Leziuni ale ADN-ului

Deteriorarea ADN-ului  este o modificare a structurii chimice a ADN-ului , cum ar fi o ruptură monocatenar sau dublu catenară în coloana vertebrală de zahăr-fosfat a ADN-ului, pierderea sau modificarea chimică a bazelor azotate , reticulare a lanțurilor ADN, reticulare. a ADN-proteinei. Structura ADN-ului într-o celulă este perturbată în mod regulat datorită faptului că în timpul metabolismului natural se formează compuși care au capacitatea de a deteriora ADN-ul. Acești compuși includ specii reactive de oxigen , specii reactive de azot , grupări carbonil reactive , produși de peroxidare a lipidelor și agenți de alchilare [1] . Frecvența deteriorării ADN-ului cauzate de expunerea la metaboliții celulari naturali atinge, conform unor estimări, la zeci de mii de evenimente pe zi per celulă [2] . ADN-ul poate fi, de asemenea, deteriorat prin expunerea la agenți externi, cum ar fi radiațiile ionizante sau mutagenii chimici .

Leziunile ADN-ului trebuie distinse de mutații . Leziunile ADN sunt structuri chimice anormale în ADN, în timp ce mutațiile sunt modificări ale secvenței perechilor de baze standard: A ( adenozină ), T ( timidină ), C ( citidină ), G ( guanozină ).

Majoritatea daunelor ADN pot fi reparate în timpul reparării ADN-ului , dar repararea ADN-ului, în primul rând, nu este complet eficientă și, în al doilea rând, în unele cazuri, repararea daunelor ADN-ului duce la erori și, ca urmare, la apariția mutațiilor. În plus, există dovezi că procesul de reparare a unor daune ale ADN-ului, și anume rupturile duble-catenari ale ADN-ului, poate duce la modificări epigenetice sub formă de metilare a ADN-ului înconjurător și, ca urmare, la tăcere a expresiei genelor [3] .

Deteriorarea ADN-ului poate declanșa moartea celulară programată, adică apoptoza [4] . Leziunile ADN-ului necorectate se pot acumula în celulele post-mitotice nedivizate, cum ar fi celulele creierului sau musculare la mamiferele adulte, și pot fi cauza îmbătrânirii [5] [6] [7] . În divizarea celulelor, cum ar fi celulele epiteliale intestinale sau celulele hematopoietice ale măduvei osoase, erorile în repararea leziunilor ADN pot duce la mutații care sunt transmise generațiilor ulterioare de celule, iar unele dintre aceste mutații pot avea potențial oncogen .

Impactul asupra vieții

Dovezile indirecte că deteriorarea ADN-ului este o problemă serioasă pentru organismele vii este că repararea ADN-ului a fost găsită în toate organismele celulare care au fost examinate pentru prezența sa. De exemplu, în bacterii, o rețea de reglementare îndreptată spre repararea daunelor ADN (numită răspuns SOS în Escherichia coli ) se găsește în multe specii bacteriene. Proteina RecA de E. coli , care este cheia în reacțiile de răspuns SOS, aparține unei clase larg răspândite de proteine ​​care fac schimb de fire de ADN în procesul de recombinare omoloagă, mecanism care asigură stabilitatea genomului prin repararea rupurilor de ADN [8] . Gene omoloage cu RecA și alte gene centrale de răspuns SOS au fost găsite în aproape toți genomii bacterieni secvenționați până în prezent, sugerând o origine veche și repararea recombinațională pe scară largă a daunelor ADN [9] . Recombinazele omoloage RecA sunt, de asemenea, răspândite printre eucariote . De exemplu, în drojdia de fisiune și în celulele umane, omologii RecA promovează schimbul de catene de ADN în complexul helix-helix , care este necesar pentru repararea rupurilor duble-catenari ale ADN-ului [10] [11] .

