Кіріспе

ДНК-ны жөндеу механизмі

Нуклеотидтік кесу – ДНК-ны жөндеу механизмі. ДНК зақымдануы химиялық заттар (мысалы, интеркаляциялық агенттер), сәулелену және басқа да мутагендердің әсерінен үнемі пайда болады. Бір тізбекті ДНК зақымдануын жөндеу үшін үш кесу жолы бар: нуклеотидтік кесу (NER), базалық кесу (BER) және ДНК сәйкессіздіктерін жөндеу (MMR). BER жолы ДНК-дағы нақты, үлкен емес зақымдануларды тани алады, бірақ ол тек белгілі бір гликозилазалармен алынатын зақымдалған негіздерді ғана түзетуге қабілетті. Сол сияқты, MMR жолы Уотсон-Крик жұптарындағы сәйкес келмейтін негіздерді ғана анықтайды. Нуклеотидтік кесу (NER) – ультракүлгін сәулесінен (UV) туындаған ДНК зақымдануын жоюға арналған маңызды кесу механизмі. UV сәулесінен ДНК зақымдануы нәтижесінде ірі ДНК аддукттары пайда болады, олардың көп бөлігі тимин димерлері мен 6,4 фотоөнімдері болып табылады. Зақымдануды тану зақымдалған қысқа бір тізбекті ДНК сегментін алып тастауға әкеледі. Зақымдалмаған бір тізбекті ДНК қалды, ал ДНК полимераза оны қысқа толықтырушы тізбекті синтездеу үшін қалыптық ретінде пайдаланады. NER-ді аяқтау және қос тізбекті ДНК-ны құру үшін соңғы лигация ДНК лигазасымен жүзеге асырылады. NER екі кіші жолға бөлінеді: жалпы геномдық NER (GG NER немесе GGR) және транскрипциямен байланысты NER (TC NER немесе TCR). Екі кіші жолдың ДНК зақымдануын тану әдістері әртүрлі, бірақ олар зақымдануды кесу, жөндеу және байлау процесін бөліседі. NER-дің маңыздылығын NER ақуыздарының туа біткен генетикалық мутацияларынан туындаған ауыр адам аурулары көрсетеді. Xeroderma pigmentosum және Cockayne синдромы – NER-мен байланысты аурулардың екі мысалы.

Эукариоттарда

Нуклеотидтерді кесу арқылы жөндеу эукариоттарда прокариоттарға қарағанда күрделірек, бірақ жалпы принципі бірдей. Сүтқоректілер жасушаларында NER-ге қатысатын 9 негізгі ақуыз бар. Белгілі бір ақуыздардың жетіспеушілігі ауруға алып келеді; ақуыз атаулары сол аурумен байланысты. XPA, XPB, XPC, XPD, XPE, XPF және XPG – бұл xeroderma pigmentosum ауруынан шыққан, ал CSA және CSB – Коккейн синдромымен байланысты ақуыздарды көрсетеді. Сонымен қатар, ERCC1, RPA, RAD23A, RAD23B және басқалары да нуклеотидтерді кесу арқылы жөндеуге қатысады. NER-ге қатысатын ақуыздардың толық тізімі төменде келтірілген. Эукариотикалық нуклеотидтерді кесу арқылы жөндеуді екі кіші жолға бөлуге болады: жалпы геномдық NER (GG NER) және транскрипциямен байланысты NER (TC NER). Әрбір кіші жол үшін ДНК зақымдалуын анықтауға үш түрлі ақуыз жиынтығы қатысады. Зақымдалу анықталғаннан кейін, үш кіші жол екі рет кесу, жөндеу және біріктіру кезеңдері үшін бірігеді.

Глобалды геномдық NER (GG-NER)

Глобалды геномдық NER белсенді және белсенді емес гендердегі транскрипцияланған және транскрипцияланбаған ДНК тізбектеріндегі зақымдануларды қалпына келтіреді, геномның барлық бөлігінде. Бұл процесс транскрипцияға тәуелді емес. Бұл жол бірнеше "зақымды сезетін" белоктарды қолданады, оның ішінде ДНК зақымдануын байланыстыратын (DDB) және XPC Rad23B кешендерін, олар геномды үнемі тексеріп, спиральдік бұрмалауларды анықтайды: XPC Rad23B кешені бұрмалауды анықтауға жауапты, ал DDB1 және DDB2 (XPE) ультракөк сәулесінен туындаған зақымданудың кейбір түрлерін де анықтай алады. Сонымен қатар, XPA зақымды анықтаудағы рөлі әлі толыққанды анықталмаған. Зақымдалған орын анықталғаннан кейін, ДНК зақымдануын тексеру үшін келесі жөндеу белоктары тартылады, зақымдалған ДНК-ның зақымдалған аймақты қоршаған бөлігі алынып тасталады, содан кейін жөндеу учаскесі толтырылады.

