Восстановление ДНК
-
Репарация ДНК
- Процесс восстановления повреждений ДНК в клетках человека
- Повреждения ДНК возникают из-за метаболической активности и факторов окружающей среды
- Повреждения могут вызывать структурные изменения и мутации
-
Типы повреждений ДНК
- Окисление оснований, алкилирование, гидролиз, образование объемных аддуктов
- Ошибки репликации, несоответствие оснований
- Экзогенные агенты: УФ-излучение, ионизирующее излучение, термическое разрушение, промышленные химикаты
-
Ядерная и митохондриальная ДНК
- Ядерная ДНК находится в хромосомах, митохондриальная ДНК в митохондриях
- Митохондриальная ДНК подвержена повреждению свободными радикалами
-
Старение и апоптоз
- Старение: необратимое состояние покоя клеток, вызванное укорочением теломер
- Апоптоз: запрограммированная гибель клеток, предотвращающая неправильное деление
-
Мутация и повреждение ДНК
- Повреждение ДНК: физические нарушения, распознаваемые ферментами, могут быть восстановлены
- Мутация: изменение последовательности оснований, не распознается ферментами, не восстанавливается
-
Значение репарации ДНК
- Репарация ДНК важна для целостности генома и нормального функционирования организма
- Нобелевская премия по химии за 2015 год присуждена за исследования репарации ДНК
-
Повреждение ДНК и мутации
- Повреждение ДНК часто приводит к ошибкам синтеза ДНК, что является основным источником мутаций.
- В неделящихся клетках невосстановленные повреждения накапливаются, что приводит к мутациям.
- В быстро делящихся клетках невосстановленные повреждения приводят к ошибкам репликации и мутациям.
-
Механизмы восстановления ДНК
- Клетки используют различные стратегии восстановления в зависимости от типа повреждения.
- Прямой разворот устраняет повреждения, изменяя их химическим путем.
- Фотореактивация устраняет димеры пиримидина.
- Метилирование оснований гуанина устраняется ферментом метилгуанин-метилтрансферазой.
-
Повреждение одной нити
- Поврежденная нить используется как шаблон для исправления.
- Восстановление путем удаления оснований (BER) удаляет поврежденное основание и заменяет его.
- Удаление нуклеотидов (NER) удаляет поврежденные нуклеотиды и повторно синтезирует ДНК.
-
Разрывы двух нитей
- Двухцепочечные разрывы опасны для клетки и могут привести к перестройке генома.
- NHEJ соединяет концы ДНК с помощью ДНК-лигазы IV.
- MMEJ начинается с резекции нуклеазой MRE11 и требует участия PARP1 и FEN1.
- HR требует идентичной последовательности для восстановления.
-
Экстремофилы и репарация
- Deinococcus radiodurans использует фрагменты ДНК для синтеза гомологичных областей.
- Заключительный этап включает скрещивание посредством RecA-зависимой гомологичной рекомбинации.
-
Топоизомеразы и разрывы ДНК
- Топоизомеразы создают одноцепочечные и двухцепочечные разрывы в ДНК.
- Эти разрывы не считаются повреждением ДНК и восстанавливаются ферментами.
- Термочувствительные участки ДНК могут превращаться в DSB при повышенной температуре.
-
Синтез трансляции
- Синтез трансляции (TLS) позволяет репликации ДНК воспроизводить повреждения.
- TLS включает замену обычных полимераз на специализированные транслезионные полимеразы.
- Полимеразы TLS часто имеют низкую точность, но эффективны при установке оснований напротив повреждений.
-
Глобальный ответ на повреждение ДНК
- Клетки, подвергшиеся повреждению ДНК, активируют множество генов и останавливают клеточный цикл.
- Активация контрольных точек клеточного цикла позволяет клеткам устранить повреждения перед делением.
-
Начальные шаги репарации ДНК
- Упаковка ДНК в хроматин требует ремоделирования для привлечения ферментов.
- PARP1 и ALC1 быстро присоединяются к поврежденным участкам ДНК.
- yH2AX и RNF8 участвуют в деконденсации хроматина.
-
Контрольные точки повреждения ДНК
- Активация контрольных точек приостанавливает клеточный цикл для устранения повреждений.
- ATM и ATR контролируют контрольные точки на границах G1/S и G2/M.
- Белки-медиаторы, такие как BRCA1 и MDC1, передают сигнал активации контрольной точки.
-
Реакция на повреждение ДНК у эукариот
- ATM и ATR связываются с хромосомами и вспомогательными белками для сборки компонентов реакции на повреждение ДНК.
- р53 индуцирует апоптоз, а p21 останавливает клеточный цикл.
-
Реакция SOS у прокариот
- Реакция SOS активируется при обширных повреждениях ДНК.
- LexA и RecA регулируют транскрипцию генов SOS.
- SOS-боксы высококонсервативны и позволяют дифференцированно связывать LexA.
-
Транскрипционные реакции эукариот
- Эукариотические клетки активируют множество белков для репарации ДНК и контроля клеточного цикла.
