Szerkesztő:Andras.rinfel/próbalap

DNS repair - típusai, enzimek, kapcsolódó betegségek

A DNS (dezoxiribonukleinsav) fontos tulajdonsága a viszonylagos állandóság. A különböző behatások során ugyanis DNS-ünk folyamatosan változik, ami daganatok, öröklődő betegségek kialakuláshoz vezethet. Ezt kiküszöbölendő a sejtek különböző, nagy hatásfokkal rendelkező DNS javító mechanizmusokkal rendelkeznek.

Dns károsodás

DNS károsodásnak nevezünk minden olyan folyamatot, amely során a DNS valamilyen módon megváltozik. A károsodás során tehát a sejt genetikai állománya megváltozik, ami a sejt további sorsát is befolyásolhatja. Leggyakrabban az ilyen sejtek csökkent funkcióval rendelkeznek, apoptózissal elhalnak, de előfordulhat fokozott túlélés aktiválódása is, ami kontrolálatlan sejtszaporulatokhoz, daganatokhoz vezethet. A változás alatt leggyakrabban valamilyen kémiai módosulást értünk. Leggyakoribb károsodások közé tartozik depurinizáció, bázisoldalláncok dezaminációja, timin dimerek képződése (UV), nukleotidok kiesése és beékelődése, lánctörések és keresztkötések. Ilyen károsodást több tényező is kiválthat:

1.biológiai tényezők : fertőző ágensek(baktériumok, vírusok), növényi és állati toxinok

2.fizikai tényezők : sugárzások(hő, UV, ionizáló)

3.kémiai tényezők : vegyszerek, karcinogén vegyületek

A károsodás normál körülmények között, azaz behatások nélkül is, létrejöhet például: replikáció során. A DNS károsodás nagyon gyakori folyamat ( egy emberi sejt genomja kb. 10000 purinbázisát(guanin, adenin) veszíti el naponta), mégis ezek közül csak nagyon kevés nem kerül kijavításra.

Proofreading ,,repair"

Proofreading-nek nevezzük azt a jelenséget, amely során a DNS-polimeráz 3'-5' exonukleáz aktivitással az általa hibásan beépített nukleotidig visszabontja a szintetizálódó DNS szálat. A DNS szintézisért felelős polimerázok közös tulajdonsága, hogy bizonyos hibagyakorisággal működnek. Átlagosan ez 10^-4 - 10^-5 közötti gyakoriságot jelent. Ha az adott polimerázunk nem rendelkezik 3'-5' exonukleáz aktivitással ezeket a hibákat más rendszereknek szükséges elhárítani, kiküszöbölni. A DNS-polimerázok bizonyos csoportja viszont (ilyen a DNS-polimeráz III. is a prokariótákban) rendelkezik a már említett exonukleáz aktivitással és képes kijavítani a hibát. Így az ilyen polimerázok körülbelül 10^-9 hibagyakorisággal dolgoznak.

Direkt repair

A repair legegyszerűbb lehetősége a direkt javítás. Ennek lényege, hogy a károsodáshoz vezető reakciót megfordítjuk és az ellenkező hatást váltjuk ki, így mintaszállra sincs szükség.

1. Fotoliáz enzim : Ez az enzim kizárólag prokariótákban működik. Leggyakrabban UV fény hatására létrejövő timin dimerek (egymás mellett lévő timinek 5.-6. szénatomja közötti kovalens kötés) kijavításául szolgál. Az enzim látható kék fény hatására aktiválódik és képes elvágni a timinek közötti kovalens kötéseket.
2. O⁶-metilguanin-metiltranszferáz : Prokariótákban és eukariótákban egyaránt működő enzim. A guanin a bázispárosodás szabálya szerint citozinnal alakít ki kapcsolatot. Metilezés, metileződés során keletkező O⁶-metilguanin viszont timinnel kapcsolódik, ami így hibás DNS kialakulásához vezethet. A metiltranszferáz ezt kiküszöbölendő eltávolítja a metil csoportot a guaninról, így kijavítva a hibás bázispárosodást.
3. AlkB fehérje : Ez a fehérje alkilezett bázisok javítását végzi (leggyakrabban 1-metiladenin, 3-metilcitozin). Első lépésként egy -OH csoportot helyez a metilcsoportokra. Ez a lépés Fe²⁺ részvételét igényli. Második lépésként a keletkezett -CH₂-OH, mint formaldehid lép ki és marad vissza az eredeti bázisunk.

