Naprawa DNA - Polski Serwis Naukowy

Uszkodzenie DNA doprowadziło do licznych pęknięć chromosomów.

Naprawa DNA – szereg procesów prowadzących do identyfikacji i naprawy zmian w cząsteczkach DNA w żywej komórce. W komórkach organizmów żywych procesy metaboliczne i czynniki środowiskowe mogą powodować uszkodzenie DNA. W każdej komórce codziennie ma miejsce nawet milion takich uszkodzeń. Wiele z nich powoduje trwałe zmiany w cząsteczce DNA, które mogą upośledzić albo pozbawić komórkę możliwości prawidłowej transkrypcji kodowanego przez uszkodzony fragment DNA genu. Inne uszkodzenia mogą skutkować potencjalnie groźną dla genomu komórki mutacją, dotyczącą tej komórki i wszystkich następnych powstałych z niej po podziałach. Oznacza to, że proces naprawy DNA w komórce musi być cały czas aktywny, by móc szybko i skutecznie niwelować skutki każdego uszkodzenia komórkowego DNA.

Niedokrwistość Fanconiego (ang. Fanconi anemia) – uwarunkowana genetycznie postać wrodzonej niedokrwistości aplastycznej, przebiegająca z malformacjami kośćca i predyspozycją do nowotworów. Chorobę jako pierwszy opisał szwajcarski pediatra Guido Fanconi w 1927 roku.
Podział komórki - proces zachodzący u wszystkich żywych organizmów, w którym komórka macierzysta dzieli się na dwie lub więcej komórek potomnych. Najpierw następuje podział jądra komórkowego poprzez mitozę, mejozę lub amitozę. Po podziale jądra dzieli się cytoplazma - cytokineza. Podział komórkowy jest jedną z faz cyklu komórkowego.

Powodzenie naprawy DNA zależy od wielu czynników, w tym typu i wieku komórki oraz środowiska pozakomórkowego. W komórce, w której duża ilość DNA uległa uszkodzeniu albo której mechanizmy naprawy DNA nie są wystarczająco efektywne, mogą zajść:

nieodwracalny stan wygaśnięcia aktywności komórki – starzenie się komórki

samobójcza śmierć komórki, czyli apoptoza

niekontrolowane podziały, prowadzące do powstania nowotworu.

Zdolność komórki do naprawy własnego DNA jest istotna dla integralności fizycznej całego genomu oraz integralności informacji genetycznej, którą niesie, a więc i dla prawidłowego funkcjonowania całego organizmu. Wiele genów które początkowo zidentyfikowano jako wpływające na długość życia komórek, z czasem okazały się być zaangażowane w procesy naprawy i ochrony DNA przed uszkodzeniem. Nieprawidłowy przebieg naprawy zniszczeń komórkowych w komórkach generatywnych może doprowadzić do propagacji mutacji w gametach i w rezultacie, przekazania mutacji potomstwu. Z drugiej strony, między innymi takie mutacje są siłą napędową ewolucji biologicznej.

Długość fali — najmniejsza odległość pomiędzy dwoma punktami o tej samej fazie drgań (czyli pomiędzy dwoma powtarzającymi się fragmentami fali — zob. rysunek). Dwa punkty fali są w tej samej fazie, jeżeli wychylenie w obu punktach jest takie samo i oba znajdują się na etapie wzrostu (lub zmniejszania się). Jeżeli w jednym punkcie wychylenie zwiększa się a w drugim maleje, to punkty te znajdują się w fazach przeciwnych.
Zespół Blooma (ang. Bloom syndrome, BS, BLS) – rzadka choroba uwarunkowana genetycznie, charakteryzująca się zwiększoną predyspozycją do uszkodzeń chromosomów. Chorobę odkrył i opisał w 1954 roku David Bloom.

Uszkodzenie DNA

Uszkodzenie DNA na skutek procesów metabolicznych wewnątrz komórki i czynników środowiskowych, występuje z szacowaną częstością 1 000 do 1 000 000 pojedynczych uszkodzeń cząsteczek DNA na komórkę każdego dnia. Stanowi to jedynie 0,000165% ludzkiego genomu składającego się z około 6 miliardów zasad (3 miliardów par zasad), ale nienaprawione uszkodzenia w krytycznych dla funkcji komórki genach (takich jak geny supresorowe nowotworów) może upośledzić zdolność komórki do pełnienia jej funkcji i znacznie zwiększyć prawdopodobieństwo transformacji nowotworowej.

