosslink, G[8,5 Me]T, although it can cause targeted and semi targeted mutations. Paromita Raychaudhury and Ashis Basu studied the toxicity and mutagenesis of the same lesion in Escherichia coli by replicating a G[8,5 Me]T modified plasmid in E. coli with specific DNA polymerase knockouts. Viability was very low in a strain lacking pol II, pol IV, and pol V, the three SOS inducible DNA polymerases, indicating that translesion synthesis is conducted primarily by these specialized DNA polymerases. A bypass platform is provided to these polymerases by Proliferating cell nuclear antigen (PCNA). Under normal circumstances, PCNA bound to polymerases replicates the DNA. At a site of lesion, PCNA is ubiquitinated, or modified, by the RAD6/RAD18 proteins to provide a platform for the specialized polymerases to bypass the lesion and resume DNA replication. After translesion synthesis, extension is required. This extension can be carried out by a replicative polymerase if the TLS is error free, as in the case of Pol η, yet if TLS results in a mismatch, a specialized polymerase is needed to extend it; Pol ζ. Pol ζ is unique in that it can extend terminal mismatches, whereas more processive polymerases cannot. So when a lesion is encountered, the replication fork will stall, PCNA will switch from a processive polymerase to a TLS polymerase such as Pol ι to fix the lesion, then PCNA may switch to Pol ζ to extend the mismatch, and last PCNA will switch to the processive polymerase to continue replication.

ДНҚ зақымдануына қарсы жаһандық шаралар

Иондаушы сәулелерге, ультракүлгін сәулелерге немесе химиялық заттарға ұшыраған жасушалар ірі ДНК зақымдануларының көп орындарында және екі жіптің үзілулеріне бейім. Сонымен қатар, ДНК-ны зақымдайтын агенттер ақуыздар, көмірсулар, липидтер және РНК сияқты басқа да биомолекулаларға зақым келтіре алады. Зақымның жинақталуы, атап айтқанда, екі жіптің үзілуі немесе репликациялық түйіршіктерді тоқтататын адукттар, ДНК зақымдануына жаһандық жауап берудің белгілі стимулдаушы сигналдары болып табылады. Зақымдануға жаһандық жауап – бұл жасушалардың өзін сақтауға бағытталған әрекет және макромолекулалық жөндеудің, зақымдануды айналып өтудің, төзімділіктің немесе апоптоздың көптеген жолдарын қозғалады. Жаһандық жауаптың ортақ белгілері – бірнеше гендерді индукциялау, жасушалық циклді тоқтату және жасушалық бөлінуді тежеу.

Алғашқы қадамдар

Эукариоттық ДНК-ның хроматинге жиналуы, ферменттерді олардың әрекет ететін орындарына тартуды қажет ететін барлық ДНК-ға негізделген процестерге тосқауыл қояды. ДНК-ны жаңару үшін хроматин қайта құрылуы тиіс. Эукариоттарда АТФ-қа тәуелді хроматин қайта құру кешендері және гистонды өзгертетін ферменттер – бұл қайта құру процесін іске асыру үшін қолданылатын екі басты фактор болып табылады. Хроматиннің босаңсуы ДНК зақымдалған жерде жылдам жүреді. Алғашқы қадамдардың бірінде стресске сезімтал протеинкиназа, c Jun N терминалды киназа (JNK), қос тізбектің үзілуіне немесе басқа ДНК зақымдануына жауап ретінде SIRT6-ны серин 10-да фосфорилдейді. Бұл посттрансляциялық модификация SIRT6-ның ДНК зақымдалған жерлерге мобилизациясын жеңілдетеді және ДНК үзілістеріне поли (АДФ-рибоза) полимераза 1 (PARP1) тиімді тартуы және қос тізбектің үзілуін тиімді жазуы үшін қажет. PARP1 полимерлі аденозиндифосфат рибоза (поли (АДФ-рибоза) немесе PAR) тізбектерін өзі синтездейді. Содан кейін хроматин ремоделеуші ALC1, PARP1 әрекетінің өнімі – поли-АДФ-рибоза тізбегіне жылдам қосылады және ALC1 зақымдану орын алғаннан кейін 10 секунд ішінде ДНК зақымдануына жетеді. γH2AX (серин 139-да фосфорилденген H2AX) жасушаларды сәулелендіргеннен кейін 20 секундтан кейін (ДНК-ның қос тізбегінің үзілуімен) анықталуы мүмкін, ал γH2AX-тың жартылай максималды жинақталуы бір минут ішінде болады. RNF8, нуклеосоманы қайта құру және деацетилаза кешенінің құрамына кіретін CHD4-пен өзара әрекеттесу арқылы хроматиннің кең көлемді декондесациясын қамтамасыз етеді. DDB2, DDB1 гетеродимерлік кешенінде кездеседі. Бұл кешен одан әрі убиквитин лигаза ақуызы CUL4A және PARP1-мен кешендеседі. Бұл үлкен кешен хроматин ішіндегі УФ-индукцияланған зақымданумен жылдам байланысады, жартылай максималды байланысы 40 секунд ішінде аяқталады.

ДНК зақымдануын тексеру пункттері

ДНК зақымдалғаннан кейін жасуша циклінің бақылау пунктері іске қосылады. Бақылау пунктін іске қосу жасуша циклін тоқтатады және жасушаға зақымды қалпына келтіру үшін, бөлінуді жалғастырмас бұрын уақыт береді. ДНҚ зақымдануын тексеру G1/S және G2/M шекараларында жүзеге асады. Сондай-ақ, S фазасында да бақылау пункты бар. Бақылау пунктін белсендіруді екі негізгі киназа – АТМ және АТР басқарады. АТМ ДНК-ның екі жіпті үзілуіне және хроматин құрылымының бұзылуына жауап береді, ал АТР көбінесе тоқтап қалған репликациялық шанышқыларға жауап береді. Бұл киназалар сигнал трандукциясы каскадындағы төменгі мақсаттарды фосфорилирлейді, нәтижесінде жасуша циклі тоқтатылады. BRCA1, MDC1 және 53BP1 сияқты бақылау пункті медиаторларының класы да анықталды. Бұл ақуыздар бақылау пунктін белсендіру сигналын төменгі ағындағы ақуыздарға жеткізуге қажет болады. ДНҚ зақымдануын тексеру – бұл G1, G2 және метафазада жасуша циклінің прогрессиясын тоқтатып, ДНҚ зақымдалған кезде S фазасының жылдамдығын баяулататын сигнал трандукциясы жолы. Бұл жасуша циклінде үзіліс тудырады, яғни жасушаның зақымды қалпына келтіруге уақыт береді, содан кейін ғана бөлінуді жалғастырады. Бақылау пункті ақуыздарын төрт топқа бөлуге болады: фосфатидил инозитол 3-киназа (PI3K) сияқты ақуыз киназасы, пролиферацияланатын жасуша ядролық антигені (PCNA) сияқты топ, екі серин/треонин (S/T) киназасы және олардың адапторлары. Барлық ДНҚ зақымдануына байланысты бақылау пункті жауаптарының негізгі бөлігін эволюция барысында жақсы сақталған тізбегі мен функциялары бар АТМ (Атаксия-телангиэктазия мутацияланған) және АТР (Атаксия және Радқа байланысты) киназалары сияқты PI3K-тің бірінші тобына жататын ірі ақуыз киназаларының жұбы құрайды. Барлық ДНҚ зақымдану реакциясына ATM немесе ATR қажет, өйткені олар ДНҚ зақымдану орнындағы хромосомаларға, сонымен қатар ДНҚ зақымдану реакциясының компоненттері мен ДНҚ жөндеу кешендері құрастырылатын платформалар болып табылатын қосымша ақуыздармен байланыса алады. АТМ және АТР-ның маңызды төменгі бағытындағы нысанасы – p53, себебі ол ДНҚ зақымдануынан кейін апоптозды тудырады. Циклинге тәуелді киназа ингибиторы p21 p53-ке тәуелді және p53-ке тәуелсіз механизмдер арқылы индукцияланады және циклин/циклинге тәуелді киназа кешендерін деактивациялау арқылы G1/S және G2/M бақылау пунктінде жасуша циклін тоқтата алады.

