Poškození DNA

Poškození DNA  je změna v chemické struktuře DNA , jako je jednořetězcový nebo dvouřetězcový zlom v cukerné fosfátové kostře DNA, ztráta nebo chemická změna dusíkatých bází , zesíťování řetězců DNA, zesíťování DNA-proteinu. Struktura DNA v buňce je pravidelně narušována díky tomu, že při přirozeném metabolismu vznikají sloučeniny, které mají schopnost DNA poškozovat. Tyto sloučeniny zahrnují reaktivní formy kyslíku , reaktivní formy dusíku , reaktivní karbonylové skupiny, produkty peroxidace lipidů a alkylační činidla [1] . Četnost poškození DNA způsobená expozicí přirozeným buněčným metabolitům dosahuje podle některých odhadů desítek tisíc událostí denně na buňku [2] . DNA může být také poškozena vystavením vnějším činitelům, jako je ionizující záření nebo chemické mutageny .

Poškození DNA je třeba odlišit od mutací . Poškození DNA jsou abnormální chemické struktury v DNA, zatímco mutace jsou změny v sekvenci standardních párů bází: A ( adenosin ), T ( thymidin ), C ( cytidin ), G ( guanosin ).

Většina poškození DNA může být opravena během opravy DNA , ale oprava DNA za prvé není zcela účinná a za druhé v některých případech oprava poškození DNA vede k chybám a v důsledku toho k výskytu mutací. Navíc existují důkazy, že proces opravy některých poškození DNA, konkrétně dvouřetězcových zlomů DNA, může vést k epigenetickým změnám v podobě metylace okolní DNA a v důsledku toho k umlčení genové exprese [3] .

Poškození DNA může spustit programovanou buněčnou smrt, tedy apoptózu [4] . Nekorigované poškození DNA se může hromadit v nedělících se postmitotických buňkách, jako jsou mozkové nebo svalové buňky u dospělých savců, a může být příčinou stárnutí [5] [6] [7] . V dělících se buňkách, jako jsou střevní epiteliální buňky nebo hematopoetické buňky kostní dřeně, mohou chyby při opravě poškození DNA vést k mutacím, které se přenášejí na další generace buněk a některé z těchto mutací mohou mít onkogenní potenciál.

Dopad na život

Nepřímým důkazem, že poškození DNA je pro živé organismy vážný problém, je to, že oprava DNA byla nalezena ve všech buněčných organismech, u kterých byla její přítomnost zkoumána. Například u bakterií se regulační síť zaměřená na opravu poškození DNA (nazývaná SOS reakce u Escherichia coli ) nachází u mnoha druhů bakterií. Protein E. coli RecA , který je klíčový v reakcích reakce SOS, patří do rozšířené třídy proteinů, které si vyměňují řetězce DNA v procesu homologní rekombinace, což je mechanismus, který zajišťuje stabilitu genomu opravou zlomů DNA [8] . Geny homologní s RecA a dalšími geny centrální odpovědi SOS byly nalezeny téměř ve všech dosud sekvenovaných bakteriálních genomech, což naznačuje starověký původ a rozšířenou rekombinantní opravu poškození DNA [9] . Rekombinázy homologní s RecA jsou také rozšířeny mezi eukaryoty . Například u štěpných kvasinek a lidských buněk podporují homology RecA výměnu řetězců DNA v komplexu helix-helix , což je nezbytné pro opravu dvouřetězcových zlomů DNA [10] [11] .

O důležitosti zachování integrity DNA v buňce také svědčí skutečnost, že mnoho buněčných energetických zdrojů je investováno do procesů opravy poškození DNA. Podle některých odhadů oprava pouze jednoho zlomu dvouřetězcového DNA v lidské buňce vyžaduje více než 10 000 molekul ATP, které se používají v procesu detekce poškození, tvorbě opravných ložisek a tvorbě homologních rekombinantních komplexů zahrnujících Rad51. [6] .