Chlorek winylu (VC, VCM, chloroetylen, chloroeten, CH2=CHCl) – organiczny związek chemiczny stosowany głównie jako monomer do otrzymywania polichlorku winylu i kopolimerów.
Kręgowce (Vertebrata, od łac. vertebra – kręg) – najliczniejszy podtyp strunowców (Chordata), mocno zróżnicowany morfologicznie; obejmujący kręgouste, ryby, płazy, gady, ptaki i ssaki. Dotychczas opisano około 58000 gatunków kręgowców[2], co stanowi około 5% opisanych gatunków zwierząt. Wielkość współcześnie żyjących kręgowców waha się od 7.9 mm u gatunku karpia - Paedocypris progenetica [3] do płetwala błękitnego [4], którego długość dochodzi do 33.9 m[5].

Duża część uszkodzeń cząsteczek DNA, najczęściej związanych z chemiczną modyfikacją zasad, objawia się zaburzeniem pierwszorzędowej struktury podwójnej helisy. Zmodyfikowane zasady zaburzają regularny przebieg helisy poprzez wprowadzenie dodatkowych, nienaturalnych wiązań chemicznych czy zawady sterycznej, która poprzez fizyczne niedopasowanie wypacza strukturę helisy. W przeciwieństwie do białek czy RNA, DNA zazwyczaj nie posiada istotnej dla funkcjonalności struktury trzeciorzędowej dlatego zaburzenia zwykle nie występują lub są nieistotne na tym poziomie organizacji strukturalnej. Jakkolwiek nić DNA jest zazwyczaj zwinięta do postaci "superzwiniętej" (ang. supercoiled), a jej upakowanie jest wspomagane przez oddziaływania z histonami – te oddziaływania, jak i struktura "superzwinięta" mogą być zaburzone przez uszkodzenia DNA.

Starzenie się to zmniejszenie zdolności do odpowiedzi na stres środowiskowy, które pojawia się w organizmach wraz z upływem czasu, naturalne i nieodwracalne nagromadzenie się uszkodzeń wewnątrzkomórkowych, przerastające zdolności organizmu do samonaprawy. Starzenie się powoduje utratę równowagi wewnętrznej organizmu, co zwiększa ryzyko wystąpienia chorób. Prowadzi do upośledzenia funkcjonowania komórek, tkanek, narządów i układów, zwiększa podatność na choroby (np. choroby krążenia, Alzheimera, nowotwory), wreszcie prowadzi do śmierci.
Limfocyty T, inaczej limfocyty grasicozależne (T od łac. thymus - grasica) - rodzaj limfocytów, odpowiedzialnych za odpowiedź odpornościową komórkową, tzn. niszczą komórki obce dla organizmu. Powstają w czerwonym szpiku kostnym, po czym wędrują do grasicy, gdzie ulegają namnożeniu. Z grasicy przemieszczają się one do narządów limfatycznych oraz do krwi obwodowej. Odgrywają trzy zasadnicze funkcje:

Źródła uszkodzenia

Uszkodzenia DNA mogą być podzielone na dwie duże grupy:

endogenne uszkodzenie, spowodowane m.in. przez działanie reaktywnych form tlenu powstających w prawidłowych procesach metabolicznych komórki, zwłaszcza w procesie oksydacyjnej deaminacji;

egzogenne uszkodzenie, spowodowane przez takie czynniki, jak:

promieniowanie ultrafioletowe (o długości fali λ=200-300 nm);

inne zakresy promieniowania elektromagnetycznego, zwłaszcza promieniowanie rentgenowskie i gamma;

hydroliza;

działanie wysokiej temperatury;

niektóre wirusy;

pewne toksyny roślinne;

mutageny, zwłaszcza związki aromatyczne;

radioterapia i chemioterapia stosowane w leczeniu chorób nowotworowych.

