30.1

30. poškození DNA a mechanizmy reparace

Poškození

            K poškození patří různé genové mutace, chromozomové aberace či dokonce genomové mutace. Změna jediné báze (depurinace – purinová báze se uvolní z fosfáto-cukerné kostry, deaminace – adenin na hypoxantin či cytosin na uracil, alkylace báze, inzerce či delece nukleotidu, vložení analogu báze, tzn. molekuly strukturně podobné nukleové bázi schopné ji nahradit při replikaci). Změna dvou bází (vznik thyminového dimeru, dimerizace sousedních bází vlivem alkylačních činidel). Poruchy na úrovni celých řetězců (poruchy vlivem ionizujícího záření, poruchy fosfáto-cukerné složky vlivem radioaktivity, vznik volných radikálů vlivem oxidace). Chybný vznik vazeb (mezi dvěma bázemi na stejném řetězci nebo napříč řetězcem, mezi DNA a okolními proteiny – histony atp.).

Mechanizmy reparace

            Zabraňují ohrožení existence druhu vlivem selekce a mutace. Byly popsány zejména u bakterií, u eukaryot existuje ještě mnoho neznámých.

            Oprava během replikace – choulostivý proces, při němž je potenciál vzniku chyb v genetickém materiálu. To, že je nakonec tato chybovost pouze 1/10⁹, je zásluhou kontrolních mechanismů během replikace i po ní.

Proofreading – přímo při replikace by mohlo docházet k tomu, že se k sobě navážou dvě báze, které nejsou komplementární, tedy AC a GT. Díky speciálním vlastnostem DNA polymerázy je taková chybovost pouze 1/10⁷. schopnost samotné DNA polymerázy opravovat špatně přiřazené báze se označuje jako proofreading („kontrolní čtení“). Jak tento enzym postupuje po řetězci a přidává na základě komplementarity jednotlivé nukleotidy, vždy předtím, než tento nukleotid přiřadí, zkontroluje, že navázání předchozího nukleotidu odpovídá plně zákonům komplementarity (AT a CG). Pokud je tam chyba, polymeráza je schopná opět narušit fosfodiesterovou vazbu a vložit na tomto místě nukleotid správný.

Korekce párování bazí – po ukončení replikace dané části řetězce následuje ještě jedna korekce správného párování bází (tzv. mismatch repair), která dokáže odhalit mnoho chyb zanedbaných komplexem DNA polymerázy. Právě díky ní je výsledná chybovost pouze 1/10⁹. příkladem chyby je například stav, kdy se naproti guaninu připojí báze adeninová. V tom případě je specializovaná skupina enzymů schopná rozeznat řetězec původní (templátový) od řetězce právě dosyntetizovaného. To je zásadní, jinak by totiž nebylo jasné, jaká z bází je bodová mutace, a jaký je výchozí stav.

            Oprava mimo replikace

Přímý zvrat poškození – do této skupiny opravných mechanismů patří např. fotolyáza, enzym, jenž je schopen opravit chyby způsobené paprsky UV záření. UV záření je schopné spojit vazbou dvě sousední thyminové báze, čímž vzniká tzv. thyminový dimer. Fotolyáza se naváže ve tmě na thyminový dimer a poté ve dne absorbují její kofaktory FADH₂ a pterin světlo, čímž dojde k aktivaci enzymu a k rozkladu thyminového dimeru. Opravy jiných typů poškození DNA je schopná také DNA-methyltransferáza. Tento protein je schopen opravit báze methyl- a ethylguanin, které vznikají alkylací guaninu např. jeho vystavení alkylačním činidlům.

Vyštěpovací oprava – či také excizní typ oprav představuje další možnost, jak opravit poškození UV světlem. V tomto případě je pomocí speciálních enzymů (endonukleáz) vyštěpen z molekuly DNA oligonukleotid obsahující pyrimidinové dimery. Následně jsou (u bakterií DNA polymerázou I) syntetizovány předtím odstraněné nukleotidy. Jindy se díky vyštěpování mohou v DNA opravovat chyby vzniklé např. samovolnou deaminací (cytosin na uracil), methylací či samovolné otevření cyklických molekul nukleových bází. Tzv. DNA glykosylázy jsou ve spolupráci s endonukleázou a DNA polymerázami schopné tento typ chyb opravit.

Rekombinační oprava – také postreplikační typ oprav spočívá v tom, že pyrimidinové dimery vzniklé účinkem UV záření, jako je dimer thyminový, působí vážné potíže při replikaci DNA. Pokud DNA polymeráza replikující genom dojde na místo, kde je např. thyminový dimer, přeruší zde polymeraci a toto místo přeskočí. Taková mezera však musí být zacelena, a to nejlépe podle vzoru v podobě druhého rodičovského vlákna, které již mezi tím bylo replikováno. U E. coli toto zajišťuje nukleáza RecA, která vystřihne odpovídající část DNA z rodičovského vlákna a přesune ho na druhou část replikační vidlice, kde se řetězec zabuduje do dceřiného vlákna.

SOS odpověď – jde o poslední „zoufalý“ pokus o přežití při závažném poškození DNA bakterie. Proteiny umuC a umuD umožňují replikaci i poškozených a neopravených úseků templátu DNA. Tento typ reparace zvyšuje frekvenci replikačních chyb.