Frekvence vnitřního poškození DNA

Níže uvedený seznam ilustruje frekvence, se kterými dochází v průběhu dne k novému přirozenému poškození DNA v důsledku vnitřních buněčných procesů.

Dalším velkým poškozením DNA je tvorba M1dG , 3-(2'-deoxy-β-D-erythro-pentofuranosyl)pyrimido[1,2 - a ]-purin-10(3H)-onu. Důležitým ukazatelem může být stacionární hladina v DNA, která odráží jak frekvenci výskytu, tak frekvenci oprav DNA. Stacionární úroveň M1dG je vyšší než úroveň 8-oxodG. [25] To naznačuje, že některá poškození DNA s nízkou frekvencí se obtížně opravují a zůstávají v DNA na vysoké úrovni. Jak M1dG [26] , tak 8-oxodG [27] jsou mutagenní .

Stacionární úroveň poškození DNA

Stacionární úroveň poškození DNA odráží rovnováhu mezi jejich výskytem a jejich opravou. Bylo charakterizováno více než 100 typů oxidativního poškození DNA a 8-oxodG je výsledkem asi 5 % z nich [28] . Helbock et al [29] odhadli ustálené hladiny oxidačních aduktů DNA na 24 000 na buňku u mladých potkanů ​​a 66 000 aduktů na buňku u starých potkanů. To odráží akumulaci poškození DNA s věkem.

Swenberg et al [30] měřili průměrný počet jednotlivých stacionárních endogenních poškození DNA v savčích buňkách. Jak je uvedeno v tabulce 1, seřadili sedm nejčastějších lézí.

Tabulka 1. Stacionární množství poškození endogenní DNA
endogenní poškození Množství na buňku
Ztráta půdy 30 000
N7-(2-Hydroxyethyl)guanin (7HEG) 3000
8-Hydroxyguanin 2400
7-(2-oxoethyl)guanin 1500
Adukty formaldehydu 960
Akrolein-deoxyguanin 120
Malondialdehyd-deoxyguanin 60

Měřením stacionárních lézí v určitých tkáních potkanů ​​Nakamura a Swenberg [31] prokázali, že počet míst ztráty báze se pohybuje od asi 50 000 na buňku v játrech, ledvinách a plicích až po asi 200 000 na buňku v mozku.

Důsledky přirozeného poškození DNA

Diferencované somatické buňky u dospělých savců se obecně replikují zřídka nebo vůbec. Takové buňky, včetně například mozkových neuronů a svalových myocytů, se dělí málo nebo vůbec. Nereplikující se buňky obecně neprodukují mutace vyvolané poškozením DNA ve fázi replikace. Tyto nereplikující se buňky se obvykle nestávají rakovinnými, ale časem akumulují poškození DNA, což pravděpodobně přispívá ke stárnutí. V nereplikujících se buňkách může jednovláknový zlom nebo jiný typ poškození v transkribovaném řetězci DNA blokovat transkripci katalyzovanou RNA polymerázou II [32] . To bude interferovat se syntézou proteinu kódovaného genem, ve kterém k takovému zablokování došlo.

Brasnjevic et al [33] shrnuli důkazy ukazující, že jednořetězcové zlomy se s věkem v mozku hromadí (ačkoli se jejich počet v různých oblastech mozku lišil) a že představují nejběžnější stacionární typ poranění mozku. Jak bylo diskutováno výše, očekává se, že tyto nahromaděné nicky blokují transkripci genu. V souladu s tím přehled Hetmana et al [34] identifikoval 182 genů, které vykazovaly sníženou transkripci v mozcích jedinců starších 72 let ve srovnání s jejich transkripcí v mozcích jedinců mladších 43 let. Při hodnocení obsahu 40 specifických proteinů ve svalech potkanů ​​vykázala většina proteinů významný pokles obsahu od 18 měsíců (mladé potkany) do 30 měsíců (staří potkani) věku. [35]

U jiného typu poškození DNA, dvouřetězcových zlomů, bylo prokázáno, že vedou k buněčné smrti (ztrátě buněk) prostřednictvím apoptózy . [36] Tento typ poškození DNA se nehromadí s věkem, protože takové buňky během apoptózy umírají.