Replikacja uszkodzonego DNA przed podziałem komórkowym może doprowadzić błędnego włączenia nieprawidłowych zasad do DNA i przekazania mutacji komórkom potomnym. Na tym etapie prawidłowy zapis kodujący geny tych odcinków DNA jest już niemożliwy do odtworzenia, ze względu na brak oryginalnej, nienaruszonej matrycy (nieuszkodzone DNA). Wyjątkiem są bardzo rzadkie przypadki mutacji przywracających pierwotną, prawidłową strukturę DNA (mutacje wsteczne, rewersja mutacji).

Hydroliza - reakcja chemiczna polegająca na rozpadzie cząsteczek związku chemicznego na dwa lub więcej mniejszych fragmentów w reakcji z wodą lub parą wodną. W przypadku soli jonowych przez hydrolizę rozumie się zbiór wtórnych reakcji jonów powstałych w wyniku solwolizy tej soli, które niekiedy prowadzą do zmiany pH środowiska.
Limit Hayflicka - maksymalna liczba podziałów komórkowych. Leonard Hayflick w 1965 zaobserwował, że komórki w hodowli są w stanie podzielić się ograniczoną ilość razy, a im bliżej limitu, tym więcej oznak starzenia wykazują. Jest to efekt skracania się telomerów w chromosomach przy każdym podziale komórki. Limit Hayflicka jest uważany za jedną z przyczyn starzenia się.

Typy uszkodzeń

Wyróżnia się cztery główne typy uszkodzeń DNA spowodowanego endogennymi procesami metabolicznymi w komórce:

utlenianie zasad azotowych (np. oksydacja guaniny do 8-oksoguaniny) i przerwania nici DNA spowodowane działaniem reaktywnych form tlenu;
alkilowanie zasad azotowych (zazwyczaj metylacja), np. utworzenie 7-metyloguaniny;
hydroliza zasad, np. deaminacja, depurynacja, depirymidynacja;
wstawienie niekomplementarnej zasady (ang. mismatch) w czasie replikacji DNA.

Uszkodzenie spowodowane egzogennymi czynnikami może mieć różny charakter. Przykładami są:

Deaminacja (dezaminacja) - reakcja chemiczna polegająca na eliminacji z cząsteczki związku chemicznego grupy aminowej (-NH2), najczęściej z wydzieleniem amoniaku.
Wiązanie chemiczne według klasycznej definicji to każde trwałe połączenie dwóch atomów. Wiązania chemiczne powstają na skutek uwspólnienia dwóch lub więcej elektronów pochodzących bądź z jednego, bądź z obu łączących się atomów lub przeskoku jednego lub więcej elektronów z jednego atomu na atom i utworzenia w wyniku tego tzw. pary jonowej.

promieniowanie ultrafioletowe powoduje tworzenie wiązań między sąsiadującymi zasadami cytozyną i tyminą, prowadząc do utworzenia dimerów pirymidynowych;

promieniowanie jonizujące utworzone podczas rozpadów radioaktywnych albo promieniowanie kosmiczne powoduje przerwania nici DNA;

podwyższona temperatura powoduje zwiększenie częstości depurynacji i przerwań pojedynczych nici DNA. Hydrolityczna depurynacja zachodzi u termofilnych bakterii żyjących w gorących źródłach w temperaturze 85–250 °C z tak dużą częstością (depurynacja 300 nukleotydów purynowych na genom na generację), że mechanizmy naprawy DNA nie są wydolne, stąd nie można wykluczyć możliwości odpowiedzi adaptacyjnej u tego gatunku;

przemysłowe związki chemiczne takie jak chlorek winylu albo nadtlenek wodoru, i naturalne, takie jak węglowodory policykliczne (występujące m.in. w dymie, sadzy i smole) prowadzą do powstania różnorodnych pochodnych zasad azotowych – etenowych, utlenionych, alkilowanych fosfotriestrów i innych, a także powodują utworzenie nieprawidłowych wiązań poprzecznych (ang. crosslinking) między niciami DNA.

