DNS károsodás

A DNS-károsodás a DNS  kémiai szerkezetének megváltozása , például egyszálú vagy kétszálú szakadás a DNS cukor-foszfát gerincében, a nitrogénbázisok elvesztése vagy kémiai megváltozása , DNS-láncok keresztkötései, keresztkötések DNS-fehérje. A sejtben a DNS szerkezete rendszeresen megzavarodik, mivel a természetes anyagcsere során olyan vegyületek képződnek, amelyek képesek károsítani a DNS-t. Ezek a vegyületek reaktív oxigénfajták , reaktív nitrogénfajták , reaktív karbonilcsoportok , lipid-peroxidációs termékek és alkilezőszerek [1] . A természetes celluláris metabolitoknak való kitettség által okozott DNS-károsodás gyakorisága egyes becslések szerint sejtenként napi több tízezer eseményt is elér [2] . A DNS is károsodhat külső ágenseknek, például ionizáló sugárzásnak vagy kémiai mutagéneknek való kitettség hatására .

A DNS-károsodást meg kell különböztetni a mutációktól . A DNS-károsodások a DNS rendellenes kémiai szerkezetei, míg a mutációk a standard bázispárok szekvenciájának változásai: A ( adenozin ), T ( timidin ), C ( citidin ), G ( guanozin ).

A legtöbb DNS-sérülés helyrehozható a DNS-javítás során , de a DNS-javítás egyrészt nem teljesen hatékony, másrészt bizonyos esetekben a DNS-károsodás helyreállítása hibákhoz, és ennek eredményeként mutációk kialakulásához vezet. Ezen túlmenően bizonyítékok vannak arra, hogy bizonyos DNS-károsodások, nevezetesen a DNS kettősszál-szakadások helyreállításának folyamata epigenetikai változásokhoz vezethet a környező DNS metilációja formájában, és ennek eredményeként a génexpresszió elnémulásához [3] .

A DNS-károsodás programozott sejthalált, azaz apoptózist válthat ki [4] . A nem korrigált DNS-károsodás felhalmozódhat a nem osztódó posztmitózisos sejtekben, például felnőtt emlősök agy- vagy izomsejtjeiben, és az öregedés oka lehet [5] [6] [7] . Az osztódó sejtekben, például a bélhámsejtekben vagy a hematopoietikus csontvelősejtekben a DNS-károsodás helyreállításának hibái olyan mutációkhoz vezethetnek, amelyek továbbadódnak a következő sejtgenerációknak, és ezeknek a mutációknak némelyikének lehet onkogén potenciálja.

Életre gyakorolt ​​hatás

Közvetett bizonyíték arra, hogy a DNS-károsodás komoly problémát jelent az élő szervezetek számára, hogy DNS-javulást találtak minden sejtes organizmusban, amelyet megvizsgáltak annak jelenlétére. Például baktériumokban számos baktériumfajban megtalálható a DNS-károsodás kijavítására irányuló szabályozó hálózat (ezt Escherichia coliban SOS-válasznak nevezik). Az E. coli RecA fehérje , amely kulcsfontosságú az SOS válaszreakciókban, a fehérjék azon széles körben elterjedt osztályába tartozik, amelyek DNS-szálakat cserélnek a homológ rekombináció folyamatában, amely mechanizmus biztosítja a genom stabilitását a DNS-törések javításával [8] . A RecA-val és más központi SOS- válaszgénekkel homológ géneket szinte minden eddig szekvenált bakteriális genomban találtak, ami a DNS-károsodás ősi eredetére és széles körben elterjedt rekombinációs helyreállítására utal [9] . A RecA-val homológ rekombinázok az eukarióták körében is elterjedtek . Például hasadó élesztőben és emberi sejtekben a RecA homológok elősegítik a DNS-szálak cseréjét a hélix-hélix komplexben , ami szükséges a DNS kettős száltöréseinek helyreállításához [10] [11] .

