Informatie

7.5: DNA-laesies - Biologie


Het robuuste karakter van DNA vanwege de complementaire dubbele strengen is al meerdere keren opgemerkt. DNA is lang niet zo robuust als populaire media het doen voorkomen. In feite, om het blockbuster boek en de film te nemen, Jurassic Park, als voorbeeld, hoewel er ongetwijfeld enig DNA te vinden is, ofwel ingebed in ambergebonden parasieten, of misschien in geconserveerd zacht weefsel (diep gevonden in een gefossiliseerd dijbeen, Schweitzer et al, 2007). Het is waarschijnlijk sterk verslechterd en nauwkeurige reproductie is onmogelijk zonder veel samples om mee te werken.

De meest voorkomende belediging van het DNA van levende organismen is depurinatie, waarbij de β-N-glycosidische binding tussen een adenine of guanine en de deoxyribose wordt gehydrolyseerd. In zoogdiercellen wordt het geschat op bijna 10000 purines per celgeneratie, en in het algemeen is de gemiddelde snelheid van verlies bij fysiologische pH en ionsterkte en bij 37°C ongeveer 3 x 10-11 /sec. Depyrimidinatie van cytosine- en thymineresiduen kan ook optreden, maar dit gebeurt veel langzamer dan depurinatie. Ondanks de hoge mate van verlies van deze basen, kunnen ze over het algemeen gemakkelijk worden verholpen door middel van base-excisiereparatie (BER), dat later in deze sectie wordt besproken. Daarom is het zeldzaam dat depurinatie of depyrimidinatie tot mutatie leidt.

Drie van de vier DNA-basen, adenine, guanine en cytosine, bevatten aminegroepen die verloren kunnen gaan in verschillende pH- en temperatuurafhankelijke reacties die de basen omzetten in respectievelijk hypoxanthine, xanthine en uracil. Dit kan soms leiden tot permanente mutaties omdat ze tijdens replicatie dienen als een sjabloon voor de synthese van een complementaire streng, en waar bijvoorbeeld een guanine moet gaan (complementair aan cytosine), kan een adenine worden ingevoegd (omdat het een aanvulling vormt op uracil, het deamineringsproduct van cytosine).

Een andere deaminering, van de gemodificeerde base methylcytosine, kan ook leiden tot een mutatie bij replicatie. Sommige cytosines kunnen worden gemethyleerd als onderdeel van een regulerend proces om bepaalde genen in eukaryoten te inactiveren, of in prokaryoten als bescherming tegen restrictie-endonucleasen. Wanneer het gemethyleerde cytosine wordt gedeamineerd, produceert het een thymine, dat het complementaire nucleotide (na replicatie) verandert van een guanine in een adenine. Deaminering van cytosines vindt plaats met bijna hetzelfde tempo als depurinatie, maar deaminering van andere basen is niet zo wijdverbreid: deaminering van adenines is bijvoorbeeld 50 keer minder waarschijnlijk dan deaminering van cytosine.

Thymine goed, Uracil slecht. Waarom wordt thymine in DNA gevonden in plaats van uracil? Het blijkt dat de frequentie van de deaminering van cytosine een aanwijzing kan geven waarom cellen die extra stap zijn gegaan (letterlijk, aangezien uracil een voorloper is in de biosynthese van thymine) om een ​​nieuw "standaard" nucleotide voor DNA te maken terwijl uracil prima werkte voor RNA, vermoedelijk het oudere genetische molecuul. Overweeg dit: als uracil standaard was voor DNA, dan zouden de zeer frequente deamineringsconversies van C naar U niet worden opgevangen door foutcontrole voor niet-DNA-basen, en zou de mutatiesnelheid omhoogschieten. Gelukkig, aangezien T zich heeft ontwikkeld tot de standaard basenparende partner van adenine in DNA, wordt uracil snel herkend en verwijderd door meerdere uracil-DNA-glycosylasen (daarover later meer in dit hoofdstuk), en is de integriteit van onze DNA-sequenties veel veiliger .

Alle DNA-basen kunnen spontaan verschuiven naar een tautomeer isomeer (amino naar imino, keto naar enol, enz.), hoewel het evenwicht zwaar naar het ene neigt dan naar het andere. Wanneer een zeldzaam tautomeer voorkomt, baseert het zich op een andere manier dan de meer gebruikelijke structurele vorm: guanines met thymines en adenines met cytosines. Ook hier kan een mutatie worden vermeerderd tijdens replicatie van het DNA.

DNA in een cel heeft ook te maken met reactieve oxidatieve soorten (ROS) die worden gegenereerd door de metabole processen van de cel. Deze omvatten singlet-zuurstof-, peroxide- en peroxideradicalen, evenals hydroxylradicalen. hoewel men denkt dat de waterstofperoxide- en peroxideradicalen het DNA niet direct aanvallen, maar eerder hydroxylradicalen genereren die dat wel doen. De meeste van deze ROS worden gegenereerd in de mitochondriën tijdens oxidatieve fosforylering en lekken uit, hoewel sommige kunnen worden gegenereerd in peroxisomen of in sommige cytosolische reacties. Afhankelijk van welk deel van het DNA het doelwit is, kan ROS een reeks laesies veroorzaken, waaronder strengbreuken en verwijdering van basen.

Ioniserende straling (bijvoorbeeld röntgenstraling) en ultraviolette straling kunnen elk DNA-laesies veroorzaken. Ioniserende straling is vaak een oorzaak van dubbelstrengs breuken van het DNA. Zoals later in het hoofdstuk wordt beschreven, leidt het herstelproces voor dubbelstrengs breuken noodzakelijkerwijs tot enig verlies van informatie en kan het mogelijk een gen uitschakelen. Ultraviolette straling die aangrenzende thymines raakt, kan ervoor zorgen dat ze reageren en een cyclobutyl (vier koolstofatomen gebonden in gesloten lus) thyminedimeer vormen. Het dimeer trekt elke thymine naar de andere, uit de normale uitlijning. Afhankelijk van de structurele vorm van het dimeer, is dit voldoende om de replicatiemachine te belemmeren en de replicatie te stoppen. Sommige gegevens suggereren echter dat normale basenparing aan adenine onder bepaalde omstandigheden mogelijk is, hoewel het waarschijnlijk is dat er maar één basenpaar ontstaat, en de ontbrekende base zou kunnen leiden tot willekeurige substitutie of een deletie in de nieuw gesynthetiseerde streng .

Ten slotte beschouwen we de vorming van chemische adducten (covalent gebonden groepen) op DNA. Ze kunnen afkomstig zijn van verschillende bronnen, waaronder oxidatie van lipiden, sigarettenrook en schimmeltoxines. Deze adducten hechten op verschillende manieren aan het DNA, dus er zijn ook verschillende effecten van de adducten. Sommige kunnen zeer kleine adducten zijn - veel kankerverwekkende stoffen in de omgeving zijn alkylerende middelen, die methylgroepen of andere kleine alkylgroepen naar het DNA overbrengen. Andere adducten zijn groter, maar hechten zich ook covalent aan een stikstofbasis van DNA. Veelvoorkomende voorbeelden zijn benzo(a)pyreen, een belangrijke mutagene component van sigarettenrook, en aflatoxine B1, geproduceerd door verschillende schimmels uit de Aspergillus-familie. Benzo(a)pyreen wordt omgezet in benzo(a)pyreendiolepoxide, dat vervolgens het DNA kan aantasten. Wanneer dit gebeurt, intercaleert de at-pyreenring tussen basen, wat sterische veranderingen veroorzaakt die leiden tot lokale vervorming van het DNA en verstoring van de normale DNA-replicatie.