Uszkodzenie DNA jądrowego, a uszkodzenie DNA mitochondrialnego

W komórkach organizmów eukariotycznych, a więc również ludzkich, DNA znajduje się w poza jądrem komórkowym także w mitochondriach (u roślin dodatkowo w chloroplastach). DNA jądrowy (nDNA, ang. nuclear DNA) występuje w postaci chromatyny podczas niereplikatywnych etapów cyklu komórkowego i jest upakowany w zwarte struktury znane jako chromosomy w czasie podziału komórki. W każdej z tych form DNA jest silnie skondensowany i owinięty wokół kompleksów białkowych o paciorkowatym kształcie, zbudowanych z białek zwanych histonami. Gdy komórka chce odczytać informację genetyczną zakodowaną w jej własnym DNA właściwy fragment chromosomu jest rozwijany, odczytywane są znajdujące się tam geny, a następnie łańcuch powraca do swej pierwotnej formy. Mitochondrialny DNA (mtDNA), znajdujący się w mitochondriach, istnieje w wielu kopiach, jest również ściśle związany z pewną liczbą białek, z którymi tworzy kompleks zwany nukleoidem. Wewnątrz mitochondriów reaktywne formy tlenu (ROS, ang. reactive oxygen species) oraz wolne rodniki, produkty uboczne mitochondrialnych etapów oddychania komórkowego, tworzą silnie utleniające środowisko uszkadzające mtDNA. Enzym zwalczający nadmiar nadtlenków w środowisku to dysmutaza ponadtlenkowa, obecna zarówno w mitochondriach, jak i cytoplazmie komórek eukariotycznych.

Cytoplazma – część protoplazmy komórki eukariotycznej pozostająca poza jądrem komórkowym a w przypadku, z definicji nie posiadających jądra, komórek prokariotycznych – cała protoplazma.
Smoła, smoła surowa – jeden z produktów odgazowania węgla, łupków bitumicznych lub drewna, rzadko torfu. Składa się głównie z mieszaniny wielu rodzajów węglowodorów oraz innych związków organicznych, zawierających tlen, azot i siarkę, ponadto niektóre rodzaje smoły mogą zawierać pewną ilość grafitu i fulerenów.

Starzenie się i apoptoza komórki

Starzenie się, nieodwracalny proces prowadzący do zaprzestania mitotycznych podziałów komórki, jest skorelowany z procesem skracania zakończeń chromosomów, tak zwanych telomerów. Telomery są długimi fragmentami powtarzającego się niekodującego DNA, które "zamykają" kod genetyczny na końcach ramion chromosomów. Podczas każdego podziału komórki telomery poddawane są częściowemu uszkodzeniu, skracaniu. (powiązane jest to z istnieniem tzw. limitu Hayflicka), które skorelowane jest ze stopniowym starzeniem się komórki. Oprócz samego skracania telomerów, realizowanego przez enzym telomerazę, prawdopodobnie uszkodzenia DNA per se także pełnią rolę w "komórkowym odliczaniu czasu życia". Wskazuje na to między innymi fakt, że uszkodzenia DNA oraz skracanie telomerów dzielą ze sobą te same mechanizmy odpowiedzi komórkowej. Starzenie się komórek może funkcjonować jako użyteczna alternatywa dla apoptozy, zwłaszcza tam, gdzie fizyczna obecność komórki jest z różnych powodów potrzebna organizmowi. Używa on mechanizmu "ostatniej szansy", aby powstrzymać komórkę z uszkodzonym DNA przed dzieleniem się w niewłaściwy sposób przy braku pobudzających wzrost sygnałów komórkowych (ang. cellular signaling). W opozycji, przejście w stan spoczynku jest odwracalnym stanem wstrzymania aktywności komórki, niepowiązanym z jakimikolwiek uszkodzeniami genomu (patrz cykl komórkowy).

Palindrom (gr. palindromeo – biec z powrotem) – wyraz, liczba, zdanie a nawet wiersz, który ma to samo znaczenie niezależnie od tego, czy czytamy go normalnie, czy od tyłu (czyli wspak). Współcześnie palindromy pełnią funkcję zabawy słownej. Prawdopodobnie tak było również i w przeszłości, choć pewne znaleziska sugerują, że palindromy mogły też mieć znaczenie magiczne.
Rak jelita grubego (łac. carcinoma coli et recti) – nowotwór złośliwy rozwijający się w okrężnicy, wyrostku robaczkowym lub odbytnicy. Jest przyczyną 655 000 zgonów w ciągu roku na świecie.