A sejtben a DNS integritásának megőrzésének fontosságát jelzi az is, hogy számos sejtenergia-forrást fektetnek be a DNS-károsodás helyreállítási folyamataiba. Egyes becslések szerint egy emberi sejtben csak egy DNS-kettős szál szakadás kijavításához több mint 10 000 ATP-molekulára van szükség, amelyeket felhasználnak a károsodások kimutatására, a helyreállító gócok kialakítására és a Rad51-et bevonó homológ rekombinációs komplexek kialakítására. [6] .

Belső DNS-károsodás gyakorisága

Az alábbi lista azt szemlélteti, hogy milyen gyakorisággal lépnek fel új természetes DNS-károsodások a nap folyamán belső sejtfolyamatok következtében.

Egy másik jelentős DNS-károsodás az M1dG , 3-(2'-dezoxi-β-D-eritro-pentofuranozil)pirimido[1,2 - a ]-purin-10(3H)-on képződése. Fontos mutató lehet a DNS stacionárius szintje, amely az előfordulás gyakoriságát és a DNS-javítás gyakoriságát egyaránt tükrözi. A stacioner M1dG szint magasabb, mint a 8-oxodG szint. [25] Ez azt jelzi, hogy bizonyos alacsony frekvenciájú DNS-károsodások nehezen javíthatók, és magas szintű DNS-ben maradnak. Mind az M1dG [26] , mind a 8-oxodG [27] mutagén .

Stacionárius szintű DNS-károsodás

A DNS-károsodás stacionárius szintje az előfordulásuk és a helyreállításuk közötti egyensúlyt tükrözi. Az oxidatív DNS-károsodásnak több mint 100 típusát jellemezték, és ezek körülbelül 5%-ának a 8-oxodG az eredménye [28] . Helbock és munkatársai [29] az oxidatív DNS-adduktok egyensúlyi szintjét sejtenként 24 000-re becsülték fiatal patkányokban és 66 000 adduktumra az idős patkányokban. Ez tükrözi a DNS-károsodások felhalmozódását az életkorral.

Swenberg és munkatársai [30] megmérték az egyszeri stacioner endogén DNS-károsodások átlagos számát emlőssejtekben. Amint az 1. táblázatban látható, rangsorolták a hét leggyakoribb elváltozást.

1. táblázat Az endogén DNS károsodás stacionárius mennyisége
endogén károsodás Mennyiség cellánként
Talajvesztés 30 000
N7-(2-hidroxi-etil)-guanin (7HEG) 3000
8-hidroxiguanin 2400
7-(2-oxo-etil)-guanin 1500
Formaldehid adduktok 960
Akrolein-dezoxiguanin 120
Malondialdehid-dezoxiguanin 60

Bizonyos patkányszövetek stacioner elváltozásainak mérésével Nakamura és Swenberg [31] kimutatta, hogy a bázisvesztési helyek száma a májban, vesében és tüdőben sejtenként körülbelül 50 000-től az agy sejtenkénti 200 000-ig terjed.

A természetes DNS-károsodás következményei

A differenciált szomatikus sejtek felnőtt emlősökben általában ritkán vagy egyáltalán nem replikálódnak. Az ilyen sejtek, köztük például az agyi neuronok és az izommiociták, alig vagy egyáltalán nem osztódnak. A nem replikáló sejtek általában nem termelnek DNS-károsodás által kiváltott mutációkat a replikációs szakaszban. Ezek a nem replikálódó sejtek általában nem válnak rákossá, de idővel DNS-károsodást halmoznak fel, ami valószínűleg hozzájárul az öregedéshez. Nem replikálódó sejtekben az átírt DNS-szál egyetlen szálának szakadása vagy más típusú károsodása blokkolhatja az RNS-polimeráz II által katalizált transzkripciót [32] . Ez megzavarja annak a génnek a szintézisét, amelyet az ilyen blokkoló gén kódol.