Aflatoxine B1 is het primaire aflatoxine dat door sommige soorten (in het bijzonder. flavus, parasitaire) van Aspergillus, een veel voorkomende schimmel die groeit op opgeslagen graan (evenals afval en ander dood of stervend plantaardig materiaal). Naast het infecteren van graan, is het een veelvoorkomend probleem bij bewaarde pinda's. Op hoge niveaus is aflatoxine acuut toxisch, maar op lagere niveaus heeft het de verraderlijke eigenschap dat het onmerkbaar toxisch maar mutageen is. Net als benzo(a)pyreen wordt het gemetaboliseerd tot een epoxide en zal het vervolgens reageren met DNA om een ​​adduct te vormen dat de replicatie kan verstoren.

Sommige alkyleringsmiddelen, met name N-nitrosoverbindingen, worden gevormd in de zure omstandigheden van de maag door nitrosering van natuurlijk voorkomende nitrieten geproduceerd uit voedsel (vermindering van nitraten) of nitrieten uit het milieu in drinkwater. Ironisch genoeg, terwijl sommige alkylerende middelen kanker kunnen veroorzaken, worden andere therapeutisch gebruikt als antikankerbehandelingen, b.v. mitomycine, melfalan. Het idee is, zoals bij veel kankerbehandelingen, dat hoewel dergelijke medicijnen DNA-schade aan niet-kankercellen en kankercellen veroorzaken, de hoge mate van proliferatie van kankercellen hen minder kansen geeft op reparatie van beschadigd DNA, en dus een grotere kans dat de schade kan de replicatie stoppen en tot celdood leiden.

In dezelfde geest binden verknopende chemotherapeutische middelen zoals cisplatine (een platinaatoom gebonden aan twee chloridegroepen en twee aminogroepen) ook aan DNA. De chloridegroepen worden eerst verdrongen door water en vervolgens door andere groepen, waaronder plaatsen op DNA. Hoewel het soms wordt geclassificeerd als een alkyleringsmiddel, is het dat duidelijk niet, maar het werkt op dezelfde manier. Cisplatine gaat echter een stap verder dan een eenvoudig alkyleringsmiddel, omdat het een andere reactieve plaats heeft en dus een ander nucleotide kan verknopen (covalent binden), mogelijk op een andere DNA-streng, wat een sterke belemmering vormt voor DNA-replicatie. Cisplatine kan ook eiwitten aan DNA verknopen.

Benzo(a)pyreen en aflatoxine B1 zijn zelf geen mutagenen. Als ze eenmaal in de cel zijn, leidt het normale metabolisme van deze verbindingen tot de vorming van diolepoxide, dat vervolgens het DNA kan aantasten. Hoewel de 7-stikstof (N7) van guanine meer nucleofiel is en een doelwit is voor aflatoxine, hechten de meeste benzo(a)pyreendiolepoxide-adducten aan de 2-stikstof van guanineresiduen.

Er zijn federale normen (20-300 delen per miljard, afhankelijk van het gebruik) voor aflatoxine in verschillende vormen van diervoeder op basis van graan, met name op basis van maïs, omdat het toxine door het dier in de melk kan gaan en in de melk kan blijven hangen. vlees. Naast voer zijn er federale maxima voor pinda's en pindaproducten, paranoten, pistachenoten en andere voedingsmiddelen (actiebaar bij 20 ppb).

Welnu, wat moet een arme cel doen als zijn DNA voortdurend wordt verwoest? Het blijkt dat er een aantal zeer goede reparatieprocessen zijn die constant bezig zijn met het DNA, het scannen op defecten en waar mogelijk reparaties uitvoeren. Vaak zijn de reparaties perfect, als de complementaire streng intact is, moeten soms mutaties worden geïntroduceerd en ten slotte zijn er gevallen waarin reparatie onmogelijk is en apoptose wordt geactiveerd om de cel te doden en de verspreiding van beschadigd DNA te voorkomen.


Een DNA-schadereactie ontwikkelen zonder DNA-schade

Recent werk heeft de prestatie geleverd om het controlepunt voor DNA-schade te activeren in de afwezigheid van DNA-schade, wat het belang van eiwit-chromatine-associaties voor de activering, amplificatie en instandhouding van de DNA-schaderespons aantoont.

Het opsporen en repareren van DNA-schade is van cruciaal belang voor de getrouwe overdracht van genetische informatie. Als reactie op DNA-laesies activeren cellen een complexe cellulaire respons, die in de kern bestaat uit een signaaltransductiecascade die wordt gecontroleerd door leden van de PI(3)-kinase-achtige kinase (PIKK)-familie [1, 2]. Deze signaalcascade, vaak het controlepunt voor DNA-schade genoemd, heeft in de eerste plaats tot doel het DNA-herstel te coördineren met het stoppen of vertragen van de celcyclus (het controlepunt). Het niet detecteren en herstellen van DNA-schade kan leiden tot celdood of tot genoomafwijkingen die de ontwikkeling van kanker kunnen bevorderen.

Net als andere signaleringssystemen, zoals die welke aan het celoppervlak werken, staat de signalering van DNA-schade onder strakke ruimtelijke en temporele controle. De ruimtelijke component van deze route is vooral duidelijk tijdens de reactie op DNA dubbelstrengs breuken (DSB's), het meest schadelijke type DNA-laesie. DSB's lokken de snelle accumulatie van DNA-schadesignalerings- en reparatie-eiwitten uit op het chromatine dat laesies omringt, waardoor onderscheidende subnucleaire foci [1, 2] worden gevormd die gemakkelijk kunnen worden gedetecteerd door fluorescentiemicroscopie. Wat buitengewoon is aan deze reactie is niet dat er eiwitrekrutering is per se het is eerder de omvang van het fenomeen dat indrukwekkend is. Eiwitrekrutering na de inductie van DSB's kan zich inderdaad over tientallen kilobasen uitstrekken aan weerszijden van de laesie [3, 4]. Door gevolgtrekking bevorderen DSB's de rekrutering van tientallen, zo niet honderden moleculen naar het omringende chromatine. Zoals hieronder beschreven, vindt eiwitrekrutering bij DNA-laesies vaak plaats op een hiërarchische manier en omvat meerdere post-translationele modificaties. Waarom is signalering van DNA-schade op deze manier georganiseerd? Recent werk gepubliceerd door Evi Soutoglou en Tom Misteli in Wetenschap [5] en door David Toczyski en collega's in Moleculaire cel (Bonilla) et al. [6]) pakken deze kritische vraag aan door de reactie op DNA-schade te reverse-engineeren, met een spectaculair effect.


Een bewakingsmechanisme zorgt voor herstel van DNA-laesies tijdens zygotische herprogrammering

Seksuele reproductie culmineert in een totipotente zygote met het potentieel om een ​​heel organisme te produceren. Reorganisatie van spermachromatine en epigenetische herprogrammering die DNA- en histonmodificaties veranderen, genereren een totipotent embryo. Er is voorgesteld dat actieve DNA-demethylatie van het vaderlijke genoom base-excisie en op DNA-reparatie gebaseerde mechanismen omvat. De aard en het gevolg van DNA-laesies die tijdens herprogrammering ontstaan, zijn niet bekend. Met behulp van muisgenetica en chemische biologie ontdekten we dat Tet3-afhankelijke zygotische herprogrammering vaderlijke DNA-laesies genereert die worden gecontroleerd door een bewakingsmechanisme. In vivo structuur-functie-reddingsassays onthulden dat cohesine-afhankelijke reparatie van vaderlijke DNA-laesies activering van een Chk1-afhankelijk controlepunt voorkomt dat mitotische binnenkomst vertraagt. Kweekomstandigheden beïnvloeden de strengheid van controlepunten, wat gevolgen heeft voor menselijke in-vitrofertilisatie. We stellen voor dat het zygotische controlepunt DNA-laesies detecteert die worden gegenereerd tijdens de demethylatie van DNA van de vader en ervoor zorgt dat geherprogrammeerde loci worden gerepareerd vóór mitose om chromosoomfragmentatie, embryoverlies en onvruchtbaarheid te voorkomen.

trefwoorden: DNA-schadeherstel checkpoint cohesin herprogrammering zygote.

