Кіріспе
ДНҚ жөндеу процесі
Негіздік эксцизиялық жөндеу (BER) – биохимия және генетика салаларында зерттелетін жасушалық механизм, ол жасушалық цикл бойында зақымдалған ДНҚ-ны жөндеуге арналған. Ол негізінен геномнан кішкентай, спиральды бұрмаламайтын негіз зақымдануларын жоюға жауапты. Қатысты нуклеотидтік эксцизиялық жөндеу жолы ірі спиральды бұрмалайтын зақымдануларды жөндеуге арналған. BER зақымдалған негіздерді жою үшін маңызды, әйтпесе олар қате жұптасу арқылы мутацияларға немесе репликация кезінде ДНҚ үзілуіне әкелуі мүмкін. BER ДНҚ гликозилазаларымен басталады, олар нақты зақымдалған немесе қате негіздерді таниды және жояды, нәтижесінде AP орындары пайда болады. Бұл орындар AP эндонуклеазасымен кесіледі. Содан кейін пайда болған бір тізбекті үзіліс қысқа жапсырмамен (бір нуклеотидті алмастыру арқылы) немесе ұзақ жапсырмалы BER (2-10 жаңа нуклеотид синтезделеді) арқылы өңделеді.
Ұзақ және қысқа жөндеуді таңдау
Қысқа және ұзақ жамауды жөндеу арасындағы таңдау қазіргі уақытта зерттеліп жатыр. Бұл шешімге әртүрлі факторлар ықпал етеді деп саналады, соның ішінде зақымданудың түрі, жасуша циклінің фазасы және жасушаның толық дифференциацияланғандығы немесе белсенді бөлінуі. Кейбір зақымданулар, мысалы, тотыққан немесе тотығуға ұшыраған AP-орталықтары, pol β лиаза активтілігіне төзімді, сондықтан оларды ұзақ жамаулы BER арқылы өңдеу қажет. Жолды таңдау организмдер арасында да өзгеше болуы мүмкін. Адам жасушалары қысқа және ұзақ жамаулы BER-ді пайдаланса, ашытқы Saccharomyces cerevisiae-де қысқа жамаулы жолдың болмауы қабылданған, себебі ол бірнеше сүтқоректілердің қысқа жамаулы ақуыздарының гомологтарына ие емес, олардың ішінде pol β, ДНК лигазасы III, XRCC1 және PNKP-нің киназа домені бар. Поли А полимераза Trf4-тің 5' dRP лиаза активтілігіне ие екендігі жақында анықталды, бұл бұрынғы көзқарасқа қарсы тұрды.
ДНК гликозилазалары
ДНҚ гликозилазалары зақымдануды бастапқыда тануға жауапты. Олар зақымдалған негізді қос спиральдан шығарып, зақымдалған негіздің N-гликозидтік байланысын кесіп, АП орнын қалдырады. Гликозилазалардың екі категориясы бар: монофункционалды және бифункционалды. Монофункционалды гликозилазалар тек гликозилаза активтілігіне ие, ал бифункционалды гликозилазалар АП лиаза активтілігіне де ие. Сондықтан, бифункционалды гликозилазалар АП эндонуклеаза қажет болмайынша, базалық зақымдануды бір тізбектің үзілуіне айналдыра алады. Гликозилаза лиаза арқылы АП орнының жойылуы 5' фосфатқа жақын орналасқан 3' α,β қанықпаған альдегидтің түзілуіне әкеледі, бұл АП эндонуклеазаның бөліну өнімінен өзгеше. Кейбір гликозилаза лиаздар δ-элиминациясын жүзеге асыра алады, бұл 3' альдегидті 3' фосфатқа айналдырады. Әртүрлі зақымдалған негіздерді тану үшін гликозилазалардың кең ауқымы дамыған. ДНҚ гликозилазаларының мысалдары: 8-оксогуанинді танитын Ogg1, 3-метиладенинді танитын MPG және ДНК-дан урацилді алып тастайтын UNG.
АП эндонуклеазалары
АП эндонуклеазалары АП учаскесін кесіп, 5' дезоксирибозофосфатқа (dRP) жақын 3' гидроксилді түзеді. АП эндонуклеазалары бактериялық АП эндонуклеазалары – эндонуклеаза IV және экзонуклеаза III-ге гомологиялық ұқсастығына сәйкес екі топқа бөлінеді. Көптеген эукариоттарда екі топтың да өкілдері бар, соның ішінде ашытқы Saccharomyces cerevisiae, онда Apn1 эндонуклеаза IV-ке гомолог, ал Apn2 экзонуклеаза III-ке жақын. Адамда екі АП эндонуклеазасы, APE1 және APE2 анықталды. Ол экзонуклеаза III тобының мүшесі.
