• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Naukowcy odkryli nowy mechanizm naprawy DNA komórek

    01.07.2009. 15:11
    opublikowane przez: Maksymilian Gajda

    Międzynarodowy zespół naukowców odkrył nowy proces samonaprawy DNA, który nie tylko chroni genom, ale również zapobiega rozwojowi nowotworu. Opublikowane w czasopiśmie Nature odkrycia pokazują, w jaki sposób elementy ze znanych mechanizmów łączą się z niepowiązaną drugą metodą, której wkład w naprawę DNA był wcześniej nieznany.

    Odkrycia stanowią dorobek finansowanego ze środków unijnych projektu CHEMORES (Mechanizmy molekularne leżące u podstaw oporności na chemioterapię, niepowodzenia, skuteczności i toksyczności terapii), którego celem jest doskonalenie leczenia nowotworów poprzez uzyskanie pogłębionej wiedzy na temat mechanizmów oporności na chemioterapię. Projekt CHEMORES został sfinansowany na kwotę 8,71 mln EUR z tematu "Nauki o życiu, genomika i biotechnologia na rzecz zdrowia" Szóstego Programu Ramowego (6PR).

    Zdaniem autorów, alkilotransferazy (ATL) kontrolują nowy mechanizm naprawy DNA. Budowa i funkcja białek ATL pozostawała tajemnicą, a naukowcy odkryli je wcześniej jedynie w drożdżach i bakteriach. Białka ATL występują również w ukwiale, organizmie wielokomórkowym - jak informują naukowcy. Dlatego, jeśli chodzi o aktywność naprawczą, to białko lub jego kuzyni może występować u innych gatunków, takich jak ludzie - dodali.

    "Odkryliśmy powiązanie między znanymi procesami naprawy DNA, o którym ludzie nie wiedzieli" - wyjaśnia profesor John Tainer z Instytutu Biologii Chemicznej Skaggs przy Instytucie Badawczym Scripps w USA, który kierował badaniami. "To zmienia postać rzeczy i wskazuje nam ważnym element do poszukiwania w nowotworach odpornych na chemioterapię."

    Zewnętrzne źródła, w tym światło i promieniowanie ultrafioletowe (UV) niszczą DNA komórki, podobnie jak stała aktywność wewnątrz komórki. Naukowcy powiedzieli, że większość szkód wpływa na zasady w DNA tj. adeninę, cytozynę, guaninę i tyminę, które łączą się w pary wewnątrz podwójnej helisy DNA (adenina z tyminą, a cytozyna z guaniną).

    Zdaniem naukowców można wykorzystać różne metody do chemicznego zmodyfikowania tych zasad. Alkilowanie jest jedną z nich, gdzie grupa alkilowa (lub addukt) jest przenoszona do guaniny. W następstwie tego wiązanie wodorowe łączące cytozynę i guaninę zostaje usunięte, skutecznie zwiększając szansę na wstawienie tyminy naprzeciwko guaniny w czasie replikacji DNA.

    Zmutowany gen pojawia się, kiedy DNA replikuje się z tym błędem "przejścia", co z kolei zmienia informację i może prowadzić do szkodliwych następstw, w tym do nowotworu i śmierci komórek. Przykładem jest dym tytoniowy, który przylega do guaniny. Wówczas do akcji włącza się mechanizm naprawczy DNA.

    Proces naprawy DNA usuwający toksyczne "uszkodzenia" nazywa się "naprawą przez wycinanie zasady", w której - jak wykazały badania - wykorzystywana jest alkilotransferaza 06-alkilguaniny (AGT) do usunięcia grupy alkilowej przed replikacją DNA. Według naukowców białko wkłada wówczas "chemiczny palec" do wnętrza DNA, aby "prztyknąć" uszkodzoną guaninę i wyrzucić ją ze struktury helisy DNA, co powoduje odsłonięcie jej adduktu i umożliwia przeniesienie go z guaniny do części jej struktury białkowej. Guanina zostaje naprawiona i łączy się ponownie z cytozyną potrójnym wiązaniem wodorowym.