Viz také

Poznámky

  1. ↑ De Bont R, van Larebeke N. (2004) Endogenní poškození DNA u lidí: přehled kvantitativních dat. Mutagenesis 19(3):169-185. Posouzení. PMID 15123782
  2. ↑ Carol Bernstein, Anil R. Prasad, Valentine Nfonsam a Harris Bernstein (2013). Poškození DNA, oprava DNA a rakovina, Nové směry výzkumu v opravách DNA, Prof. Clark Chen (Ed.), ISBN 978-953-51-1114-6 , InTech, DOI: 10.5772/53919. Dostupné z: http://www.intechopen.com/books/new-research-directions-in-dna-repair/dna-damage-dna-repair-and-cancer Archivováno 29. ledna 2021 na Wayback Machine
  3. ↑ O'Hagan HM, Mohammad HP, Baylin SB. (2008) Dvouřetězcové zlomy mohou iniciovat umlčení genu a nástup methylace DNA závislý na SIRT1 v exogenním promotoru ostrova CpG. PLoS Genet . 4(8): e1000155. doi : 10.1371/journal.pgen.1000155 PMID 18704159
  4. ↑ Roos WP, Kaina B. Poškozením DNA indukovaná buněčná smrt apoptózou  //  Trendy v molekulární medicíně. - 2006. - Sv. 12 , č. 9 . - S. 440-450 . - doi : 10.1016/j.molmed.2006.07.007 .
  5. ↑ Bernstein H, Payne CM, Bernstein C, Garewal H, Dvořák K (2008). Rakovina a stárnutí jako důsledky neopraveného poškození DNA. In: New Research on DNA Damages (Editoři: Honoka Kimura a Aoi Suzuki) Nova Science Publishers, Inc., New York, kapitola 1, pp. 1-47. otevřený přístup, ale pouze pro čtení https://www.novapublishers.com/catalog/product_info.php?products_id=43247 Archivováno 25. října 2014 na Wayback Machine ISBN 978-1604565812
  6. ↑ 1 2 Hoeijmakers JH. (2009) Poškození DNA, stárnutí a rakovina. N Engl J Med . 361(15):1475-1485. Posouzení. PMID 19812404
  7. ↑ Freitas AA, de Magalhães JP. (2011) Přehled a hodnocení teorie poškození DNA stárnutím. Mutat Res. 728(1-2):12-22. Posouzení. doi : 10.1016/j.mrrev.2011.05.001 PMID 21600302
  8. ↑ Bell JC, Plank JL, Dombrowski CC, Kowalczykowski SC. (2012) Přímé zobrazování nukleace a růstu RecA na jednotlivých molekulách ssDNA potažené SSB. Nature 491(7423):274-278. doi : 10.1038/příroda11598 . PMID 23103864
  9. ↑ Erill I, Campoy S, Barbé J. (2007) Eons of distress: evoluční pohled na bakteriální SOS reakci. FEMS Microbiol Rev. 31(6):637-656. Posouzení. doi : 10.1111/j.1574-6976.2007.00082.x PMID 17883408
  10. ↑ Murayama Y, Kurokawa Y, Mayanagi K, Iwasaki H. (2008) Tvorba a migrace větví Hollidayových spojení zprostředkovaná eukaryotickými rekombinázami. Nature 451(7181):1018-1021. PMID 18256600
  11. ↑ Holthausen JT, Wyman C, Kanaar R. (2010) Regulace výměny řetězce DNA v homologní rekombinaci. DNA Repair (Amst) 9(12):1264-1272. PMID 20971042
  12. ↑ 1 2 Ames BN, Shigenaga MK, Hagen TM. (1993) Oxidanty, antioxidanty a degenerativní onemocnění stárnutí. Proč Natl Acad Sci USA . 90(17):7915-7922. Posouzení. PMID 8367443