After DNA damage, cell cycle checkpoints are activated. Checkpoint activation pauses the cell cycle and gives the cell time to repair the damage before continuing to divide. DNA damage checkpoints occur at the G1/S and G2/M boundaries. An intra S checkpoint also exists. Checkpoint activation is controlled by two master kinases, ATM and ATR. ATM 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, and 53BP1 has also been identified. These proteins seem to be required for transmitting the checkpoint activation signal to downstream proteins. DNA damage checkpoint is a signal transduction pathway that blocks cell cycle progression in G1, G2 and metaphase and slows down the rate of S phase progression when DNA is damaged. It leads to a pause in cell cycle allowing the cell time to repair the damage before continuing to divide. Checkpoint Proteins can be separated into four groups: phosphatidylinositol 3 kinase (PI3K) like protein kinase, proliferating cell nuclear antigen (PCNA) like group, two serine/threonine(S/T) kinases and their adaptors. Central to all DNA damage induced checkpoints responses is a pair of large protein kinases belonging to the first group of PI3K like protein kinases the ATM (Ataxia telangiectasia mutated) and ATR (Ataxia and Rad related) kinases, whose sequence and functions have been well conserved in evolution. All DNA damage response requires either ATM or ATR because they have the ability to bind to the chromosomes at the site of DNA damage, together with accessory proteins that are platforms on which DNA damage response components and DNA repair complexes can be assembled. An important downstream target of ATM and ATR is p53, as it is required for inducing apoptosis following DNA damage. The cyclin dependent kinase inhibitor p21 is induced by both p53 dependent and p53 independent mechanisms and can arrest the cell cycle at the G1/S and G2/M checkpoints by deactivating cyclin/cyclin dependent kinase complexes.

Прокариоттық СОС реакциясы

SOS-жауап – кең ауқымды ДНК зақымдануына жауап ретінде Escherichia coli және басқа бактериялардағы ген экспрессиясының өзгеруі. Прокариоттық SOS жүйесі екі негізгі белокпен реттеледі: LexA және RecA. LexA гомодимері – транскрипциялық репрессор, ол SOS қораптары деп аталатын оператор тізбектеріне байланысады. Escherichia coli-де LexA-ның lexA және recA гендерін қоса алғанда, шамамен 48 геннің транскрипциясын реттейтіні белгілі. SOS-жауап бактериялар доменінде кең таралған, бірақ кейбір бактериялық филаларда, мысалы спирохеттерде, ол көбінесе кездеспейді. SOS-жауапты белсендіретін ең көп таралған жасушалық сигналдар – бұл тоқтап қалған репликациялық бұрандалардан немесе қос тізбектің үзілуінен туындайтын бір тізбекті ДНК (ssDNA) аймақтары, олар екі ДНК тізбегін бөлу үшін ДНК геликазасымен өңделеді. ДНК зақымдануы полимеразалар немесе рекомбинация арқылы жөнделген немесе айналып өткеннен кейін жасушалардағы бір тізбекті ДНК мөлшері азаяды, RecA жіпшелерінің мөлшері төмендеп, LexA гомодимерінің кесу белсенділігі төмендейді, содан кейін ол промоторлар жанындағы SOS қораптарына байланысып, қалыпты ген экспрессиясын қалпына келтіреді.

Эукариотикалық транскрипциялық реакциялар ДНК зақымдануына

ДНК-ны зақымдайтын факторларға ұшыраған эукариотикалық жасушалар ДНК-ны жөндеуге, жасуша циклының бақылау бекеттеріне, ақуыздардың тасымалдануына және ыдырауына қатысатын көптеген белоктарды индукциялап, маңызды қорғаныс жолдарын белсендіреді. Мұндай геномдық ауқымды транскрипциялық жауап өте күрделі және қатаң реттеледі, бұл зақымдануға үйлесімді жаһандық жауап беруге мүмкіндік береді. Saccharomyces cerevisiae ашытқысын ДНК-ны зақымдайтын факторларға ұшыратудың нәтижесінде біртекті, бірақ ерекше транскрипциялық профильдер пайда болады. Экологиялық стресс жауабына ұқсастық, транскрипциялық белсендіру деңгейінде жалпы жаһандық стресс жауабы жолының бар екенін көрсетеді. Керісінше, адам жасушаларының әртүрлі типтері зақымдануға әртүрлі жауап береді, бұл жалпы жаһандық жауаптың жоқтығын көрсетеді. Ашытқы мен адам жасушалары арасындағы осы айырмашылықтың себебі сүтқоректілер жасушаларының гетерогенділігі болуы мүмкін. Жануарда әртүрлі жасушалар түрлі мүшелерде орналасқан, олар ДНК зақымдануына әртүрлі сезімталдық дамытқан. Жалпы алғанда, ДНК зақымдануына жаһандық жауап беруге репликациядан кейінгі жөндеуге, гомологты рекомбинацияға, нуклеотидтерді эксцизиялық жөндеуге, ДНК зақымдануын тексеру бекеттеріне, жаһандық транскрипциялық белсендіруге, мРНК ыдырауын бақылайтын гендерге және тағы да басқаларына жауапты көптеген гендердің экспрессиясы қатысады. Жасушаға көп мөлшерде зақым келген жағдайда, ол маңызды шешімге келуі керек: апоптозға ұшырап өлу, немесе өзгертілген геноммен тіршілік ету. Зақымдануға төзімділіктің жоғарылауы тіршілік ету мүмкіндігінің артуына алып келуі мүмкін, бұл мутациялардың жиналуына жағдай жасайды. Ашытқы Rev1 және адам полимеразасы η – Y отбасылық транслезиялық ДНК полимеразаларының мүшелері, олар ДНК зақымдануына жаһандық жауап беру кезінде болады және эукариоттарда ДНК зақымдануына жаһандық жауап беру кезінде мутагенезді күшейтуге жауапты. Сол сияқты, ДНК спиральдерін айналдыратын маңызды жөндеу және транскрипция ақуыздары жетіспейтін егешқұйрықтарда қартаюмен байланысты аурулар ертерек пайда болады, нәтижесінде өмір сүру ұзақтығы қысқарады. Дегенмен, әр ДНК жөндеу жетіспеушілігі әрқашан күтілген әсерлерді тудырмайды; NER жолы жетіспейтін егешқұйрықтарда мутация деңгейінің артуына қарамастан, өмір сүру ұзақтығы қысқарды. Егешқұйрықтардың, жалаңаш тышқандардың және адамдардың максималды өмір сүру ұзақтығы тиісінше ~3, ~30 және ~129 жылды құрайды. Олардың ішінде ең аз өмір сүретін түрі – егешқұйрық, ДНК жөндеу гендерін, соның ішінде бірнеше ДНК жөндеу жолдарының негізгі гендерін, адамдар мен жалаңаш тышқандарға қарағанда төмен деңгейде экспресс жасайды.