    Naukowcy stwierdzili, że podczas gdy uznaje się, że AGT działa sama, naprawa z wycięciem nukleotydu (NER) wykorzystuje wiele białek w swojej ścieżce. Naprawa jest przeprowadzana, kiedy pokaźnych rozmiarów addukty przywarte do zasad zmieniają szlachetny kształt helisy DNA. Grupa białek wkracza do akcji i usuwa fragment zasad, w tym addukt, następnie dołącza się polimeraza DNA (enzym, który katalizuje tworzenie nowego DNA z istniejącego łańcucha DNA), która wypełnia fragment i dodaje prawidłową zasadę.

    "Zasada prztyknięta przez białka ATL działa jak włącznik aktywujący ścieżkę NER, która usuwa wówczas addukt alkilowy z guaniny" - mówi naczelna autorka Julie Tubbs z Instytutu Badawczego Scripps. "Jesteśmy zatem przekonani, że białka ATL działają niczym most łączący dwie ścieżki naprawy DNA - z wycięciem zasady oraz z wycięciem nukleotydu (NER)" - dodaje. "To zaskakująco ogólny mechanizm, kanalizujący konkretne uszkodzenie zasady w ogólną ścieżkę NER."

    W badaniach udział wzięli również naukowcy z Uniwersytetu w Manchesterze i Uniwersytetu w Newcastle-upon-Tyne w Wlk. Brytanii.

    Źródło: CORDIS

    Więcej informacji:

    Nature:
    http://www.nature.com/nature

    CHEMORES:
    http://www.chemores.org

    Źródło danych: Instytut Badawczy Scripps; Nature
    Referencje dokumentu: Tubbs, J.L., et al. (2009) Flipping of alkylated DNA damage bridges base and nucleotide excision repair. Nature 459:808-13. DOI: 10.1038/nature08076.

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    Reguła Chargaffa - prawidłowość dotycząca składu ilościowego zasad azotowych nukleotydów w dwuniciowym DNA odkryta przez Erwina Chargaffa w latach 1950-1952. Głosi ona, że stosunki adeniny (A) do tyminy (T) oraz cytozyny do guaniny (G) wynoszą zawsze ok. 1:1. Regułę tę można opisać następującymi równaniami: Metanosulfonian etylu – organiczny związek chemiczny, ester etylowy kwasu metanosulfonowego o działaniu mutagennym, teratogennym i prawdopodobnie karcynogennym. Powoduje przypadkowe mutacje punktowe w materiale genetycznym poprzez substytucję nukleotydu (szczególnie przez alkilację guaniny). Grupa etylowa reaguje z guaniną tworząc zasadę O-6-etyloguanidynową. Podczas replikacji polimeraza DNA wstawia tyminę zamiast cytozyny na przeciwko O-6-etyloguanidyny (pary zasad G:C stają się parami zasad A:T). EMS jest często używany w badaniach genetycznych jako mutagen. 2-Aminopuryna − aromatyczny związek heterocykliczny, analog adeniny i guaniny. Jest fluorescencyjnym markerem molekularnym stosowanym w badaniach kwasów nukleinowych. Najczęściej łączy się tyminą jako analog adeniny, ale można także wiązać się z cytozyną jako analog guaniny.

    Naprawa przez wycinanie zasady (BER - ang. base excision repair) - mechanizm naprawy DNA w komórkach mający na celu usuwanie uszkodzeń pojedynczych zasad DNA podczas replikacji DNA. Naprawa błędów jest konieczna, aby uniknąć wprowadzania mutacji podczas replikacji. Phoebus Aaron Theodor Levene (ur. 25 lutego 1869 w Sagor koło Korelicz, zm. 6 września 1940 w Nowym Jorku) – amerykański biochemik rosyjskiego pochodzenia, jeden z pierwszych badaczy kwasów nukleinowych. Zróżnicował kwas deoksyrybonukleinowy i rybonukleinowy, jako pierwszy wykazał obecność reszt cytozyny, guaniny, adeniny i tyminy w kwasach nukleinowych.

