Введение
Процесс окислительного повреждения дезоксирибонуклеиновой кислоты Окисление ДНК - это процесс окислительного повреждения дезоксирибонуклеиновой кислоты. Как подробно описано Burrows et al., 8 oxo 2' дезоксигуанозин (8 oxo dG) является наиболее распространенным окислительным поражением, наблюдаемым в дуплексной ДНК, потому что гуанин имеет более низкий потенциал редукции одного электрона, чем другие нуклеозиды в ДНК. Потенциалы уменьшения одного электрона нуклеозидов (в вольтах по сравнению с NHE) - гуанин 1.29, аденин 1.42, цитозин 1.6 и тимин 1.7. Примерно 1 из 40 000 гуанинов в геноме присутствует в виде 8 oxo dG в нормальных условиях. Это означает, что в любой момент времени в геноме клетки человека может существовать > 30 000 8 оксоджимов. Другим продуктом окисления ДНК является 8 оксода. 8 оксодаза встречается примерно в 1/ 10 частоты 8 оксодаза. Потенциал редукции гуанина может быть уменьшен до 50%, в зависимости от конкретных соседних нуклеозидов, расположенных рядом с ним в ДНК. Избыточная окисление ДНК связана с некоторыми заболеваниями и раком, в то время как нормальный уровень окисленных нуклеотидов, из-за нормального уровня ROS, может быть необходим для памяти и обучения.
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.
Окисленные основания в ДНК
В 2003 году Кук и др. выявили более 20 окислительно поврежденных поражений оснований ДНК. и они перекрывают 12 окисленных оснований, о которых сообщил Диздароглу в 1992 году. Два из наиболее часто окисляемых оснований, обнаруженных Диздароглу после ионизирующего излучения (вызывающего окислительный стресс), были двумя продуктами окисления гуанина, показанными на рисунке. Одним из этих продуктов был 8 OH Gua (8 гидроксигуанин). (Статья 8 оксо 2' дезоксигуанозин относится к тому же поврежденному основанию, поскольку кето-форма 8 оксо Гуа, описанная там, может претерпеть таутомерный сдвиг к энольной форме 8 OH Гуа, показанной здесь.) Другим препаратом был FapyGua (2,6 диамино-4 гидрокси-5 формамидопиримидин). Другим часто встречающимся продуктом окисления был 5OH Hyd (5 гидроксигидантоин), полученный из цитозина.
Удаление окисленных оснований
Большинство окисленных оснований удаляются из ДНК ферментами, действующими в рамках пути восстановления отсечения оснований.
Уровни устойчивого состояния повреждения ДНК
Уровни устойчивого состояния эндогенных повреждений ДНК представляют собой баланс между образованием и восстановлением. Свенберг и др. средние количества измеренных повреждений эндогенной ДНК в стационарном состоянии в клетках млекопитающих. Семь наиболее распространенных повреждений, которые они обнаружили, приведены в таблице 1. Только одна непосредственно окисленная основа, 8 гидроксигуанин, примерно в 2400 8 ОГ на клетку, была среди наиболее частых повреждений ДНК, присутствующих в устойчивом состоянии. + Таблица 1. Количество эндогенных повреждений ДНК в устойчивом состоянии Количество эндогенных поражений на клетку Основные участки 30 000N7 (2 гидроксетил) гуанин (7HEG) 3 0008 гидроксигуанин 2 4007 (2 оксоэтил) гуанин 1 500 Формальдегид аддукта 960Акролеин дезоксигуанин 120 Малондиальдегид дезоксигуанин 60
Повышение 8-оксо-dG в канцерогенезе и заболеваниях
Как рассмотрен Valavanidis et al. повышенный уровень 8 oxo dG в тканях может служить биомаркером окислительного стресса. Они также отметили, что повышенные уровни 8 oxo dG часто связаны с канцерогенезом и заболеваниями. На рисунке, показанном в этом разделе, эпителий толстой кишки мыши, получающей нормальную диету, имеет низкий уровень 8 oxo dG в ее толстой кишки (панель А). Однако мышь, вероятно, подвергается опухолеобразованию толстой кишки (вследствие добавления дезоксихолата в ее рацион, что может способствовать опухолеобразованию и канцерогенезу. Из 22 мышей, получавших диету с добавлением дезоксихолата, у 20 (91%) после 10 месяцев диеты развились опухоли толстой кишки, а опухоли у 10 из этих мышей (45% мышей) включали аденокарциному (рак). Ремонт различных типов повреждений ДНК может, с небольшой частотой, оставлять остатки различных процессов восстановления и тем самым вызывать эпигенетические изменения. 8 oxo dG в основном восстанавливается путем исправления базового выделения (BER). Ли и другие. обзор исследований, указывающих на то, что один или несколько белков BER также участвуют в эпигенетических изменениях, включающих метилирование ДНК, деметилирование или реакции, связанные с модификацией гистонов. Нишида и др. В исследовании также была изучена метилирование промоторов 11 генов, подавляющих опухоль (TSG), в 128 образцах биопсии печени. Эти биопсии были взяты у пациентов с хроническим гепатитом С, заболеванием, вызывающим окислительное повреждение печени. Из 5 оцененных факторов только повышенные уровни 8 oxo dG были сильно коррелированы с метилированием промоторов TSG (p< 0, 0001). Эта метилирование промотора может уменьшить экспрессию этих генов-супрессоров опухоли и способствовать канцерогенезу.