De asemenea, importanța menținerii integrității ADN-ului în celulă este indicată de faptul că multe resurse energetice celulare sunt investite în procesele de reparare a deteriorarii ADN-ului. Potrivit unor estimări, repararea unei singure rupturi duble catenare ADN într-o celulă umană necesită mai mult de 10.000 de molecule ATP, care sunt utilizate în procesul de detectare a daunelor, formarea focarelor de reparare și formarea de complexe de recombinare omoloage care implică Rad51. [6] .

Frecvența leziunilor interne ale ADN-ului

Lista de mai jos ilustrează frecvențele cu care apar noile leziuni naturale ale ADN-ului pe parcursul unei zile, din cauza proceselor celulare interne.

O altă deteriorare majoră a ADN-ului este formarea M1dG , 3-(2'-deoxi-p-D-eritro-pentofuranozil)pirimido[1,2 - a ]-purin-10(3H)-onă. Un indicator important poate fi nivelul staționar în ADN, care reflectă atât frecvența de apariție, cât și frecvența reparării ADN-ului. Nivelul staționar M1dG este mai mare decât nivelul 8-oxodG. [25] Acest lucru indică faptul că unele daune ale ADN-ului de joasă frecvență sunt dificil de reparat și rămân în ADN-ul de nivel înalt. Atât M1dG [26] , cât și 8-oxodG [27] sunt mutageni .

Nivel staționar de deteriorare a ADN-ului

Nivelul staționar al deteriorarii ADN-ului reflectă echilibrul dintre apariția lor și repararea lor. Au fost caracterizate peste 100 de tipuri de leziuni oxidative ale ADN-ului, iar 8-oxodG este rezultatul a aproximativ 5% dintre acestea [28] . Helbock și colaboratorii [29] au estimat nivelurile la starea de echilibru ale aducților ADN oxidativi la 24.000 per celulă la șobolanii tineri și 66.000 de aducti pe celulă la șobolanii bătrâni. Aceasta reflectă acumularea de leziuni ale ADN-ului odată cu vârsta.

Swenberg și colaboratorii [30] au măsurat numărul mediu de leziuni staționare simple ale ADN-ului endogen în celulele de mamifere. După cum se arată în Tabelul 1, ei au clasat cele șapte cele mai frecvente leziuni.

Tabelul 1. Cantitatea staționară de deteriorare a ADN-ului endogen
daune endogene Cantitatea pe celulă
Pierderea terenului 30.000
N7-(2-hidroxietil)guanină (7HEG) 3000
8-hidroxiguanina 2400
7-(2-oxoetil)guanină 1500
Aducti de formaldehidă 960
Acroleină-deoxiguanină 120
Malondialdehida-deoxiguanina 60

Măsurând leziunile staționare în anumite țesuturi de șobolan, Nakamura și Swenberg [31] au arătat că numărul de locuri de pierdere a bazei a variat de la aproximativ 50.000 per celulă din ficat, rinichi și plămâni până la aproximativ 200.000 per celulă din creier.

Consecințele leziunilor naturale ale ADN-ului

Celulele somatice diferențiate la mamiferele adulte se reproduc în general rar sau deloc. Astfel de celule, inclusiv, de exemplu, neuronii creierului și miocitele musculare, se divid puțin sau deloc. Celulele care nu se replic, în general, nu produc mutații induse de deteriorarea ADN-ului în stadiul de replicare. Aceste celule care nu se replic nu devin de obicei canceroase, dar acumulează daune ADN-ului în timp, ceea ce probabil contribuie la îmbătrânire. În celulele care nu se replic, o ruptură cu o singură catenă sau alt tip de deteriorare în catena de ADN transcrisă poate bloca transcripția catalizată de ARN polimeraza II [32] . Acest lucru va interfera cu sinteza proteinei codificate de gena în care a avut loc un astfel de blocaj.