Copyright © 2016 De auteur(s). Uitgegeven door Elsevier Inc. Alle rechten voorbehouden.

Figuren

Vaderlijke DNA-laesies worden onthuld ...

Vaderlijke DNA-laesies worden onthuld door gebrek aan Xrcc1 tijdens actieve DNA-demethylatie ...

Afwezigheid van Scc1 onthult endogene ...

Afwezigheid van Scc1 onthult endogene vaderlijke DNA-laesies in G1-fase-zygoten (A ...

Scc1-Cohesin bevordert tijdige mitotische toegang ...

Scc1-Cohesin bevordert tijdige mitotische invoer van zygoten, onafhankelijk van intacte zusterchromatidecohesie ...

Scc1 is betrokken bij vaderlijke ...

Scc1 is betrokken bij vaderlijke genoomgerelateerde processen die een tijdige voortgang van de ...

Tet3 draagt ​​bij aan Zygotic Checkpoint...

Tet3 draagt ​​bij aan zygotische checkpoint-activering ontdekt door gebrek aan Scc1 (A-C) immunofluorescentie ...

In vivo structuurfunctietest...

In vivo structuurfunctietest met Scc1 15KR demonstreert het bestaan ​​van Tet3-afhankelijke ...

Chk1 bemiddelt het zygotische controlepunt ...

Chk1 bemiddelt het zygotische controlepunt ontdekt door gebrek aan Scc1 (A-C) mitotische invoer ...

Immunofluorescentieanalyse van 5mC en...

Immunofluorescentieanalyse van 5mC- en 5hmC-niveaus in Xrcc1 Δ Zygoten, gerelateerd aan...

Scc1 is niet vereist om eicellen te laten groeien tot volwassenheid, gerelateerd aan figuur ...

Analyse van 5mC en 5hmC in Scc1 fl en Scc1 Δ Zygoten, gerelateerd…

Analyse van Scc1 Δ Zygoten,…

Analyse van Scc1 Δ Zygoten, gerelateerd aan figuur 3 (A-E) S-faseanalyse ...

Zygotic γH2AX Foci accumuleren tijdens…

Zygotische γH2AX-foci accumuleren tijdens celcyclusprogressie in afwezigheid van Scc1, gerelateerd aan ...

Analyse van Scc1 15KR, gerelateerd...

Analyse van Scc1 15KR, gerelateerd aan figuur 6 (A) Behoud van de 15...

Behandeling van zygoten met specifieke ...

Behandeling van zygoten met specifieke kinaseremmers, gerelateerd aan figuur 7 Analyse van ...


Inhoud

DNA-schade, als gevolg van omgevingsfactoren en normale metabolische processen in de cel, treedt op met een snelheid van 10.000 tot 1.000.000 moleculaire laesies per cel per dag. [2] Hoewel dit slechts 0,000165% van de ongeveer 6 miljard basen van het menselijk genoom uitmaakt, kunnen niet-herstelde laesies in kritieke genen (zoals tumorsuppressorgenen) het vermogen van een cel om zijn functie uit te voeren belemmeren en de kans op tumorvorming aanzienlijk vergroten en bijdragen tot tumorheterogeniteit.

De overgrote meerderheid van de DNA-schade beïnvloedt de primaire structuur van de dubbele helix, dat wil zeggen dat de basen zelf chemisch zijn gemodificeerd. Deze modificaties kunnen op hun beurt de reguliere helixstructuur van de moleculen verstoren door niet-eigen chemische bindingen of omvangrijke adducten te introduceren die niet in de standaard dubbele helix passen. In tegenstelling tot eiwitten en RNA heeft DNA gewoonlijk geen tertiaire structuur en daarom treedt er op dat niveau geen schade of verstoring op. DNA is echter supercoiled en gewikkeld rond "verpakkings"-eiwitten die histonen worden genoemd (in eukaryoten), en beide superstructuren zijn kwetsbaar voor de effecten van DNA-schade.

Bronnen Bewerken

DNA-schade kan worden onderverdeeld in twee hoofdtypen:

    schade zoals aanval door reactieve zuurstofsoorten geproduceerd uit normale metabole bijproducten (spontane mutatie), vooral het proces van oxidatieve deaminering
    1. bevat ook replicatiefouten
    1. ultraviolette [UV 200-400 nm] straling van de zon of andere kunstmatige lichtbronnen
    2. andere stralingsfrequenties, waaronder röntgen- en gammastraling of thermische verstoring
    3. bepaalde planttoxines
    4. door de mens gemaakte mutagene chemicaliën, met name aromatische verbindingen die fungeren als DNA-intercalatiemiddelen [8]

    De replicatie van beschadigd DNA vóór celdeling kan leiden tot de opname van verkeerde basen tegenover beschadigde. Dochtercellen die deze verkeerde basen erven, dragen mutaties waarvan de oorspronkelijke DNA-sequentie onherstelbaar is (behalve in het zeldzame geval van een terugmutatie, bijvoorbeeld door genconversie).

    Soorten Bewerken

    Er zijn verschillende soorten schade aan DNA als gevolg van endogene cellulaire processen:

    1. oxidatie van basen [bijv. 8-oxo-7,8-dihydroguanine (8-oxoG)] en het genereren van onderbrekingen in de DNA-streng door reactieve zuurstofspecies,
    2. alkylering van basen (meestal methylering), zoals vorming van 7-methylguanosine, 1-methyladenine, 6-O-methylguanine
    3. hydrolyse van basen, zoals deaminering, depurinatie en depyrimidinatie. (bijv. benzo[a]pyreendiolepoxide-dG-adduct, aristolactam I-dA-adduct)
    4. mismatch van basen, als gevolg van fouten in DNA-replicatie, waarbij de verkeerde DNA-base op zijn plaats wordt genaaid in een nieuw vormende DNA-streng, of een DNA-base wordt overgeslagen of per ongeluk wordt ingevoegd.
    5. Monoadductschade veroorzaakt door verandering in enkele stikstofbase van DNA
    6. Diadduct schade

    Schade veroorzaakt door exogene agentia komt in vele vormen voor. Enkele voorbeelden zijn:

    1. UV-B-licht veroorzaakt verknoping tussen aangrenzende cytosine- en thyminebasen waardoor pyrimidine dimeren. Dit wordt directe DNA-schade genoemd.
    2. UV-A-licht creëert voornamelijk vrije radicalen. De schade veroorzaakt door vrije radicalen wordt indirecte DNA-schade genoemd.
    3. Ioniserende straling zoals die gecreëerd door radioactief verval of in kosmische stralen veroorzaakt breuken in DNA-strengen. Ioniserende straling op middelhoog niveau kan onherstelbare DNA-schade veroorzaken (leidend tot replicatie- en transcriptiefouten die nodig zijn voor neoplasie of kan virale interacties veroorzaken), wat kan leiden tot vroegtijdige veroudering en kanker.
    4. Thermische storing bij verhoogde temperatuur verhoogt de snelheid van depurinatie (verlies van purinebasen uit de DNA-ruggengraat) en enkelstrengige breuken. Hydrolytische depurinatie wordt bijvoorbeeld gezien bij de thermofiele bacteriën, die groeien in warmwaterbronnen bij 40-80 ° C.[9][10] De mate van depurinatie (300 purineresiduen per genoom per generatie) is bij deze soorten te hoog om te worden gerepareerd door normale reparatiemachines, daarom kan een mogelijkheid van een adaptieve reactie niet worden uitgesloten.
    5. Industriële chemicaliën zoals vinylchloride en waterstofperoxide, en milieuchemicaliën zoals polycyclische aromatische koolwaterstoffen die worden aangetroffen in rook, roet en teer, creëren een enorme diversiteit aan DNA-adducten: ethenobasen, geoxideerde basen, gealkyleerde fosfotriesters en verknoping van DNA, om er maar een paar te noemen.

