Введение
Повреждение структуры биологической молекулы
Молекулярное повреждение или точечное повреждение — это нарушение структуры биологической молекулы, такой как ДНК, РНК или белок. Это повреждение может приводить к снижению или утрате нормальной функции, а в редких случаях — к приобретению новой функции. Повреждения ДНК могут заключаться в разрывах или других изменениях химической структуры спирали, что в конечном итоге препятствует транскрипции. В то же время, повреждения белков состоят как из разрывов связей, так и из неправильного сворачивания аминокислотной цепи. Хотя многие повреждения нуклеиновых кислот характерны как для ДНК, так и для РНК, некоторые специфичны для одного из них, например, димеры тимина, которые встречаются исключительно в ДНК. Существует несколько клеточных механизмов восстановления, от общих до специфических, для предотвращения стойких повреждений, вызванных этими нарушениями.
Причины
Существует две основные причины повреждений нуклеиновых кислот – эндогенные и экзогенные факторы. Эндогенные факторы, или эндогения, относятся к состояниям, возникающим внутри организма. Это противопоставляется экзогенным факторам, которые происходят извне организма. Повреждения ДНК и РНК, вызванные эндогенными факторами, обычно возникают чаще, чем повреждения, вызванные экзогенными факторами.
Эндогенные факторы
Эндогенные источники специфического повреждения ДНК включают такие пути, как гидролиз, окисление, алкилирование, несоответствие оснований ДНК, депуринизация, депиримидинизация, разрывы двойных нитей (DSS) и деаминирование цитозина. Повреждения ДНК также могут возникать естественным образом в результате высвобождения специфических соединений, таких как реактивные виды кислорода (ROS), реактивные виды азота (RNS), реактивные виды карбонила (RCS), продукты перекисного окисления липидов, аддукты и алкилирующие агенты в ходе метаболических процессов. ROS является одним из основных эндогенных источников повреждения ДНК, а наиболее изученным окислительным аддуктом ДНК является 8-оксо-dG. Другие известные аддукты включают этено-, пропано- и аддукты ДНК, производные от малондиальдегида. Альдегиды, образующиеся при перекисном окислении липидов, также представляют собой дополнительную угрозу для ДНК. Белки, такие как белки, усиливающие повреждения (DDP), могут способствовать развитию эндогенных повреждений ДНК, увеличивая количество реактивных видов кислорода с помощью трансмембранных транспортеров, вызывая потерю хромосом при связывании с реплисомой и останавливая репликацию факторами транскрипции. Что касается повреждений РНК, наиболее распространенными типами эндогенного повреждения являются окисление, алкилирование и хлорирование. Фагоцитарные клетки производят радикальные частицы, включая гипохлористую кислоту (HOCl), оксид азота (NO•) и пероксинитрит (ONOO−) для борьбы с инфекциями, и многие типы клеток используют оксид азота в качестве сигнальной молекулы. Однако эти радикальные частицы также могут вызывать пути, приводящие к образованию повреждений РНК.
Ультрафиолетовое излучение
Ультрафиолетовый свет, в особенности неионизирующее излучение с более короткой длиной волны, такое как УФС и УФВ, вызывает прямое повреждение ДНК, инициируя реакцию синтеза между двумя молекулами тимина. Образующийся димер очень стабилен. Хотя они могут быть удалены посредством репарации вырезанием, при обширном УФ-повреждении вся молекула ДНК разрушается, и клетка погибает. Если повреждение не слишком велико, из здоровых клеток формируются предраковые или раковые клетки.
Химиотерапевтические препараты
Химиотерапевтические препараты намеренно вызывают повреждение ДНК и нацелены на быстро делящиеся раковые клетки. Однако эти препараты не способны различать больные и здоровые клетки, что приводит к повреждению нормальных клеток.