  13. ↑ 1 2 Helbock HJ, Beckman KB, Shigenaga MK, Walter PB, Woodall AA, Yeo HC, Ames BN. (1998) Na oxidaci DNA záleží: HPLC-elektrochemický detekční test 8-oxo-deoxyguanosinu a 8-oxoguaninu. Proč Natl Acad Sci USA . 95(1): 288-293. PMID 9419368
  14. ↑ 1 2 Foksinski M, Rozalski R, Guz J, Ruszkowska B, Sztukowska P, Piwowarski M, Klungland A, Olinski R. (2004) Močové vylučování produktů opravy DNA koreluje s rychlostí metabolismu a také s maximální délkou života různých savců druh. Free Radic Biol Med 37(9) 1449-1454. PMID 15454284
  15. ↑ 1 2 Tudek B, Winczura A, Janik J, Siomek A, Foksinski M, Oliński R. (2010). Zapojení oxidativně poškozené DNA a opravy do rozvoje rakoviny a stárnutí. Am J Transl Res 2(3):254-284. PMID 20589166
  16. ↑ Fraga CG, Shigenaga MK, Park JW, Degan P, Ames BN. Oxidační poškození DNA během stárnutí: 8-hydroxy-2'-deoxyguanosin v DNA krysích orgánů a moči. Proč Natl Acad Sci USA 1990;87(12) 4533-4537. PMID 2352934
  17. ↑ Hamilton ML, Guo Z, Fuller CD, Van Remmen H, Ward WF, Austad SN, Troyer DA, Thompson I, Richardson A. (2001). Spolehlivé hodnocení hladin 8-oxo-2-deoxyguanosinu v jaderné a mitochondriální DNA pomocí metody jodidu sodného k izolaci DNA. Nucleic Acids Res 29(10):2117-2126. PMID 11353081
  18. ↑ Lindahl T, Nyberg B. (1972) Rychlost depurinace nativní deoxyribonukleové kyseliny. Biochemistry 11(19) 3610-3618. doi : 10.1038/362709a0 PMID 4626532
  19. ↑ Lindahl T. (1993) Nestabilita a rozpad primární struktury DNA. Nature 362(6422) 709-715. PMID 8469282
  20. ↑ Nakamura J, Walker VE, Upton PB, Chiang SY, Kow YW, Swenberg JA. Vysoce citlivý test apurinového/apyrimidinového místa může za fyziologických podmínek detekovat spontánní a chemicky indukovanou depurinaci. Cancer Res 1998;58(2) 222-225. PMID 9443396
  21. ↑ 1 2 Lindahl T. (1977) DNA reparační enzymy působící na spontánní léze v DNA. In: Nichols WW a Murphy DG (eds.) DNA Repair Processes. Specialisté na symposia, Miami p225-240. ISBN 088372099X ISBN 978-0883720998
  22. ↑ 1 2 3 4 5 Tice, RR a Setlow, RB (1985) Oprava a replikace DNA ve stárnoucích organismech a buňkách. In: Finch EE a Schneider EL (eds.) Handbook of the Biology of Aging. Van Nostrand Reinhold, New York. Strany 173-224. ISBN 0442225296 ISBN 978-0442225292
  23. ↑ Haber JE. (1999) DNA rekombinace: replikační spojení. Trends Biochem Sci 24(7) 271-275. PMID 10390616
  24. ↑ Vilenchik MM, Knudson AG. (2003) Endogenní DNA dvouřetězcové zlomy: produkce, věrnost opravy a indukce rakoviny. Proč Natl Acad Sci USA 100(22) 12871-12876. PMID 14566050
