Репарация ДНК¶

Репарация ДНК — это совокупность биохимических механизмов, обеспечивающих обнаружение и исправление повреждений дезоксирибонуклеиновой кислоты, возникающих в клетке под действием эндогенных и экзогенных факторов. Повреждения ДНК происходят десятки тысяч раз в сутки в каждой клетке человека; без систем репарации накопление мутаций приводило бы к гибели клеток, преждевременному старению организма и развитию онкологических заболеваний.

¶Источники повреждений ДНК

Повреждения делятся на эндогенные и экзогенные.

К эндогенным относятся:

• Деаминация — самопроизвольное превращение цитозина в урацил (до 100–500 событий в сутки в клетке).
• Окисление — образование 8-оксогуанина под действием активных форм кислорода, побочных продуктов клеточного дыхания.
• Репликативный стресс — обрывы репликативных вилок, повреждения однонитевых участков.
• Алкилирование — присоединение алкильных групп к основаниям ДНК, катализируемое эндогенными метаболитами.

К экзогенным факторам относятся ультрафиолетовое излучение (образование пиримидиновых димеров), ионизирующее излучение (одно- и двунитевые разрывы, окислительные повреждения), химические мутагены (полициклические ароматические углеводороды, нитрозамины, афлатоксины) и некоторые лекарственные препараты (алкилирующие цитостатики).

¶Основные типы репарации

¶Ремонт по основе (Base Excision Repair, BER)

Устраняет незначительные повреждения оснований: окисленные, алкилированные, дезаминированные нуклеотиды, а также однонитевые разрывы. Ферменты-ДНК-гликозилазы распознают повреждённое основание и отщепляют его от сахаро-фосфатного остова, оставляя апуриновый или апиримидиновый сайт (AP-сайт). Далее AP-эндонуклеаза (в человека — APE1) разрезает цепь, полимераза β вставляет правильный нуклеотид, а ДНК-лигаза III заполняет разрыв. Вариант BER с длинным фрагментом (long-patch BER) задействует полимеразы δ/ε и PCNA.

¶Нуклеотидная эксцизия (Nucleotide Excision Repair, NER)

Основной механизм устранения bulky-повреждений — пиримидиновых димеров, образующихся под УФ-излучением, и химических аддуктов. В клетках бактерий (система UvrABC) и эукариот (система с участием XP-белков) повреждение распознаётся комплексом белков, затем двунитевой участок длиной около 24–32 нуклеотидов вырезается, и разрыв заполняется полимеразой. Мутации в генах NER вызывают наследственное заболевание ксеродерму пигментоз — резкую чувствительность кожи к солнечному свету и многократное повышение риска рака кожи.

¶Ремонт по несоответствию оснований (Mismatch Repair, MMR)

Исправляет ошибки репликации — неспаренные основания и небольшие вставки/делеции в микросателлитных повторах. Ключевые белки системы у человека — MLH1, MSH2, MSH6, PMS2. Нарушение MMR приводит к синдрому Линча (наследственному неполипозному раку толстой кишки) и микросателлитной нестабильности опухолей.

¶Соединение концов (Double-Strand Break Repair)

Двунитевые разрывы — наиболее опасный тип повреждения. Существуют два основных пути:

• Гомологичная рекомбинация (HR) — точный ремонт с использованием матрицы гомологичной хромосомы или сестринской хроматиды. Протекает преимущественно в S/G2-фазах клеточного цикла. Ключевые белки: BRCA1, BRCA2, RAD51. Мутации в BRCA1/BRCA2 ассоциированы с повышенным риском рака молочной железы и яичников.
• Неидентичное соединение концов (NHEJ) — быстрое, но склонное к ошибкам сшивание концов разрыва с участием Ku70/Ku80, ДНК-ПКcs и лигазы IV. Работает на всех фазах цикла.

Альтернативное соединение концов (alt-EJ, или MMEJ) использует короткие гомологичные последовательности и является наиболее error-prone.

¶Связь с раком и старением

Недостаточность систем репарации — одна из причин канцерогенеза. Синдромы, ассоциированные с дефектами репарации, включают ксеродерму пигментоз (NER), атаксию-телеангиэктазию (сигнализация по повреждению ДНК), синдром Блума (RecQ-хеликаза), синдром Вернера, анемию Фанкони (межнитевая рекомбинация). С возрастом активность репаративных систем снижается, что связано с накоплением соматических мутаций и старением организма.

¶Клиническое применение

Знание механизмов репарации используется в онкологии. Ингибитор PARP (поли(АДФ-рибоза)-полимеразы) — фермента, участвующего в BER, — применяются для лечения опухолей с дефектами гомологичной рекомбинации (синтетическая летальность: опухоли с мутацией BRCA не могут компенсировать блок PARP). Олапариб, рукапариб и талазопариб включены в стандарты лечения BRCA-позитивного рака молочной железы, яичников и поджелудочной железы.

¶Эволюционная консервативность

Системы репарации ДНК чрезвычайно консервативны: гомологичные ферменты обнаружены у бактерий (UvrABC, MutS/MutL, RecA), архей, дрожжей, растений и млекопитающих. Это подчёркивает фундаментальное значение сохранения генетической информации для всех живых организмов.

Источники:

• «Molecular Biology of the Cell» (B. Alberts et al.)
• «DNA Repair and Mutagenesis» (G.C. Friedberg, W.C. Friedberg, E.C. Friedberg)
• «The DNA Damage Response: Ten Years After» (M.B. Kastan, J. Bartek, Nature Reviews Molecular Cell Biology)
• «DNA Repair in Cancer Therapy» (M.B. Kastan)
• Статьи журнала «Nature Reviews Genetics» по механизмам репарации ДНК