Кіріспе
Дезоксирибонуклеин қышқылының тотықтырғыш зақымдану процесі ДНК тотықтырғышы - дезоксирибонуклеин қышқылының тотықтырғыш зақымдану процесі. Burrows және басқалар егжей-тегжейлі сипаттағандай, 8 оксо 2' дезоксигуанозин (8 оксо dG) - дуплексті ДНК-да байқалатын ең жиі кездесетін окистену зақымдануы, өйткені гуаниннің ДНК-дағы басқа нуклеозидтерге қарағанда бір электронды азайту потенциалы төмен. Нуклеозидтердің бір электронды редукция потенциалдары (вольтпен NHE-ге салыстырғанда) - гуанин 1,29, аденоин 1,42, цитозин 1,6 және тимин 1,7. Геномдағы 40 000 гуаниннің шамамен 1-і қалыпты жағдайда 8 оксо-дГ түрінде болады. Бұл дегеніміз, адам жасушасының геномында кез келген уақытта > 30 000 8 оксо dГ болуы мүмкін. ДНҚ-ның окистенуінің тағы бір өнімі 8 оксо-да. 8 оксодаогенді 8 оксодаогенді жиілігінің 1/ 10 шамасында кездеседі. Гуаниннің редукциялық потенциалы ДНҚ-ның ішінде оның жанында орналасқан көрші нуклеозидтерге байланысты 50% -ға дейін азаюы мүмкін. ДНҚ-ның артық тотығуы кейбір аурулар мен қатерлі ісіктерге байланысты, ал тотықталған нуклеотидтердің қалыпты деңгейі, РОС-тың қалыпты деңгейіне байланысты, есте сақтау мен оқыту үшін қажет болуы мүмкін.
DNA oxidation is the process of oxidative damage of deoxyribonucleic acid. As described in detail by Burrows et al., 8 oxo 2' deoxyguanosine (8 oxo dG) is the most common oxidative lesion observed in duplex DNA because guanine has a lower one electron reduction potential than the other nucleosides in DNA. The one electron reduction potentials of the nucleosides (in volts versus NHE) are guanine 1.29, adenine 1.42, cytosine 1.6 and thymine 1.7. About 1 in 40,000 guanines in the genome are present as 8 oxo dG under normal conditions. This means that >30,000 8 oxo dGs may exist at any given time in the genome of a human cell. Another product of DNA oxidation is 8 oxo dA. 8 oxo dA occurs at about 1/10 the frequency of 8 oxo dG. The reduction potential of guanine may be reduced by as much as 50%, depending on the particular neighboring nucleosides stacked next to it within DNA. Excess DNA oxidation is linked to certain diseases and cancers, while normal levels of oxidized nucleotides, due to normal levels of ROS, may be necessary for memory and learning.
ДНҚ-дағы тотықталған негіздер
2003 жылы Кук және басқалар 20 оксидациялық зақымдалған ДНК негіздері зақымдануын анықтады. Бұл 12 окистенген негізді 1992 жылы Диздароглу жариялаған. Диздароглу иондаушы сәулеленуден кейін (окислендіру стрессін тудыратын) ең жиі окистенетін негіздердің екеуі суретте көрсетілген гуаниннің екі окистену өнімдері болды. Бұл өнімдердің бірі 8 OH Гуа (8 гидроксигуанин) болды. (8 окс 2' дезоксигуанозин мақаласы сол зақымдалған негізге қатысты, өйткені онда сипатталған кето-форма 8 окс Гуа ондағы энол-форма 8 ОХ Гуаға таутомерлік ауысуы мүмкін.) Екінші препарат - FapyGua (2, 6 диамино 4 гидрокси 5 формамидопиримидин). Тағы бір жиі кездесетін окистену нәтижесі цитозиннен алынған 5 OH Hyd (5 гидроксигидантоин) болды.
Окистенген негіздерді жою
Окистенген негіздердің көпшілігі ДНК-дан негізді кесу жолдарының ішінде жұмыс істейтін ферменттер арқылы алынады.
