Тиминовый димер

Тиминовый димер — это тип повреждения молекулы ДНК, возникающий в результате ковалентного связывания двух соседних тиминовых оснований в одной цепи ДНК под действием ультрафиолетового (УФ) излучения. Тиминовые димеры являются наиболее распространённым видом фотопродуктов, образующихся при облучении кожи солнечным светом или искусственными источниками УФ-света. Они относятся к классу циклобутановых пиримидиновых димеров (CPD) и представляют собой одну из основных причин мутаций, ведущих к развитию рака кожи, в частности базальноклеточной и плоскоклеточной карциномы, а также меланомы.

Механизм образования

Образование тиминового димера происходит при поглощении молекулой ДНК фотона ультрафиолетового света с длиной волны преимущественно в диапазоне 250–290 нм (УФ-В) и, в меньшей степени, 320–400 нм (УФ-А). Энергия фотона достаточна для разрыва двойной связи C5=C6 в пиримидиновом кольце тимина. В результате два соседних тимина, расположенных на одной цепи ДНК, вступают в реакцию [2+2]-циклоприсоединения, образуя стабильную циклобутановую структуру между атомами C5 и C6 каждого основания. Это приводит к образованию ковалентной связи между двумя тиминами, что деформирует двойную спираль ДНК и нарушает её нормальную структуру.

Помимо тиминовых димеров, УФ-излучение может вызывать образование других фотопродуктов, таких как (6-4)-фотопродукты (пиримидин-пиримидоновые аддукты) и их производные, однако тиминовые димеры составляют до 70–80% всех УФ-индуцированных повреждений ДНК.

Последствия для клетки

Репликация и транскрипция

Тиминовые димеры создают стерические препятствия для работы ДНК-полимераз и РНК-полимераз. При репликации ДНК димер блокирует продвижение репликативной вилки, что может привести к остановке клеточного цикла или к образованию одноцепочечных разрывов. Если повреждение не устраняется, клетка может погибнуть в результате апоптоза. В случае, когда репликация всё же происходит, ДНК-полимераза часто вставляет напротив димера неправильное основание (чаще всего аденин вместо гуанина), что приводит к транзиционным мутациям типа C→T или CC→TT.

Мутагенез

Тиминовые димеры являются сильными мутагенами. Характерным признаком УФ-индуцированного мутагенеза является появление двойных транзиций CC→TT, которые редко встречаются при других типах повреждений ДНК. Такие мутации часто обнаруживаются в генах-супрессорах опухолей (например, в гене TP53) при раке кожи.

Механизмы репарации

Клетки эукариот и прокариот обладают несколькими системами для исправления тиминовых димеров:

Эксцизионная репарация нуклеотидов (NER)

Это основной путь удаления тиминовых димеров у человека. Система NER распознаёт искажения в структуре двойной спирали, вызванные димером, вырезает олигонуклеотид длиной 24–32 нуклеотида, содержащий повреждение, после чего ДНК-полимераза заполняет образовавшуюся брешь, а лигаза сшивает цепь. У человека существуют два подтипа NER: глобальная геномная репарация (GG-NER), которая сканирует всю ДНК, и транскрипционно-связанная репарация (TC-NER), которая устраняет повреждения в активно транскрибируемых генах.

Фотореактивация (прямая репарация)

У многих организмов, включая бактерии, грибы, растения и некоторых млекопитающих (но не у человека), существует фермент фотолиаза. Этот фермент использует энергию видимого света (длина волны 300–500 нм) для расщепления циклобутанового кольца тиминового димера, восстанавливая исходные тимины. У человека фотолиаза отсутствует, что делает кожу человека особенно уязвимой к УФ-повреждениям.

Транслезионный синтез (TLS)

Если репарация не успевает устранить димер до начала репликации, клетка активирует специализированные ДНК-полимеразы (например, Pol η, Pol ι, Pol κ), которые способны копировать ДНК через повреждённый участок. Полимераза η (eta) наиболее точно вставляет напротив тиминового димера два аденина, что предотвращает мутацию. Мутации в гене POLH, кодирующем Pol η, приводят к развитию пигментной ксеродермы (вариантной формы), при которой резко возрастает риск рака кожи.

Клиническое значение

Рак кожи

Накопление тиминовых димеров в клетках кожи является ключевым фактором канцерогенеза. Хроническое воздействие УФ-излучения приводит к множественным мутациям в онкогенах и генах-супрессорах опухолей. Характерные «УФ-сигнатуры» мутаций (C→T и CC→TT) обнаруживаются в более чем 90% случаев базальноклеточного рака и плоскоклеточного рака кожи, а также в значительной части меланом.

Пигментная ксеродерма (XP)

Это редкое наследственное заболевание, при котором нарушена работа системы NER. Больные XP чрезвычайно чувствительны к солнечному свету, у них в тысячи раз повышен риск развития рака кожи, а также часто наблюдаются неврологические нарушения. Причина — неспособность клеток удалять тиминовые димеры и другие УФ-индуцированные повреждения.

Фотостарение

Хроническое воздействие УФ-излучения, вызывающее образование тиминовых димеров, способствует фотостарению кожи — появлению морщин, пигментных пятен, потере эластичности. Это связано с активацией матриксных металлопротеиназ и нарушением синтеза коллагена в ответ на повреждение ДНК.

Защита и профилактика

Основные меры защиты от образования тиминовых димеров включают:

• Использование солнцезащитных средств с SPF (Sun Protection Factor) не менее 30, блокирующих УФ-В и УФ-А излучение.
• Ограничение пребывания на солнце в часы максимальной активности (с 10 до 16 часов).
• Ношение защитной одежды, головных уборов и солнцезащитных очков.
• Избегание посещения соляриев, которые излучают УФ-свет высокой интенсивности.

Интересные факты

• Тиминовые димеры могут образовываться не только в ДНК, но и в РНК, хотя в клетках этот процесс менее изучен.
• В 2015 году исследователи впервые продемонстрировали возможность использования фермента фотолиазы, полученной из цианобактерий, для репарации тиминовых димеров в клетках кожи человека в лабораторных условиях, что открывает перспективы для разработки «кремов-репараз».
• Существуют бактерии, например Deinococcus radiodurans, которые обладают исключительно эффективными системами репарации, позволяющими им выживать при огромных дозах УФ-излучения.

Источники

• Friedberg, E. C., Walker, G. C., Siede, W., & Wood, R. D. (2006). DNA Repair and Mutagenesis (2nd ed.). ASM Press.
• Lindahl, T., & Wood, R. D. (1999). Quality control by DNA repair. Science, 286(5446), 1897–1905.
• Cleaver, J. E. (2005). Cancer in xeroderma pigmentosum and related disorders of DNA repair. Nature Reviews Cancer, 5(7), 564–573.
• Douki, T., & Cadet, J. (2001). Individual determination of the yield of the main UV-induced dimeric pyrimidine photoproducts in DNA suggests a high mutagenicity of CC photolesions. Biochemistry, 40(8), 2495–2501.
• Brash, D. E. (2015). UV signature mutations. Photochemistry and Photobiology, 91(1), 15–26.