    UV-schade, alkylering/methylering, röntgenschade en oxidatieve schade zijn voorbeelden van geïnduceerde schade. Spontane schade kan het verlies van een base, deaminering, rimpelvorming van de suikerring en tautomere verschuiving omvatten. Constitutieve (spontane) DNA-schade veroorzaakt door endogene oxidanten kan worden gedetecteerd als een laag niveau van histon H2AX-fosforylering in onbehandelde cellen. [11]

    Nucleair versus mitochondriaal

    In menselijke cellen, en eukaryote cellen in het algemeen, wordt DNA gevonden op twee cellulaire locaties - in de kern en in de mitochondriën. Nucleair DNA (nDNA) bestaat als chromatine tijdens niet-replicatieve stadia van de celcyclus en wordt tijdens celdeling gecondenseerd tot aggregaatstructuren die bekend staan ​​als chromosomen. In beide toestanden is het DNA sterk verdicht en gewikkeld rond kraalachtige eiwitten die histonen worden genoemd. Telkens wanneer een cel de genetische informatie die in zijn nDNA is gecodeerd, tot expressie moet brengen, wordt het vereiste chromosomale gebied ontrafeld, de daarin gelokaliseerde genen worden tot expressie gebracht en vervolgens wordt het gebied teruggecondenseerd tot zijn rustende conformatie. Mitochondriaal DNA (mtDNA) bevindt zich in mitochondria-organellen, bestaat in meerdere exemplaren en is ook nauw verbonden met een aantal eiwitten om een ​​complex te vormen dat bekend staat als de nucleoïde. Binnen mitochondriën creëren reactieve zuurstofsoorten (ROS), of vrije radicalen, bijproducten van de constante productie van adenosinetrifosfaat (ATP) via oxidatieve fosforylering, een zeer oxidatieve omgeving waarvan bekend is dat deze mtDNA beschadigt. Een cruciaal enzym bij het tegengaan van de toxiciteit van deze soorten is superoxide-dismutase, dat aanwezig is in zowel de mitochondriën als het cytoplasma van eukaryote cellen.

    Senescentie en apoptose

    Senescentie, een onomkeerbaar proces waarbij de cel zich niet meer deelt, is een beschermende reactie op de verkorting van de chromosoomuiteinden. De telomeren zijn lange gebieden van repetitief niet-coderend DNA die chromosomen afdekken en een gedeeltelijke afbraak ondergaan telkens wanneer een cel deling ondergaat (zie Hayflick-limiet). [12] Rust is daarentegen een omkeerbare toestand van cellulaire rust die geen verband houdt met genoomschade (zie celcyclus). Senescentie in cellen kan dienen als een functioneel alternatief voor apoptose in gevallen waarin de fysieke aanwezigheid van een cel om ruimtelijke redenen vereist is door het organisme, [13] dat dient als een "laatste redmiddel"-mechanisme om te voorkomen dat een cel met beschadigd DNA repliceert ongepast in de afwezigheid van pro-groei cellulaire signalering. Ongereguleerde celdeling kan leiden tot de vorming van een tumor (zie kanker), die potentieel dodelijk is voor een organisme. Daarom wordt de inductie van veroudering en apoptose beschouwd als onderdeel van een strategie van bescherming tegen kanker. [14]

    Mutatie Bewerken

    Het is belangrijk om onderscheid te maken tussen DNA-schade en mutatie, de twee belangrijkste soorten fouten in DNA. DNA-schade en mutatie zijn fundamenteel verschillend. Schade resulteert in fysieke afwijkingen in het DNA, zoals enkel- en dubbelstrengs breuken, 8-hydroxydeoxyguanosine-residuen en polycyclische aromatische koolwaterstofadducten. DNA-schade kan worden herkend door enzymen en kan dus correct worden gerepareerd als overtollige informatie, zoals de onbeschadigde sequentie in de complementaire DNA-streng of in een homoloog chromosoom, beschikbaar is om te kopiëren. Als een cel DNA-schade vasthoudt, kan transcriptie van een gen worden voorkomen, en dus ook de translatie naar een eiwit. Replicatie kan ook worden geblokkeerd of de cel kan afsterven.

    In tegenstelling tot DNA-schade is een mutatie een verandering in de basenvolgorde van het DNA. Een mutatie kan niet worden herkend door enzymen als de baseverandering eenmaal in beide DNA-strengen aanwezig is, en dus kan een mutatie niet worden gerepareerd. Op cellulair niveau kunnen mutaties veranderingen in de eiwitfunctie en -regulatie veroorzaken. Mutaties worden gerepliceerd wanneer de cel repliceert. In een populatie van cellen zullen mutante cellen in frequentie toenemen of afnemen afhankelijk van de effecten van de mutatie op het vermogen van de cel om te overleven en zich voort te planten.

    Hoewel ze duidelijk van elkaar verschillen, zijn DNA-schade en mutatie gerelateerd omdat DNA-schade vaak fouten in de DNA-synthese veroorzaakt tijdens replicatie of reparatie. Deze fouten zijn een belangrijke bron van mutatie.

    Gezien deze eigenschappen van DNA-beschadiging en -mutatie, is te zien dat DNA-beschadiging een speciaal probleem is in niet- of langzaam delende cellen, waar niet-herstelde schade zich in de loop van de tijd zal ophopen. Aan de andere kant, in snel delende cellen, zal niet-herstelde DNA-schade die de cel niet doodt door replicatie te blokkeren, de neiging hebben om replicatiefouten en dus mutatie te veroorzaken. De grote meerderheid van de mutaties die niet neutraal zijn in hun effect, zijn schadelijk voor het voortbestaan ​​van een cel. Dus in een populatie van cellen die een weefsel met replicerende cellen vormen, zullen mutante cellen de neiging hebben verloren te gaan. Zeldzame mutaties die een overlevingsvoordeel bieden, zullen echter de neiging hebben om klonaal uit te breiden ten koste van naburige cellen in het weefsel. Dit voordeel voor de cel is nadelig voor het hele organisme, omdat dergelijke mutante cellen kanker kunnen veroorzaken. Zo is DNA-schade in vaak delende cellen, omdat het aanleiding geeft tot mutaties, een prominente oorzaak van kanker. Daarentegen is DNA-schade in niet vaak delende cellen waarschijnlijk een prominente oorzaak van veroudering. [15]

    Cellen kunnen niet functioneren als DNA-schade de integriteit en toegankelijkheid van essentiële informatie in het genoom aantast (maar cellen blijven oppervlakkig functioneel wanneer niet-essentiële genen ontbreken of beschadigd zijn). Afhankelijk van het type schade dat is toegebracht aan de dubbele helixstructuur van het DNA, zijn er verschillende herstelstrategieën ontwikkeld om verloren informatie te herstellen. Indien mogelijk gebruiken cellen de ongemodificeerde complementaire streng van het DNA of de zusterchromatide als sjabloon om de oorspronkelijke informatie te herstellen. Zonder toegang tot een sjabloon gebruiken cellen als laatste redmiddel een foutgevoelig herstelmechanisme dat bekend staat als translesiesynthese.

    Schade aan DNA verandert de ruimtelijke configuratie van de helix en dergelijke veranderingen kunnen door de cel worden gedetecteerd. Zodra de schade is gelokaliseerd, binden specifieke DNA-reparatiemoleculen zich op of nabij de plaats van schade, waardoor andere moleculen worden aangezet om te binden en een complex te vormen dat de daadwerkelijke reparatie mogelijk maakt.