Соңғы өңдеу ферменттері
Лигация жүзеге асуы үшін ДНК талшығының үзілісінде 3' ұшында гидроксил тобы, ал 5' ұшында фосфат тобы болуы тиіс. Адамдарда полинуклеотид киназа-фосфатаза (PNKP) BER кезінде осы ұштардың қалыптасуына көмектеседі. Бұл белоктың 5' гидроксилдік ұштарды фосфорлаған киназалық домені және 3' ұштардағы фосфаттарды жоятын фосфатазалық домені бар. Осы екі қызметтің бірлескен нәтижесінде зақымдалған ұштары бар бір талшықты үзілістер лигацияға дайын болады. АП эндонуклеазалары да 3' ұшты өңдеуге қатысады. АП ошақтарын ашудан басқа, олар 3' фосфодиэстераза активтілігіне ие және фосфаттар, фосфогликолаттар және альдегидтер сияқты әртүрлі 3' зақымдануларын жоя алады. ДНК синтезі басталуына дейін 3' өңдеу жүзеге асуы керек, себебі ДНК полимеразаларына 3' гидроксил тобы қажет.
ДНК полимеразалары
Pol β – қысқа жамаулы BER-ді катализдейтін негізгі адам полимеразасы, ал pol λ оның болмаған жағдайында орынбасаруға қабілетті. Бұл полимеразалар Pol X отбасының мүшелері және әдетте тек бір нуклеотидті қосады. Полимеразалық белсенділігінен өзге, бұл ферменттерде АП эндонуклеаза кесімінен қалған 5' dRP-ні алып тастайтын лиаза домені бар. Ұзақ жамаулы BER кезінде ДНК синтезі ДНК көшірмесін жүзеге асыратын бірдей полимеразалар – процессивтік фактор PCNA-мен бірге pol δ және pol ε арқылы жүзеге асады деп саналады. Бұл полимеразалар ығыстыру синтезін жасайды, яғни 5' жақтанғы ДНК ұшы "ығыстырылып", қапшық түзеді (жоғарыдағы схеманы қараңыз). Pol β сондай-ақ ұзақ жамаулы ығыстыру синтезін орындай алады, демек, BER жолдарының екеуіне де қатыса алады. Ұзақ жамаулы синтез әдетте 2-10 жаңа нуклеотидті қосады.
Флэп эндонуклеаза
FEN1 ұзақ жамаулы базалық ДНК жөндеу кезінде пайда болатын 5' қапшықты жояды. Бұл эндонуклеаза 1 нуклеотидтік 3' қапшыққа жақын орналасқан ұзын 5' қапшыққа айқын бейімділік көрсетеді. FEN1-нің ашытқыдағы гомологы RAD27 болып табылады. Ұзақ жамаулы базалық ДНК жөндеудегі рөлінен өзге, FEN1 Оказаки фрагменттерін өңдеу кезінде ұқсас құрылымды қапшықтарды кесіп алады, бұл артта қалған тізбектің ДНК репликациясындағы маңызды қадам.
ДНҚ лигазасы
ДНҚ лигаза III және оның кофакторы XRCC1 адамдарда қысқа жамбаспен түзетілудегі (BER) жарықтарды біріктіру реакциясын катализдейді. ДНҚ лигаза I ұзақ жамбаспен түзетілудегі (BER) үзілісті біріктіреді.
Қатерлі ісікпен байланысы
ДНҚ жөндеу жолдарындағы түрлі ақаулар қатерлі ісікке бейімділікке алып келеді, ал BER осы үлгіні қаперістеуі мүмкін. BER гендеріндегі жойылу мутациялары әртүрлі организмдерде мутация деңгейінің жоғарылауына әкелетіні көрсетілді, бұл BER жоғалуы қатерлі ісік дамуына себеп болуы мүмкін екенін көрсетеді. Шындығында, Pol β-дағы соматикалық мутациялар адам қатерлі ісіктерінің 30%-ында табылды, және осы мутациялардың кейбіреулері егешқұйрық жасушаларында экспрессияланғанда трансформацияға әкеледі. ДНҚ гликозилазасы MYH-тағы мутациялардың да тоқ ішек қатерлі ісігіне сезімталдықты арттыратыны белгілі.
Қатерлі ісіктердегі эпигенетикалық кемшіліктер
Эпигенетикалық өзгерістер (эпимутациялар) базалық экзициялық жөндеу гендерінде тек соңғы кезде бірнеше қатерлі ісіктерде қарастырыла бастады, бұл басқа ДНК жөндеу жолдарындағы гендердегі эпимутациялардың көптеген бұрынғы зерттеулерімен салыстырғанда азырақ. (Мысалы, қате жөндеудегі MLH1 және тікелей түзетудегі MGMT). Ракта кездесетін базалық экзициялық жөндеу гендеріндегі эпимутациялардың кейбір мысалдары төменде келтірілген.
