Кіріспе
ДНК-дағы базалық экзизиялық жөндеуге қатысатын ферменттер ДНК гликозилазалары – бұл ЭК 3.2.2 ЭК нөмірімен жіктелетін, базалық экзизиялық жөндеуге қатысатын ферменттер тобы. Базалық экзизиялық жөндеу – ДНК-дағы зақымдалған базаларды алып тастау және оларды ауыстыру механизмі. ДНК гликозилазалары осы процестің алғашқы қадамын катализдейді. Олар зақымдалған азотты базаны алып тастайды, ал қант-фосфат тірекшесін өзгеріссіз қалдырады, нәтижесінде апуриндік/апириминдік орын, көбінесе АП орыны деп аталады, пайда болады. Бұл зақымдалған базаны қос спиральдан сығарып алып, содан кейін N-гликозидтік байланысты үзу арқылы жүзеге асырылады. Гликозилазалар алғаш рет бактерияларда табылды, кейіннен тіршіліктің барлық патшалықтарында кездеседі. Базалық экзизиялық жөндеудегі рөлінен өзге, ДНК гликозилаза ферменттері A. thaliana, N. tabacum және басқа да өсімдіктердегі гендерді үнсіздендіруді белсенді деметилдендіру арқылы тежеуге қатысады. 5-метилцитозин қалдықтары алынып тасталып, метилденбеген цитозиндермен алмастырылады, бұл транскрипция және одан кейінгі аударма үшін қажетті ферменттер мен ақуыздардың хроматин құрылымына қол жеткізуге мүмкіндік береді.
DNA glycosylases are a family of enzymes involved in base excision repair, classified under EC number EC 3.2.2. Base excision repair is the mechanism by which damaged bases in DNA are removed and replaced. DNA glycosylases catalyze the first step of this process. They remove the damaged nitrogenous base while leaving the sugar phosphate backbone intact, creating an apurinic/apyrimidinic site, commonly referred to as an AP site. This is accomplished by flipping the damaged base out of the double helix followed by cleavage of the N glycosidic bond. Glycosylases were first discovered in bacteria, and have since been found in all kingdoms of life. In addition to their role in base excision repair, DNA glycosylase enzymes have been implicated in the repression of gene silencing in A. thaliana, N. tabacum and other plants by active demethylation. 5 methylcytosine residues are excised and replaced with unmethylated cytosines allowing access to the chromatin structure of the enzymes and proteins necessary for transcription and subsequent translation.
Монофункционалды және бифункционалды гликозилаздар
Гликозилазалардың екі негізгі класы бар: монофункционалды және бифункционалды. Монофункционалды гликозилазалар тек гликозилаза активтілігіне ие, ал бифункционалды гликозилазалар АП лиаза активтілігімен де қатар жүреді, бұл оларға ДНҚ-ның фосфодиэстер байланысын кесіп, АП эндонуклеаза қажеттілігінсіз бір тізбекті үзіліс жасауға мүмкіндік береді. Гликозилаза лиаза арқылы АП учағын жою нәтижесінде 5' фосфатқа жақын орналасқан 3' α,β қанықпаған альдегид түзіледі, бұл АП эндонуклеазаның ыдырау өнімінен өзгеше. Кейбір гликозилаза лиаздар δ-элиминациясын қосымша жүзеге асыра алады, бұл 3' альдегидті 3' фосфатқа айналдырады.
Биохимиялық механизм
ДНК гликозилазасының алғашқы кристалдық құрылымы E. coli Nth үшін алынды. Бұл құрылым ферменттің зақымдалған базаны қос спиральдан шығарып, оны кесу үшін белсенді орталық қуысқа жылдыратынын көрсетті. Кейіннен басқа гликозилазалар да осы жалпы үлгіні ұстанатыны анықталды, оның ішінде төменде көрсетілген адам UNG да бар. N-гликозидтік байланысты үзу үшін монофункционалды гликозилазалар субстраттың 1-көміртек атомын шабуылдау үшін белсенді су молекуласын пайдаланады. Ал бифункционалды гликозилазалар осы көміртек атомын шабуылдау үшін нуклеофил ретінде амин қалдықтарын қолданады, бұл процесте шифтік база аралық қосылысы қалыптасады.