Eukaryotic cells exposed to DNA damaging agents also activate important defensive pathways by inducing multiple proteins involved in DNA repair, cell cycle checkpoint control, protein trafficking and degradation. Such genome wide transcriptional response is very complex and tightly regulated, thus allowing coordinated global response to damage. Exposure of yeast Saccharomyces cerevisiae to DNA damaging agents results in overlapping but distinct transcriptional profiles. Similarities to environmental shock response indicates that a general global stress response pathway exist at the level of transcriptional activation. In contrast, different human cell types respond to damage differently indicating an absence of a common global response. The probable explanation for this difference between yeast and human cells may be in the heterogeneity of mammalian cells. In an animal different types of cells are distributed among different organs that have evolved different sensitivities to DNA damage. In general global response to DNA damage involves expression of multiple genes responsible for postreplication repair, homologous recombination, nucleotide excision repair, DNA damage checkpoint, global transcriptional activation, genes controlling mRNA decay, and many others. A large amount of damage to a cell leaves it with an important decision: undergo apoptosis and die, or survive at the cost of living with a modified genome. An increase in tolerance to damage can lead to an increased rate of survival that will allow a greater accumulation of mutations. Yeast Rev1 and human polymerase η are members of Y family translesion DNA polymerases present during global response to DNA damage and are responsible for enhanced mutagenesis during a global response to DNA damage in eukaryotes. In similar manner, mice deficient in a key repair and transcription protein that unwinds DNA helices have premature onset of aging related diseases and consequent shortening of lifespan. However, not every DNA repair deficiency creates exactly the predicted effects; mice deficient in the NER pathway exhibited shortened life span without correspondingly higher rates of mutation. The maximum life spans of mice, naked mole rats and humans are respectively ~3, ~30 and ~129 years. Of these, the shortest lived species, mouse, expresses DNA repair genes, including core genes in several DNA repair pathways, at a lower level than do humans and naked mole rats.

Ұзақ өмір сүру және калорияны шектеу

Бірқатар жеке гендер организмдер популяциясында өмір сүру ұзақтығының өзгеруіне әсер ететіні анықталды. Бұл гендердің әсері қоршаған ортаға, әсіресе организмнің тамақтануына күшті тәуелді. Калорияны шектеу әртүрлі организмдерде өмір сүру ұзақтығының артуына әкеледі, бұл қоректік заттарды сезу жолдары және метаболизм жылдамдығының төмендеуі арқылы болуы мүмкін. Мұндай шектеудің ұзақ өмір сүруге қалай әкелетінін түсіндіретін молекулалық механизмдер әлі толыққанды анықталған жоқ (кейбір талқылауларға қараңыз); алайда, ДНК-ны жөндеуге қатысатын көптеген гендердің қызметі калориялық шектеу жағдайында өзгереді. Қартаюға қарсы қасиеттері бар бірнеше заттар метаболикалық белсенділіктің төмендеуіне дәлел болатын mTOR сигнализациясының базалық деңгейін төмендетіп, сонымен бірге эндогендік реактивті оттегі түрінен туындаған ДНК зақымдануының базалық деңгейін де азайтады. Мысалы, Caenorhabditis elegans нематод құртында ДНК-ның жиналуын реттейтін SIR 2 генінің гендік дозасын арттыру өмір сүру мерзімін едәуір ұзарта алады. SIR 2 генінің сүтқоректілердегі гомологы NHEJ процесіне қатысатын ДНК-ны жөндеу факторларын белсендіргені белгілі, бұл белсенділік калориялық шектеу жағдайында одан да артады. Калориялық шектеу кеміргіштердің ядролық ДНК-сындағы базалық экзизиялық жөндеу жылдамдығымен тығыз байланысты, бірақ митохондриялық ДНК-да сондай әсерлер байқалған жоқ. C. elegans AGE 1 гені, ДНК-ны жөндеу жолдарының жоғары деңгейдегі эффекторы, еркін тамақтану кезінде өмір сүру ұзақтығын едәуір арттырады, бірақ калориялық шектеу кезінде репродуктивті қабілеттің төмендеуіне әкеледі. Бұл байқау қартаюдың биологиялық себептерінің плейотропия теориясын қолдайды, ол өмірдің басында үлкен тіршілік ету артықшылығын беретін гендер, тіпті олар өмірдің соңында сәйкес келетін кемшіліктерге ие болса да, таңдап алынады деп болжайды.