Brasnjevic și colab. [33] au rezumat dovezile care arată că rupturile cu o singură catenă se acumulează odată cu vârsta în creier (deși numărul lor a diferit în diferite regiuni ale creierului) și că reprezintă cel mai frecvent tip staționar de leziune cerebrală. După cum s-a discutat mai sus, se așteaptă ca aceste nick-uri acumulate să blocheze transcripția genei. În concordanță cu aceasta, o revizuire a lui Hetman și colab. [34] a identificat 182 de gene care au arătat o transcripție redusă în creierul persoanelor cu vârsta mai mare de 72 de ani în comparație cu transcripția lor în creierul persoanelor sub 43 de ani. Când a fost evaluat conținutul de 40 de proteine ​​specifice în mușchii șobolanilor, majoritatea proteinelor au prezentat o scădere semnificativă a conținutului de la 18 luni (șobolani tineri) la 30 de luni (șobolani bătrâni). [35]

S-a demonstrat că un alt tip de deteriorare a ADN-ului, rupturile duble-catenari, conduc la moartea celulelor (pierderea celulelor) prin apoptoză . [36] Acest tip de deteriorare a ADN-ului nu se acumulează odată cu vârsta, deoarece astfel de celule mor în timpul apoptozei.

Vezi și

Note

  1. ↑ De Bont R, van Larebeke N. (2004) Lezarea ADN-ului endogen la om: o revizuire a datelor cantitative. Mutagenesis 19(3):169-185. revizuire. PMID 15123782
  2. ↑ Carol Bernstein, Anil R. Prasad, Valentine Nfonsam și Harris Bernstein (2013). Daune ADN, reparații ADN și cancer, noi direcții de cercetare în repararea ADN-ului, prof. Clark Chen (Ed.), ISBN 978-953-51-1114-6 , InTech, DOI: 10.5772/53919. Disponibil de la: http://www.intechopen.com/books/new-research-directions-in-dna-repair/dna-damage-dna-repair-and-cancer Arhivat 29 ianuarie 2021 la Wayback Machine
  3. ↑ O'Hagan HM, Mohammad HP, Baylin SB. (2008) Ruperele duble ale catenelor pot iniția tăcere genică și apariția dependentă de SIRT1 a metilării ADN-ului într-un promotor exogen al insulei CpG. PLoS Genet . 4(8): e1000155. doi : 10.1371/journal.pgen.1000155 PMID 18704159
  4. ↑ Roos WP, Kaina B. Moartea celulară indusă de deteriorarea ADN-ului prin apoptoză  //  Trends in molecular medicine. - 2006. - Vol. 12 , nr. 9 . - P. 440-450 . - doi : 10.1016/j.molmed.2006.07.007 .
  5. ↑ Bernstein H, Payne CM, Bernstein C, Garewal H, Dvorak K (2008). Cancerul și îmbătrânirea ca consecințe ale leziunilor ADN-ului nereparate. În: New Research on DNA Damages (Editori: Honoka Kimura și Aoi Suzuki) Nova Science Publishers, Inc., New York, Capitolul 1, pp. 1-47. acces deschis, dar numai pentru citire https://www.novapublishers.com/catalog/product_info.php?products_id=43247 Arhivat 25 octombrie 2014 la Wayback Machine ISBN 978-1604565812
  6. ↑ 1 2 Hoeijmakers JH. (2009) Daune ADN, îmbătrânire și cancer. N Engl J Med . 361(15):1475-1485. revizuire. PMID 19812404
  7. ↑ Freitas AA, de Magalhães JP. (2011) O revizuire și o evaluare a teoriei daunelor ADN a îmbătrânirii. Mutat Res. 728(1-2):12-22. revizuire. doi : 10.1016/j.mrrev.2011.05.001 PMID 21600302