- Различные типы клеток человека по-разному реагируют на повреждение ДНК.
-
Старение и репарация ДНК
- Генетические нарушения репарации ДНК приводят к преждевременному старению и раку.
- Ограничение калорийности увеличивает продолжительность жизни за счет снижения метаболизма и повреждения ДНК.
-
Медицина и модуляция репарации ДНК
- Наследственные нарушения репарации ДНК включают пигментную ксеродермию, синдром Кокейна и трихотиодистрофию.
- Другие нарушения включают синдром Вернера, синдром Блума и атаксию телеангиэктазию.
-
Сегментарные прогерии и рак
- Сегментарные прогерии — заболевания, связанные с ускоренным старением.
- Рак часто связан с мутациями в генах репарации ДНК.
- BRCA1 и BRCA2 связаны с репарацией ДНК и риском рака молочной железы.
-
Лечение рака и репарация ДНК
- Химиотерапия и лучевая терапия подавляют репарацию ДНК, что приводит к гибели клеток.
- Современные методы лечения пытаются локализовать повреждения ДНК в раковых клетках.
- Олапариб — ингибитор PARP1, одобренный для лечения рака яичников.
-
Дефекты репарации ДНК при раке
- Реакция на повреждение ДНК действует как барьер против злокачественной трансформации.
- Репликационный стресс и мутации в генах репарации ДНК приводят к потере репарации и старению клеток.
- Люди с наследственными дефектами репарации ДНК имеют повышенный риск рака.
-
Эпигенетические дефекты репарации ДНК
- Рак также вызывается эпигенетическими изменениями, такими как метилирование ДНК и модификации гистонов.
- Эпигенетические изменения снижают экспрессию белков репарации ДНК, что приводит к генетической нестабильности.
- Недостаточная экспрессия белков репарации ДНК увеличивает риск рака.
-
Частота эпимутаций в генах репарации ДНК
- Дефицит ферментов репарации ДНК часто вызывается эпигенетическими изменениями.
- Метилирование промоторной области генов репарации ДНК снижает их экспрессию.
- Эпигенетические дефекты наблюдаются при различных видах рака.
-
Роль ферментов в восстановлении ДНК
- 169 ферментов участвуют в восстановлении ДНК
- 83 фермента непосредственно участвуют в восстановлении 5 типов повреждений ДНК
-
Эпигенетические изменения в генах восстановления ДНК
- Гены, выделенные красным, серым или голубым, часто эпигенетически изменены в различных типах рака
- Эпигенетические изменения могут приводить к накоплению повреждений ДНК и мутациям
-
Роль RAD51 и BRCA2
- RAD51 и BRCA2 необходимы для гомологичной рекомбинационной репарации
- В некоторых случаях они могут быть эпигенетически сверх- или недоэкспрессированы
- Сверхэкспрессия может быть компенсаторной, а недоэкспрессия — канцерогенной
-
Роль MMEJ
- MMEJ — это ошибочный путь репарации двойных разрывов
- MMEJ часто приводит к небольшим удалениям и является мутагенным
- FEN1 и PARP1 часто эпигенетически гиперэкспрессированы в различных типах рака
-
Распределение мутаций в геноме
- Мутации неравномерно распределены в геноме опухоли
- Генетически богатые и рано реплицирующиеся регионы имеют более низкие частоты мутаций
- H3K36me3 и нуклеотидная эксцизионная репарация влияют на распределение мутаций
-
Эпигенетические изменения при восстановлении ДНК
- Окислительное повреждение ДНК и двойные разрывы часто сопровождаются эпигенетическими изменениями
- Окислительное повреждение ДНК может приводить к деметилированию и метилированию цитозинов
- Гомологичная рекомбинационная репарация также изменяет эпигенетические маркеры
-
Эпигенетические изменения при репарации ДНК
- У мышей с инсерцией, опосредованной CRISPR, наблюдается повышенное метилирование CpG-сайтов.
- Негомологичное соединение концов может вызывать деметилирования и изменения экспрессии генов.
- Частота эпигенетических изменений после NHEJ составляет около 0,9%.
-
Эволюция репарации ДНК
- Основные процессы репарации ДНК консервативны у прокариот, эукариот и бактериофагов.
- Более сложные организмы имеют более сложные механизмы репарации.
- Эволюция репарации связана с появлением кислорода и окислительного стресса.
-
Скорость эволюционных изменений
- Повреждения ДНК могут приводить к мутациям, которые могут передаваться потомству.
- Скорость эволюции зависит от скорости мутаций, а не от механизмов репарации.
- Восстановление и защита ДНК влияют на накопление полезных мутаций, замедляя эволюцию.
-
Технология CRISPR-Cas9
- CRISPR-Cas9 позволяет изменять гены, вызывая повреждения ДНК и изменяя механизмы репарации.
- Технология дешевле, эффективнее и точнее других методов.
- Ученые могут редактировать части генома, удаляя, добавляя или изменяя последовательности ДНК.