Қатерлі ісік

ДНҚ жөндеу механизмдерінің туа біткен шектеулеріне байланысты, егер адамдар жеткілікті ұзақ өмір сүрсе, олардың барлығының дені қатерлі ісікке шалдығады. Қатерлі ісік қаупін арттыратын кем дегенде 34 мутацияланған адам ДНК жөндеу гені бар. Көптеген мутациялар ДНК жөндеуді қалыпты деңгейден төмендетеді. Атап айтқанда, тұқым қуалайтын полипозсыз ішек қатерлі ісігі (HNPCC) ДНК сәйкессіздіктерін жөндеу жолындағы нақты мутациялармен тығыз байланысты. BRCA1 және BRCA2 – бұл екі маңызды ген, олардың мутациялары тасымалдаушыларда сүт безі қатерлі ісігінің қаупін күрт арттырады, және олардың екеуі де ДНК жөндеу жолдарымен, әсіресе NHEJ және гомологты рекомбинациямен байланысты. Химиятерапия және радиотрапия сияқты қатерлі ісікке қарсы емдеу процедуралары жасушаның ДНК зақымдалуын жөндеу қабілетін жою арқылы жасуша өліміне әкеледі. Ең жылдам бөлінетін жасушалар – көбінесе қатерлі ісік жасушалары – ең көп зардап шегеді. Бұл емдеудің жанама әсері ретінде, ішек, тері және гематопоэздік жүйедегі прогениторлық жасушалар сияқты қатерлі емес, бірақ тез бөлінетін жасушалар да зардап шегеді. Қазіргі заманғы қатерлі ісік емдеуі физикалық (терапиялық агентті ісік аймағына шоғырландыру) немесе биохимиялық (денедегі қатерлі ісік жасушаларына тән ерекшеліктерді пайдалану) жолдармен қатерлі ісікпен байланысты жасушалар мен тіндерге ДНК зақымдалуын локализациялауға тырысады. ДНК зақымдануға жауап беретін гендерді бағыттайтын емдеулер контекстінде соңғы тәсіл «синтетикалық өлім» деп аталады. Осы «синтетикалық өлімге» әкелетін дәрілердің ең танымал мысалы – поли(ADP-рибоза) полимераза 1 (PARP1) ингибиторы олапариб, ол 2015 жылы BRCA мутациясы бар жұмыртқа безі қатерлі ісігімен ауырған әйелдерді емдеу үшін АҚШ Азық-дәрі басқармасымен мақұлданған. ДНК зақымдану реакциясының ішінара жоғалған ісік жасушалары (әсіресе гомологты рекомбинация жөндеу) PARP1 генінің өнімінен тұратын бір тал сызықты үзілісті жөндеу сияқты басқа механизмге тәуелді. Олапариб бірге қолданылатын химиотерапия тудырған ДНК зақымдануынан туындаған бір тал сызықты үзілісті жөндеуді тежеу үшін химиотерапиямен бірге қолданылады. Бұл қалдық ДНК жөндеу механизміне сүйенетін ісік жасушалары зақымдалуды жөндеуге және осылайша тірі қалуға және көбейуге қабілетсіз, ал қалыпты жасушалар жұмыс істейтін гомологты рекомбинация механизмімен зақымдалуды жөндеуге қабілетті. Қатерлі ісіктерде жиі кездесетін басқа қалдық ДНК жөндеу механизмдеріне қарсы қолданылатын көптеген басқа да препараттар қазіргі уақытта зерттеліп жатыр. Алайда, ДНК зақымдану реакциясы жолдарының қайта құрылуы және бұрын тежелген ақаулардың қалпына келтірілуі арқылы туындаған резистенттіліктің пайда болуына байланысты синтетикалық өлім терапиялық тәсілдері күмәнді болып табылады.

Because of inherent limitations in the DNA repair mechanisms, if humans lived long enough, they would all eventually develop cancer. There are at least 34 Inherited human DNA repair gene mutations that increase cancer risk. Many of these mutations cause DNA repair to be less effective than normal. In particular, Hereditary nonpolyposis colorectal cancer (HNPCC) is strongly associated with specific mutations in the DNA mismatch repair pathway. BRCA1 and BRCA2, two important genes whose mutations confer a hugely increased risk of breast cancer on carriers, are both associated with a large number of DNA repair pathways, especially NHEJ and homologous recombination. Cancer therapy procedures such as chemotherapy and radiotherapy work by overwhelming the capacity of the cell to repair DNA damage, resulting in cell death. Cells that are most rapidly dividing – most typically cancer cells – are preferentially affected. The side effect is that other non cancerous but rapidly dividing cells such as progenitor cells in the gut, skin, and hematopoietic system are also affected. Modern cancer treatments attempt to localize the DNA damage to cells and tissues only associated with cancer, either by physical means (concentrating the therapeutic agent in the region of the tumor) or by biochemical means (exploiting a feature unique to cancer cells in the body). In the context of therapies targeting DNA damage response genes, the latter approach has been termed 'synthetic lethality'. Perhaps the most well known of these 'synthetic lethality' drugs is the poly(ADP ribose) polymerase 1 (PARP1) inhibitor olaparib, which was approved by the Food and Drug Administration in 2015 for the treatment in women of BRCA defective ovarian cancer. Tumor cells with partial loss of DNA damage response (specifically, homologous recombination repair) are dependent on another mechanism – single strand break repair – which is a mechanism consisting, in part, of the PARP1 gene product. Olaparib is combined with chemotherapeutics to inhibit single strand break repair induced by DNA damage caused by the co administered chemotherapy. Tumor cells relying on this residual DNA repair mechanism are unable to repair the damage and hence are not able to survive and proliferate, whereas normal cells can repair the damage with the functioning homologous recombination mechanism. Many other drugs for use against other residual DNA repair mechanisms commonly found in cancer are currently under investigation. However, synthetic lethality therapeutic approaches have been questioned due to emerging evidence of acquired resistance, achieved through rewiring of DNA damage response pathways and reversion of previously inhibited defects.

Ісікке әсер ететін эпигендік ДНҚ-ның жөндеу ақаулары

Кәдімгідей, қатерлі ісік – ісік тежегіш гендер мен онкогендердегі мутациялар және хромосомалық аберрациялар сияқты прогрессивті генетикалық аномалиялармен туындайтын аурулар жиынтығы ретінде қарастырылып келді. Дегенмен, қатерлі ісікке эпигенетикалық өзгерістердің де ықпал ететіні анықталды. Эпигенетикалық өзгерістер – нуклеотидтік тізбек өзгермейтін геномға қатысты функционалдық маңызды модификацияларды білдіреді. Мұндай модификациялардың мысалдары: ДНК метилирлеуіндегі (гиперметилдеу және гипометилдеу) және гистон модификациясындағы өзгерістер, хромосомалық архитектурадағы өзгерістер (HMGA2 немесе HMGA1 сияқты ақуыздардың тиісті экспрессиясынан туындаған) және микроРНК-лардың нәтижесінде болатын өзгерістер. Эпигенетикалық өзгерістердің әрқайсысы ДНК тізбегін өзгертпей ген экспрессиясын реттеуге қызмет етеді. Бұл өзгерістер әдетте жасуша бөлінулері арқылы сақталады, бірнеше жасуша ұрпақтарына дейін жалғасады және эпимутациялар (мутациялармен тең) деп есептеледі. Қатерлі ісіктерде көптеген эпигенетикалық өзгерістер табылғанмен, ДНК жөндеу гендеріндегі эпигенетикалық өзгерістер, ДНК жөндеу ақуыздарының экспрессиясын төмендетуге алып келетін өзгерістер, ерекше маңызды болып көрінеді. Мұндай өзгерістер қатерлі ісікке қарай дамудың ерте кезеңдерінде пайда болады және қатерлі ісіктерге тән генетикалық тұрақсыздықтың ықтимал себебі болып саналады. ДНК жөндеу гендерінің экспрессиясының төмендеуі ДНК жөндеудің жеткіліксіздігіне әкеледі. ДНК жөндеу жеткіліксіз болғанда, ДНК зақымдануы жасушаларда қалыпты деңгейден жоғары болады, ал бұл артық зақымданулар мутациялар немесе эпимутациялар жиілігінің артуына себеп болады. ДНК сәйкессіздігін қалпына келтіру немесе гомологтық рекомбинациялық жөндеу (ГРР) кезінде ақаулы жасушаларда мутация деңгейі айтарлықтай жоғарылайды. Хромосомалық реорганизациялар мен анеуплоидия да ГРР ақаулы жасушаларында көбейеді. ДНК зақымдануының жоғары деңгейі мутацияның ғана емес, сонымен қатар эпимутацияның да артуына әкеледі. ДНК екі жіпті үзілістерін немесе басқа ДНК зақымдануларын жөндеу кезінде, толық тазартылмаған жөндеу орындары эпигенетикалық геннің үндеуіне себеп болуы мүмкін. Мұрагерлік мутацияға байланысты ДНК жөндеу ақуыздарының жеткіліксіздігі қатерлі ісікке шалдығу қаупін арттырады. 34 ДНК жөндеу гендерінің кез келгенінде мұрагерлік бұзылылығы бар адамдарда (ДНК жөндеу жетіспеушілігі бұзылысы туралы мақаланы қараңыз) қатерлі ісікке шалдығу қаупі жоғары, ал кейбір ақаулар өмір бойы қатерлі ісікке шалдығу ықтималдығын 100%-ға дейін арттырады (мысалы, p53 мутациялары). Алайда, мұндай миогендік мутациялар (өте жоғары қанағаттандыратын қатерлі ісік синдромына әкелетін) қатерлі ісік ауруларының шамамен 1 пайызының себебін құрайды.