Brasnjevic és munkatársai [33] összefoglalták azokat a bizonyítékokat, amelyek azt mutatják, hogy az egyszálú törések az életkor előrehaladtával halmozódnak fel az agyban (bár számuk eltérő volt a különböző agyi régiókban), és hogy ezek jelentik az agysérülés leggyakoribb stacionárius típusát. Mint fentebb tárgyaltuk, ezek a felhalmozódott bemetszések várhatóan blokkolják a géntranszkripciót. Ezzel összhangban Hetman és munkatársai [34] 182 gént azonosítottak, amelyek a 72 évesnél idősebb egyének agyában csökkent transzkripciót mutattak, összehasonlítva a 43 évesnél fiatalabb egyének agyában. Amikor 40 specifikus fehérje tartalmát értékelték a patkányok izomzatában, a legtöbb fehérje jelentős csökkenést mutatott 18 hónapos kortól (fiatal patkányok) 30 hónapos korig (öreg patkányok). [35]

Kimutatták, hogy a DNS-károsodás egy másik típusa, a kettős szál szakadása sejthalálhoz (sejtek elvesztéséhez) vezet apoptózison keresztül . [36] Az ilyen típusú DNS-károsodások nem halmozódnak fel az életkorral, mivel az ilyen sejtek elpusztulnak az apoptózis során.

