Кіріспе

Биологиялық молекуланың құрылымына келген зақым – молекулалық зақым немесе нүктелік зақым, ДНК, РНК немесе белок сияқты биологиялық молекуланың құрылымындағы бұзылу. Бұл зақым қалыпты функцияның төмендеуіне немесе жоғалуына, ал сирек жағдайларда жаңа функцияның пайда болуына алып келуі мүмкін. ДНК-дағы зақымдар спиральдің химиялық құрылымындағы үзілістер немесе басқа өзгерістер түрінде болуы мүмкін, бұл нәтижесінде транскрипцияға кедерес келтіреді. Ал белоктағы зақымдар бұзылған байланыстар мен аминқышқылы тізбегінің дұрыс бүгілмеуінен тұрады. Көптеген нуклеин қышқылы зақымдары ДНК және РНК үшін ортақ болғанымен, кейбіреулері біреуге ғана тән, мысалы, тимин димерлері тек ДНК-да ғана кездеседі. Зақымданудың салдарынан туындайтын тұрақты зақымды болдырмау үшін, жалпыдан арнайыға дейін әртүрлі жасушалық жөндеу механизмдері бар.

Себептер

Нуклеин қышқылының зақымдануының екі негізгі себебі бар: эндогендік және экзогендік факторлар. Эндогендік факторлар, немесе эндогения, организм ішінде туындайтын жағдайларды білдіреді. Бұл организм сыртынан түсетін экзогендік факторлардан өзгеше. ДНК және РНК зақымданулары эндогендік факторлардың әсерінен экзогендік факторларға қарағанда көбірек кездеседі.

Эндогендік факторлар

ДНК-ның нақты зақымдануының эндогендік көздеріне гидролиз, окистену, алкильдеу, ДНК негіздерінің сәйкессіздігі, депуринизация, депиримидинизация, қос жіптің үзілуі (DSS) және цитозиннің деаминациясы сияқты жолдар жатады. ДНК зақымдануы реактивті оттегі түрлері (ROS), реактивті азот түрлері (RNS), реактивті карбонил түрлері (RCS), липидтік пероксидация өнімдері, аддуктар және алкилдеуші агенттер сияқты белгілі бір қосылыстардың метаболикалық процестер арқылы шығарылуынан да туындауы мүмкін. ROS - ДНК зақымдануының негізгі эндогендік көздерінің бірі, ал ең көп зерттелген тотықтырғыш ДНК аддукты – 8-оксо dG. Басқа да белгілі аддуктар – этено, пропано және малондиалдегидтен алынған ДНК аддуктары. Липидтердің пероксидациясынан пайда болатын альдегидтер де ДНК-ға қосымша қауіп төндіреді. "Зақымды арттырушы" ақуыздар (DDP) сияқты ақуыздар, трансмембраналық тасымалдаушылар арқылы реактивті оттегінің мөлшерін ұлғайту, реплисомамен байланысу арқылы хромосомаларды жоғалту және транскрипция факторлары арқылы репликацияны тоқтату арқылы эндогендік ДНК зақымдануын күшейте алады. Әсіресе РНК зақымданулары үшін эндогендік зақымданудың ең көп тараған түрлері – окистену, алкильдеу және хлорлану. Фагоциттік жасушалар инфекциямен күресу үшін гипохлор қышқылы (HOCl), азот оксиді (NO•) және пероксинитрит (ONOO−) сияқты радикал түрлерін өндіреді, ал көптеген жасуша түрлері азот оксидін сигнал беру молекуласы ретінде пайдаланады. Дегенмен, бұл радикалды түрлер РНК зақымдануын тудыратын жолдарға да себеп болуы мүмкін.

Ультрафиолет сәулелері

Көк сәуле, әсіресе UVC және UVB сияқты иондамайтын, қысқа толқынды сәулелер, екі тимин молекуласы арасында синтез реакциясын бастау арқылы ДНК-ны тікелей зақымдайды. Соның нәтижесінде пайда болатын димер өте тұрақты. Оларды экзизиялық жөндеу арқылы жоюға болады, бірақ ультракөк сәулелердің зақымдауы кең болса, ДНК молекуласы толығымен бұзылып, жасуша өледі. Зақымдану тым ауыр болмаса, сау жасушалардан қатерлі ісікке дейін жететін немесе қатерлі жасушалар пайда болады.

Химиотерапиялық дәрілер

Химиотерапиялық препараттар қасақана ДНК зақымдауға шақырайды және қарқынды бөлінетін қатерлі жасушаларға бағытталған. Дегенмен, бұл дәрілер ауырған және сау жасушаларды ажырата алмайды, соның салдарынан қалыпты жасушалар да зақымданады.