Урацил ДНК гликозилаздары
Молекулалық биологияда, белоктар туысы, урацил ДНК гликозилазасы (UDG) – ДНК-дағы мутацияларды кері қайтаратын фермент. Ең көп таралған мутация – цитозиннің урацилге деаминациялануы. UDG осы мутацияларды түзетуге көмектеседі. UDG ДНК жөндеуде маңызды рөл атқарады, әйтпесе бұл мутациялар қатерлі ісікке алып келуі мүмкін. Бұл жазба әртүрлі урацил ДНК гликозилазаларын және байланысты ДНК гликозилазаларын (EC) көрсетеді, мысалы, урацил ДНК гликозилазасы, термофильді урацил ДНК гликозилазасы, G:T/U сәйкессіздігіне тән ДНК гликозилазасы (Mug) және бір тізбекті селективті монофункционалды урацил ДНК гликозилазасы (SMUG1). Урацил ДНК гликозилазалары ДНК-дан урацилді алып тастайды, ол цитозиннің спонтанды деаминациялануы немесе ДНК репликациясы кезінде dU-дың dA-ға қате енуі нәтижесінде пайда болуы мүмкін. Бұл отбасының прототиптік мүшесі – E. coli UDG, ол алғашқы ашылған гликозилазалардың бірі. Сүтқоректілер жасушаларында төрт түрлі урацил ДНК гликозилаза белсенділігі анықталды, оның ішінде UNG, SMUG1, TDG және MBD4. Олар субстратқа қатысты таңдаулылығы және жасуша ішіндегі орналасуы бойынша ерекшеленеді. SMUG1 субстрат ретінде бір тізбекті ДНК-ны артық көреді, бірақ екі тізбекті ДНК-дан да U-ны алып тастайды. Өзгертілмеген урацилден басқа, SMUG1 5-гидроксиурацилді, 5-гидроксиметилурацилді және C5 сақинасында тотығу тобы бар 5-формальурацилді де алып тастай алады. TDG және MBD4 екі тізбекті ДНК-ға қатысты ерекше таңдаулы. TDG гуанинге қарама-қарсы тимин гликолін, сондай-ақ 5-көміртектегі модификацияланған U туындыларын алып тастай алады. Қазіргі деректерге сәйкес, адам жасушаларында TDG және SMUG1 цитозиннің спонтанды деаминациялануынан туындаған U:G қате жұптасуын түзетуге жауапты негізгі ферменттер, ал ДНК-да dU-дың қате енуінен пайда болған урацилмен негізінен UNG айналысады. MBD4 CpG сайттарында 5-метилцитозиннің тиминге деаминациялануынан туындаған T:G сәйкессіздіктерін түзетуге қатысады деп есептеледі. MBD4 мутантты егеуқұйрықтары қалыпты дамиды және қатерлі ісікке бейімділігінің артуы немесе қысқаруы байқалмайды. Бірақ олардың кіші ішектің эпителий жасушаларында CpG тізбектерінде C-T мутациялары көбейеді. Адам UNG-ның ДНК-мен кешенді құрылымы, басқа гликозилазалар сияқты, мақсатты нуклеотидті қос спиральдан активті орталық қалтаға жылғалынын көрсетті. UDG «ашық» байланыспаған күйден «жабық» ДНК байланысқан күйге конформациялық өзгеріске ұшырайды.
Тарих
Линдал ДНК-да урацилдің жөнделуін алғашқы болып байқаған. UDG Escherichia coli бактериясынан тазартылды және ол ДНК тірекшесіндегі дезоксирибоза қантына байланысқан азотты гликозидтік байланысты гидролиздейді. Бұл бұрмаланған урацил қалдықтары генотоксикалық болып табылады.
Жергілікті жер
Эукариоттық жасушаларда UNG белсенділігі ядрода да, митохондрияда да табылады. Адам UNG1 ақуызы митохондрияға да, ядроға да тасымалданады.