Classically, cancer has been viewed as a set of diseases that are driven by progressive genetic abnormalities that include mutations in tumour suppressor genes and oncogenes, and chromosomal aberrations. However, it has become apparent that cancer is also driven by epigenetic alterations. Epigenetic alterations refer to functionally relevant modifications to the genome that do not involve a change in the nucleotide sequence. Examples of such modifications are changes in DNA methylation (hypermethylation and hypomethylation) and histone modification, changes in chromosomal architecture (caused by inappropriate expression of proteins such as HMGA2 or HMGA1) and changes caused by microRNAs. Each of these epigenetic alterations serves to regulate gene expression without altering the underlying DNA sequence. These changes usually remain through cell divisions, last for multiple cell generations, and can be considered to be epimutations (equivalent to mutations). While large numbers of epigenetic alterations are found in cancers, the epigenetic alterations in DNA repair genes, causing reduced expression of DNA repair proteins, appear to be particularly important. Such alterations are thought to occur early in progression to cancer and to be a likely cause of the genetic instability characteristic of cancers. Reduced expression of DNA repair genes causes deficient DNA repair. When DNA repair is deficient DNA damages remain in cells at a higher than usual level and these excess damages cause increased frequencies of mutation or epimutation. Mutation rates increase substantially in cells defective in DNA mismatch repair or in homologous recombinational repair (HRR). Chromosomal rearrangements and aneuploidy also increase in HRR defective cells. Higher levels of DNA damage not only cause increased mutation, but also cause increased epimutation. During repair of DNA double strand breaks, or repair of other DNA damages, incompletely cleared sites of repair can cause epigenetic gene silencing. Deficient expression of DNA repair proteins due to an inherited mutation can cause increased risk of cancer. Individuals with an inherited impairment in any of 34 DNA repair genes (see article DNA repair deficiency disorder) have an increased risk of cancer, with some defects causing up to a 100% lifetime chance of cancer (e. g. p53 mutations). However, such germline mutations (which cause highly penetrant cancer syndromes) are the cause of only about 1 percent of cancers.