Алкилдеуші заттар

Алкилдеуші заттар – химиялық терапияға қолданылатын препараттардың бір түрі, олар ДНК-ны зақымдау арқылы жасушаның митозға бөлінуіне кедергі келтіреді. Олар жасуша циклінің барлық фазаларында әсер етеді. Алкилдеуші заттарды қолдану сүйек кемігі жасушаларын зақымдау мүмкіндігінен лейкемияға алып келуі мүмкін. ДНК-ны зақымдайтын, қатерлі ісіктерге себеп болатын басқа факторларға асбест кіреді, ол ДНК-мен физикалық байланыс арқылы немесе реактивті оттегі түрлерін тудыру арқылы зақым келтіреді, сондай-ақ никельдің шамадан тыс әсері, ол ДНК зақымдануын қалпына келтіру жолдарын басады, және тағамда кездесетін афлатоксиндер жатады. Окистендіру тынысының қосалқы өнімдері реактивті түрлердің басты көзі болып табылады, олар жасушадағы окистендіру зақымдануларының базалық деңгейін құрайды. Бұл ДНК және РНК-ның екесіне де әсер етеді, және РНК-дағы окистендіру зақымданулары ДНК-ға қарағанда адамдарда жиірек кездесетіні анықталды. Бұл цитоплазмалық РНК-ның электрондық тасымалдау тізбегіне жақын орналасуымен байланысты болуы мүмкін. ДНК және РНК-да сипатталған белгілі окистендіру зақымдануларының саны көп, себебі тотыққан өнімдер тұрақсыз және тез жойылуы мүмкін. Гидроксил радикалдары мен синглеттік оттегі – осы зақымдануларға жауапты реактивті оттегі түрлерінің жиі кездесетін түрлері. 8-оксогуанин (8-оксоG) – РНК және ДНК-да таралған, жақсы сипатталған окистендіру зақымдануы. 8-оксоG-ның жиналуы митохондрияға ауыр зақым келтіруі мүмкін және қартаю процесінде маңызды рөл атқарады деп есептеледі. РНК тотығуы ақуыз өндірісіне тікелей әсер етеді. Окистендіру зақымдануына ұшыраған мРНК рибосомамен танылады, бірақ рибосома тоқтап, бұзылады. Бұл ақуыздардың экспрессиясының төмендеуіне немесе уысуына алып келеді, соның салдарынан олар жиналып, жалпы дисфункцияға ұшырайды.

Құрылымдық қайта құрулар

Депуринизация гидролиз нәтижесінде туындайды және нуклеин қышқылының пурин негізін жоғалтуға әкеледі. ДНҚ бұл процеске көбірек бейім, себебі депуринизация реакциясының аралық күйі РНҚ-дағыдан әлдеқайда жоғары энергияға ие. Таутомеризация – аминқышқылы мен нуклеин қышқылының қасиеттерінде маңызды рөл атқаратын химиялық реакция. Екеуі де ДНҚ және РНҚ-мен байланысты. ДНҚ таутомеризациясы ДНҚ көбейтілу кезінде жүреді. Стандартты нуклеин негіздерінің бірінің қате таутомеріне дұрыс емес жұптасу ДНҚ көбейтілу процесінде мутацияға себеп болуы мүмкін, бұл клетка үшін цитотоксикалық немесе мутагенді болуы мүмкін. Мұндай қате жұптасулар ауысу, трансверсия, сүйіршелік өзгерісі, жойылу және/немесе көшірме мутацияларына алып келуі мүмкін. Таутомеризация салдарынан туындаған ДНҚ зақымдануынан Кернс-Сейр синдромы, Фрагильдік Х синдромы, Кеннеди ауруы және Хантингтон ауруы сияқты аурулар пайда болуы мүмкін.

Бір және екі бұрандалы үзілімдер

Бір жіптің үзілуі (SSB) ДНК екі спиральінің бір жібінде, осы жерде 5’ және/немесе 3’ ұштары зақымдалған, жалғыз нуклеотидтің үзілуі ретінде пайда болады. SSB-нің кең таралған себебі – сутек пероксиді сияқты физиологиялық белсенді оттегі түрлерінің (ROS) тотықтыру арқылы шабуылдауы. H2O2 екі жіптің үзілуіне (DSB) қарағанда үш есе жиі SSB-ге себеп болады. SSB пайда болуының басқа жолдарына тотыққан қанттың тікелей ыдырауы немесе зақымдалған базаларды ДНҚ базалық экзизиялық жөндеу (BER) арқылы жою кіреді. Бұған қоса, жасуша ферменттері түрлі механизмдер арқылы SSB немесе DSB-ге алып келетін қате қызмет атқаруы мүмкін. Мысалы, ДНК топоизомераза 1 (TOP1) құрамындағы кесу кешені транскрипция мен репликация кезінде ДНК-ны босаңсытады, уақытша тілік пайда етеді. TOP1 әдетте осы тілікті тез жауып тастаса да, бұл кесу кешендері РНК немесе ДНҚ полимеразаларымен соқтығысуы немесе басқа зақымдануларға жақын орналасуы мүмкін, нәтижесінде TOP1-ге байланысты SSB немесе TOP1-ге байланысты DSB пайда болады.