Қорғау
Урацил ДНК гликозилазасының тізбегі бактериялар мен эукариоттарда, сондай-ақ герпес вирустарында өте жақсы сақталған. Алыс туысқан урацил ДНК гликозилазалары шешек вирустарында да табылады. UNG1-дің N-терминалындағы 77 аминқышқылы митохондрияға орналасуы үшін қажет болып көрінеді, бірақ митохондриялық транзит пептидінің болуы тікелей көрсетілген жоқ. Ең N-терминалды сақталған аймақта каталитикалық механизмде жалпы негіз ретінде қызмет ететін, рентгендік құрылымдарға сүйенген аспартик қышқылының қалдығы бар.
Отбасы
UDG-ның екі түрі бар, 1-тұқым және 2-тұқым деп аталады. 1-тұқым бір талдамды ДНК (ssDNA) және екі талдамды ДНК (dsDNA) ішінде урацилге қарсы әрекет етеді. 2-тұқым гуанинмен қате жұптасқан урацилді алып тастайды. MYH инактивацияланғанда ұқсас фенотип байқалады, бірақ MYH және OGG1 екеуінің бірдей инактивациялануы өкпе және жіңішке ішек сияқты көптеген тіндерде 8-оксогуаниннің жиналуына себеп болады. Адамдарда MYH-тағы мутациялар, тоқ ішек полиптері мен тоқ ішек қатерлі ісігінің даму қаупінің артуымен байланысты. OGG1 және MYH-тан басқа, адам жасушаларында үш қосымша ДНК гликозилазасы бар: NEIL1, NEIL2 және NEIL3. Олар бактериялық Nei-ге гомологты және олардың болуы OGG1 және MYH нокаут егешқындыларының жеңіл фенотиптерін түсіндіруі мүмкін.
against uracil in ssDNA and dsDNA. Family 2 excise uracil from mismatches with guanine. A similar phenotype is observed with the inactivation of MYH, but simultaneous inactivation of both MYH and OGG1 causes 8 oxoG accumulation in multiple tissues including lung and small intestine. In humans, mutations in MYH are associated with increased risk of developing colon polyps and colon cancer. In addition to OGG1 and MYH, human cells contain three additional DNA glycosylases, NEIL1, NEIL2, and NEIL3. These are homologous to bacterial Nei, and their presence likely explains the mild phenotypes of the OGG1 and MYH knockout mice.
Алкилденген негіздердің гликозиластары
Бұл топқа E. coli AlkA және жоғары эукариоттардағы оған ұқсас ақуыздар кіреді. Бұл гликозилазалар монофункционалды және 3-метиладенин сияқты метилделген базаларды таниды.
AlkA
AlkA — 3 метиладенин ДНК гликозилазасы II.
Патология
ДНК гликозилазалары, базалық экзизиялық жөндеуге (BER) қатысатындары, BRCA1 және BRCA2 мутацияларын тасымалдаушыларда қатерлі ісік қаупімен байланысты болуы мүмкін.
Қатерлі ісіктердегі эпигенетикалық кемшіліктер
Эпигенетикалық өзгерістер (эпимутациялар) ДНК гликозилаза гендерінде тек соңғы кезде бірнеше қатерлі ісіктерде зерттеле бастады, бұл басқа ДНК жөндеу жолдарындағы гендердегі эпимутацияларды зерттеген көптеген бұрынғы зерттеулермен салыстырылғанда аз қамтылған (мысалы, қателіктерді түзетудегі MLH1 және тікелей түзетудегі MGMT). Ракта кездесетін ДНК гликозилаза гендеріндегі эпимутациялардың екі мысалы төменде келтірілген.