ДНК-ны жөндеу гендеріндегі эпимутация жиілігі

ДНК-ны жөндеу ферменттерінің жетіспеушілігі кейде ДНК-ны жөндеу генінде жаңа пайда болған соматикалық мутациядан туындайды, бірақ көбінесе ДНК-ны жөндеу гендерінің экспрессиясын төмендетіп немесе тоқтатып тастайтын эпигенетикалық өзгерістерден болады. Мысалы, 113 колоректальды қатерлі ісіктерді зерттегенде, тек төртеуінде ғана ДНК-ны жөндеу гені MGMT-де қате мутация табылды, ал көпшілігі MGMT промотор аймағының метилирленуінен MGMT экспрессиясының төмендеуіне байланысты болды (эпигенетикалық өзгеріс). Бес түрлі зерттеуде колоректальды қатерлі ісіктердің 40%-дан 90%-ына дейін MGMT промотор аймағының метилирленуінен MGMT экспрессиясы төмендегені анықталды. Сол сияқты, PMS2 генінің экспрессиясы жоқ, ДНК жөндеуге кемістігі бар 119 колоректальды қатерлі ісіктің 6 жағдайында PMS2 генінің мутацияларына байланысты PMS2 жетіспеушілігі болды, ал 103 жағдайда PMS2 экспрессиясы жетіспеушілігіне себеп – оның жұптас серігі MLH1 промотор метилирленуіне байланысты бас тарту болды (MLH1 болмағанда PMS2 протеині тұрақсыз). Қалған 10 жағдайда PMS2 экспрессиясының жоғалуы, ықтималда, MLH1-ді төмендетіп реттейтін микроРНК, miR 155-тің эпигенетикалық экспрессиясының артуына байланысты болды. Тағы бір мысал келтерсек, эпигенетикалық ақаулар әртүрлі қатерлі ісіктерде (мысалы, сүт безі, жұмыртқа безі, колоректальды және бас пен мойын қатерлі ісіктері) анықталды. Facista және авторлар бағалаған 49 ішек қатерлі ісігінің көпшілігінде ERCC1, XPF немесе PMS2 экспрессиясының жетіспеушілігінің екі немесе үш жағдайы бір уақытта кездеседі. Осы бөлімдегі кестеде ДНК-ны зақымдайтын жиі кездесетін агенттер, олардың тудыратын ДНК зақымдануларының мысалдары және осы ДНК зақымдануларын жою жолдары көрсетілген. Кем дегенде 169 фермент тікелей ДНК-ны жөндеуге қатысады немесе ДНК-ны жөндеу процестеріне әсер етеді. Олардың 83-і тікелей кестеде көрсетілген 5 түрлі ДНК зақымдануын қалпына келтіруге жұмсалады. Осы жөндеу процестерінің негізгі бөлігін құрайтын, жақсы зерттелген гендердің кейбіреулері кестеде көрсетілген. Гендердің қызыл, сұр немесе көк түсті атаулары әртүрлі қатерлі ісіктерде эпигенетикалық өзгеріске ұшыраған гендерді көрсетеді. Қызыл, сұр немесе көк түсті гендердің әрқайсысы туралы Уикипедия мақалалары эпигенетикалық өзгерістерді және осы эпимутациялардың кездесетін қатерлі ісіктерін сипаттайды. Шолу мақалалары мен кең эксперименталды зерттеу мақалалары да қатерлі ісіктердегі эпигенетикалық ДНК-ның осы жетіспеушіліктерін растайды. Қызыл түсті гендер әртүрлі қатерлі ісіктерде эпигенетикалық механизмдермен жиі төмендетіледі немесе тоқтатылады. Бұл гендердің экспрессиясы төмен немесе жоқ болса, ДНК зақымдануы жинақталуы мүмкін. Осы зақымданудан кейінгі репликациялық қателер (транслезиялық синтезге қараңыз) мутациялардың көбеюіне және, әрі қарай, қатерлі ісікке әкелуі мүмкін. ДНК-ны жөндеу жолдарының эпигенетикалық қысылуы канцерогенездің орталық факторы болып көрінеді. Екі сұр түсті RAD51 және BRCA2 гендері гомологтық рекомбинациялық жөндеу үшін қажет. Кейде олар эпигенетикалық жағынан асып түседі, ал кейде белгілі бір қатерлі ісіктерде экспрессиясы төмендейді. RAD51 және BRCA2 туралы Уикипедия мақалаларында көрсетілгендей, мұндай қатерлі ісіктерде әдетте басқа ДНК-ны жөндеу гендеріндегі эпигенетикалық кемшіліктер болады. Жөндеудің бұл кемшіліктері ДНК зақымдануының артуына себеп болуы мүмкін. Бұл қатерлі ісіктерде байқалатын RAD51 және BRCA2 экспрессиясының артуы өтемақылық RAD51 немесе BRCA2 экспрессиясын және осындай артық ДНК зақымдануларын жою үшін гомологтық рекомбинациялық жөндеуді күшейтуге арналған селекциялық қысымды көрсетеді. RAD51 немесе BRCA2 экспрессиясы төмен болған жағдайда, бұл өзі ДНК зақымдануының артуына әкеледі. Бұл зақымданудан кейінгі репликациялық қателер (транслезиялық синтезге қараңыз) мутациялар мен қатерлі ісіктің көбеюіне әкелуі мүмкін, сондықтан RAD51 немесе BRCA2 экспрессиясының төмендеуі өзіндік канцерогенді болады. Көк түсті гендер микрогомология арқылы аяқталатын жалғау (MMEJ) жолында және қатерлі ісіктерде жоғары реттеледі. MMEJ – қос жіпті үзілістерді жөндеудің қатеге бейім, дәл емес қосымша жолы. MMEJ жөндеу кезінде екі жіптің үзілуін түзету үшін екі жұптасқан жіптердің арасындағы 5–25 қосымша негіз жұптарының гомологиясы жеткілікті, бірақ сәйкес келмейтін ұштары (жапырақтар) көбінесе болады. MMEJ жіптер қосылған жерде артық нуклеотидтерді (жапырақтарды) жояды, содан кейін ДНК-ның тұтас қос спиралін жасау үшін жіптерді байланыстырады. MMEJ көбінесе кем дегенде кішкентай жойылған бөлікті қамтиды, сондықтан ол мутагендік жол болып табылады. простата, асқазан, нейробластома, бүйрек безі және өкпе. PARP1-дің де промотор аймағы ETS сайты эпигенетикалық гипометилденгенде экспрессиясы артады, бұл эндометрийлік қатерлі ісікке және BRCA мутацияланған серозды жұмыртқа безі қатерлі ісігіне прогрессияға ықпал етеді. MMEJ жолындағы басқа гендер де бірқатар қатерлі ісіктерде экспрессиясы артады (қорытынды үшін MMEJ қараңыз) және көк түспен көрсетілген.

Deficiencies in DNA repair enzymes are occasionally caused by a newly arising somatic mutation in a DNA repair gene, but are much more frequently caused by epigenetic alterations that reduce or silence expression of DNA repair genes. For example, when 113 colorectal cancers were examined in sequence, only four had a missense mutation in the DNA repair gene MGMT, while the majority had reduced MGMT expression due to methylation of the MGMT promoter region (an epigenetic alteration). Five different studies found that between 40% and 90% of colorectal cancers have reduced MGMT expression due to methylation of the MGMT promoter region. Similarly, out of 119 cases of mismatch repair deficient colorectal cancers that lacked DNA repair gene PMS2 expression, PMS2 was deficient in 6 due to mutations in the PMS2 gene, while in 103 cases PMS2 expression was deficient because its pairing partner MLH1 was repressed due to promoter methylation (PMS2 protein is unstable in the absence of MLH1). In the other 10 cases, loss of PMS2 expression was likely due to epigenetic overexpression of the microRNA, miR 155, which down regulates MLH1. In a further example, epigenetic defects were found in various cancers (e. g. breast, ovarian, colorectal and head and neck). Two or three deficiencies in the expression of ERCC1, XPF or PMS2 occur simultaneously in the majority of 49 colon cancers evaluated by Facista et al. The chart in this section shows some frequent DNA damaging agents, examples of DNA lesions they cause, and the pathways that deal with these DNA damages. At least 169 enzymes are either directly employed in DNA repair or influence DNA repair processes. Of these, 83 are directly employed in repairing the 5 types of DNA damages illustrated in the chart. Some of the more well studied genes central to these repair processes are shown in the chart. The gene designations shown in red, gray or cyan indicate genes frequently epigenetically altered in various types of cancers. Wikipedia articles on each of the genes highlighted by red, gray or cyan describe the epigenetic alteration(s) and the cancer(s) in which these epimutations are found. Review articles, and broad experimental survey articles also document most of these epigenetic DNA repair deficiencies in cancers. Red highlighted genes are frequently reduced or silenced by epigenetic mechanisms in various cancers. When these genes have low or absent expression, DNA damages can accumulate. Replication errors past these damages (see translesion synthesis) can lead to increased mutations and, ultimately, cancer. Epigenetic repression of DNA repair genes in accurate DNA repair pathways appear to be central to carcinogenesis. The two gray highlighted genes RAD51 and BRCA2, are required for homologous recombinational repair. They are sometimes epigenetically over expressed and sometimes under expressed in certain cancers. As indicated in the Wikipedia articles on RAD51 and BRCA2, such cancers ordinarily have epigenetic deficiencies in other DNA repair genes. These repair deficiencies would likely cause increased unrepaired DNA damages. The over expression of RAD51 and BRCA2 seen in these cancers may reflect selective pressures for compensatory RAD51 or BRCA2 over expression and increased homologous recombinational repair to at least partially deal with such excess DNA damages. In those cases where RAD51 or BRCA2 are under expressed, this would itself lead to increased unrepaired DNA damages. Replication errors past these damages (see translesion synthesis) could cause increased mutations and cancer, so that under expression of RAD51 or BRCA2 would be carcinogenic in itself. Cyan highlighted genes are in the microhomology mediated end joining (MMEJ) pathway and are up regulated in cancer. MMEJ is an additional error prone inaccurate repair pathway for double strand breaks. In MMEJ repair of a double strand break, an homology of 5–25 complementary base pairs between both paired strands is sufficient to align the strands, but mismatched ends (flaps) are usually present. MMEJ removes the extra nucleotides (flaps) where strands are joined, and then ligates the strands to create an intact DNA double helix. MMEJ almost always involves at least a small deletion, so that it is a mutagenic pathway. prostate, stomach, neuroblastomas, pancreas, and lung. PARP1 is also over expressed when its promoter region ETS site is epigenetically hypomethylated, and this contributes to progression to endometrial cancer and BRCA mutated serous ovarian cancer. Other genes in the MMEJ pathway are also over expressed in a number of cancers (see MMEJ for summary), and are also shown in cyan.