Lásd még

Jegyzetek

  1. ↑ De Bont R, van Larebeke N. (2004) Endogén DNS-károsodás emberekben: a kvantitatív adatok áttekintése. Mutagenesis 19(3):169-185. felülvizsgálat. PMID 15123782
  2. ↑ Carol Bernstein, Anil R. Prasad, Valentine Nfonsam és Harris Bernstein (2013). DNS-károsodás, DNS-javítás és rák, Új kutatási irányok a DNS-javításban, Prof. Clark Chen (szerk.), ISBN 978-953-51-1114-6 , InTech, DOI: 10.5772/53919. Elérhető: http://www.intechopen.com/books/new-research-directions-in-dna-repair/dna-damage-dna-repair-and-cancer Archiválva : 2021. január 29. a Wayback Machine -nél
  3. ↑ O'Hagan HM, Mohammad HP, Baylin SB. (2008) A kétszálú szakadások géncsendesítést és SIRT1-függő DNS-metilációt indíthatnak el egy exogén CpG-sziget promoterben. PLoS Genet . 4. cikk (8): e1000155. doi : 10.1371/journal.pgen.1000155 PMID 18704159
  4. ↑ Roos WP, Kaina B. DNS-károsodás által kiváltott sejthalál apoptózissal  //  Trends in molekuláris medicina. - 2006. - 20. évf. 12 , sz. 9 . - P. 440-450 . - doi : 10.1016/j.molmed.2006.07.007 .
  5. ↑ Bernstein H, Payne CM, Bernstein C, Garewal H, Dvorak K (2008). Rák és öregedés, mint a nem javított DNS-károsodás következményei. In: New Research on DNA Damages (Szerk.: Honoka Kimura és Aoi Suzuki) Nova Science Publishers, Inc., New York, 1. fejezet, pp. 1-47. nyílt hozzáférésű, de csak olvasható: https://www.novapublishers.com/catalog/product_info.php?products_id=43247 Archiválva : 2014. október 25., a Wayback Machine ISBN 978-1604565812
  6. ↑ 1 2 Hoeijmakers JH. (2009) DNS-károsodás, öregedés és rák. N Engl J Med . 361(15):1475-1485. felülvizsgálat. PMID 19812404
  7. ↑ Freitas AA, de Magalhães JP. (2011) Az öregedés DNS-károsodáselméletének áttekintése és értékelése. Mutat Res. 728(1-2):12-22. felülvizsgálat. doi : 10.1016/j.mrrev.2011.05.001 PMID 21600302
  8. ↑ Bell JC, Plank JL, Dombrowski CC, Kowalczykowski SC. (2012) A RecA magképződésének és növekedésének közvetlen képalkotása SSB-vel bevont ssDNS egyetlen molekuláján. Nature 491 (7423): 274-278. doi : 10.1038/nature11598 . PMID 23103864
  9. ↑ Erill I, Campoy S, Barbé J. (2007) Aeons of distress: a bakteriális SOS válasz evolúciós perspektívája. FEMS Microbiol Rev. 31(6):637-656. felülvizsgálat. doi : 10.1111/ j.1574-6976.2007.00082.x PMID 17883408
  10. ↑ Murayama Y, Kurokawa Y, Mayanagi K, Iwasaki H. (2008) Formation and branch migration of Holliday junctions by eukariotic recombinases mediated by Holliday junctions. Nature 451 (7181): 1018-1021. PMID 18256600
  11. ↑ Holthausen JT, Wyman C, Kanaar R. (2010) A DNS-szálcsere szabályozása homológ rekombinációban. DNS Repair (Amst) 9(12):1264-1272. PMID 20971042
  12. ↑ 1 2 Ames BN, Shigenaga MK, Hagen TM. (1993) Oxidánsok, antioxidánsok és az öregedés degeneratív betegségei. Proc Natl Acad Sci USA . 90(17):7915-7922. felülvizsgálat. PMID 8367443
  13. ↑ 1 2 Helbock HJ, Beckman KB, Shigenaga MK, Walter PB, Woodall AA, Yeo HC, Ames BN. (1998) DNS oxidáció számít: a 8-oxo-dezoxiguanozin és 8-oxo-guanin HPLC-elektrokémiai kimutatási vizsgálata. Proc 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) A DNS-javító termékek vizeletürítése korrelál az anyagcsere sebességével, valamint a különböző emlősök maximális élettartamával faj. 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). Az oxidatívan károsodott DNS és a javítás szerepe a rák kialakulásában és öregedésében. Am J Transl Res 2(3):254-284. PMID 20589166
  16. ↑ Fraga CG, Shigenaga MK, Park JW, Degan P, Ames BN. A DNS oxidatív károsodása az öregedés során: 8-hidroxi-2'-dezoxiguanozin patkány szervi DNS-ben és vizeletben. Proc. Natl. Acad. Sci. USA , 87(12), 4533-4537 (1990). PMID 2352934
  17. ↑ Hamilton ML, Guo Z, Fuller CD, Van Remmen H, Ward WF, Austad SN, Troyer DA, Thompson I, Richardson A. (2001). A nukleáris és mitokondriális DNS 8-oxo-2-dezoxiguanozin szintjének megbízható értékelése nátrium-jodid módszerrel a DNS izolálására. Nucleic Acids Res 29(10):2117-2126. PMID 11353081