    Directe omkering Bewerken

    Van cellen is bekend dat ze drie soorten schade aan hun DNA elimineren door het chemisch om te keren. Deze mechanismen hebben geen sjabloon nodig, omdat de soorten schade die ze tegengaan, slechts in een van de vier basen kunnen voorkomen. Dergelijke directe omkeringsmechanismen zijn specifiek voor het soort schade dat wordt opgelopen en omvatten geen breuk van de fosfodiester-ruggengraat. De vorming van pyrimidinedimeren bij bestraling met UV-licht resulteert in een abnormale covalente binding tussen aangrenzende pyrimidinebasen. Het fotoreactiveringsproces keert deze schade direct om door de werking van het enzym fotolyase, waarvan de activering verplicht afhankelijk is van de energie die wordt geabsorbeerd door blauw/UV-licht (golflengte van 300-500 nm) om katalyse te bevorderen. [16] Photolyase, een oud enzym dat aanwezig is in bacteriën, schimmels en de meeste dieren werkt niet meer bij mensen, [17] die in plaats daarvan nucleotide-excisieherstel gebruiken om schade door UV-straling te herstellen. Een ander type schade, de methylering van guaninebasen, wordt direct ongedaan gemaakt door het eiwit methylguanine-methyltransferase (MGMT), waarvan het bacteriële equivalent ogt wordt genoemd. Dit is een duur proces omdat elk MGMT-molecuul slechts één keer kan worden gebruikt, dat wil zeggen dat de reactie stoichiometrisch is in plaats van katalytisch. [18] Een algemene reactie op methylerende middelen in bacteriën staat bekend als de adaptieve reactie en verleent een niveau van resistentie tegen alkylerende middelen bij aanhoudende blootstelling door opregulatie van alkyleringsherstel-enzymen. [19] Het derde type DNA-schade dat door cellen wordt teruggedraaid, is bepaalde methylering van de basen cytosine en adenine.

    Enkelstrengs schade Bewerken

    Wanneer slechts één van de twee strengen van een dubbele helix een defect heeft, kan de andere streng worden gebruikt als een sjabloon om de correctie van de beschadigde streng te begeleiden. Om schade aan een van de twee gepaarde DNA-moleculen te herstellen, bestaan ​​er een aantal excisieherstelmechanismen die het beschadigde nucleotide verwijderen en vervangen door een onbeschadigd nucleotide dat complementair is aan dat in de onbeschadigde DNA-streng. [18]

      (BER): beschadigde enkele basen of nucleotiden worden meestal gerepareerd door de betrokken base of nucleotide te verwijderen en vervolgens de juiste base of nucleotide in te voegen. Bij base-excisieherstel verwijdert een glycosylase[20]-enzym de beschadigde base uit het DNA door de binding tussen de base en de deoxyribose te splitsen. Deze enzymen verwijderen een enkele base om een ​​apurine- of apyrimidinische site (AP-site) te creëren. [20] Enzymen genaamd AP endonucleasen knippen de beschadigde DNA-ruggengraat op de AP-site. DNA-polymerase verwijdert vervolgens het beschadigde gebied met behulp van zijn 5'- tot 3'-exonuclease-activiteit en synthetiseert correct de nieuwe streng met behulp van de complementaire streng als een sjabloon. [20] De opening wordt vervolgens afgesloten door het enzym DNA-ligase. [21] (NER): omvangrijke, helix-vervormende schade, zoals pyrimidine-dimerisatie veroorzaakt door UV-licht, wordt meestal hersteld door een proces in drie stappen. Eerst wordt de schade herkend, vervolgens worden 12-24 nucleotide-lange DNA-strengen zowel stroomopwaarts als stroomafwaarts van de schadeplaats verwijderd door endonucleasen, en het verwijderde DNA-gebied wordt vervolgens opnieuw gesynthetiseerd. [22] NER is een zeer evolutionair geconserveerd reparatiemechanisme en wordt gebruikt in bijna alle eukaryote en prokaryotische cellen. [22] In prokaryoten wordt NER gemedieerd door Uvr-eiwitten. [22] Bij eukaryoten zijn veel meer eiwitten betrokken, hoewel de algemene strategie hetzelfde is. [22] systemen zijn in vrijwel alle cellen aanwezig om fouten te corrigeren die niet zijn gecorrigeerd door proeflezen. Deze systemen bestaan ​​uit minimaal twee eiwitten. De ene detecteert de mismatch en de andere werft een endonuclease aan die de nieuw gesynthetiseerde DNA-streng dicht bij het gebied van schade splitst. In E coli , zijn de betrokken eiwitten de Mut-klasse eiwitten: MutS, MutL en MutH. In de meeste eukaryoten is de analoog voor MutS MSH en de analoog voor MutL is MLH. MutH is alleen aanwezig in bacteriën. Dit wordt gevolgd door verwijdering van het beschadigde gebied door een exonuclease, hersynthese door DNA-polymerase en nick-sealing door DNA-ligase. [23]

    Dubbelstrengige breuken Bewerken

    Dubbelstrengs breuken, waarbij beide strengen in de dubbele helix worden doorgesneden, zijn bijzonder gevaarlijk voor de cel omdat ze kunnen leiden tot genoomherschikkingen. Wanneer een dubbelstrengs breuk gepaard gaat met een verknoping die de twee strengen op hetzelfde punt verbindt, kan geen van beide strengen worden gebruikt als sjabloon voor de herstelmechanismen, zodat de cel niet in staat zal zijn om de mitose te voltooien wanneer het deelt zich vervolgens en zal ofwel sterven of, in zeldzame gevallen, een mutatie ondergaan. [3] [4] Er zijn drie mechanismen om dubbelstrengige breuken (DSB's) te repareren: niet-homologe end-joining (NHEJ), microhomology-mediated end-joining (MMEJ) en homologe recombinatie (HR). [18] [24] In een in vitro systeem, MMEJ kwam voor in zoogdiercellen op het niveau van 10-20% van HR wanneer zowel HR- als NHEJ-mechanismen ook beschikbaar waren. [25]

    In NHEJ verbindt DNA Ligase IV, een gespecialiseerd DNA-ligase dat een complex vormt met de cofactor XRCC4, direct de twee uiteinden. [26] Voor nauwkeurige reparatie vertrouwt NHEJ op korte homologe sequenties, microhomologieën genaamd, die aanwezig zijn op de enkelstrengs staarten van de te verbinden DNA-uiteinden. Als deze overhangen compatibel zijn, is reparatie meestal nauwkeurig. [27] [28] [29] [30] NHEJ kan ook mutaties introduceren tijdens reparatie. Verlies van beschadigde nucleotiden op de breukplaats kan leiden tot deleties, en het samenvoegen van niet-overeenkomende uiteinden vormt inserties of translocaties. NHEJ is vooral belangrijk voordat de cel zijn DNA heeft gerepliceerd, omdat er geen sjabloon beschikbaar is voor reparatie door homologe recombinatie. Er zijn "back-up" NHEJ-routes in hogere eukaryoten. [31] Naast zijn rol als genoomverzorger, is NHEJ nodig voor het verbinden van dubbelstrengsbreuken met haarspeldkapjes die worden geïnduceerd tijdens V(D)J-recombinatie, het proces dat diversiteit genereert in B-cel- en T-celreceptoren in het immuunsysteem van gewervelde dieren. systeem. [32]

    Homologe recombinatie vereist de aanwezigheid van een identieke of bijna identieke sequentie om te worden gebruikt als een sjabloon voor reparatie van de breuk. De enzymatische machinerie die verantwoordelijk is voor dit reparatieproces is bijna identiek aan de machine die verantwoordelijk is voor chromosomale cross-over tijdens meiose. Via deze route kan een beschadigd chromosoom worden gerepareerd met behulp van een zusterchromatide (beschikbaar in G2 na DNA-replicatie) of een homoloog chromosoom als sjabloon. DSB's die worden veroorzaakt door de replicatiemachinerie die proberen te synthetiseren over een enkelstrengige breuk of niet-gerepareerde laesie, veroorzaken ineenstorting van de replicatievork en worden meestal gerepareerd door recombinatie.