Химиялық аддуктар

ДНҚ аддукты – химиялық канцерогенге байланысатын ДНҚ сегменті. ДНҚ-ға зақым келтіретін кейбір аддуктарға окистену арқылы өзгертілген базалар, пропан, этен және МДА-мен шақырылған аддуктар жатады. Бұл аддукция транскрипция факторларының ДНҚ-ға байланысуына кедергі келтіріп, апоптозды тудыруы немесе жойылмалы мутацияларға әкелуі мүмкін. Ол жасуша циклын реттеуге және апоптозға қатысқан гендердің экспрессиясын реттейді. Липид пероксидациясынан алынған кейбір альдегидтер окистену реакциялары арқылы эпоксиальдегидтерге айналуы мүмкін. Бұл эпоксиальдегидтер этен аддуктарын түзетін арқылы ДНҚ-ға зақым келтіреді. ДНҚ-ның осы түріндегі зақымның күшеюі, қатерлі ісікке шалдығу қаупімен байланысты окислик стресске әкелетін жағдайларды көрсетеді. Малондиалдегид (MDA) – липид пероксидациясынан және простагландин синтезінен түзілетін тағы бір өте улы өнім. MDA ДНҚ-мен реакцияласып, ДНҚ зақымдануына себеп болатын M1dG аддуктын құрайды. Окислик зақымдалған РНК әсері бірқатар адам ауруларына алып келеді және әсіресе созылмалы дегенерациямен байланысты. Бұл типтегі зақым Амиотрофикалық бүйірлік склероз сияқты көптеген нейродегенеративті ауруларда байқалады. Бұл тізімнің үнемі толықтылып келе жатқанын және деректер РНК тотығуының осы аурулардың дамуының басында, жасушалық ыдырау салдарынан емес, пайда болатынын көрсетеді.

Базаның кесуін жөндеу

Базаларды кесу жөндеу (BER) ДНК-дағы зақымдалған базаларды жоюға жауапты. Бұл механизм, нуклеотидтерді кесу жөндеу жолынан өзгеше, ДНК қос спиралін бұрмаламайтын шағын базалық зақымдануларды жоюға арналған, ал нуклеотидтерді кесу жөндеу жолы неғұрлым айқын бұрмалаушы зақымдануларды түзету үшін қолданылады. ДНК гликозилазалары BER-ді қате немесе дұрыс емес базаларды тану арқылы бастайды, содан кейін оларды алып тастап, пурин немесе пиримидин қалдырмайтын AP орындарын құрайды. AP эндонуклеазасы AP орнын кесіп алады, ал бір талшықтың үзілуі қысқа жамау BER арқылы бір нуклеотидті жамауға немесе 2-ден 10 нуклеотидке дейін алмастыруға арналған ұзақ жамау BER арқылы өңделеді.

Бір желілі сынықтарды жөндеу

Бір жіпті үзілістер (SSB) егер жылдам және дұрыс жөнделмесе, генетикалық тұрақтылыққа және жасушаның тірі қалуына елеулі қауіп төндіреді, сондықтан жасушалар жылдам және тиімді SSB жөндеу (SSBR) механизмдерін дамытқан. Жалпы SSBR жүйелері геном бойында және интерфаза кезінде SSB-ны жояды, ал S фазасына тән SSBR процестері репликация шанында гомологтық рекомбинациямен бірлесіп жұмыс істейді.

Қос желілі сынықтарды жөндеу

Қос жіпті үзілістер (ҚЖЖ) барлық организмдер үшін қауіпті, себебі олар жасуша өліміне және қатерлі ісікке әкелуі мүмкін. Олар сыртқы факторлардың әсерінен, мысалы сәулеленуден, сондай-ақ ішкі факторлардың әсерінен, репликация кезіндегі қателерден немесе репликация шанышқысы ДНК зақымдануымен кездесуінен туындауы мүмкін. ҚЖЖ жөндеуі осы қателерді дұрыс түзету үшін әртүрлі жолдар мен механизмдер арқылы жүзеге асырылады.

Нуклеотидтерді кесу және сәйкессіздіктерді жөндеу

Нуклеотидтерді кесу – химиялық терапия препараттары, қоршаған ортаның мутагендері және ең бастысы, ультракөк сәулеленудің салдарынан ДНК-дағы зақымданулар тудыратын ірі адукттерді жоюға арналған негізгі механизмдердің бірі. Ірі адукттер нуклеотидтерді кесуді (NER) іске қосатын сияқты. Геномдағы басқа да жалпы зақымданулармен қатар, ультракөк сәулеленумен зақымдалған ДНК-ны байланыстыратын белок кешені (UV DDB) ультракөк сәулеленумен шақырылған ДНК фотозақымдануларын тану және жөндеуде маңызды рөл атқарады. Бұл ММР-ді іске қосатын көптеген сигналдардың бірі болуы мүмкін.