Мутагенез
Ясуи и др. исследования, в которых изучалась судьба 8 oxo dG, когда этот окисленный производный дезоксигуанозина вводился в тимидинкиназный ген в хромосоме внутри лимфобластоидных клеток человека в культуре. Они ввели 8 oxo dG в около 800 клеток и смогли обнаружить продукты, которые возникли после введения этой измененной основы, как определено из клонов, полученных после роста клеток. 8 oxo dG восстанавливался до G в 86% клонов, что, вероятно, отражает точное исправление вырезания основания или синтез транслезии без мутации. Трансверсии G: C к T: A произошли у 5, 9% клонов, однобазовые делеции - у 2, 1% и трансверсии G: C к C: G - у 1,2%. Вместе эти более распространенные мутации составили 9, 2% из 14% мутаций, возникших в месте введения 8 oxo dG. Среди других мутаций в 800 анализируемых клонах также были 3 более крупных делеции, размером 6, 33 и 135 пар оснований. Таким образом, 8 oxo dG, если не восстановлена, может непосредственно вызывать частые мутации, некоторые из которых могут способствовать канцерогенезу.
Роль окисления ДНК в регуляции генов
Как было рассмотрено Вангом и др., окисленный гуанин, по-видимому, играет несколько регуляторных ролей в экспрессии генов. Как отметили Ван и др., Второй способ регуляции генов путем окисления ДНК на гуанине возникает, когда в богатом гуанином потенциальном G-квадруплексе (PQS) в кодирующей нити промотора образуется 8 оксо-дГ, после чего активный OGG1 вырезает 8 оксо-дГ и генерирует апурино-апиримидиновый сайт (сайт AP). Место АП позволяет расплавить дуплекс, чтобы разоблачить PQS, приняв G-четырехслойную складку (структуру / мотив G4), которая играет регуляторную роль в активации транскрипции. Третий способ регулирования генов путем окисления ДНК в гуанине показал, что лизин-специфическая гистон-деметилаза LSD1 генерирует локальный всплеск реактивных видов кислорода (ROS), который вызывает окисление близлежащих нуклеотидов при выполнении своей функции. В качестве конкретного примера после обработки клеток эстрогеном LSD1 производил H2O2 как побочный продукт своей ферментативной активности. Окисление ДНК LSD1 в ходе деметилирования гистона H3 при лизине 9 было показано как необходимое для привлечения OGG1 и топоизомеразы IIβ в промоторную область bcl 2, ген, реагирующий на эстроген, и последующего инициирования транскрипции. 8 oxo dG не встречается случайно в геноме. В эмбриональных фибробластах мыши было обнаружено 2- 5 кратное обогащение 8 oxo dG в областях генетического контроля, включая промоторы, 5' нетранслируемые области и 3' нетранслируемые области по сравнению с уровнями 8 oxo dG, обнаруженными в генных телах и в межгенных областях. В эндотелиальных клетках легочной артерии крысы, когда 22 414 генов, кодирующих белки, были исследованы на наличие 8 оксо-дГ, большинство 8 оксо-дГ (когда они присутствуют) было обнаружено в регионах промотора, а не в пределах генных тел. Среди сотен генов, уровни экспрессии которых были затронуты гипоксией, те, у которых недавно был приобретен промотор 8 oxo dGs, были регулированы вверх, а те гены, у которых промоторы потеряли 8 oxo dGs, были почти все регулированы вниз. В мозге млекопитающих ~62% CpG метилированы. Более 500 из этих участков CpG деметилируются в нейронной ДНК во время формирования памяти и консолидации памяти в гиппокампе и поясной коре. Первый рисунок в этом разделе показывает участок CpG, где цитозин метилируется для образования 5 метилцитозина (5mC) и гуанин окисляется для образования 8 окс 2' дезоксигуанозина (на рисунке это показано в таутомерной форме 8 OHdG). Когда эта структура сформирована, основной иссекающий ремонтный фермент OGG1 нацеливается на 8 OHdG и связывается с поражением без немедленного иссечения. OGG1, присутствующий в 5mCp 8 OHdG, привлекает TET1, а TET1 окисляет 5mC, прилегающий к 8 OHdG. Это инициирует деметилирование 5mC.
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.