Mechanizmy naprawy DNA

Jedno- i dwuniciowe uszkodzenie DNA.

Komórki nie mogą funkcjonować, jeśli uszkodzenia DNA są na tyle poważne, że naruszają ciągłość lub zmieniają sens istotnej informacji genetycznej (ang. essential genes). Jakkolwiek komórki mogą funkcjonować jeśli uszkodzone są geny nieistotne (ang. non-essential genes), czyli takie, których uszkodzenia nie powodują śmierci komórki. Komórka działająca z takimi uszkodzeniami DNA może jednak wykazywać inne właściwości od komórek zdrowych (skrajnym wypadkiem są komórki nowotworowe) lub jej funkcje mogą być mocno upośledzone. Zależnie od typów uszkodzeń, które zaszły w dwuniciowej strukturze DNA, w toku ewolucji wykształciło się wiele strategii naprawczych, mających za zadanie kompensować i likwidować uszkodzenia. Jeśli jest to możliwe, komórki używają zazwyczaj nieuszkodzonej nici komplementarnej lub chromatydy siostrzanej jako matrycy do odtworzenia oryginalnej informacji na uszkodzonym elemencie komplementarnym. W przypadku braku takiej możliwości, używany jest awaryjny mechanizm syntezy DNA, zwany TLS (ang. Translesion DNA Synthesis).

Rak gruczołu sutkowego (łac. carcinoma mammae; potocznie: rak piersi) – najczęstszy nowotwór gruczołu sutkowego. Na świecie rak gruczołu sutkowego jest najczęstszym nowotworem złośliwym u kobiet. W Polsce w 2002 roku stanowił blisko 13% rozpoznań nowotworów złośliwych u tej płci. Rak sutka występuje także u mężczyzn, jest jednak rzadki; zwykle jest też późno rozpoznawany. Od lat 70. notowano na całym świecie wzrost zachorowań na raka sutka, tendencja utrzymywała się do lat 90. Zjawisko to mogło być spowodowane zarówno zmianami w stylu życia kobiet w krajach zachodnich, jak i wzrostem wykrywalności raka.
Progeria (zespół progerii Hutchinsona-Gilforda, łac. progeria, z gr. "przedwczesna starość", ang. Hutchinson-Gilford progeria syndrome, HGPS) – genetycznie uwarunkowany zespół charakteryzujący się przyspieszonym procesem starzenia. Dziedziczy się w sposób autosomalny dominujący. HGPS spowodowany jest mutacją w położonym na chromosomie 1 genie LMNA kodującym laminę A. Białko to stabilizuje błonę otaczającą jądro komórkowe, a jego mutacje powodują zaburzenia w strukturze i funkcjach jądra komórkowego. Średnia długość życia osób z progerią wynosi 13 lat.

Uszkodzenia DNA niosą zazwyczaj ze sobą zmianę organizacji przestrzennej helisy, które mogą być wykryte przez komórki. Kiedy uszkodzenie jest już zlokalizowane, na miejsce zdarzenia rekrutowane są białka naprawcze, wiążące się z samym miejscem uszkodzenia lub w jego sąsiedztwie i które rekrutują następnie kolejne elementy kompleksów naprawczych. Uszkodzenia są usuwane przez takie złożone, wieloelementowe kompleksy specyficznych białek. Zależnie od typu uszkodzenia, a także od fazy cyklu komórkowego, w którym aktualnie znajduje się komórka, takie kompleksy mają różny skład podjednostkowy.

Białko p53 – czynnik transkrypcyjny o własnościach supresora nowotworowego. Białko p53 jest zaangażowane w regulację wielu procesów komórkowych, a w szczególności aktywacji mechanizmów naprawy DNA lub indukcji apoptozy w odpowiedzi na uszkodzenia DNA.
Wrzeciono podziałowe - właściwie: wrzeciono kariokinetyczne - to wrzecionowata struktura zbudowana z włókien białka (tzw. mikrotubul). Włókna te są kurczliwe i zawierają niewielkie ilości RNA. Wrzeciono kariokinetyczne odgrywa ważną rolę w procesie "wędrówki" chromosomów do przeciwległych biegunów komórki.