  8. ↑ Bell JC, Plank JL, Dombrowski CC, Kowalczykowski SC. (2012) Imagistica directă a nucleării și creșterii RecA pe molecule unice de ssDNA acoperit cu SSB. Nature 491(7423):274-278. doi : 10.1038/nature11598 . PMID 23103864
  9. ^ Erill I, Campoy S, Barbé J. (2007) Eoni de suferință: o perspectivă evolutivă asupra răspunsului SOS bacterian. FEMS Microbiol Rev. 31(6):637-656. revizuire. doi : 10.1111/j.1574-6976.2007.00082.x PMID 17883408
  10. ^ Murayama Y, Kurokawa Y, Mayanagi K, Iwasaki H. (2008) Formarea și migrarea ramurilor a joncțiunilor Holliday mediate de recombinaze eucariote. Nature 451(7181):1018-1021. PMID 18256600
  11. ↑ Holthausen JT, Wyman C, Kanaar R. (2010) Regulament of DNA strand exchange in homologous recombination. DNA Repair (Amst) 9(12):1264-1272. PMID 20971042
  12. ↑ 1 2 Ames BN, Shigenaga MK, Hagen TM. (1993) Oxidanți, antioxidanți și bolile degenerative ale îmbătrânirii. Proc Natl Acad Sci USA . 90(17):7915-7922. revizuire. PMID 8367443
  13. ↑ 1 2 Helbock HJ, Beckman KB, Shigenaga MK, Walter PB, Woodall AA, Yeo HC, Ames BN. (1998) Oxidarea ADN-ului contează: testul HPLC-detecție electrochimică a 8-oxo-deoxiguanozinei și 8-oxo-guaninei. Proc Natl Acad Sci USA . 95(1): 288-293. PMID 9419368
  14. ↑ 1 2 Foksinski M, Rozalski R, Guz J, Ruszkowski B, Sztukowska P, Piwowarski M, Klungland A, Olinski R. (2004) Excreția urinară a produselor de reparare a ADN-ului se corelează cu ratele metabolice, precum și cu durata maximă de viață a diferitelor mamifere. specii. 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). Implicarea ADN-ului deteriorat oxidativ și repararea în dezvoltarea și îmbătrânirea cancerului. Am J Transl Res 2(3):254-284. PMID 20589166
  16. ↑ Fraga CG, Shigenaga MK, Park JW, Degan P, Ames BN. Deteriorarea oxidativă a ADN-ului în timpul îmbătrânirii: 8-hidroxi-2'-deoxiguanozină în ADN-ul de organe de șobolan și urină. Proc Natl Acad Sci USA 1990;87(12) 4533-4537. PMID 2352934
  17. ↑ Hamilton ML, Guo Z, Fuller CD, Van Remmen H, Ward WF, Austad SN, Troyer DA, Thompson I, Richardson A. (2001). O evaluare fiabilă a nivelurilor de 8-oxo-2-deoxiguanozină din ADN-ul nuclear și mitocondrial folosind metoda iodurii de sodiu pentru a izola ADN-ul. Nucleic Acids Res 29(10):2117-2126. PMID 11353081
  18. ↑ Lindahl T, Nyberg B. (1972) Rate of depurination of native deoxiribonucleic acid. Biochimie 11(19) 3610-3618. doi : 10.1038/362709a0 PMID 4626532
  19. ↑ Lindahl T. (1993) Instabilitatea și degradarea structurii primare a ADN-ului. Nature 362(6422) 709-715. PMID 8469282
  20. ↑ Nakamura J, Walker VE, Upton PB, Chiang SY, Kow YW, Swenberg JA. Testul de situs apurinic/apirimidinic foarte sensibil poate detecta depurinarea spontană și indusă chimic în condiții fiziologice. Cancer Res 1998;58(2) 222-225. PMID 9443396
  21. ↑ 1 2 Lindahl T. (1977) Enzimele de reparare a ADN-ului care acționează asupra leziunilor spontane din ADN. În: Nichols WW și Murphy DG (eds.) DNA Repair Processes. Specialisti de simpozioane, Miami p225-240. ISBN 088372099X ISBN 978-0883720998