    Fotoliaza – enzym wiążący komplementarne nici DNA i rozbijający dimery pirymidynowe, które zazwyczaj powstają wskutek ekspozycji na promieniowanie ultrafioletowe. Dimery pirymidynowe powstają, gdy para tymin lub cytozyn tej samej nici DNA połączy się ze sobą, tworząc zniekształcenie struktury podwójnej helisy w miejscu uszkodzenia. Fotoliaza wykazuje wysokie powinowactwo do tych zmienionych fragmentów DNA i odwracalnie wiąże zmienioną cząsteczkę DNA, a następnie rozbija dimer wykorzystując zaabsorbowaną energię świetlną. Fotoliazy jako enzymy naprawy DNA działają, gdy na komórkę pada promieniowanie świetlne (preferencyjnie niebieska i fioletowa część pasma). Ten proces naprawy nazywany jest fotoreaktywacją. Substytucja – typ spontanicznej mutacji genowej, w której dochodzi do zmiany składu nukleotydowego DNA poprzez podstawienie jednej pary zasad przez inną, np. A-T zamiast G-C.

    Cytozyna (skróty: Cyt, C) – organiczny związek chemiczny, jedna z zasad pirymidynowych występujących w DNA i RNA jako element nukleozydów (deoksycytydyny i cytydyny). W dwuniciowych kwasach nukleinowych cytozyna tworzy parę komplementarną z guaniną za pomocą trzech wiązań wodorowych: XPA – białko człowieka kodowane przez gen XPA w locus 9q22.3, zaangażowane w proces naprawy przez wycinanie nukleotydu (NER). Gen XPA koduje łańcuch polipeptydowy długości 273 i szacunkowej masie komórkowej 31 kDa. Białko ludzkie wykazuje 95%-homologię z mysim odpowiednikiem i zawiera wiele α-helis i motyw palca cynkowego, jak inne białka wiążące DNA. Gen XPA zawiera sześć eksonów. Białko XPA wiąże się z białkiem ERCC1. Dowiedziono, ze funkcją białka XPA jest związanie kompleksu wycinającego białka ERCC1 i jego rekrutacja do miejsca uszkodzenia DNA, co jest niezbędnym etapem mechanizmu naprawy NER. Mutacje w genie XPA odpowiadają za jedną z postaci xeroderma pigmentosum (typ A albo typ I, OMIM*611153).

    Polimorfizm pojedynczego nukleotydu (ang. Single Nucleotide Polymorphism w skrócie SNP) – zjawisko zmienności sekwencji DNA, która polega na zmianie pojedynczego nukleotydu (A, T, C lub G) pomiędzy osobnikami danego gatunku lub drugim, odpowiadającym chromosomem danego osobnika.
    Przykładowo w dwóch sekwencjach DNA od różnych osobników, AAGCCTA i AAGCTTA, występuje różnica w jednym nukleotydzie. W tym wypadku mówimy o 2 allelach: C i T.

    Tranzycja – zmiana prawidłowych nukleotydów w DNA na inne w ramach jednej grupy zasad azotowych (puryn lub pirymidyn) - adeniny na guaninę, a cytozyny na tyminę (i na odwrót). Jeden z rodzajów mutacji genowych. Zarówno tranzycja jak i transwersja należą do typu mutacji jakim są substytucje.

    Fotoreaktywacja - jeden z mechanizmów naprawy DNA, w którym enzym fotoliaza specyficznie reaguje z jedno- lub dwuniciowym fragmentem DNA, zawierającym fotodimery pirymidyn (tyminowe, cytozynowe i cytozynowo-tyminowe). Pod wpływem światła o długości fali 310-450 nm, następuje enzymatyczne rozszczepienie fotodimer|fotodimerów do monomerów i przywrócenie DNA do stanu pierwotnego. Mechanizm naprawy przez fotoreaktywację jest bezbłędny, nie prowadzi do mutacji.
    Proces fotereaktywacji zachodzi bezustannie w organizmie, w komórkach narażonych na działanie promieni UV. Enzym fotoliaza odpowiedzialny za fotoreaktywację został wykryty u bakterii (m.in. Escherichia coli), grzybów, roślin i niektórych kręgowców (brak enzymu u człowieka i innych łożyskowców). Tioguanina (6-tioguanina) – aromatyczny związek heterocykliczny, pochodna puryny. Lek cytostatyczny, będący analogiem guaniny, stosowany w chemioterapii ostrych białaczek, szczególnie ostrej białaczki szpikowej i ostrej białaczki limfoblastycznej.