ДНҚ зақымдануының тұрақты деңгейі
Эндогенді ДНК зақымдануының тұрақты деңгейі - қалыптасу мен жөндеу арасындағы тепе-теңдікті білдіреді. Swenberg және басқалар. сүтқоректілердің жасушаларында тұрақты күйдегі эндогенді ДНК зақымдануының орташа өлшенген мөлшері. Олардың анықтаған жеті ең көп таралған зақымданулары 1-кестеде көрсетілген. Тек бір ғана тікелей окистенген база, 8 гидроксигуанин, бір жасушаға шамамен 2400 8 ОГ-да, тұрақты күйде ең жиі кездесетін ДНК зақымдануларының бірі болды. + 1-кесте Эндогенді ДНК зақымдануының тұрақты күйдегі мөлшері Эндогенді зақымданулар Бір жасушадағы сан Негізгі орындар 30,000N7 (2 гидроксетил) гуанин (7HEG) 3,0008 гидроксигуанин 2,4007 (2 оксоэтил) гуанин 1,500 Формальдегид аддукттері 960Акролеин дезоксигуанин120 Малондиалдегид дезоксигуанин60
8- оксо- дГ-ның жоғарылауы карциногенезде және ауруларда
Valavanidis және басқалар қарағандай. 8 оксo dG ұлпадағы жоғары деңгейі окисдеу стрессінің биомаркері ретінде қызмет ете алады. Сонымен қатар олар 8 оксо- dG деңгейінің жоғарылауы жиі канцерогенезге және ауруларға байланысты екендігін атап өтті. Осы бөлімде көрсетілген суретте, қалыпты тамақтанумен айналысатын тышқанның ішектің эпителийінде ішектің криптасында 8 оксо-дГ төмен деңгейі бар (А панелі). Алайда, ірі ішектің ішегі ісігі пайда болуы ықтимал (оның тамағына дезоксихолат қосылғандықтан, бұл ісіктің пайда болуына және канцерогенезге ықпал етуі мүмкін. Дезоксиколатпен толықтырылған диетаны жеген 22 тышқанның 20- сында (91%) 10 ай диетадан кейін ішектің ісіктері пайда болды, ал осы тышқандардың 10- сінде (шұңқырлардың 45% - ында) ісіктер аденокарциноманы (омырқан қатерлі ісігі) қамтиды. ДНК-ның әртүрлі зақымдануларын жөндеу кезінде аз жиілікте әртүрлі жөндеу процестерінің қалдықтары қалдырылуы мүмкін, осылайша эпигенетикалық өзгерістерге әкелуі мүмкін. 8 оксо dG негізінен базалық экзизициялық жөндеу (BER) арқылы жөнделеді. Ли және басқалар. Бер-белоктардың бірі немесе бірнешеуі ДНК метилирлеу, деметилдеу немесе гистон модификациясына байланысты реакцияларға байланысты эпигенетикалық өзгерістерге қатысатынын көрсететін зерттеулерді қарастырған. Нишида және басқалар. 8 oxo dG деңгейін тексерді және 128 бауыр биопсиясының үлгілерінде 11 ісікті басушы геннің (TSG) промотор метилирленуін бағалады. Бұл биопсиялар созылмалы гепатит С ауруы бар науқастардан алынды, бұл ауру бауырдағы тотықтырғыш зақымдануға әкеледі. 5 фактордың ішінде тек 8 оксо- дГ жоғары деңгейі ТСГ- ның промоторлы метилирлеуімен жоғары байланыста болды (p < 0, 0001). Бұл промотор метилирленуі осы ісікті басушы гендердің экспрессиясын азайтып, канцерогенезге ықпал еткен болуы мүмкін.
Мутагенез
Ясуи және басқалар. 8 оксо- дГ-ның осы окистенген дезоксигуанозин туындысы мәдениеттегі адам лимфобластоидты жасушаларындағы хромосомадағы тимидинкиназа геніне енгізілген кездегі тағдырын зерттеді. Олар 8 оксо-дГ-ны 800-ге жуық жасушаға енгізді және жасушалардың өсуінен кейін пайда болған клондардан анықтағандай, осы өзгертілген негізді енгізгеннен кейін пайда болған өнімдерді анықтай алды. 8 oxo dG клондардың 86% - ында G- ге қалпына келтірілді, бұл негізді кесудің нақты жөндеуін немесе транслезиялық синтезді мутациясыз көрсетеді. G: C- тан T: A- ға ауысуы клондардың 5, 9% - ында, бір негізді жоюлар 2, 1% - ында және G: C- тан C: G- ға ауысулар 1, 2% - ында болды. Бұл жиі кездесетін мутациялар 8 oxo dG енгізілген жерде пайда болған 14% мутацияның 9, 2% - ын құрады. 800 клондағы басқа да мутациялар арасында 6, 33 және 135 негіз жұптар өлшеміне жататын 3 үлкен делеция болды. Осылайша, 8 oxo dG, егер қалпына келтірілмесе, жиі мутацияларды тікелей тудырады, олардың кейбіреулері канцерогенезге ықпал етуі мүмкін.