Bezpośrednia naprawa uszkodzenia

Znane są trzy typy uszkodzeń DNA eliminowane przez mechanizmy komórkowej naprawy DNA bezpośrednio przez chemiczną modyfikację uszkodzenia bez użycia matrycy w postaci nieuszkodzonej informacji genetycznej. Każdy z tych typów uszkodzenia może dotyczyć wyłącznie jednego rodzaju zasady azotowej, wobec tego możliwe jest specyficzne usunięcie takiego uszkodzenia. Należą do nich:

Reaktywne formy tlenu (ang. reactive oxygen species, ROS) - indywidua chemiczne zawierające w swoim składzie atomy tlenu z niesparowanym elektronem i zdolne do uczestniczenia w reakcjach chemicznych, które odgrywają znaczącą rolę w metabolizmie i starzeniu się organizmów żywych.
Radioterapia, dawniej curieterapia - metoda leczenia za pomocą promieniowania jonizującego. Stosowana w onkologii do leczenia chorób nowotworowych oraz łagodzenia bólu związanego z rozsianym procesem nowotworowym, np. w przerzutach nowotworowych do kości. Radioterapia jest podspecjalnością lekarską w obrębie onkologii.

reakcja fotoliazy, katalizującej reakcję naprawy dimerów tymidynowych (rodzaj dimerów cyklobutylowych) powstałych wskutek działania promieniowania UV na sąsiadujące zasady tymidynowe – tworzy się nieprawidłowe wiązanie kowalencyjne. Reakcja fotoreaktywacji katalizowana przez fotoliazę zależna jest od energii absorbowanej z przedziału UV-L (λ=300–500 nm).
reakcja metylotransferazy metyloguaninowej (MGMT, bakteryjny odpowiednik ogt), katalizującej reakcję demetylacji metylowanych zasad guaninowych. Proces ten jest kosztowny dla komórki, ponieważ każda reakcja enzymatyczna zużywa jedną cząsteczkę enzymu, który nie może już katalizować następnych reakcji. W zasadzie nie jest to więc reakcja katalityczna, a zwykła stechiometryczna. Uogólniona odpowiedź bakterii na związki metylujące jest odpowiedzią adaptacyjną i odzwierciedla poziom odporności na ciągłą ekspozycję na czynniki alkilujące.
reakcja prostej demetylacji zasad cytozynowych i adeninowych.

Uszkodzenie pojedynczej nici

Struktura enzymu uracylo-DNA glukozydazy. Reszty uracylu zaznaczono na żółto.

Gdy tylko jedna z dwóch nici tworzących podwójną helisę jest uszkodzona, druga nienaruszona nić może służyć za matrycę do naprawy uszkodzonej nici. Istnieje szereg mechanizmów naprawy, polegających na wycięciu uszkodzonego nukleotydu i zastąpieniu go prawidłowym, komplementarnym do nukleotydu w drugiej nici DNA:

Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, Policykliczne węglowodory aromatyczne (w skrócie WWA od Wielopierścieniowe Węglowodory Aromatyczne lub PAH z angielskiego Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) - policykliczne węglowodory zawierające skondensowane pierścienie aromatyczne bez podstawników. Wiele z nich podejrzewanych jest lub ma udowodnione własności kancerogenne.
p21 (CDKN1A, CIP1, WAF1, ang. cyclin-dependent kinase inhibitor 1A, CDK-interacting protein 1, wildtype p53-activated fragment 1) - białko kodowane przez gen CDKN1A w locus 6p21.2.

naprawa przez wycinanie zasady (BER, ang. base-excision repair), korygująca uszkodzenia pojedynczych zasad uszkodzonych przez oksydację, alkilację, hydrolizę czy deaminację;
naprawa przez wycinanie nukleotydu (NER, ang. nucleotide-excision repair) korygująca większe uszkodzenia, obejmujące 2-30 zasad. Mechanizm ten rozpoznaje uszkodzenia zaburzające strukturę podwójnej helisy, takie jak dimery tymidynowe lub przerwania pojedynczej nici DNA (naprawiane przez takie enzymy jak UvrABC endonukleaza). Specjalny typ mechanizmu NER, zwany naprawą sprzężoną z transkrypcją (TCR, ang. transcription-coupled repair) angażuje enzymy NER do naprawy genów podlegających aktywnej transkrypcji;
naprawa niesparowanych zasad (MMR, ang. mismatch repair) koryguje błędy zaistniałe przy replikacji i rekombinacji genów, powodujące powstawanie niesparowanych zasad.