    MMEJ begint met eindresectie op korte afstand door MRE11-nuclease aan weerszijden van een dubbelstrengs breuk om microhomologiegebieden te onthullen. [25] In verdere stappen is [33] Poly (ADP-ribose) polymerase 1 (PARP1) vereist en kan een vroege stap in MMEJ zijn. Er is paring van microhomologieregio's gevolgd door rekrutering van flapstructuur-specifiek endonuclease 1 (FEN1) om overhangende flappen te verwijderen. Dit wordt gevolgd door rekrutering van XRCC1-LIG3 naar de plaats voor het ligeren van de DNA-uiteinden, wat leidt tot een intact DNA. MMEJ gaat altijd gepaard met een deletie, zodat MMEJ een mutageen pad is voor DNA-herstel. [34]

    de extremofiel Deinococcus radiodurans heeft een opmerkelijk vermogen om DNA-schade door ioniserende straling en andere bronnen te overleven. Ten minste twee kopieën van het genoom, met willekeurige DNA-breuken, kunnen door annealing DNA-fragmenten vormen. Gedeeltelijk overlappende fragmenten worden vervolgens gebruikt voor de synthese van homologe regio's via een bewegende D-lus die de verlenging kan voortzetten totdat ze complementaire partnerstrengen vinden. In de laatste stap is er crossover door middel van RecA-afhankelijke homologe recombinatie. [35]

    Topoisomerasen introduceren zowel enkel- als dubbelstrengs breuken in de loop van het veranderen van de staat van supercoiling van het DNA, wat vooral gebruikelijk is in gebieden in de buurt van een open replicatievork. Dergelijke breuken worden niet als DNA-schade beschouwd omdat ze een natuurlijk tussenproduct zijn in het biochemische mechanisme van topoisomerase en onmiddellijk worden gerepareerd door de enzymen die ze hebben gemaakt.

    Translesion synthese Bewerken

    Translesiesynthese (TLS) is een DNA-schadetolerantieproces dat de DNA-replicatiemachinerie in staat stelt om vroegere DNA-laesies zoals thyminedimeren of AP-plaatsen te repliceren. [36] Het omvat het uitschakelen van reguliere DNA-polymerasen voor gespecialiseerde translesiepolymerasen (d.w.z. DNA-polymerase IV of V, van de Y-polymerasefamilie), vaak met grotere actieve plaatsen die de insertie van basen tegenover beschadigde nucleotiden kunnen vergemakkelijken. Aangenomen wordt dat de polymerase-omschakeling onder andere wordt gemedieerd door de post-translationele modificatie van de replicatie-procesiviteitsfactor PCNA. Translesiesynthesepolymerasen hebben vaak een lage betrouwbaarheid (hoge neiging om verkeerde basen in te voegen) op onbeschadigde templates in vergelijking met reguliere polymerasen. Velen zijn echter uiterst efficiënt in het inbrengen van de juiste bases tegenover specifieke soorten schade. Pol η medieert bijvoorbeeld een foutloze bypass van laesies die zijn geïnduceerd door UV-straling, terwijl Pol ι mutaties op deze plaatsen introduceert. Van Pol η is bekend dat het de eerste adenine over het T^T-fotodimeer toevoegt met behulp van Watson-Crick-basenparing en de tweede adenine zal worden toegevoegd in zijn syn-conformatie met behulp van Hoogsteen-basenparing. Vanuit een cellulair perspectief kan het riskeren van de introductie van puntmutaties tijdens translesiesynthese de voorkeur hebben boven het toevlucht nemen tot meer drastische mechanismen van DNA-herstel, die grove chromosomale afwijkingen of celdood kunnen veroorzaken. Kortom, het proces omvat gespecialiseerde polymerasen die laesies omzeilen of repareren op locaties van vastgelopen DNA-replicatie. Humaan DNA-polymerase eta kan bijvoorbeeld complexe DNA-laesies zoals guanine-thymine intra-strand crosslink, G[8,5-Me]T omzeilen, hoewel het gerichte en semi-gerichte mutaties kan veroorzaken. [37] Paromita Raychaudhury en Ashis Basu [38] bestudeerden de toxiciteit en mutagenese van dezelfde laesie in Escherichia coli door een G[8,5-Me]T-gemodificeerd plasmide te repliceren in E coli met specifieke DNA-polymerase-knockouts. De levensvatbaarheid was erg laag in een stam zonder pol II, pol IV en pol V, de drie SOS-induceerbare DNA-polymerasen, wat aangeeft dat translesiesynthese voornamelijk wordt uitgevoerd door deze gespecialiseerde DNA-polymerasen. Een bypass-platform wordt aan deze polymerasen verschaft door Proliferating cell nucleair antigeen (PCNA). Onder normale omstandigheden repliceert PCNA gebonden aan polymerasen het DNA. Op een plaats van laesie wordt PCNA alomtegenwoordig of gemodificeerd door de RAD6/RAD18-eiwitten om een ​​platform te bieden voor de gespecialiseerde polymerasen om de laesie te omzeilen en DNA-replicatie te hervatten. [39] [40] Na translesiesynthese is verlenging vereist. Deze verlenging kan worden uitgevoerd door een replicatieve polymerase als de TLS foutloos is, zoals in het geval van Pol , maar als TLS resulteert in een mismatch, is een gespecialiseerd polymerase nodig om het Pol ζ uit te breiden. Pol ζ is uniek omdat het terminale mismatches kan verlengen, terwijl meer processieve polymerasen dat niet kunnen. Dus wanneer een laesie wordt aangetroffen, zal de replicatievork tot stilstand komen, PCNA zal overschakelen van een processieve polymerase naar een TLS-polymerase zoals Pol ι om de laesie te repareren, dan kan PCNA overschakelen naar Pol ζ om de mismatch uit te breiden, en de laatste PCNA zal overschakelen naar de processieve polymerase om de replicatie voort te zetten.

    Cellen die worden blootgesteld aan ioniserende straling, ultraviolet licht of chemicaliën zijn vatbaar voor meerdere plaatsen van omvangrijke DNA-laesies en dubbelstrengige breuken. Bovendien kunnen DNA-beschadigende middelen andere biomoleculen beschadigen, zoals eiwitten, koolhydraten, lipiden en RNA. De opeenhoping van schade, om specifiek te zijn, dubbelstrengs breuken of adducten die de replicatievorken blokkeren, behoren tot bekende stimulatiesignalen voor een globale reactie op DNA-schade. [41] De globale reactie op schade is een handeling gericht op het behoud van de cellen zelf en triggert meerdere wegen van macromoleculaire reparatie, laesie-bypass, tolerantie of apoptose. De gemeenschappelijke kenmerken van globale respons zijn inductie van meerdere genen, stopzetting van de celcyclus en remming van celdeling.

    Eerste stappen Bewerken

    De verpakking van eukaryotisch DNA in chromatine vormt een barrière voor alle op DNA gebaseerde processen die rekrutering van enzymen naar hun werkingsplaatsen vereisen. Om DNA-herstel mogelijk te maken, moet het chromatine opnieuw worden gemodelleerd.In eukaryoten zijn ATP-afhankelijke chromatine-remodelleringscomplexen en histon-modificerende enzymen twee overheersende factoren die worden gebruikt om dit remodelleringsproces te bereiken. [42]

    Chromatine-relaxatie vindt snel plaats op de plaats van een DNA-beschadiging. [43] [44] In een van de eerste stappen fosforyleert het door stress geactiveerde eiwitkinase, c-Jun N-terminaal kinase (JNK), SIRT6 op serine 10 als reactie op dubbelstrengs breuken of andere DNA-schade. [45] Deze post-translationele modificatie vergemakkelijkt de mobilisatie van SIRT6 naar DNA-schadeplaatsen en is vereist voor efficiënte rekrutering van poly (ADP-ribose) polymerase 1 (PARP1) naar DNA-breukplaatsen en voor efficiënt herstel van DSB's. [45] PARP1-eiwit begint in minder dan een seconde op DNA-schadeplaatsen te verschijnen, met een halve maximale accumulatie binnen 1,6 seconden nadat de schade is opgetreden. [46] PARP1 synthetiseert polymere adenosinedifosfaatribose (poly (ADP-ribose) of PAR) ketens op zichzelf. Vervolgens hecht de chromatine-remodeller ALC1 zich snel aan het product van PARP1-actie, een poly-ADP-riboseketen, en ALC1 voltooit de aankomst bij de DNA-schade binnen 10 seconden na het optreden van de schade. [44] Ongeveer de helft van de maximale chromatine-relaxatie, vermoedelijk door de werking van ALC1, vindt plaats na 10 seconden. [44] Hierdoor kan het DNA-reparatie-enzym MRE11 binnen 13 seconden worden gerekruteerd om DNA-herstel te starten. [46]