    Naprawa sprzężona z transkrypcją (TCR, ang. Transcription-coupled repair) - mechanizm naprawy DNA sprzężony z transkrypcją. Uszkodzenie DNA może spowodować zatrzymanie pracującej polimerazy RNA. Powoduje to przyłączenie się białek XPG i CSB oraz rekrutację do kompleksu czynnika transkrypcyjnego TFIIS. Dzięki temu białka naprawcze zyskują dostęp do miejsca uszkodzenia i naprawiają uszkodzony fragment, dzięki czemu polimeraza może kontynuować pracę. MUTYH (E. coli MutY homolog) – gen kodujący glikozylazę DNA zaangażowaną w proces naprawy uszkodzeń oksydacyjnych DNA. Ten typ naprawy określa się jako naprawę przez wycinanie zasady. Białko MUTYH lokalizuje się w jądrze komórkowym i mitochondriach. Gen MUTYH znajduje się w locus 1p34.3-32.1.

    Depurynacja – modyfikacja DNA polegająca na hydrolizie zasady purynowej (adeniny lub guaniny od reszty nukleotydu (deoksyrybozy i reszty fosforanowej). W miejscu zasady pozostaje grupa hydroksylowa (-OH). Naprawa przez wycięcie nukleotydu (ang. nucleotide excision repair, NER) – mechanizm naprawy DNA w komórkach prokariotycznych i eukariotycznych mający na celu usuwanie uszkodzeń DNA spowodowanych czynnikami chemicznymi lub fizycznymi, takimi jak promieniowanie UV.

    RAD51 – gen będący homologiem prokariotycznego genu RecA. Podobne strukturalnie białka zostały zgrupowane w rodzinie białek RAD51, zaangażowanych w mechanizm naprawy DNA przez rekombinację homologiczną. U ludzi gen RAD51 znajduje się na chromosomie 15 i koduje białko długości 339 reszt aminokwasów. Geny kodujące białka mechanizmów naprawy DNA człowieka: DNA komórki jest stale narażone na czynniki uszkadzające. Sprawnie działające mechanizmy naprawy DNA funkcjonują w komórkach organizmów zarówno prokariotycznych jak i eukariotycznych. Badania genomu ludzkiego pozwoliły zidentyfikować szereg genów kodujących białka biorące udział w różnorodnych mechanizmach naprawy DNA. Poznano dotąd ponad 130 genów o takiej, udowodnionej lub prawdopodobnej, funkcji. Nowe geny naprawy DNA są ciągle odkrywane dzięki badaniom porównawczym sekwencji genów człowieka i homologów tych genów u organizmów modelowych, takich jak E. coli i S. cerevisiae. Badania te mają znaczenie dla medycyny, ponieważ do tej pory zidentyfikowano już kilkanaście chorób, w których patogenezie mają udział niesprawne mechanizmy naprawy DNA.

    Naprawa poprzez scalanie niehomologicznych końców DNA (ang. non-homologous end joining, NHEJ) – jeden z dwóch mechanizmów naprawy uszkodzeń obu nici DNA (ang. double-strand breaks, DSBs). W efekcie DSBs oba łańcuchy nukleotydowe w podwójnej helisie zostają rozerwane. Drugim mechanizmem naprawy tych potencjalnie groźnych dla integralności genomu uszkodzeń jest naprawa rekombinacyjna (określana także jako rekombinacja homologiczna). NHEJ jest częściej wykorzystywanym mechanizmem naprawy w komórkach ssaków (u drożdży dominuje naprawa rekombinacyjna). Termin wprowadzili w 1996 roku Moore i Haber.

    Dodano: 01.07.2009. 15:11  


    Najnowsze