Uszkodzenie obu nici

Uszkodzenia obu nici (ang. double-strand breaks, DSBs), w efekcie których oba łańcuchy nukleotydowe w podwójnej helisie zostają zerwane, są szczególnie niebezpieczne dla komórki, gdyż mogą prowadzić do nieodwracalnych zmian w genomie. Istnieją dwa mechanizmy naprawy DSBs: łączenie niehomologicznych zakończeń (NHEJ) oraz naprawa rekombinacyjna (znana również jako rekombinacja homologiczna).

Gen (gr. γηνοσ – ród, pochodzenie) – podstawowa jednostka dziedziczności, która determinuje powstanie jednego polipeptydu lub kwasów rRNA lub tRNA.
Karłowatość – niedobór wzrostu (wzrost poniżej 3 centyla odpowiednio dla wieku i płci) spowodowana np. zbyt małą ilością hormonu wzrostu w okresie wzrostu lub brakiem receptora dla tego hormonu w wątrobie.

Ligaza DNA, tutaj pokazana w trakcie naprawy uszkodzenia chromosomu, jest enzymem łączącym rozerwane wiązania między nukleotydami poprzez reakcję utworzenia wiązania estrowego między resztą fosforanową a deoksyrybozą.

Enzym topoizomeraza jest zdolny do powodowania zarówno pojedynczych, jak i podwójnych pęknięć nici DNA w procesie zmiany "superzwiniętej" (ang. supercoiled) struktury DNA na formę zwiniętą, szczególnie w okolicy otwartych widełek replikacyjnych. Przerwania te nie są jednak klasyfikowane jako uszkodzenia, ponieważ są naturalnym środkiem biochemicznego mechanizmu działania topoizomerazy i są niezwłocznie naprawiane przez te same enzymy, które je stworzyły.

Ewolucja (łac. evolutio – rozwinięcie, rozwój) – ciągły proces, polegający na stopniowych zmianach cech gatunkowych kolejnych pokoleń wskutek eliminacji przez dobór naturalny lub sztuczny części osobników (genotypów) z bieżącej populacji.
Interfaza – najdłuższa faza życia komórki, należąca do cyklu komórkowego. Jest etapem, w którym komórka przygotowuje się do podziału mitotycznego lub mejotycznego. Interfazę stanowią trzy stadia:

W NHEJ, ligaza DNA IV, wyspecjalizowana ligaza DNA tworząca zespół z czynnikiem XRCC4, łączy dwa rozerwane zakończenia. Aby przeprowadzić naprawę, w NHEJ używane są krótkie homologiczne sekwencje zwane mikrohomologami. Znajdują się one na zakończeniach pojedynczych nici w miejscu przerwania. Jeśli zakończenia te są pasujące, naprawa zachodzi zazwyczaj bez utraty jakiejkolwiek informacji genetycznej. NHEJ może również wprowadzać mutacje podczas naprawy. Utrata uszkodzonych nukleotydów w miejscu przerwania może prowadzić do usunięcia części genomu oraz translokacji wynikających z łączenia niehomologicznych zakończeń. NHEJ jest szczególnie użyteczne przed replikacją DNA w procesie podziału, kiedy nie ma matrycy umożliwiającej przeprowadzenie homologicznej rekombinacji. U wyższych organizmów eukariotycznych NHEJ dysponuje "kopią zapasową", której może użyć przy naprawie. Poza rolą "opiekuna" genomu, NHEJ jest potrzebne w procesie łączenia obu nici helisy przerwanych w trakcie tzw. rekombinacji V(D)J, procesu uróżnorodniającego genom limfocytów B i limfocytów T w układzie odpornościowym kręgowców.