Транскрипциямен байланысты жөндеу (TC-NER)

Нуклеотидтерді экзизициялық жөндеу процесі Escherichia coli-де UvrABC эндонуклеаза фермент кешенімен басқарылады, ол төрт Uvr ақуызынан тұрады: UvrA, UvrB, UvrC және ДНК геликаза II (кейде бұл кешенде UvrD деп те аталады). Алдымен, UvrA UvrB кешені ДНК-ны тексеріп шығады, UvrA суббірлігі спиральдегі бұрмалауларды таниды, мысалы, пиримидин димерлерінен туындаған бұрмалауларды. Комплекс мұндай бұрмалауды танығанда UvrA суббірлігі кетеді және UvrC ақуызы келіп, UvrB мономерымен байланысып, жаңа UvrBC димерін құрайды. UvrB ДНК зақымдануынан төмен қарай 4 нуклеотидте фосфодиэстерлік байланысты үзеді, ал UvrC ДНК зақымдануынан жоғары қарай 8 нуклеотидте фосфодиэстерлік байланысты үзеді, нәтижесінде 12 нуклеотидті кесілген сегмент пайда болады. ДНК геликаза II (кейде UvrD деп аталады) келіп, қосымша базалар арасындағы сутекті байланыстарды белсенді түрде бұзып, кесілген сегментті алып тастайды. Содан кейін пайда болған олқылық ДНК полимераза I және ДНК лигазасы арқылы толтырылады. Негізгі экзизиция процесі жоғары жасушаларда да өте ұқсас, бірақ бұл жасушаларда көбінесе көптеген ақуыздар қатысады. E. coli – бұл қарапайым мысал. TC NER бактерияларда да болады және ол TRCF (Mfd) ақуызымен жүзеге асырылады. TRCF – бұл SF2 АТФаза, ол АТФ гидролизі арқылы транскрипциялық көпіршіктің жоғары жағындағы екі тізбекті ДНК-да транслокацияланып, РНК полимеразасын алға жылжытады, осылайша РНК полимеразаның үштік ұзарту кешенінің ыдырауын бастайды. TRCF сондай-ақ UvrA суббірлігімен тікелей физикалық өзара әрекеттесу арқылы Uvr(A)BC нуклеотидті жөндеу механизмін тартады.

Қатерлі ісік

Тарихи зерттеулер әртүрлі нәтижелер көрсеткенмен, нуклеотидтерді кесіп түзету гендерінің генетикалық вариациясы немесе мутациясы, жөндеудің тиімділігіне әсер ете отырып, қатерлі ісік қаупін арттыруы мүмкін. Адам популяциясында бір нуклеотидтік полиморфизмдер (СНП) және синонимді емес кодтаушы СНП-лар (nsSNP) өте төмен деңгейде (>1%) кездеседі. Егер олар NER гендерінде немесе реттеуші тізбектерде орналасса, мұндай мутациялар ДНК-ның жөндеу қабілетін нашарлатып, қатерлі ісік даму мүмкіндігін арттыруы мүмкін. Барлық полиморфизмдердің функционалдық әсері толыққанды зерттелмегенімен, ДНК-ны жөндеу гендерінде немесе олардың реттеуші тізбектеріндегі кейбір полиморфизмдер фенотиптік өзгерістерге алып келіп, қатерлі ісік дамуына қатысады. Өкпе қатерлі ісігімен ауыратын науқастарды зерттеуде NER-ге тән СНП полиморфизмдері мен өкпе қатерлі ісігі қаупі арасында шамалы байланыс анықталды. Нәтижелер NER гендеріндегі кейбір мұраға берілген полиморфты вариациялар өкпе қатерлі ісігіне және басқа да қатерлі жағдайларға бейімділіктің себебі болуы мүмкін екенін көрсетеді.

ДНҚ полиморфизмінің NER дисфункциясының нәтижесі

NER жолындағы функционалдық және фенотиптік әсерін көрсеткен екі маңызды ген – XPD және XPC гендері. XPD, сондай-ақ ERCC2 деп те аталады, NER кезінде зақымдалған аймақтың төңірегіндегі ДНК-ны ашуға, сондай-ақ басқа транскрипциялық қызметтерге қатысады. Зерттеулер экссон 10 (G>A) (Asp312Asn) және экссон 23 (A>T) (Lys751Gln) полиморфизмдерінің бірнеше қатерлі ісік түрлеріне генетикалық бейімділікпен байланысты екенін көрсетті. XPC гені NER жолының бастапқы кезеңінде ДНК-ны танитын белокты кодтайды. Бұл генде 9-шы интрон және 15-ші экссонға СНП полиморфизмдері кездесуі мүмкін, олар да қатерлі ісік қаупімен байланысты. Зерттеулер көрсеткендей, XPC генінің 9-шы интронындағы биаллельді поли(AT) қосылу/жою полиморфизмі, әсіресе Солтүстік Үндістан халқында тері, сүт безі және простата қатерлі ісіктерінің қаупін арттырады.