  22. ↑ 1 2 3 4 5 Tice, RR și Setlow, RB (1985) Repararea și replicarea ADN-ului în organismele și celulele îmbătrânite. În: Finch EE și Schneider EL (eds.) Handbook of the Biology of Aging. Van Nostrand Reinhold, New York. Paginile 173-224. ISBN 0442225296 ISBN 978-0442225292
  23. ↑ Haber JE. (1999) Recombinarea ADN-ului: conexiunea de replicare. Trends Biochem Sci 24(7) 271-275. PMID 10390616
  24. ↑ Vilenchik MM, Knudson AG. (2003) Rupturi duble catenare ale ADN-ului endogen: producție, fidelitatea reparării și inducerea cancerului. 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 nivelurile asociate cu stresul oxidativ în pancreasul uman. Mutat Res. 405(2):125-33. PMID 9748537
  26. ↑ VanderVeen LA, Hashim MF, Shyr Y, Marnett LJ. Inducerea mutațiilor de înlocuire a perechii de cadre și a perechilor de baze de către aductul major ADN al malondialdehidei carcinogen endogen. (2003) Proc Natl Acad Sci USA 100(24):14247-14252. PMID 14603032
  27. ↑ Tan X, Grollman AP, Shibutani S. (1999) Comparația proprietăților mutagene ale leziunilor ADN-ului 8-oxo-7,8-dihidro-2’-deoxiadenozinei și 8-oxo-7,8-dihidro-2’-deoxiguanozinei în celulele de mamifere. 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) O evaluare fiabilă a nivelurilor de 8-oxo-2-deoxiguanozină în ADN-ul nuclear și mitocondrial folosind metoda cu iodură de sodiu pentru izolarea ADN-ului. Acizi nucleici Res . 29(10):2117-26. PMID 11353081
  29. ↑ Helbock HJ, Beckman KB, Shigenaga MK, Walter PB, Woodall AA, Yeo HC, Ames BN. (1998) Oxidarea ADN-ului contează: testul HPLC-detecție electrochimică a 8-oxo-deoxiguanozinei și 8-oxo-guaninei. 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) Aductii ADN endogeni versus exogeni: rolul lor în carcinogeneză, epidemiologie și evaluarea riscurilor. Toxicol Sci. 120 (Supliment 1): S130-45. PMID 21163908
  31. ↑ Nakamura J, Swenberg JA. (1999) Situri endogene apurinice/apirimidinice în ADN-ul genomic al țesuturilor de mamifere. Cancer Res . 59(11):2522-2526. PMID 10363965
  32. ↑ Kathe SD, Shen GP, ​​​​Wallace SS. (2004) Rupele monocatenar în ADN, dar nu leziunile oxidative ale bazei ADN blochează alungirea transcripțională de către ARN polimeraza II în extractele nucleare ale celulelor HeLa. J Biol Chem . 279(18):18511-18520. PMID 14978042
  33. ↑ Brasnjevic I, Hof PR, Steinbusch HW, Schmitz C. (2008) Acumularea de deteriorare a ADN-ului nuclear sau pierdere a neuronului: bază moleculară pentru o nouă abordare a înțelegerii vulnerabilității neuronale selective în bolile neurodegenerative. Reparație ADN (Amst). 7(7):1087-1097. PMID 18458001
  34. ^ Hetman M, Vashishta A, Rempala G. (2010) Neurotoxic mechanisms of DNA damage: focus on transcriptional inhibition . J Neurochem. 114(6):1537-1549. doi: 10.1111/j.1471-4159.2010.06859.x. revizuire. PMID 20557419
  35. ↑ Piec I, Listat A, Alliot J, Chambon C, Taylor RG, Bechet D. (2005) Analiza proteomului diferențial al îmbătrânirii în mușchiul scheletic al șobolanului. FASEBJ . 19(9):1143-5. PMID 15831715
  36. ↑ Carnevale J, Palander O, Seifried LA, Dick FA. (2012) Semnalele de deteriorare a ADN-ului prin moleculele E2F1 modificate diferențial pentru a induce apoptoza. Mol Cell Biol . 32(5):900-912. PMID 22184068