ДНҚ тотығудың гендік реттеудегі рөлі
Ван және басқалар қарастырғандай, окистенген гуанин ген экспрессиясында бірнеше реттеуші рөлге ие. Ван және басқалар атап өткендей, гуаниндегі ДНК окистену арқылы генді реттеудің екінші тәсілі, гуанинге бай, потенциалдық G квадроплексті құрау тізбегінде (PQS) 8 оксо dG пайда болған кезде промотордың кодтаушы жіпінде пайда болады, содан кейін белсенді OGG1 8 оксо dG-ді алып тастайды және апурникті / апиримидикалық сайтты (AP сайт) тудырады. АП-сайты G-квадруплекс бүгілімін (G4 құрылымы/мотив) қабылдап, PQS-ті ашу үшін дуплексті ерітуге мүмкіндік береді, ол транскрипцияны белсендіруде реттеуші рөл атқарады. Гуаниндегі ДНК-ның тотығуы арқылы генді реттеудің үшінші тәсілі лизинге тән гистон деметилаза LSD1 өзінің қызметін жүзеге асырған кезде жақын маңдағы нуклеотидтердің тотығуына әкелетін реактивті оттегі түрлерінің (ROS) жергілікті жарылуын тудырады. Нақты мысал ретінде, эстрогенмен емдеуден кейін, LSD1 H2O2 ферменттік белсенділігінің қосалқы өнімі ретінде өндірді. Гистон H3 деметилденуі барысында LSD1 арқылы ДНК окистенуі OGG1 және топоизомераза IIβ- ні bcl 2 промотор аймағына, эстрогенге жауап беретін генге, тарту үшін және кейіннен транскрипцияны бастау үшін қажет екені дәлелденді. 8 oxo dG геномда кездейсоқ пайда болмайды. Тышқанның эмбриональды фибробластарында 8 оксо- дГ- нің 2 - 5 есе байыуы генетикалық бақылау аймақтарында, оның ішінде промоторларда, 5' трансляцияланбаған аймақтарда және 3' трансляцияланбаған аймақтарда, гендік денелерде және интергендік аймақтарда анықталған 8 оксо- дГ деңгейлерімен салыстырғанда анықталды. Тышқанның өкпе артериясының эндотелиялық жасушаларында 22 414 белок кодтайтын гендерді 8 оксо- dG орналасуы үшін тексергенде, 8 оксо- dG- ның көпшілігі (бар болған кезде) гендер корпусының ішінде емес, промотор аймақтарында табылды. Гипоксия әсер еткен жүздеген гендердің ішінде жаңадан алынған 8 оксо- дГ-ның промоторы бар гендер жоғары реттеледі, ал промоторлары жоғалған гендер төмен реттеледі. сүтқоректілердің миында CpG-ның ~62% метилирленген. Осы CpG сайттарының 500-ден астамы жадының қалыптасуы мен гиппокамп пен цингулятивті қабықтағы жадының нығаюы кезінде нейрон ДНК-да метилденуі жойылады.]] Осы бөлімдегі бірінші суретте цитозин метилденіп 5 метилцитозин (5mC) пайда болған CpG сайт көрсетілді және гуанин окистеніп 8 оксо 2' дезоксигуанозин пайда болады (суретте бұл таутомерлік түрінде көрсетіледі 8 OHdG). Бұл құрылым қалыптасқан кезде, базалық экзизиция жөндеу ферменті OGG1 8 OHdG-ге бағытталған және зақымдануға бірден экзициясыз байланады. 5mCp 8 OHdG-де орналасқан OGG1 TET1-ді шақырады, ал TET1 8 OHdG-ге іргелес 5mC-ді тотықтайды. Бұл 5mC метилденуін бастайды.