    γH2AX, de gefosforyleerde vorm van H2AX, is ook betrokken bij de vroege stappen die leiden tot decondensatie van chromatine na dubbelstrengs DNA-breuken. De histonvariant H2AX vormt ongeveer 10% van de H2A-histonen in humaan chromatine. [47] γH2AX (H2AX gefosforyleerd op serine 139) kan worden gedetecteerd al 20 seconden na bestraling van cellen (met vorming van dubbelstrengs DNA-breuk), en de halve maximale accumulatie van γH2AX vindt plaats in één minuut. [47] De omvang van chromatine met gefosforyleerd γH2AX is ongeveer twee miljoen basenparen op de plaats van een dubbelstrengs DNA-breuk. [47] γH2AX zelf veroorzaakt geen decondensatie van chromatine, maar binnen 30 seconden na bestraling kan RNF8-eiwit worden gedetecteerd in combinatie met γH2AX. [48] ​​RNF8 bemiddelt uitgebreide decondensatie van chromatine, door de daaropvolgende interactie met CHD4, [49] een component van het nucleosoomremodellering en deacetylasecomplex NuRD.

    DDB2 komt voor in een heterodimeer complex met DDB1. Dit complex vormt verder een complex met het ubiquitine-ligase-eiwit CUL4A [50] en met PARP1. [51] Dit grotere complex associeert snel met UV-geïnduceerde schade in chromatine, met een half-maximale associatie voltooid in 40 seconden. [50] Het PARP1-eiwit, bevestigd aan zowel DDB1 als DDB2, dan PARylaten (creëert een poly-ADP-riboseketen) op DDB2 dat het DNA-remodellerende eiwit ALC1 aantrekt. [51] De werking van ALC1 ontspant het chromatine op de plaats van UV-schade aan DNA. Door deze relaxatie kunnen andere eiwitten in de nucleotide-excisieherstelroute het chromatine binnendringen en UV-geïnduceerde cyclobutaanpyrimidinedimeerschade repareren.

    Na snelle chromatine-remodellering worden celcycluscontrolepunten geactiveerd om DNA-herstel mogelijk te maken voordat de celcyclus vordert. Ten eerste worden twee kinasen, ATM en ATR, geactiveerd binnen 5 of 6 minuten nadat het DNA is beschadigd. Dit wordt gevolgd door fosforylering van het celcycluscontrolepunteiwit Chk1, dat zijn functie initieert, ongeveer 10 minuten nadat het DNA is beschadigd. [52]

    Controlepunten voor DNA-schade Bewerken

    Na DNA-schade worden celcycluscontrolepunten geactiveerd. Checkpoint-activering pauzeert de celcyclus en geeft de cel de tijd om de schade te herstellen voordat hij verder gaat met delen. Controlepunten voor DNA-schade vinden plaats op de G1/S- en G2/M-grenzen. Er bestaat ook een intra-S-checkpoint. De activering van checkpoints wordt bestuurd door twee hoofdkinasen, ATM en ATR. ATM reageert op dubbelstrengige DNA-breuken en verstoringen in de chromatinestructuur, [53] terwijl ATR voornamelijk reageert op vastgelopen replicatievorken. Deze kinasen fosforyleren stroomafwaartse doelen in een signaaltransductiecascade, wat uiteindelijk leidt tot stopzetting van de celcyclus. Er is ook een klasse van checkpoint-mediator-eiwitten geïdentificeerd, waaronder BRCA1, MDC1 en 53BP1. [54] Deze eiwitten lijken nodig te zijn voor het doorgeven van het checkpoint-activeringssignaal aan stroomafwaartse eiwitten.

    Controlepunt voor DNA-schade is een signaaltransductieroute die de voortgang van de celcyclus in G1, G2 en metafase blokkeert en de snelheid van de progressie van de S-fase vertraagt ​​wanneer DNA wordt beschadigd. Het leidt tot een pauze in de celcyclus waardoor de cel de tijd heeft om de schade te herstellen voordat hij verder gaat met delen.

    Checkpoint-eiwitten kunnen worden onderverdeeld in vier groepen: fosfatidylinositol 3-kinase (PI3K)-achtige eiwitkinase, prolifererende celkernantigeen (PCNA)-achtige groep, twee serine/threonine (S/T)-kinasen en hun adapters. Centraal in alle door DNA-schade geïnduceerde checkpointreacties is een paar grote eiwitkinasen die behoren tot de eerste groep van PI3K-achtige eiwitkinasen - de ATM (Ataxia telangiectasia gemuteerd) en ATR (Ataxia- en Rad-gerelateerde) kinasen, waarvan de sequentie en functies zijn in de evolutie goed bewaard gebleven. Alle DNA-schadereacties vereisen ATM of ATR omdat ze het vermogen hebben om te binden aan de chromosomen op de plaats van DNA-schade, samen met aanvullende eiwitten die platforms zijn waarop DNA-schadereactiecomponenten en DNA-reparatiecomplexen kunnen worden geassembleerd.

    Een belangrijk stroomafwaarts doelwit van ATM en ATR is p53, omdat het nodig is voor het induceren van apoptose na DNA-schade. [55] De cycline-afhankelijke kinaseremmer p21 wordt geïnduceerd door zowel p53-afhankelijke als p53-onafhankelijke mechanismen en kan de celcyclus op de G1/S- en G2/M-controlepunten stoppen door cycline/cycline-afhankelijke kinasecomplexen te deactiveren. [56]

    De prokaryotische SOS-reactie

    De SOS-respons is de verandering in genexpressie in Escherichia coli en andere bacteriën als reactie op uitgebreide DNA-schade. Het prokaryotische SOS-systeem wordt gereguleerd door twee belangrijke eiwitten: LexA en RecA. Het LexA-homodimeer is een transcriptionele repressor die bindt aan operatorsequenties die gewoonlijk SOS-boxen worden genoemd. In Escherichia coli het is bekend dat LexA de transcriptie reguleert van ongeveer 48 genen, waaronder de lexA- en recA-genen. [57] Van de SOS-respons is bekend dat deze wijdverbreid is in het Bacteria-domein, maar is meestal afwezig in sommige bacteriële phyla, zoals de spirocheten. [58] De meest voorkomende cellulaire signalen die de SOS-respons activeren, zijn regio's van enkelstrengs DNA (ssDNA), die voortkomen uit vastgelopen replicatievorken of dubbelstrengige breuken, die worden verwerkt door DNA-helicase om de twee DNA-strengen te scheiden. [41] In de initiatiestap bindt het RecA-eiwit aan ssDNA in een door ATP-hydrolyse aangedreven reactie waarbij RecA-ssDNA-filamenten worden gecreëerd. RecA-ssDNA-filamenten activeren LexA-autoprotease-activiteit, wat uiteindelijk leidt tot splitsing van LexA-dimeer en daaropvolgende afbraak van LexA. Het verlies van LexA-repressor induceert transcriptie van de SOS-genen en zorgt voor verdere signaalinductie, remming van celdeling en een toename van de niveaus van eiwitten die verantwoordelijk zijn voor schadeverwerking.

