7.5: Поразки ДНК

Стійкий характер ДНК завдяки її доповнюючим подвійним ниткам відзначався вже кілька разів. Тепер більш детально розглянемо процеси відновлення, що рятують пошкоджену ДНК. ДНК не настільки надійна, як це роблять популярні засоби масової інформації. Насправді, взяти блокбастер книги і фільм, Парк Юрського періоду, як приклад, Хоча є, безперечно, деякі ДНК можна знайти або вбудовані в бурштинові зв'язані паразити, або, можливо, в збережені м'які тканини (знайдений глибоко в скам'янілої стегнової кістки, Schweitzer et al, 2007). Ймовірно, він сильно погіршиться, і точне відтворення неможливо без багатьох зразків для роботи.

Найпоширенішим образом ДНК живих організмів є депуринація, при якій гідролізується β-N-глікозидний зв'язок між аденіном або гуаніном і дезоксирибозою. У клітині ссавців він оцінюється майже в 10000 пуринів на покоління клітин, і, як правило, середня швидкість втрати при фізіологічному рН та іонній силі, а при 37° C становить приблизно 3 х 10 ^-11 /сек. Також може відбуватися депіримідинування залишків цитозину та тиміну, але робити це набагато повільніше, ніж депуринація. Незважаючи на високу швидкість втрати цих основ, вони, як правило, легко відновлюються шляхом ремонту висічення бази (BER), про який йдеться далі в цьому розділі. Тому рідко депуринація або депіримідинація призводять до мутації.

Малюнок\(\PageIndex{15}\). Депуринація гуанінів (або аденінів) - поширене ураження ДНК.

Три з чотирьох основ ДНК, аденін, гуанін та цитозин, містять амінні групи, які можуть бути втрачені в різних рН та залежних від температури реакціях, які перетворюють основи в гіпоксантин, ксантин та урацил відповідно. Іноді це може призвести до постійних мутацій, оскільки під час реплікації вони служать шаблоном для синтезу комплементарної нитки, і там, де гуанін повинен йти, наприклад (доповнює цитозин), може бути вставлений аденін (оскільки він доповнює урацил, продукт дезамінації цитозину).

Малюнок\(\PageIndex{16}\) А. Демінізація аденіну та гуаніну може призвести до мутацій при реплікації, якщо вони не відновлені.

Інша дезамінація модифікованої основи метилцитозину також може призвести до мутації при реплікації. Деякі цитозини можуть бути метильовані як частина регуляторного процесу для інактивації певних генів у еукаріотів або у прокаріотів як захист від рестрикційних ендонуклеаз. Коли метильований цитозин дезінфікується, він виробляє тимін, який змінює комплементарний нуклеотид (при реплікації) з гуаніну на аденін. Дезамінація цитозинів відбувається майже з тією ж швидкістю, що і депуринація, але дезамінація інших основ не настільки поширена: дезамінація аденінів, наприклад, в 50 разів рідше, ніж дезамінація цитозину.

Рисунок\(\PageIndex{16}\) Б. дезамінація цитозину та метилцитозину може призвести до мутацій при реплікації, якщо вони не відновлені.

Тимін хороший, урацил поганий. Чому тимін міститься в ДНК, а не урацилі? Виявляється, частота дезамінації цитозину може дати підказку про те, чому клітини пішли на додатковий крок (буквально, оскільки урацил є попередником біосинтезу тиміну), щоб зробити новий «стандартний» нуклеотид для ДНК, коли урацил працював просто чудово для РНК, імовірно, старішої генетичної молекули. Врахуйте це: якби урацил був стандартним для ДНК, то дуже часті перетворення дезамінації C в U не були б спіймані перевіркою помилок на не-ДНК основ, а швидкість мутації стрімко зростала б. На щастя, оскільки Т перетворився на стандартний партнер спаровування основи аденіну в ДНК, урацил швидко розпізнається та видаляється множинними глікозилазами урацилової ДНК (докладніше про це пізніше в цьому розділі), і цілісність наших послідовностей ДНК набагато безпечніша.

Усі основи ДНК можуть спонтанно переходити до таутомерного ізомеру (аміно до іміно, кето до енолу тощо), хоча рівновага сильно нахиляється до одного, ніж до іншого. Коли зустрічається рідкісний таутомер, він база-пари інакше, ніж його більш поширена структурна форма: гуаніни з тимінами і аденіни з цитозинами. Тут знову ж таки, мутація може поширюватися під час реплікації ДНК.

ДНК всередині клітини також повинна боротися з реактивними окислювальними формами (ROS), що генеруються метаболічними процесами клітини. До них відносяться синглетний кисень, пероксидні та пероксидні радикали, а також гідроксильні радикали. хоча вважається, що пероксид водню та пероксидні радикали не безпосередньо атакують ДНК, а скоріше генерують гідроксильні радикали, які роблять. Більшість цих ROS генеруються в мітохондріях під час окислювального фосфорилювання і витікають, хоча деякі можуть генеруватися в пероксисомах або в деяких цитозольних реакціях. Залежно від того, яка частина ДНК є цільовою, ROS може спричинити цілий ряд уражень, включаючи розриви ниток та видалення основ.