A second mode of gene regulation by DNA oxidation at a guanine, occurs when an 8 oxo dG is formed in a guanine rich, potential G quadruplex forming sequence (PQS) in the coding strand of a promoter, after which active OGG1 excises the 8 oxo dG and generates an apurinic/apyrimidinic site (AP site). The AP site enables melting of the duplex to unmask the PQS, adopting a G quadruplex fold (G4 structure/motif) that has a regulatory role in transcription activation. A third mode of gene regulation by DNA oxidation at a guanine, showed that the lysine specific histone demethylase LSD1 generates a local burst of reactive oxygen species (ROS) that induces oxidation of nearby nucleotides when carrying out its function. As a specific example, after treatment of cells with an estrogen, LSD1 produced H2O2 as a by product of its enzymatic activity. The oxidation of DNA by LSD1 in the course of the demethylation of histone H3 at lysine 9 was shown to be required for the recruitment of OGG1 and also topoisomerase IIβ to the promoter region of bcl 2, an estrogen responsive gene, and subsequent transcription initiation. 8 oxo dG does not occur randomly in the genome. In mouse embryonic fibroblasts, a 2 to 5 fold enrichment of 8 oxo dG was found in genetic control regions, including promoters, 5' untranslated regions and 3' untranslated regions compared to 8 oxo dG levels found in gene bodies and in intergenic regions. In rat pulmonary artery endothelial cells, when 22,414 protein coding genes were examined for locations of 8 oxo dG, the majority of 8 oxo dGs (when present) were found in promoter regions rather than within gene bodies. Among hundreds of genes whose expression levels were affected by hypoxia, those with newly acquired promoter 8 oxo dGs were upregulated, and those genes whose promoters lost 8 oxo dGs were almost all downregulated. In the mammalian brain, ~62% of CpGs are methylated. More than 500 of these CpG sites are de methylated in neuron DNA during memory formation and memory consolidation in the hippocampus and cingulate cortex]]
The first figure in this section shows a CpG site where the cytosine is methylated to form 5 methylcytosine (5mC) and the guanine is oxidized to form 8 oxo 2' deoxyguanosine (in the figure this is shown in the tautomeric form 8 OHdG). When this structure is formed, the base excision repair enzyme OGG1 targets 8 OHdG and binds to the lesion without immediate excision. OGG1, present at a 5mCp 8 OHdG site recruits TET1, and TET1 oxidizes the 5mC adjacent to the 8 OHdG. This initiates de methylation of 5mC.
Биполярлық бұзылу
Раза және басқалар оксидациялық стресс әсерінен ДНК зақымдануының биполярлық бұзылыста рөл атқаратыны туралы дәлелдерді қарастырды. Биполярлы аурулар кезінде тіпті психикалық тұрақтылық кезеңінде де ДНК базасының окистену арқылы зақымдану деңгейі жоғары болады. ДНҚ-дан кейбір тотықталған негіздерді жоятын OGG1 базалық экзизиция жөндеу ферментінің деңгейі де сау адамдармен салыстырғанда төмендейді.
Шизофрения
Созылмалы шизофрениямен ауыратын қарт пациенттерде жүргізілген өлімнен кейінгі зерттеулер мидың гиппокамп аймағында тотықтырғыш ДНК зақымдануының күшейгенін көрсетті. Скизофрениямен ауыратын науқастарда 8 oxo dG окистенген ДНК базасы бар нейрондардың орташа үлесі салыстырмалы адамдардан 10 есе жоғары болды. Шизофренияда окистенуші ДНҚ зақымдануының рөлін көрсететін дәлелдерді Раза және басқалар қарастырды.