MBD4
MBD4 (метил CpG байланыстыру доменінің 4 ақуызы) – негіздік экзизиялық жөндеудің бастапқы қадамында қолданылатын гликозилаза. MBD4 ақуызы толық метилделген CpG сайттарына және осы сайттардағы өзгерген ДНК негіздеріне 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 ДНК 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 көп кездесетін мутацияларды құрайды. Мысалы, колоректальды қатерлі ісіктеріндегі p53 түйіншесінің соматикалық мутацияларының шамамен 50%-ы CpG сайттарында G:C-тен A:T-ге ауысу болып табылады. Сонымен қатар, колоректальды қатерлі ісіктердің шамамен 4%-ында мутацияға байланысты MBD4 жетіспеушілігі байқалады. Ішектегі неоплазмалық өсулердің (аденомалар мен ішектің қатерлі ісіктері) гистологиялық жағынан қалыпты аймақтарының көпшілігі, ішектің неоплазмасы болмаған адамдардың гистологиялық жағынан қалыпты тіндерімен салыстырғанда, MBD4 мРНК экспрессиясының төмендеуін (ақаулық) көрсетеді.
NEIL1
NEIL1 белгілі бір тотығудан зақымдалған негіздерді таниды (мақсаттайды) және жояды, содан кейін 3′ және 5′ фосфат ұштарын қалдыра отырып, β,δ жою арқылы базалық орынды кесіп тастайды. NEIL1 тотыққан пиримидиндерді, формамидопиримидиндерді, метил тобында тотыққан тимин қалдықтарын және тимин гликолының екі стереоизомерін таниды. Адамның NEIL1 үшін ең жақсы субстраттар гидантоин зақымданулары, гуанидиногидантоин және спироиминодигидантоин болып көрінеді, олар 8-оксоG-ның тотығу өнімдері болып табылады. NEIL1 сонымен қатар бір тізбекті ДНК-дан, сондай-ақ «көпіршік» және «жіп» құрылымдарындағы ДНК-дан зақымдануларды жоюға қабілетті. NEIL1 жетіспеушілігі 8-оксо Гуа:C жұбының орнында мутагенездің күшеюіне әкеледі, мұнда көптеген мутациялар G:C-тан T:A-ға трансверсияға ұшырайды. 2004 жылғы зерттеуде 46% бастапқы асқазан қатерлі ісіктерінде NEIL1 мРНК экспрессиясы төмендегені анықталды, бірақ бұл төмендеудің механизмі белгісіз болды. Бұл зерттеу сондай-ақ асқазан қатерлі ісіктерінің 4%-ында NEIL1 генінде мутациялар бар екенін көрсетті. Авторлар NEIL1 экспрессиясының төмендеуінен және/немесе NEIL1 мутациясынан туындаған төмен NEIL1 белсенділігі асқазанның канцерогенезіне жиі қатысады деп болжады. Бас және мойын жазық жасушалы карциномы (HNSCC) тіндеріндегі 20 науқастан және қатерлі ісіксіз 5 науқастан алынған бас және мойын шырышты қабығының үлгілерінде 145 ДНК жөндеу гендерінің аберрантты промотор метилирлеуін анықтау үшін скрининг жүргізілді. Бұл скрининг NEIL1-дің айтарлықтай жоғары гиперметилденуімен ең маңызды айырмашылықты метилирлеу жиілігін көрсетті. Бұдан әрі, 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 – сынақтан өткен 8 ДНК жөндеу генінің арасындағы ең жиі кездесетін ДНК жөндеу бұзылысы. NEIL1 сонымен қатар ішек-толқын қатерлі ісігінде промоторлық аймақтарында гиперметилденген алты ДНК жөндеу генінің бірі болды.
Таныммен байланысы
ДНҚ-ның белсенді метилирленуі және деметилирленуі есте сақтау процесінің қалыптасуы мен сақталуы үшін қажет. Тышқандарда жағдайлық қорқыныш кондиционирлеуі бір рет тәжірибеден кейін оқиғаның өмір бойы есте қалуына әкелуі мүмкін, ал метилирлеу өзгерістері әсіресе ұзақ сақталатын естеліктермен байланысты болып көрінеді. Фернандес және авторлар шолуынша, тышқандарда физикалық жаттығулар есте сақтау қалыптасуында маңызды рөл атқаратын Bdnf генінің гиппокамптағы экспрессиясын арттырады. Bdnf экспрессиясы оның CpG арал промоторының IV экзонында деметилирлену арқылы күшейеді. ДНҚ-дан метилделген базаларды шығарудың төмендеуі жасқа байланысты 3 метиладенин ДНҚ гликозилазасының төмендеуін көрсетеді, бұл алкилделген базаларды жоюға жауапты BER ферменті болып табылады.