Indirekt repair

A DNS repair indirekt formája során nem a károsodással ellentétes reakció zajlik le, hanem több enzim, enzimkomplex formájában, segítségével távolítódik el a keletkezett károsodás a DNS-ből. A folyamat meghatározó lépései a felismerés, a sérült rész kimetszése, újraszintetizálás és végső soron az összekapcsolás.

Típusai:

1.Egyes láncú hibák:

• Bázisexcíziós
• Nukleotid-excíziós
• Mismatch

2.Kettős láncú hibák

1.Egyes láncú hibák:

Egyes láncú hiba esetén a DNS-nek csak egyik lánca sérül és így a repair csak az egyik láncot fogja érinteni.

Bázisexcíziós repair:

A folyamat célja a károsodott bázisok eltávolítása és pótlása az adott szekvenciában. Az abnormális bázist (pl.: xantin, hipoxantin, alkilált bázisok, egyes élőlényekben a timidin dimerek) a DNS-glikoziláz enzim ismeri fel és hasítja le a dezoxiribózról (N-glikozilkötést képes hasítani). Ezzel a DNS-ben egy úgynevezett AP-hely (apurin vagy apirimidin hely) keletkezik. Az AP-helyet az AP-endonukleáz felismeri és bemetszést végez a cukor-foszfát gerincen (foszfodiészter kötést hasít). Ezzel az adott szakasz eltávolításával egy úgynevezett ,,nick", rés keletkezik. A rést prokariótákban a DNS-polimeráz I, míg eukariótákban a DNS-polimeráz β pótolja 5'-3' irányban. A folyamat végén a DNS-ligáz egyesíti a láncvégeket.

Nukleotid-excíziós repair:

A károsodás nem feltétlenül csak egy nukleotidot érint. Kiterjedtebb, azaz több nukleotidot érintő vagy komoly szerekezet változásával járó hibák esetén a repair is kiterjedtebb szakaszon történik. A nukleotid-excíziós repair során a javítást egy specifikus multiprotein komplex végzi. Első lépésként E-coli-ban az ABC-excinukleáz nevű több alegységes enzim ismeri fel és metszi ki az adott hibás szakaszt (eukariótákban is excinukleázok végzik). Az enzim 3 alegységből: Uvr A, Uvr B és Uvr C-ből áll. Az Uvr A és B detektálja a hibát, majd az A alegység leválása után a C alegység a B alegységhez kötődik és metszi a hibás szakaszt mindkét oldalon megfelelő távolságban. A metszett szakaszt helikáz távolítja el. A rést a DNS-polimeráz I enzim pótolja és végezetül ligáz egyesíti a láncvégeket.

Mismatch repair:

A DNS replikáció során a proofreading nem elegendő ahhoz, hogy néha ne csússzon egy-egy hiba a képződött DNS láncba és bizonyos gyakorisággal nem komplementer nukleotidok is beépülhetnek. A nem komplementer bázispárosodás kis szerekezeti eltérést okozhat, ami a következő replikációban, mint pontmutáció vagy mikroszatellit expanzió jelenik meg. A mismatch repair a replikáció utáni nem komplementer párokat javítja ki. A repair megkezdése előtt viszont pontosan tudni kell, melyik szál volt a régi, azaz a helyes, illetve az új szál, amibe a nem komplementer bázis épült. E-coli-ban ezt a Dam-metiláz segíti. A Dam- metiláz mindkét szülői szálon megjelöl egy adenint egy metilcsoporttal a GATC szimmetrikus(palindrom) szekvenciáknál. A replikáció után, tehát rövid ideig (mielőtt az új szál is metilálódik) megkülönböztethető a régi és új szál. Az új, hibás szálon lévő nem komplementer bázist speciális fehérjék ismerik fel. Ezek a MutS és MutL fehérjék, melyek komplexet alkotva kötődnek a hibás szálhoz és ATP igényes folyamatban ,,áthúzzák" a szálat magukon. A MutH fehérje eközben Dam metilált szekvenciákat köt. Amikor a MutS-MutL az áthúzás közben találkozik a MutH fehérjével az áthúzás abbamarad és a MutL kapcsolódik a MutH-hoz. Ez a kötődés aktiválja a MutH endonukleáz aktivitását és elvágja a nem metilált szálat. Ezután exonukleáz és helikáz eltávolítja a hibás nukleotidot is tartalmazó szakaszt. A rést a DNS-polimeráz III. foltozza be és ligáz egyesíti a láncvégeket.