РНҚ тотығу
Жергілікті ортадағы РНК әр түрлі қорлауларға ұшырайды. Осы қауіптердің ішінде окистендіру стрессі РНК-ның зақымдануының негізгі себептерінің бірі болып табылады. Клетканың өткізген тотықтырғыш стресс деңгейі реактивті оттегі түрлерінің (РОС) мөлшерінде көрінеді. РОҚ клеткалардағы қалыпты оттегі метаболизмінен пайда болады және активті молекулалардың тізімі ретінде танылады, мысалы O2•−, 1O2, H2O2 және, •OH А нуклеин қышқылы Фентон реакциясы арқылы РОҚ-пен тотықталуы мүмкін. Бүгінгі күні ДНК-да шамамен 20 тотықтырғыш зақымданулар анықталды. РНК-лар ROS-қа мынадай себептермен сезімтал болуы мүмкін: i) негізінен бір жіпті құрылым ROS-қа көбірек сайттарды ұсынады; ii) ядролық ДНК-мен салыстырғанда РНК-лар аз бөлінеді; iii) РНК-лар жасушаларда тек ДНК-лар сияқты ядрода ғана емес, сонымен қатар цитоплазмадағы үлкен бөліктерде кең таралады. Бұл теорияны мысық бауырынан, адам лейкоциттерінен және т.б. табылған зерттеулер дәлелдеді. Изотоптық белгісі [18O] H2O2 арқылы жүйелерді бақылау жасушалық РНК-да ДНК-ға қарағанда үлкен тотығуды көрсетеді. Окистену РНК-ны кездейсоқ зақымдап, әр шабуыл клетканың қалыпты метаболизміне қиындықтар әкеледі. МРНК-дағы генетикалық ақпараттың өзгеруі өте сирек кездесетін болса да, мРНК-ны in vitro және in vivo окистендірудің нәтижесінде трансляцияның тиімділігі төмен және протеин өнімдері ауытқуы байқалады. Окистену ядролық желілерге кездейсоқ әсер етсе де, белгілі бір қалдықтар ROS-қа бейімделеді, мұндай ыстық нүктелер ROS-пен жоғары жылдамдықпен соқтығысады. Осы уақытқа дейін табылған зақымданулардың ішінде ДНҚ мен РНҚ-да ең көп таралғандарының бірі 8 гидроксигуанин. Сонымен қатар, 8 гидроксигуанин РНК-ның барлық зақымданулары арасында өлшенетін жалғыз элемент болып табылады. Оның мол болуынан басқа, 8 гидроксидеоксигуанозин (8 оксоДГ) және 8 гидроксигуанозин (8 оксоГ) олардың мутагендік әсері үшін ең зиянды окисдеу зақымданулары ретінде анықталады, онда бұл каноникалық емес әріптесі бірдей тиімділікпен аденоинмен де, цитозинмен де жұптаса алады. Бұл қате жұптасу ДНК мен РНК синтезі арқылы генетикалық ақпараттың өзгеруіне әкеледі. РНК-да тотығу деңгейі негізінен 8 оксогон негізіндегі сынақтар арқылы бағаланады. Осы уақытқа дейін 8 oxoG деңгейін тікелей өлшеу үшін әзірленген тәсілдерге HPLC негізделген талдау және моноклоналды 8 oxoG антиденелерін қолданатын талдаулар кіреді. HPLC әдісі бойынша 8 oxoG электр химиялық детектормен (ЭКД) және жалпы G УФ детектормен өлшенеді. Екі санды салыстырудан алынған қатынас жалпы G-нің тотығу деңгейін көрсетеді. Моноклоналды анти 8 oxoG тышқан антиденесі бұл қалдықты тін секцияларында немесе мембранада тікелей анықтау үшін кеңінен қолданылады, бұл оның тіндердегі және ДНК немесе РНК дискретті кіші топтарында таралуын зерттеудің визуалды тәсілін ұсынады. Белгілі болған жанама әдістер негізінен осы зақымданудың мутагендік салдары, мысалы lacZ сынағы негізінде жасалады. Бұл әдісті алғаш рет Таддей құрастырып, сипаттады және РНК реттілік деңгейінде де, бір нуклеотид деңгейінде де тотығу жағдайын түсіну үшін әлеуетті қуатты құрал болды. Окистенген РНК-ның тағы бір көзі - жалғыз нуклеотидтердің окистенген аналогтарының дұрыс инкорпорациясы. Шындығында, РНК-ның прекурсорлық бассейнінің көлемі ДНК-дан жүздеген есе үлкен.
РНК сапасын бақылауға арналған әлеуетті факторлар
РНК сапасын бақылау мәселесі бар ма, жоқ па деген сұраққа қатысты қызу пікірталастар жүріп жатыр. Алайда әртүрлі РНК түрлерінің жартылай жойылу ұзақтығы бірнеше минуттан бірнеше сағатқа дейін болатындықтан, бұзылған РНК-ның бұзылуы енді оның өткінші сипатына оңай жатқызылмайды. Шын мәнінде, РОЗ-мен реакция бірнеше минутқа созылады, бұл ең тұрақсыз РНК-ның орташа өмір сүру мерзімінен де қысқа. Кейбір ықтимал факторларға рибонуклеазалар жатады, олар зақымдалған РНК-ны стресс кезінде іріктеп ыдыратады деп күтілуде. Сондай-ақ РНК прекурсорлар бассейнінде жұмыс істейтін ферменттер РНК тізбектерінің сапасын қате прекурсорларын жаңадан пайда болған жіпке тікелей енгізілмейтін түрге өзгерту арқылы бақылайды.