Osobny artykuł: Łączenie niehomologicznych zakończeń.

Naprawa rekombinacyjna potrzebuje identycznej lub prawie identycznej sekwencji genomu, która może być użyta jako szablon do naprawy uszkodzenia. Mechanizmy enzymatyczne sterujące tym procesem są niemal jednakowe z mechanizmami odpowiedzialnymi za przebieg crossing-over podczas podziału mejotycznego. Ta metoda pozwala na naprawę uszkodzonego chromosomu przy udziale siostrzanej chromatydy bądź chromosomu homologicznego jako wzoru. DSBs spowodowane mechanizmami replikacji usiłującymi dokonać podziału pomimo przerwania pojedynczej nici lub nienaprawionego uszkodzenia powodują przerwanie widełek replikacyjnych i są zwykle naprawiane poprzez rekombinację.

Zespół francuskich badaczy bombardował Deinococcus radiodurans promieniowaniem jonizującym, aby zanalizować sposób naprawy podwójnego przerwania nici u tych organizmów. Okazało się, że co najmniej dwie kopie genomu z różnymi uszkodzeniami mogą uformować fragmenty DNA poprzez hybrydyzację (ang. annealing). Fragmenty częściowo pokrywające się są następnie wykorzystywane do syntezy homologicznych fragmentów w trakcie cyklu D (ang. D-loop), mogących się powiększać aż do uzyskania komplementarnej nici. Ostatni etap obejmuje crossing-over przeprowadzany ścieżkami zależnej od białka RecA rekombinacji homologicznej.

Układ odpornościowy, układ immunologiczny - zbiór mechanizmów organizmu, mających na celu jego ochronę przed chorobami, poprzez identyfikację i likwidowanie patogenów i komórek nowotworowych. Mechanizmy te wykrywają różnorakie odmiany czynników chorobotwórczych, od wirusów po robaki pasożytnicze, dlatego muszą rozróżniać zdrowe komórki i tkanki organizmu, w celu jego prawidłowego funkcjonowania. Wykrywanie patogenów jest skomplikowane, ponieważ dzięki ewolucji przystosowują się, zmieniając metody działania.
Kwasy nukleinowe - biopolimery zbudowane z nukleotydów. Zasadniczo są dwa rodzaje kwasów nukleinowych: kwas rybonukleinowy (RNA) oraz kwas deoksyrybonukleinowy (DNA). Oba mogą występować pod postacią zarówno pojedynczej jak i podwójnej nici, przy czym zazwyczaj DNA tworzy nić podwójną, a RNA pojedynczą.

Synteza ponad miejscem uszkodzenia

Synteza ponad miejscem uszkodzenia (ang. translesion synthesis) pozwala na replikację wcześniej uszkodzonego DNA. Wymaga to użycia wyspecjalizowanych typów polimerazy DNA, która może wstawiać zasady w miejscach uszkodzenia. Niektóre mechanizmy wykorzystywane w tym procesie wywołują mutacje, inne zaś tego nie robią. Dla przykładu, Pol η omija miejsca uszkodzone przez promieniowanie UV, podczas gdy Pol ζ wprowadza w tych miejscach mutacje. Z perspektywy komórki jednak, ewentualne mutacje wywołane w czasie syntezy są mniej niebezpieczne niż kontynuowanie cyklu komórkowego z niecałkowicie zreplikowanym chromosomem.

Deinococcus radiodurans - gatunek ekstremofilnej bakterii, który jest najbardziej odpornym na promieniowanie jonizujące organizmem znanym nauce. Deinococcus radiodurans potrafi znieść ekstremalne warunki, które zabiłyby większość form życia. Organizmy tego gatunku przeżywają działanie wysokich temperatur i ekspozycję na trucizny. Swoją odporność Deinococcus radiodurans zawdzięcza niezwykle wydajnym mechanizmom naprawy DNA.
Depirymidynacja - modyfikacja DNA polegająca na hydrolizie zasady pirymidynowej (cytozyny lub tyminy od reszty nukleotydu (deoksyrybozy i reszty fosforanowej). W miejscu zasady pozostaje grupa hydroksylowa (-OH).

czytaj dalej: [2], [3]

w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)