Алкилирующие агенты
Алкилирующие агенты – это химиотерапевтические препараты, которые препятствуют делению клетки, повреждая её ДНК. Они действуют на всех фазах клеточного цикла. Использование алкилирующих агентов может приводить к лейкемии из-за их способности воздействовать на клетки костного мозга. Другие агенты, повреждающие ДНК и вызывающие рак, включают асбест, который может вызывать повреждения посредством физического взаимодействия с ДНК или косвенно, запуская образование реактивных видов кислорода, чрезмерное воздействие никеля, которое может подавлять пути репарации ДНК, афлатоксины, содержащиеся в пищевых продуктах. Побочные продукты окислительного дыхания являются основным источником реактивных частиц, вызывающих фоновый уровень окислительных повреждений в клетке. Это воздействие распространяется как на ДНК, так и на РНК, и было установлено, что окислительные повреждения РНК более распространены у людей, чем повреждения ДНК. Это может быть связано с тем, что цитоплазматическая РНК находится ближе к цепи переноса электронов. Известных окислительных повреждений, характеризующихся в ДНК и РНК, очень много, поскольку окисленные продукты нестабильны и могут быстро устраняться. Гидроксильный радикал и синглетный кислород – распространенные реактивные виды кислорода, ответственные за эти повреждения. 8-оксогуанин (8-оксоГ) является наиболее распространенным и хорошо изученным окислительным повреждением, обнаруживаемым как в РНК, так и в ДНК. Накопление 8-оксоГ может вызывать серьезные повреждения митохондрий и считается ключевым фактором в процессе старения. Окисление РНК имеет прямые последствия для производства белков. мРНК, пораженная окислительными повреждениями, все еще распознается рибосомой, но рибосома будет испытывать остановки и дисфункцию. Это приводит к снижению экспрессии белков или их усечению, что ведет к агрегации и общей дисфункции.
Структурные перестройки
Депурирование вызывается гидролизом и приводит к потере пуринового основания нуклеиновой кислоты. ДНК более подвержена этому процессу, поскольку переходное состояние в реакции депурирования обладает значительно большей энергией в РНК. Таутомеризация – это химическая реакция, имеющая первостепенное значение для поведения аминокислот и нуклеиновых кислот, которые оба связаны с ДНК и РНК. Процесс таутомеризации оснований ДНК происходит во время репликации ДНК. Способность неверной таутомерной формы одного из стандартных нуклеиновых оснований к неправильному спариванию вызывает мутацию в процессе репликации ДНК, которая может быть цитотоксичной или мутагенной для клетки. Эти неправильные спаривания могут приводить к мутациям типа перехода, трансверсии, сдвига рамки считывания, делеции и/или дупликации. Некоторые заболевания, возникающие в результате повреждений ДНК, индуцированных таутомеризацией, включают синдром Кернса-Сейра, синдром хрупкой Х-хромосомы, болезнь Кеннеди и болезнь Гентингтона.
Одно- и двустворчатые разрывы
Одноцепочечные разрывы (SSB) возникают, когда в одной из нитей двойной спирали ДНК происходит разрыв одного нуклеотида, сопровождаемый повреждениями 5'- и/или 3'-концов в этой точке. Распространенным источником SSB является окислительное повреждение, вызванное физиологически активными реактивными формами кислорода (ROS), такими как перекись водорода. H2O2 вызывает SSB в три раза чаще, чем двухцепочечные разрывы (DSB). Другие механизмы образования SSB включают прямое разрушение окисленного сахара или исправление ДНК по механизму удаления оснований (BER) поврежденных оснований. Кроме того, клеточные ферменты могут проявлять ошибочную активность, приводящую к образованию SSB или DSB различными путями. Например, комплекс расщепления, формируемый ДНК-топоизомеразой 1 (TOP1), расслабляет ДНК во время транскрипции и репликации, временно образуя ник. Хотя TOP1 обычно быстро восстанавливает этот ник, комплексы расщепления могут сталкиваться с РНК- или ДНК-полимеразами или находиться вблизи других повреждений, что приводит к SSB, связанным с TOP1, или DSB, связанным с TOP1.