Қатерлі ісікке әсер ету

Тұқым қуалайтын қатерлі ісік – ксеродерма пигментозумды зерттеу NER жолындағы белоктарды кодтайтын бірнеше гендерді анықтауға көмектесті, олардың екеуі – XPC және XPD. XP ауруы УФ-сәулелердің ДНК-ға тигізген зақымын жөндеудегі (GG NER) гомозиготалық жетіспеушілік нәтижесінде пайда болады, бұл пациенттерде тері қатерлі ісігінің қаупін 1000 есеге арттырады. Гетерозиготалы пациенттерде қатерлі ісік пайда болу қаупі сирек кездеседі, бірақ лимфоциттерден бөліп алынған XP-мен байланысты ДНК жөндеу гендеріндегі полиморфизмдерді талдау арқылы оны болжауға болады. II және III сатыдағы жоғары тәуекелдік деңгейі бар колоректальдық қатерлі ісіктерді зерттеуде 2251A>C XPD (ERCC2) полиморфизмі, химиотерапиялық емнен кейін ерте қайталанумен маңызды байланысқа ие болды. Зерттеулер полиморфты NER гендерінің әсерінің жинақы екенін көрсетті, яғни варианттардың жиілігі жоғарылаған сайын, қатерлі ісікке шалдығу қаупі де артады.

Қартаю

Адамдар мен егешқұйрықтарда ДНҚ-ны жөндейтін (NER) жүйеде қолданылатын гендердің ұрпақтан ұрпаққа берілетін мутациясы ерте қартаюдың белгілерін тудырады. Бұл гендер мен оларға сәйкес келетін ақуыздарға ERCC1 (ERCC1), ERCC2 (XPD), ERCC3 (XPB), ERCC4 (XPF), ERCC5 (XPG), ERCC6 (CSB) және ERCC8 (CSA) жатады. ДНҚ-ны жөндей алмаушылықтан зардап шегетін ERCC1 мутантты егешқұйрықтары қартаюдың үдегенін көрсетеді және қысқа өмір сүреді. Мутанттың қартаюы көптеген органдарды қамтиды. ERCC2 (XPD) геніндегі мутациялар әртүрлі синдромдарға алып келуі мүмкін, мысалы, ксеродермия пигментозум (XP), трихотиодистрофия (TTD) немесе XP және TTD (XPTTD) комбинациясы, немесе XP және Коккейн синдромының (XPCS) комбинациясы. TTD және CS екеуі де ерте қартаю белгілерін көрсетеді. Бұл белгілерге сенсорлы-неврологиялық саңыраулық, торлы қабықтың дегенерациясы, ақ заттың гипометилденуі, орталық нерв жүйесінің кальцификациясы, дене бітімінің кіші болуы және кахексия (тері асты май тінінің жоғалуы) жатады. ERCC2 (XPD) мутантты адам және егешқұйрықтардың XPCS және TTD фибробласталарында сегменттік прогероид (ерте қартаю) симптомдарының себебі болуы мүмкін оксидативті ДНҚ зақымдануын дұрыс жөндеуге келмейтінінің дәлелдері бар (ДНҚ зақымдануының қартаю теориясына қараңыз). ERCC3 (XPB) геніндегі мутациялар адамдарда ксеродермия пигментозумға (XP) немесе Коккейн синдромымен (XPCS) біріктірілген XP-ге алып келуі мүмкін. Адамдарда ERCC4 (XPF) жетіспеушілігі әртүрлі жағдайларға, соның ішінде қартаюдың үдеуіне әкеледі. Адамдарда ERCC5 (XPG) генінің мутациялық ақаулары жеке-жеке ксеродермия пигментозум (XP) қатерлі ісікке бейімділікке немесе ауыр нейробиологиялық даму бұзылысы Коккейн синдромымен (CS) немесе нәрестелік шақтағы өлімге алып келетін церебро-окуло-фацио-скелеттік синдромға себеп болуы мүмкін. ERCC5 (XPG) мутантты егешқұйрық моделі бауыр мен мида айқын дегенеративті өзгерістермен қатар кахексия және остеопороз сияқты ерте қартаю белгілерін көрсетеді. CSA геніндегі мутациялар CS жағдайларының шамамен 20% құрайды. CSA және CSB ауруы бар адамдарға туғаннан кейін өсудің және ақыл-ойдың қанағаттандырмас деңгейде болуы, сондай-ақ 12-16 жаста ерте өлімге алып келетін қартаюдың үдеуі тән.

Қартайған сайын NER төмендейді

Gorbunova және басқалар шолып өткендей, жас және егде адамдардың әртүрлі жасушалары мен тіндерінде жүргізілген NER зерттеулерінде жас ұлғайған сайын NER қабілетінің төмендеуі жиі кездеседі. Бұл төмендеу NER жолында жұмыс істейтін ақуыздардың базалық деңгейінің төмендеуіне байланысты болуы мүмкін.