A repair mechanizmusok pontosabb megértéséhez képek az alábbi linken érhetők el: http://ttktamop.elte.hu/online-tananyagok/a_biokemia_es_molekularis_biologiai_alapjai/ch13s12.html

2. Kettős láncú hibák:

Szabadgyökök, egyes ionizáló sugárzások a DNS kettős láncú töréseit okozhatják. A kettős láncú törések javítás nélkül súlyos következménnyel(deléció, transzlokáció, utódokban kromoszóma rendellenességek) járhatnak. Az ilyen hibák kijavításához számos fehérje szükséges, a javítást multiprotein komplexek végzik. A láncvégek egyesítése történhet direkt módon (nem homológ láncvégegyesítés). E során a láncvégeket ligáz egyesíti, viszont leggyakrabban kisebb nagyobb delécióval jár, az exonukleázok hatása miatt. A másik homológ rekombináción alapuló mechanizmus során az eredeti állapot áll vissza. A repair során a sérült DNS a testvérkromatid ép komplementer láncaival rekombinálódik. A réseket DNS-polimeráz kitölti és ligáz egyesíti a láncvégeket.

Kapcsolódó betegségek

A DNS repair fontosságából adódóan az egyes rendellenességek, zavarok érthető módon súlyos következményekhez vezetnek. A komplexitásból kiindulva akár egyetlen alkotóelem génjének hibája vagy működésképtelensége az egész repairre hatással van. Jelenleg rengeteg génről tudott, hogy szerepe van a repairben, listájuk az alábbi linken érhető el. A repair zavarok a daganatok kialakulásának melegágyai, hiszen olyan gének aktiválódhatnak, illetve válhatnak működésképtelenné, amik hatására a sejt fokozott túlélése aktiválódik és ,,daganatsejtté alakul".

PÉLDÁK:

Xeroderma Pigmentosum -ot a nukleotid-excíziós repair defektusa okozza. A repair zavar miatt azUV sugárzás hatására létrejövő timin dimerek kijavitása nem történik meg. Ez bőrszárassághoz, fényérzékenységhez és a bőrrák megnövekedett kockázatához vezet. A betegség ritka, autoszómális recesszív öröklődést mutat.

Lynch-szindróma , másnéven herediter nonpolyposis colon carcinoma (HNPCC) a vastagbél daganatok egyik örökletes, viszonylag gyakori formája. A mismatch repair gének valamelyikének funkcióvesztő mutációja okozza. A repair hiányának hatására felhalmozódnak a pontmutációk, a DNS instabillá válik. Ennek hatására nagyon valószínűséggel aktiválódnak daganatképző onkogének, illetve inaktiválódnak tumor szupresszor gének.

Bázisexcíziós repair teljes működőképtelensége élettel összeegyeztethetetlen.

Hivatkozások

1. Orvosi Biokémia: Ádám Veronika: Orvosi biokémia. Budapest, Medicina Könyvkiadó Zrt., 2006. ISBN 963-242-902-8
2. Biokémia - Gyors segítség a sikeres vizsgához: Edward F. Goljan: Biokémia - Gyors segítség a sikeres vizsgához. Budapest, Medicina Könyvkiadó Zrt., 2009. ISBN 978-963-226-254-3
3.  Lehninger Principles of Biochemistry: David L. Nelson, Michael M. Cox: Lehninger Principles of Biochemistry. New York, W.H. Freeman and Company, 2008. 5^th ISBN 978-0-7167-7108-1
4. Molekuláris sejtbiológia: Szeberényi József ISBN 978-963-9950-54-2
5. http://ttktamop.elte.hu/online-tananyagok/a_biokemia_es_molekularis_biologiai_alapjai/ch13s12.html