Биполярное расстройство
Раза и др. рассмотрели доказательства того, что повреждение ДНК, вызванное окислительным стрессом, играет роль в биполярном расстройстве. У пациентов с биполярным расстройством наблюдается повышенный уровень окислительно-индуцированного повреждения ДНК даже в периоды стабильного психического состояния. Уровень исправляющего фермента OGG1, который удаляет определенные окисленные основания из ДНК, также снижен по сравнению со здоровыми людьми.
Шизофрения
Посмертные исследования пожилых пациентов с хронической шизофренией показали, что окислительное повреждение ДНК увеличивается в области гиппокампа мозга. Средняя доля нейронов с окисленной базой ДНК 8 oxo dG была в 10 раз выше у пациентов с шизофренией, чем у сравнительных лиц. Раза и др. рассмотрели доказательства, указывающие на роль окислительного повреждения ДНК при шизофрении.
Окисление РНК
РНК в местной среде подвергаются различным оскорблениям. Среди этих угроз окислительный стресс является одной из основных причин повреждения РНК. Уровень окислительного стресса, который переносит клетка, отражается количеством реактивных видов кислорода (РОС). ROS генерируются при нормальном метаболизме кислорода в клетках и признаются в качестве списка активных молекул, таких как O2•−, 1O2, H2O2 и, •OH Нуклеиновая кислота может быть окислена ROS через реакцию Фентона. На сегодняшний день в ДНК обнаружено около 20 окислительных поражений. РНК, вероятно, более чувствительны к ROS по следующим причинам: i) в основном одноцепочечная структура подвергает большее количество участков ROS; ii) по сравнению с ядерной ДНК, РНК менее компоментированы; iii) РНК широко распространяются в клетках не только в ядре, как это делают ДНК, но и в больших частях в цитоплазме. Эта теория была поддержана серией открытий из печени крысы, лейкоцитов человека и т. д. На самом деле, наблюдение за системой с помощью изотопного обозначения [18O] H2O2 показывает большее окисление в клеточной РНК, чем в ДНК. Окисление случайно повреждает РНК, и каждая атака вызывает проблемы в нормальном клеточном обмене веществ. Хотя изменение генетической информации на мРНК относительно редко, окисление на мРНК in vitro и in vivo приводит к низкой эффективности трансляции и аберрантным белковым продуктам. Хотя окисление поражает ядерные нити случайным образом, отдельные остатки более восприимчивы к ROS, такие горячие точки поражаются ROS с высокой скоростью. Среди всех обнаруженных раковых повреждений, наиболее распространенным в ДНК и РНК является 8 гидроксигуанин. Кроме того, гидроксигуанин 8 является единственным измеримым среди всех поражений РНК. Помимо его обилия, 8 гидроксидеоксигуанозин (8 оксодГ) и 8 гидроксигуанозин (8 оксоГ) идентифицированы как наиболее вредные окислительные поражения для их мутагенного эффекта, в котором этот неканонический аналог может ошибочно сочетаться как с аденоином, так и с цитозином с той же эффективностью. Это неправильное соединение приводит к изменению генетической информации через синтез ДНК и РНК. В РНК уровни окисления оцениваются в основном с помощью 8 оксоговых анализов. До сих пор разработанные подходы для прямого измерения уровня 8 oxoG включают анализ на основе HPLC и анализы с использованием моноклональных анти 8 oxoG антител. Метод, основанный на HPLC, измеряет 8 oxoG с помощью электрохимического детектора (ECD) и общий G с помощью УФ-детектора. Отношение, которое получается при сравнении двух чисел, дает степень окисления общего G. Моноклональные антитела против 8 oxoG мыши широко применяются для непосредственного обнаружения этого остатка на участках ткани или мембране, предлагая более визуальный способ изучения его распределения в тканях и в дискретных подмножествах ДНК или РНК. Установленные косвенные методы в основном основаны на мутагенных последствиях этого поражения, таких как анализ lacZ. Этот метод был впервые разработан и описан Таддей и был потенциально мощным инструментом для понимания ситуации окисления как на уровне последовательности РНК, так и на уровне одного нуклеотида. Другим источником окисленной РНК является неправильное включение окисленного аналога одиночных нуклеотидов. Действительно, размер пула предшественников РНК на сотни раз больше, чем ДНК.
Потенциальные факторы контроля качества РНК
Были бурные дебаты о том, существует ли контроль качества РНК. Однако, учитывая различные периоды полураспада различных видов РНК, от нескольких минут до нескольких часов, деградацию дефектной РНК уже нельзя легко отнести к ее преходящему характеру. Действительно, реакция с РОС занимает всего несколько минут, что даже короче, чем средняя продолжительность жизни самых нестабильных РНК. Некоторые потенциальные факторы включают рибонуклеазы, которые, как предполагается, избирательно деградируют поврежденные РНК при стрессе. Также известно, что ферменты, работающие на уровне пула предшественников РНК, контролируют качество последовательности РНК, изменяя предшественник ошибки в форму, которая не может быть включена непосредственно в зарождающуюся нить.