Адамның соматикалық жасушаларындағы ДНК-ның бүлінуінің бүкіл геномдық үлестірілуі

Адам геномының әртүрлі аймақтарында ДНҚ жөндеу жолдарының әртүрлі активтігі мутациялардың ісік геномдарында өте теңсіз таралуына себеп болады. Атап айтқанда, генге бай, ерте көбейтілетін адам геномының аймақтары, генге кедей, кеш көбейтілетін гетерохроматинге қарағанда төмен мутация жиілігін көрсетеді. Бұл құбылыстың бір механизмі H3K36me3 гистон модификациясымен байланысты, ол қателерді түзетуші ақуыздарды тарта алады, соның салдарынан H3K36me3 белгіленген аймақтарда мутация деңгейі төмендейді. Тағы бір маңызды механизм нуклеотидтерді жою жөндеуімен байланысты, ол транскрипция машинасымен байланыстырылып, белсенді гендерде соматикалық мутация деңгейін төмендетеді.

ДНҚ-ның қалпына келуіне байланысты эпигенетикалық өзгерістер

ДНҚ зақымдануы өте жиі кездеседі және үнемі жөнделеді. Эпигенетикалық өзгерістер ДНҚ-ның тотығу зақымдануын немесе екі жіптің үзілуін жөндеумен қатар жүруі мүмкін. Адам жасушаларында тотықтырғыш ДНҚ зақымдануы күніне шамамен 10 000 рет, ал соматикалық көбейіп жатқан жасушаларда ДНҚ екі жіптің үзілуі бір жасуша циклінде 10-50 рет болады (ДНҚ зақымдануы (табиғи түрде пайда болатын) бөлімін қараңыз). ДНҚ жөндеудің таңдау артықшылығы – жасушаның ДНҚ зақымдануына қарамастан тірі қалуына мүмкіндік беру. ДНҚ жөндеу кезінде пайда болатын эпигенетикалық өзгерістердің таңдау артықшылығы әлі анық емес.

Окистенуші ДНҚ зақымдануын жөндеу эпигенетикалық маркерлерді өзгерте алады

Тұрақты күйде (эндогендік зақымданулар пайда болып, қалпына келтіріліп жатқанда) сүтқоректілердің орташа жасушалық ДНК-сында 8 оксо-2' дезоксигуанозин (8 OHdG) құрайтын окистенушілік зақымданудан зақымдалған шамамен 2400 гуанин бар. 8 OHdG ДНК-дағы окистену зақымдануларының шамамен 5% құрайды. Окистенген гуаниттер ДНК-дағы барлық гуаниттер арасында кездейсоқ кездеспейді. Гуанинді метилирленген CpG сайтында (цитозинді 5' → 3' бағыты бойынша гуанин соңынан еріп, цитозин метилирленген (5 mCpG) жерде) тізбекті таңдау бар. 5 mCpG сайтында гуанинді тотықтандыру үшін иондану потенциалы ең төмен. Окистенген гуанин жұптасу қабілетіне ие және мутагенді. Оксогуанин гликозилазасы (OGG1) – ДНК-ны жөндеу кезінде тотықталған гуанинді бөліп алу үшін жауапты негізгі фермент. OGG1 бірнеше секунд ішінде 8 OHdG-ны тауып, оған байланады. Алайда, OGG1 бірден 8 OHdG-ны бөліп алмайды. HeLa жасушаларында 8 OHdG-ның жартылай ең көп шығарылуы 30 минут ішінде, ал сәулеленген тышқандарда 8 OHdG ми бауырына индукцияланған жартылай шығарылуы 11 минут ішінде өтеді. H2O2-мен емделген жасушаларда BACE1 деген бір ген зерттелді. Бұл цитозиндердің метилирленуін (эпигенетикалық өзгерістерді) осы жерлерде күшейтуі мүмкін. Цзян және басқалар HEK 293 жасушаларын тотықтырғыш ДНК зақымдануын тудыратын заттармен (калий броматы (KBrO3) немесе калий хроматы (K2CrO4)) өңдеген. Окистену зақымдануының базалық экзизициялық жөндеуі (BER) ДНК-ны жөндеу ферменті полимераза бета окистенген гуанинге локализацияланады. Бета полимераза – окистенуші ДНҚ зақымдануының қысқа пластырдағы BER-дегі негізгі адам полимеразасы. Цзян және басқалар. Қос жіптің үзілуінің гомологтық рекомбинациялық жөндеу (HR) кезінде DNMT1 қатысуы екі жөнделген ДНК жіптерінің метилирленген цитозиндердің әртүрлі деңгейіне ие болуына әкеледі. Бір жіптегі метилдеу жиілігі оңдалған қос жіптің үзілуінен төменгі ағыстағы 21 CpG нүктесінде жиі болады. Басқа ДНК жіпшесінде екі жіпше бұзылғаннан кейін метилирленген шамамен алты CpG-ге метилирлеуден айырылып, екі жіпше бұзылғаннан кейін метилирленген шамамен бес CpG-ге метилирлеуден айырылып қалады. Хромосома қайталанған кезде, алдыңғы үзілу орнының төменгі жағында қатты метилирленген бір қыз хромосома пайда болады, ал алдыңғы үзілу орнының жоғары және төменгі жағында метилирленбеген бір хромосома пайда болады. Екі жіптің үзілуімен бұзылған геннің жартысы ұрпақ жасушаларында жоғары деңгейде экспрессия жасайды, ал қалған жартысында бұл геннің экспрессиясы басылады. Бұл жасушалардың клондары үш жыл бойы сақталғанда, жаңа метилирлеу үлгілері сол уақыт аралығында сақталды. CRISPR-ге негізделген гомологиялық рекомбинация инсертациясы бар тышқандарда екі жіптің үзілуіне байланысты инсертация кезінде CpG сайттарының метилирленуінің көп саны көбейген.