Іонізуюче випромінювання (наприклад, рентгенівське випромінювання) та ультрафіолетове випромінювання можуть спричинити ураження ДНК. Іонізуюче випромінювання часто є причиною дволанцюгових розривів ДНК. Як описано далі в розділі, процес відновлення дволанцюгових розривів обов'язково призводить до деякої втрати інформації і потенційно може вибити ген. Ультрафіолетове випромінювання, яке потрапляє на сусідні тиміни, може змусити їх реагувати і утворювати циклобутиловий (чотири вуглеці, пов'язані в замкнутому контурі) тиміновий димер. Димер тягне кожен тимін до іншого, поза нормальним вирівнюванням. Залежно від структурної форми димера, цього достатньо, щоб затемнити машину реплікації та зупинити реплікацію. Однак деякі дані свідчать про те, що нормальне сполучення основи з аденіном може бути можливим за деяких умов, хоча, ймовірно, лише одна базова пара призведе до того, що бракує бази може призвести або до випадкової заміни, або до видалення щойно синтезованої нитки.

Малюнок\(\PageIndex{17}\). Ультрафіолетове випромінювання може поглинатися деякою ДНК і зазвичай викликає піримідинциклобутилдимери, що з'єднують сусідні нуклеотидні основи.

Нарешті, розглянемо утворення хімічних аддуктів (ковалентно прикріплених груп) на ДНК. Вони можуть надходити з різних джерел, включаючи окислення ліпідів, сигаретний дим та грибкові токсини. Ці аддукти приєднуються до ДНК різними способами, тому існує безліч різних ефектів від аддуктів, а також. Деякі можуть бути дуже маленькими аддуктами - багато канцерогенів навколишнього середовища є алкілуючими агентами, переносячи метильні групи або інші невеликі алкільні групи в ДНК. Інші аддукти більші, але також ковалентно приєднуються до азотистої основи ДНК. Поширеними прикладами є бензо (а) пірен, основний мутагенний компонент сигаретного диму, і афлатоксин В1, що виробляється різними грибами сімейства Aspergillus. Бензо (а) пірен перетворюється в бензо (а) епоксид пірену діолу, який потім може атакувати ДНК. Коли це відбувається, кільце at пірену інтеркалюється між основами, викликаючи стеричні зміни, які призводять до локальної деформації ДНК і порушення нормальної реплікації ДНК.

Малюнок\(\PageIndex{18}\). Бензо (а) пірен перетворюється клітиною в епоксидну форму. Епоксид може утворювати аддукт на ДНК.

Афлатоксин В1 є первинним афлатоксином, що виробляється деякими видами (esp. flavus, parasiticus) Aspergillus, дуже поширена цвіль, яка росте на збереженому зерні (а також детриті та інших мертвих або відмираючих рослинних речовині). Крім зараження зерна, це поширена проблема із збереженим арахісом. При високих рівнях афлатоксин гостро токсичний, але при більш низьких рівнях він має підступну властивість бути непомітно токсичним, але мутагенним. Як і бензо (а) пірен, він метаболізується в епоксид, а потім реагує з ДНК, утворюючи аддукт, який може порушити реплікацію.

Малюнок\(\PageIndex{19}\). Епоксидна форма афлатоксину також утворює аддукти на ДНК.

Деякі алкілуючі агенти, зокрема N-нітрозосполуки, утворюються в кислих умовах шлунка від нітрозування природних нітритів, що утворюються з їжі (зниження нітратів), або нітритів навколишнього середовища в питній воді. За іронією долі, хоча деякі алкілуючі агенти можуть викликати рак, інші використовуються терапевтично як протипухлинні методи лікування, наприклад, мітоміцин, мелфалан. Ідея, як і у багатьох методів лікування раку, полягає в тому, що, хоча такі препарати спричиняють пошкодження ДНК неракових клітин, а також ракових клітин, висока швидкість проліферації ракових клітин дає їм менше шансів на відновлення пошкодженої ДНК, і, отже, більша ймовірність того, що пошкодження може зупинити реплікацію і призвести до клітини смерть.

У подібному ключі зшивають хіміотерапевтичні агенти, такі як цисплатин (атом платини, пов'язаний з двома хлоридними групами та двома аміногрупами), також зв'язуються з ДНК. Хлоридні групи витісняються спочатку водою, а потім іншими групами, включаючи ділянки на ДНК. Хоча іноді класифікується як алкілуючий агент, це, очевидно, не так, але діє аналогічно. Цисплатин йде на крок далі, ніж простий алкілуючий агент, хоча, оскільки він має інший реактивний сайт і, таким чином, може зшивати (ковалентно зв'язувати) інший нуклеотид, можливо, на іншій нитці ДНК, що робить сильну перешкоду реплікації ДНК. Цисплатин також може зшивати білки з ДНК.

Бензо (а) пірен і афлатоксин В1 самі по собі не є мутагенами. Після того, як вони знаходяться в клітці, нормальний метаболізм цих сполук призводить до утворення епоксиду діолу, який потім може атакувати ДНК. Хоча 7-азот (N7) гуаніну є більш нуклеофільним і є мішенню для афлатоксину, більшість аддуктів бензо (а) пірендіол епоксиду приєднуються до 2-азоту залишків гуаніну.

Існують федеральні стандарти (20-300 частин на мільярд залежно від використання) для афлатоксину в різних формах кормів для тварин на основі зерна, особливо кормів на основі кукурудзи, оскільки токсин може проходити через тварину в молоко, а також затримуватися в м'ясі. Окрім кормів, існують федеральні максимуми для арахісу та арахісових продуктів, бразильських горіхів, фісташок та інших харчових продуктів (діє при 20 ppb).

Ну тоді, що робити бідній клітині, коли її ДНК постійно руйнується? Як з'ясовується, є деякі дуже хороші ремонтні процеси, які постійно працюють над ДНК, скануючи її на наявність дефектів, і де це можливо, роблять ремонт. Часто ремонт ідеальний, якщо додаткова пасмо ціла, іноді потрібно вводити мутації, і нарешті бувають випадки, коли ремонт неможливий, і запускається апоптоз, щоб вбити клітину і запобігти розмноженню пошкодженої ДНК.