Химические аддукты
Аддуктом ДНК является сегмент ДНК, который связывается с химическим канцерогеном. Некоторые аддукты, вызывающие повреждения ДНК, включают окислительно модифицированные основания, пропано-, этено- и аддукты, индуцированные MDA. Этот аддукт препятствует связыванию факторов транскрипции с ДНК, что может спровоцировать апоптоз или привести к делеционным мутациям. Он регулирует экспрессию генов, участвующих в регуляции клеточного цикла и апоптозе. Некоторые альдегиды, образующиеся при перекисном окислении липидов, могут быть преобразованы в эпоксиальдегиды в результате реакций окисления. Эти эпоксиальдегиды могут повреждать ДНК, образуя этеноаддукты. Увеличение количества этого типа повреждений ДНК наблюдается при состояниях, вызывающих окислительный стресс, который, как известно, связан с повышенным риском развития рака. Малондиальдегид (MDA) является еще одним высокотоксичным продуктом перекисного окисления липидов и также участвует в синтезе простагландинов. MDA реагирует с ДНК, образуя аддукт M1dG, который вызывает повреждения ДНК. Воздействие окислительно поврежденной РНК привело к ряду заболеваний человека и особенно связано с хронической дегенерацией. Этот тип повреждения наблюдается при многих нейродегенеративных заболеваниях, таких как амиотрофический латеральный склероз. Важно отметить, что этот список быстро расширяется, и данные свидетельствуют о том, что окисление РНК происходит на ранних стадиях развития этих заболеваний, а не является следствием клеточного распада.
Ремонт вырезки основания
Ремонт отсечения оснований (BER) отвечает за удаление поврежденных оснований в ДНК. Этот механизм специфически работает над удалением небольших повреждений оснований, которые не деформируют двойную спираль ДНК, в отличие от нуклеотидной эксцизионной репарации, которая используется для исправления более выраженных деформирующих повреждений. ДНК-гликозилазы инициируют BER, распознавая дефектные или неправильные основания и удаляя их, формируя AP-сайты, лишенные пурина или пиримидина. Затем AP-эндонуклеаза разрезает AP-сайт, и одноцепочечный разрыв обрабатывается либо коротким участком BER для замены одного нуклеотида, либо длинным участком BER для создания 2–10 замещающих нуклеотидов.
Ремонт одноцепочечных разрывов
Одноцепочечные разрывы (SSB) могут серьезно угрожать генетической стабильности и выживанию клеток, если они не будут быстро и правильно восстановлены, поэтому клетки выработали быстрые и эффективные механизмы восстановления SSB (SSBR). В то время как общие системы SSBR устраняют SSB по всему геному и в течение интерфазы, процессы SSBR, специфичные для S-фазы, работают совместно с гомологичной рекомбинацией в репликационных вилках.
Ремонт двойных переломов
Двойноцепочечные разрывы (DSB) представляют угрозу для всех организмов, поскольку могут приводить к гибели клеток и развитию рака. Они могут возникать как под воздействием внешних факторов, таких как радиация, так и внутренне, из-за ошибок при репликации или столкновения репликационной вилки с повреждениями ДНК. Ремонт DSB осуществляется посредством различных путей и механизмов, обеспечивающих точное исправление этих повреждений.
Выделение нуклеотидов и восстановление несоответствия
Ремонт нуклеотидным вырезанием – один из основных механизмов, используемых для удаления объемных аддуктов, возникающих при повреждениях ДНК, вызванных химиотерапевтическими препаратами, мутагенами окружающей среды и, что наиболее важно, ультрафиолетовым излучением. Объемные аддукты, по-видимому, инициируют НЭР. Помимо других общих повреждений генома, УФ-поврежденный ДНК-связывающий белковый комплекс (UV DDB) также играет важную роль в распознавании и восстановлении ДНК-фотолезий, индуцированных ультрафиолетовым излучением. Это, вероятно, один из многих сигналов, запускающих ММР.