In the steady state (with endogenous damages occurring and being repaired), there are about 2,400 oxidatively damaged guanines that form 8 oxo 2' deoxyguanosine (8 OHdG) in the average mammalian cell DNA. 8 OHdG constitutes about 5% of the oxidative damages commonly present in DNA. The oxidized guanines do not occur randomly among all guanines in DNA. There is a sequence preference for the guanine at a methylated CpG site (a cytosine followed by guanine along its 5' → 3' direction and where the cytosine is methylated (5 mCpG)). A 5 mCpG site has the lowest ionization potential for guanine oxidation. Oxidized guanine has mispairing potential and is mutagenic. Oxoguanine glycosylase (OGG1) is the primary enzyme responsible for the excision of the oxidized guanine during DNA repair. OGG1 finds and binds to an 8 OHdG within a few seconds. However, OGG1 does not immediately excise 8 OHdG. In HeLa cells half maximum removal of 8 OHdG occurs in 30 minutes, and in irradiated mice, the 8 OHdGs induced in the mouse liver are removed with a half life of 11 minutes. In cells treated with H2O2, one particular gene was examined, BACE1. This could cause increased methylation of cytosines (epigenetic alterations) at these locations. Jiang et al. treated HEK 293 cells with agents causing oxidative DNA damage, (potassium bromate (KBrO3) or potassium chromate (K2CrO4)). Base excision repair (BER) of oxidative damage occurred with the DNA repair enzyme polymerase beta localizing to oxidized guanines. Polymerase beta is the main human polymerase in short patch BER of oxidative DNA damage. Jiang et al. During homologous recombinational repair (HR) of the double strand break, the involvement of DNMT1 causes the two repaired strands of DNA to have different levels of methylated cytosines. One strand becomes frequently methylated at about 21 CpG sites downstream of the repaired double strand break. The other DNA strand loses methylation at about six CpG sites that were previously methylated downstream of the double strand break, as well as losing methylation at about five CpG sites that were previously methylated upstream of the double strand break. When the chromosome is replicated, this gives rise to one daughter chromosome that is heavily methylated downstream of the previous break site and one that is unmethylated in the region both upstream and downstream of the previous break site. With respect to the gene that was broken by the double strand break, half of the progeny cells express that gene at a high level and in the other half of the progeny cells expression of that gene is repressed. When clones of these cells were maintained for three years, the new methylation patterns were maintained over that time period. In mice with a CRISPR mediated homology directed recombination insertion in their genome there were a large number of increased methylations of CpG sites within the double strand break associated insertion.

Гомологты емес ұшты біріктіру кейбір эпигенетикалық маркерлердің өзгеруіне әкелуі мүмкін

Гомолог емес соңымен біріктіру (NHEJ) арқылы қос жіптің үзілуін жөндеу, жөнделген қос жіптің үзілуінен кейін, бұрыннан бар цитозин ДНК метилирлеулерінің шағын мөлшерде деметилденуіне әкелуі мүмкін. Зерттеулер көрсетті, кейбір жасушаларда ДНК-ның қос жіпті үзілісін NHEJ арқылы жөндеу, бастапқы қос жіпті үзіліс орналасқан геннің экспрессиясын басуға, ал кейбір ұрпақ жасушаларында NHEJ жөндеуімен байланысты эпигенетикалық өзгерістерге байланысты сол геннің жоғары экспрессиясына алып келуі мүмкін. ДНК-ның қос жіпті үзілісін NHEJ арқылы жөндеуден кейін геннің экспрессиясын басуға себеп болатын эпигенетикалық өзгерістердің жиілігі шамамен 0,9% болуы мүмкін. Көптеген белок құрылымдық мотивтерінің тиісті химиялық реакцияларды катализдеу қабілеті, эволюция барысында жөндеу механизмдерін дамытуда маңызды рөл атқарды. ДНК жөндеу эволюциясына қатысты гипотезалардың ең толық шолуы үшін қараңыз. Қазбалық деректер көрсетіп тұрғандай, бір жасушалы тіршілік Прекамбрий кезеңінде планетада көбейе бастады, бірақ нақты заманауи тіршілік алғаш рет қашан пайда болғаны әлі анық емес. Нуклеин қышқылы генетикалық ақпаратты кодтаудың жалғыз және әмбебап құралы болды, сондықтан барлық қазіргі тіршілік формалары ортақ ата-бабаларынан ДНК жөндеу механизмдерін мұра етті. Фотосинтездік организмдердің әрекетінен Жердің оттегіге бай атмосферасының ( "оттегі апаты" деп аталады) пайда болуы, сондай-ақ окистенуші фосфорилирлеуге байланысты жасушадағы потенциалды зиянды еркін радикалдардың болуы, окистенуші стрестен туындайтын зақымдану түрлеріне қарсы күресе алатын ДНК жөндеу механизмдерінің эволюциясын қажет етті. Алайда, бұл қалай болғаны әлі белгісіз.

Эволюциялық өзгерістердің қарқыны

Кейде ДНК зақымдануы жөнделмейді немесе қателікке ұшырауға бейім механизм арқылы жөнделеді, нәтижесінде бастапқы тізбек өзгеріске ұшырайды. Мұндай жағдайда мутациялар клетканың ұрпақтарының геномдарына тарауы мүмкін. Егер мұндай оқиға гермдік клеткада орын алып, одан кейін гаметаға айналса, мутация ағзаның ұрпақтарына берілуі мүмкін. Белгілі бір түрдің (немесе белгілі бір геннің) эволюция жылдамдығы мутация жылдамдығымен анықталады. Осының салдарынан, ДНК жөндеу механизмдерінің жылдамдығы мен дәлдігі эволюциялық өзгерістер процесіне әсер етеді. ДНК зақымдануынан қорғау және жөндеу гендік реттеу, рекомбинация және аллельдерді іріктеу арқылы бейімделу жылдамдығына әсер етпейді. Алайда, ДНК зақымдануын жөндеу және қорғау, жөнделмейтін, пайдалы, кодты кеңейтетін, мұраға берілетін мутациялардың жинақталу жылдамдығына әсер етеді және жаңа мүмкіндіктерге ие организмдердің геномдарын кеңейтудің эволюциялық механизмін баяулатады. Эволюциялық мүмкіндік пен мутацияны жөндеу және қорғау арасындағы қақтығысты одан әрі зерттеу қажет.

Технология

2012 жылы кластерлі, үнемі араласқан қысқа палиндромдық қайталау (қысқаша CRISPR Cas9) деп аталатын технология ашылды. Бұл жаңа технология молекулалық биология білімі бар кез келген адамға нақты бір нүктеде ДНК зақымдауын тудырып, содан кейін ДНК жөндеу механизмдерін өзгерту арқылы жаңа гендерді қоюға мүмкіндік береді, осылайша кез келген түрдің гендерін дәл өзгертуге болады. Бұл технология басқа әдістерге қарағанда арзан, тиімді және дәл. CRISPR–Cas9 көмегімен ғалымдар геномның бөліктерін ДНК тізбегіндегі бөліктерді жою, қосу немесе өзгерту арқылы өңдей алады.