  18. ↑ Lindahl T, Nyberg B. (1972) A natív dezoxiribonukleinsav depurinációjának sebessége. Biochemistry 11(19) 3610-3618. doi : 10.1038/362709a0 PMID 4626532
  19. ↑ Lindahl T. (1993) A DNS elsődleges szerkezetének instabilitása és bomlása. Nature 362(6422) 709-715. PMID 8469282
  20. ↑ Nakamura J, Walker VE, Upton PB, Chiang SY, Kow YW, Swenberg JA. Az erősen érzékeny apurin/apirimidin helyszíni vizsgálat fiziológiás körülmények között képes kimutatni a spontán és kémiailag kiváltott depurinációt. Cancer Res 1998;58(2) 222-225. PMID 9443396
  21. ↑ 1 2 Lindahl T. (1977) DNS-javító enzimek, amelyek a DNS spontán elváltozásaira hatnak. In: Nichols WW és Murphy DG (szerk.) DNA Repair Processes. Symposia Specialists, Miami p225-240. ISBN 088372099X ISBN 978-0883720998
  22. ↑ 1 2 3 4 5 Tice, RR és Setlow, RB (1985): DNS-javítás és replikáció öregedő organizmusokban és sejtekben. In: Finch EE és Schneider EL (szerk.) Handbook of the Biology of Aging. Van Nostrand Reinhold, New York. 173-224. oldal. ISBN 0442225296 ISBN 978-0442225292
  23. ↑ Haber JE. (1999) DNS-rekombináció: a replikációs kapcsolat. Trends Biochem Sci 24(7), 271-275. PMID 10390616
  24. ↑ Vilenchik MM, Knudson AG. (2003) Az endogén DNS kettős szálú szakadásai: termelés, a javítás hűsége és a rák kiváltása. Proc 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 adduct az emberi hasnyálmirigyben az oxidatív stresszhez kapcsolódó szintek. Mutat Res. 405(2):125-33. PMID 9748537
  26. ↑ VanderVeen LA, Hashim MF, Shyr Y, Marnett LJ. Kereteltolás és bázispár szubsztitúciós mutációk indukálása az endogén karcinogén malondialdehid fő DNS-adduktja által. (2003) Proc. Natl. Acad Sci USA 100(24):14247-14252. PMID 14603032
  27. ↑ Tan X, Grollman AP, Shibutani S. (1999) A 8-oxo-7,8-dihidro-2'-dezoxiadenozin és a 8-oxo-7,8-dihidro-2'-dezoxiguanozin DNS-léziók mutagén tulajdonságainak összehasonlítása emlős sejtekben. 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) A 8-oxo-2-deoxiguanozin szintjének megbízható értékelése nukleáris és mitokondriális DNS-ben a nátrium-jodid módszer a DNS izolálására. 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) DNS oxidáció számít: a 8-oxo-dezoxiguanozin és 8-oxo-guanin HPLC-elektrokémiai kimutatási vizsgálata. Proc. Natl. 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) Endogén versus exogén DNS-adduktok: szerepük a karcinogenezisben, epidemiológiában és kockázatértékelésben. Toxicol Sci. 120 (1. melléklet): S130-45. PMID 21163908
  31. ↑ Nakamura J, Swenberg JA. (1999) Endogén apurin/apirimidin helyek emlősszövetek genomiális DNS-ében. Cancer Res . 59(11):2522-2526. PMID 10363965
  32. ↑ Kathe SD, Shen GP, ​​​​Wallace SS. (2004) Az egyszálú DNS-törések, de nem oxidatív DNS-bázisok, blokkolják az RNS-polimeráz II transzkripciós megnyúlását HeLa sejtmagkivonatokban. J Biol Chem . 279(18):18511-18520. PMID 14978042
  33. ↑ Brasnjevic I, Hof PR, Steinbusch HW, Schmitz C. (2008) Nukleáris DNS-károsodás vagy neuronvesztés felhalmozódása: molekuláris alapok a neurodegeneratív betegségek szelektív neuronális sérülékenységének megértéséhez. DNS-javítás (Amst). 7(7):1087-1097. PMID 18458001
  34. ↑ Hetman M, Vashishta A, Rempala G. (2010) A DNS károsodásának neurotoxikus mechanizmusai: fókusz a transzkripciós gátlásra. J Neurochem. 114(6):1537-1549. doi: 10.1111/j.1471-4159.2010.06859.x. felülvizsgálat. PMID 20557419
  35. ↑ Piec I, Listrat A, Alliot J, Chambon C, Taylor RG, Bechet D. (2005) Differential proteome analysis of aging in patkány vázizom. FASEBJ . 19(9):1143-5. PMID 15831715
  36. ↑ Carnevale J, Palander O, Seifried LA, Dick FA. (2012) A DNS-károsodást differenciálisan módosított E2F1 molekulák jelzik apoptózis kiváltására. Mol Cell Biol . 32(5):900-912. PMID 22184068