Reparační mechanismy DNA

Navzdory působení mnoha faktorů, které mohou mutovat DNA, si organismy vyvinuly způsoby, jak mutace v genetickém materiálu opravovat. Opravné systémy jsou velmi komplexní procesy, na nichž se účastní přibližně 130 genů a podílí řada bílkovin s různou funkcí . U člověka existuje minimálně 5 typů oprav DNA.

Přímá oprava

U lidí se vyskytuje pouze pár genů, které se účastní mechanismu přímé opravy. Nejlépe je charakterizován gen, který kóduje DNA-methyltransferasu schopnou odstranit methyl-skupinu z nesprávně methylovaných guaninů

U bakterií existuje opravný mechanismus závislý na viditelném světle – fotoreaktivace. Ta opravuje dimery pyrimidinů (thyminů např.) produkované UV zářením. Viditelné záření indukuje enzymy nazývané fotolyasy, které rozpoznají thyminové dimery, váží se na ně a štěpí kovalentní vazby, které se mezi nimi vytvořily za využití světelné energie.

Excizní opravy

Excizní opravy jsou důležitou součástí procesu replikace. Při vysoké rychlosti zařazování nukleotidů do nového řetězce je frekvence chybného zařazení bazí poměrně vysoká. Jsou známy zejména dva hlavní typy excizních oprav:

Schéma mechanismu Base Excision Repair a Nucleotide Excision Repair

BER (base excision repair)

BER slouží k odstranění abnormální nebo chemicky modifikované baze. Opravuje velké množství nejběžnějších poškození DNA.

Oprava probíhá za účasti různých DNA glykosylas, které jsou kódovány nejméně 8 geny. Každá DNA glykosylasa je odpovědná za identifikaci a odstranění specifické purinové nebo pyrimidinové baze. Po odstranění baze štěpí endonukleasa (AP endonukleasa) a fosfodiesterasa vlákno DNA v pozici špatně zařazené baze a odstraní zbytek nukleotidu (curk-fosfát) za vzniku mezery. [[DNA polymerasa]] pak nahradí chybějící baze podle originální struktury a DNA ligasa spojí nový úsek DNA s původní DNA.

NER (nucleotid excision repair)

NER opravuje větší úseky DNA i dimery pyrimidinů, používá jiné enzymy než systém BER.

Oprava začíná když enzym DNA endonukleasa rozpozná poškozené místo a označí jej (např. přeruší jeden řetězec DNA v sousedství poškození). DNA exonukleasa odstraní označený nukleotid a také několik sousedních nukleotidů. Následně enzym DNA polymerasa doplní vzniklou mezeru, přičemž jako templát slouží nepoškozený řetězec DNA. Reparační proces je ukončen spojením nově syntetizované DNA s původní DNA činností DNA ligasy.

Mismatch repair

Enzymy jsou schopné identifikovat špatně zařazený nukleotid (mismatch) a označit ho nebo přímo opravit. Odstraňují se takto chyby vzniklé během replikace.

Důležité je, že systém dokáže rozlišit původní řetězec a správnou sekvenci nukleotidů a dceřinný řetězec s mutovanou sekvencí a nahradit nesprávný nukleotid podle originálu. Systém byl nejprve objeven u bakterií (E. coli), kde je rozlišení umožněno porovnáním methylace obou řetězců. Řetězce DNA obsahují palindromové sekvence GATC, ve kterých je adenin v templátovém řetězci methylovaný, v novém řetězci dochází k methylaci adeninu až po určité době. Proteiny mismatch repairu jsou schopné rozpoznávat tyto semimethylované GATC sekvence a tak původní a nově syntetizovaný řetězec.

Příklad palindromní sekvence DNA (modře) a štěpení lepivých konců (červeně)

Vyštěpovaný úsek může být dlouhý i tisíce bazí, jeho délka závisí na vzdálenosti nejbližší GATC sekvence od místa chybného párování.

E. coli

U E. coli mismatch repair zajišťují produkty 4 genů – mutH, mutL, mutS a mutU

mutU je helikasa
mutS protein rozpoznává chybné párování
mutL spojuje komplex proteinů
mutH přeruší nemethylovaný řetězec (GATC specifická endonukleasa) v semimethylované sekvenci GATC po nebo proti proudu
mutD vyštěpí nový řetězec s chybnou bazí

Vyštěpený úsek je syntetizován DNA-polymerasou I a spojen ligasou.

Člověk

Homology proteinů mutS a mutL byly prokázány i u člověka v souvislosti se studiem onkogeneze. Geny, které je kódují, jsou označovány jako mutátorové geny, i když mutace nevyvolávají, ale opravují. Mutace těchto genů znemožňují účinný mismatch repair, mutace vzniklé při replikaci a změny struktury DNA jsou bez opravy přenášeny do dalších generací buněk. Kumulace mutací může vést až ke vzniku tumoru.

Mismatch repair geny člověka jsou označovány jako hMSH2, hMLHl, hMSl, hPMS2 a MSH6. Mismatch repair je zřejmě univerzální ve všech buňkách s dvouřetězcovou DNA. Germinální mutace mutátorových genů podmiňují vznik nepolyposního hereditárního karcinomu tlustého střeva (Lynchův syndrom I a II)

Postreplikační oprava (homologní rekombinace)

Uplatní se zejména při nápravě zlomů obou řetězců DNA, je mnohem méně objasněný než excizní systémy.

Její mechanizmus je podobný genové konverzi. Jedná se o homologní rekombinaci, kdy se jedno vlákno homologního chromosomu spáruje a zrekombinuje s poškozenou DNA.

Herečka Angelina Jolie, která má mutaci BRCA1.

Mezi lidské geny, které se účastní tohoto způsobu opravy patří gen NBS (gen mutovaný u Nijmegen breakage syndromu) nebo gen BLM (mutovaný u Bloomova syndromu) a geny BRCA1 a BRCA2.

Všechny tyto systémy (s výjimkou přímé opravy) vyžadují spolupráci řady enzymů – exo, endo nukleas, helikas, polymeras a ligas.

Syndromy podmíněné poruchami reparačních mechanismů

U člověka je známa řada dědičných syndromů, které jsou spojeny se zvýšenou citlivostí vůči mutagenním vlivům a mohou být podmíněny poruchami reparačních mechanismů.

Xenoderma pigmentosum

Podrobnější informace naleznete na stránce Xeroderma pigmentosum.

Jedná se o recesivně dědičné onemocnění způsobené defektem v excizním systému NER. Postižení jsou citliví na UV záření. Opalování vyvolává nepravidelnou pigmentaci a v časném věku se u nich objevují karcinomy kůže, zvýšené je i riziko neoplazií jiných orgánů.

Kromě citlivosti kůže mají pacienti s XP různé neurologické poruchy – vysvětlením je smrt dlouhověkých nervových buněk (apoptosa).

Bloomův syndrom

Podrobnější informace naleznete na stránce Bloomův syndrom.

Syndrom způsobený mutací v genu BLM, který se účastní procesu postreplikačních oprav. Postižení mají chromosomální nestabilitu, zvýšené riziko výskytu nádorů a jsou imunodeficientní.

Příkladem defektu v systému BER jsou u člověka mutace v genu MUTYH způsobující jednu z dědičných forem kolorektálního karcinomu.

Odkazy

Související články

Použitá literatura

Reference