  25. ↑ Kadlubar FF, Anderson KE, Häussermann S, Lang NP, Barone GW, Thompson PA, MacLeod SL, Chou MW, Mikhailova M, Plastaras J, Marnett LJ, Nair J, Velic I, Bartsch H. (1998) Comparison of DNA add úrovně spojené s oxidačním stresem v lidské slinivce břišní. Mutat Res. 405(2):125-33. PMID 9748537
  26. ↑ VanderVeen LA, Hashim MF, Shyr Y, Marnett LJ. Indukce posunu rámce a substitučních mutací párů bází hlavním aduktem DNA endogenního karcinogenu malondialdehydu. (2003) Proč Nati Acad Sci USA 100(24):14247-14252. PMID 14603032
  27. ↑ Tan X, Grollman AP, Shibutani S. (1999) Srovnání mutagenních vlastností lézí DNA 8-oxo-7,8-dihydro-2'-deoxyadenosinu a 8-oxo-7,8-dihydro-2'-deoxyguanosinu v savčích buňkách. Carcinogenesis 20(12):2287-2292. PMID 10590221
  28. ↑ Hamilton ML, Guo Z, Fuller CD, Van Remmen H, Ward WF, Austad SN, Troyer DA, Thompson I, Richardson A. (2001) Spolehlivé hodnocení hladin 8-oxo-2-deoxyguanosinu v jaderné a mitochondriální DNA pomocí metoda jodidu sodného k izolaci DNA. Nucleic Acids Res . 29(10):2117-26. PMID 11353081
  29. ↑ Helbock HJ, Beckman KB, Shigenaga MK, Walter PB, Woodall AA, Yeo HC, Ames BN. (1998) Na oxidaci DNA záleží: HPLC-elektrochemický detekční test 8-oxo-deoxyguanosinu a 8-oxoguaninu. Proč Nati Acad Sci USA 95(1):288-293. PMID 9419368
  30. ↑ Swenberg JA, Lu K, Moeller BC, Gao L, Upton PB, Nakamura J, Starr TB. (2011) Endogenní versus exogenní adukty DNA: jejich role v karcinogenezi, epidemiologii a hodnocení rizik. Toxicol Sci. 120(Suppl 1):S130-45. PMID 21163908
  31. ↑ Nakamura J, Swenberg JA. (1999) Endogenní apurinová/apyrimidinová místa v genomové DNA savčích tkání. Cancer Res . 59(11):2522-2526. PMID 10363965
  32. ↑ Kathe SD, Shen GP, ​​​​Wallace SS. (2004) Jednovláknové zlomy v DNA, ale ne oxidativní poškození DNA, blokují transkripční prodloužení RNA polymerázou II v jaderných extraktech buněk HeLa. J Biol Chem . 279(18):18511-18520. PMID 14978042
  33. ↑ Brasnjevic I, Hof PR, Steinbusch HW, Schmitz C. (2008) Akumulace poškození jaderné DNA nebo ztráty neuronů: molekulární základ pro nový přístup k pochopení selektivní neuronální vulnerability u neurodegenerativních onemocnění. Oprava DNA (Amst). 7(7):1087-1097. PMID 18458001
  34. ↑ Hetman M, Vashishta A, Rempala G. (2010) Neurotoxické mechanismy poškození DNA: zaměření na inhibici transkripce. J Neurochem. 114(6):1537-1549. doi: 10.1111/j.1471-4159.2010.06859.x. Posouzení. PMID 20557419
  35. ↑ Piec I, Listrat A, Alliot J, Chambon C, Taylor RG, Bechet D. (2005) Diferenciální proteomová analýza stárnutí v kosterním svalu potkana. FASEBJ . 19(9):1143-5. PMID 15831715
  36. ↑ Carnevale J, Palander O, Seifried LA, Dick FA. (2012) Signály poškození DNA prostřednictvím odlišně upravených molekul E2F1 k indukci apoptózy. Mol Cell Biol . 32(5):900-912. PMID 22184068