MBD4
MBD4 (метил CpG байланыстыру доменінің 4 ақуызы) – негіздік экзизиялық жөндеудің бастапқы қадамында қолданылатын гликозилаза. MBD4 ақуызы толық метилделген CpG сайттарына басымдықпен байланысады. Бұл өзгерген негіздер цитозиннің урацилге жиі гидролизінен (суретті қараңыз) және 5-метилцитозиннің тиминге гидролизінен пайда болады, нәтижесінде G:U және G:T негіз жұптары түзіледі. Егер ДНҚ репликациясына дейін осы негіз жұптарындағы қате урацилдер немесе тиминдер алынып тасталмаса, олар ауысу мутацияларын тудырады. MBD4 CpG сайттарында гуанинмен (G) жұптасқан T және U-ді алып тастауды қаталыздейді. Бұл маңызды жөндеу функциясы, себебі адам қатерлі ісіктеріндегі барлық интрагендік бір негіздік жұп мутацияларының шамамен 1/3-і CpG динуклеотидтерінде пайда болады және G:C-тен A:T-ге ауысудың нәтижесі болып табылады. Бұл ауысулар адам қатерлі ісіктеріндегі ең жиі кездесетін мутацияларды құрайды. Мысалы, колоректальді қатерлі ісіктегі p53 түйіншесінің соматикалық мутацияларының шамамен 50%-ы CpG сайттарында G:C-тен A:T-ге ауысу болып табылады. Сонымен қатар, колоректальді қатерлі ісіктердің шамамен 4%-ында мутацияға байланысты MBD4 жетіспеушілігі байқалады. Ішектегі неопластикалық өскіндерді (аденомалар мен ішектің қатерлі ісіктері) қоршап тұрған гистологиялық жай күйдегі тіндердің көпшілігі, ішектің неоплазмасы болмаған адамдардың гистологиялық жай күйдегі тіндерімен салыстырғанда, MBD4 мРНК экспрессиясының төмендеуін (өрістік ақаулық) көрсетеді.
A majority of histologically normal fields surrounding neoplastic growths (adenomas and colon cancers) in the colon also show reduced MBD4 mRNA expression (a field defect) compared to histologically normal tissue from individuals who never had a colonic neoplasm.
NEIL1
Nei like (NEIL) 1 – Nei тұқымдасына жататын (соның ішінде NEIL2 және NEIL3-ті де қамтитын) ДНК гликозилазасы. NEIL1 – репликацияға дейін тотыққан негіздерді бақылауға қажетті ДНК репликация кешенінің құрамдас бөлігі және NEIL1 гликозилаза ретінде әрекет ете, тотығудан зақымдалған негізді жоюға дейін репликацияны баяулататын «тоқтаушы» рөлін атқарады. Адамның NEIL1 үшін ең жақсы субстраттары – гидантоин зақымдары, гуанидиногидантоин және спироиминодигидантоин, олар 8-оксоG-ның тотығу өнімдері болып табылады. NEIL1 сондай-ақ бір тізбекті ДНК-дан, сондай-ақ «көпіршік» және «шанышқы» ДНК құрылымдарынан зақымдарды жоюға қабілетті. NEIL1 жетіспеушілігі 8-оксо Gua:C жұбы орнында мутагенездің күшеюіне алып келеді, мұнда көптеген мутациялар G:C-тан T:A-ға трансверсияға ұшырайды. 2004 жылғы зерттеуде бастапқы асқазан қатерлі ісіктерінің 46%-ында NEIL1 мРНК экспрессиясы төмендегені анықталды, бірақ бұл төмендеудің механизмі белгісіз болды. Бұл зерттеуде сондай-ақ асқазан қатерлі ісіктерінің 4%-ында NEIL1 генінде мутациялар бар екені анықталды. Авторлар NEIL1 генінің экспрессиясының төмендеуінен және/немесе мутациясынан туындаған NEIL1 белсенділігінің төмендеуі асқазанның канцерогенезіне жиі қатысады деп болжады. Бас және мойын жазық жасушалы карциномы (HNSCC) тіндеріндегі 20 науқас және қатерлі ісіксіз 5 науқастың бас және мойын шырышты қабығының үлгілерінде ДНК жөндеу гендерінің бұрыс промотор метилирлеуін анықтау үшін скрининг жүргізілді. Скрининг нәтижесінде NEIL1 генінің гиперметилденуі айтарлықтай жоғарылағаны байқалды және бағаланған 145 ДНК жөндеу генінің ішінде NEIL1 генінің метилдену жиілігі ең айқын ерекшеленді. Бұған қоса, гиперметилдену NEIL1 мРНК экспрессиясының төмендеуімен сәйкес келді. 135 ісікті және 38 қалыпты тінді қосымша зерттеу нәтижесінде HNSCC тінінің үлгілерінің 71%-ында NEIL1 промотор метилирлеуі жоғары екені анықталды. Бұл – зерттелген 8 ДНК жөндеу генінің арасында ең көп кездесетін аномалия. NEIL1 сондай-ақ ішек-толқын қатерлі ісігінде промоторлық аймақтарында гиперметилденген алты ДНК жөндеу генінің бірі болды.