    In Escherichia coli, SOS-boxen zijn sequenties van 20 nucleotiden in de buurt van promotors met een palindroomstructuur en een hoge mate van sequentieconservering. In andere klassen en phyla varieert de volgorde van SOS-boxen aanzienlijk, met verschillende lengte en samenstelling, maar het is altijd sterk geconserveerd en een van de sterkste korte signalen in het genoom. [58] Het hoge informatiegehalte van SOS-boxen maakt differentiële binding van LexA aan verschillende promotors mogelijk en zorgt voor timing van de SOS-respons. De laesieherstelgenen worden aan het begin van de SOS-respons geïnduceerd. De foutgevoelige translesie-polymerasen, bijvoorbeeld UmuCD'2 (ook wel DNA-polymerase V genoemd), worden later als laatste redmiddel geïnduceerd. [59] Zodra de DNA-schade is hersteld of omzeild met behulp van polymerasen of door recombinatie, neemt de hoeveelheid enkelstrengs DNA in cellen af, waardoor de hoeveelheid RecA-filamenten de splitsingsactiviteit van LexA-homodimeer vermindert, dat vervolgens bindt aan de SOS-boxen in de buurt van promotors en herstelt de normale genexpressie.

    Eukaryote transcriptionele reacties op DNA-schade

    Eukaryote cellen die zijn blootgesteld aan DNA-beschadigende middelen, activeren ook belangrijke verdedigingsroutes door meerdere eiwitten te induceren die betrokken zijn bij DNA-herstel, controle van de celcyclus, eiwittransport en afbraak. Een dergelijke genoombrede transcriptionele respons is zeer complex en strak gereguleerd, waardoor een gecoördineerde wereldwijde respons op schade mogelijk is. Blootstelling van gist Saccharomyces cerevisiae aan DNA-beschadigende middelen resulteert in overlappende maar verschillende transcriptionele profielen. Overeenkomsten met omgevingsschokrespons geven aan dat er een algemene globale stressresponsroute bestaat op het niveau van transcriptionele activering. Daarentegen reageren verschillende menselijke celtypen verschillend op schade, wat wijst op de afwezigheid van een gemeenschappelijke globale respons. De waarschijnlijke verklaring voor dit verschil tussen gist- en menselijke cellen kan liggen in de heterogeniteit van zoogdiercellen. Bij een dier zijn verschillende soorten cellen verdeeld over verschillende organen die verschillende gevoeligheden voor DNA-schade hebben ontwikkeld. [60]

    In het algemeen omvat een globale respons op DNA-schade de expressie van meerdere genen die verantwoordelijk zijn voor herstel na replicatie, homologe recombinatie, herstel van nucleotide-excisie, controlepunt voor DNA-schade, globale transcriptionele activatie, genen die het verval van mRNA beheersen, en vele andere. Een grote hoeveelheid schade aan een cel laat een belangrijke beslissing achter: apoptose ondergaan en sterven, of overleven ten koste van levensonderhoud met een gemodificeerd genoom. Een toename van de tolerantie voor schade kan leiden tot een verhoogde overlevingskans die een grotere accumulatie van mutaties mogelijk maakt. Gist Rev1 en humane polymerase η zijn leden van [Y-familie translesion-DNA-polymerasen die aanwezig zijn tijdens globale respons op DNA-schade en zijn verantwoordelijk voor verbeterde mutagenese tijdens een globale respons op DNA-schade in eukaryoten. [41]

    Pathologische effecten van slecht DNA-herstel

    Proefdieren met genetische tekortkomingen in DNA-herstel vertonen vaak een kortere levensduur en een verhoogde incidentie van kanker. [15] Muizen met een tekort aan de dominante NHEJ-route en in telomeeronderhoudsmechanismen krijgen bijvoorbeeld vaker lymfoom en infecties, en hebben als gevolg daarvan een kortere levensduur dan wildtype muizen. [61] Op een vergelijkbare manier hebben muizen die een tekort hebben aan een sleutelreparatie- en transcriptie-eiwit dat DNA-helices afwikkelt, een voortijdig begin van verouderingsgerelateerde ziekten en een daaruit voortvloeiende verkorting van de levensduur. [62] Niet elke DNA-reparatiedeficiëntie creëert echter precies de voorspelde effecten. muizen die deficiënt zijn in de NER-route vertoonden een kortere levensduur zonder overeenkomstig hogere mutatiesnelheden. [63]

    Als de snelheid van DNA-schade het vermogen van de cel om het te herstellen overschrijdt, kan de opeenhoping van fouten de cel overweldigen en resulteren in vroege veroudering, apoptose of kanker. Erfelijke ziekten die verband houden met een gebrekkig functionerend DNA-herstel leiden tot vroegtijdige veroudering, [15] verhoogde gevoeligheid voor kankerverwekkende stoffen en een overeenkomstig verhoogd risico op kanker (zie hieronder). Aan de andere kant, organismen met verbeterde DNA-reparatiesystemen, zoals Deinococcus radiodurans, het meest stralingsbestendige bekende organisme, vertoont een opmerkelijke resistentie tegen de dubbelstrengs breuk-inducerende effecten van radioactiviteit, waarschijnlijk als gevolg van verbeterde efficiëntie van DNA-herstel en vooral NHEJ. [64]

    Levensduur en caloriebeperking Bewerken

    Er is vastgesteld dat een aantal individuele genen van invloed zijn op variaties in levensduur binnen een populatie van organismen. De effecten van deze genen zijn sterk afhankelijk van de omgeving, in het bijzonder van de voeding van het organisme. Calorische beperking resulteert reproduceerbaar in een langere levensduur van een verscheidenheid aan organismen, waarschijnlijk via routes voor het detecteren van voedingsstoffen en een verminderde stofwisseling. De moleculaire mechanismen waarmee een dergelijke beperking resulteert in een langere levensduur zijn tot nu toe onduidelijk (zie [65] voor enige discussie), maar het gedrag van veel genen waarvan bekend is dat ze betrokken zijn bij DNA-herstel, wordt veranderd onder omstandigheden van caloriebeperking. Van verschillende middelen waarvan is gemeld dat ze anti-verouderingseigenschappen hebben, is aangetoond dat ze het constitutieve niveau van mTOR-signalering, een bewijs van vermindering van de metabole activiteit, verminderen en tegelijkertijd het constitutieve niveau van DNA-schade veroorzaakt door endogeen gegenereerde reactieve zuurstofsoorten verminderen. [66]

    Bijvoorbeeld het verhogen van de gendosering van het gen SIR-2, dat de DNA-verpakking in de nematodeworm regelt Caenorhabditis elegans, kan de levensduur aanzienlijk verlengen. [67] Van de zoogdierhomoloog van SIR-2 is bekend dat hij stroomafwaartse DNA-reparatiefactoren induceert die betrokken zijn bij NHEJ, een activiteit die vooral wordt bevorderd onder omstandigheden van caloriebeperking. [68] Caloriebeperking is nauw verbonden met de snelheid van base-excisieherstel in het nucleaire DNA van knaagdieren, [69] hoewel vergelijkbare effecten niet zijn waargenomen in mitochondriaal DNA. [70]

    De C. elegans gen AGE-1, een stroomopwaartse effector van DNA-herstelroutes, zorgt voor een dramatisch verlengde levensduur onder omstandigheden van vrije voeding, maar leidt tot een afname van de reproductieve fitheid onder omstandigheden van caloriebeperking. [71] Deze observatie ondersteunt de pleiotropietheorie van de biologische oorsprong van veroudering, wat suggereert dat genen die vroeg in het leven een groot overlevingsvoordeel opleveren, zullen worden geselecteerd, zelfs als ze op latere leeftijd een overeenkomstig nadeel hebben.

    Erfelijke DNA-reparatiestoornissen

    Defecten in het NER-mechanisme zijn verantwoordelijk voor verschillende genetische aandoeningen, waaronder:

      : overgevoeligheid voor zonlicht/UV, resulterend in verhoogde incidentie van huidkanker en vroegtijdige veroudering : overgevoeligheid voor UV en chemische middelen : gevoelige huid, broos haar en nagels

    Mentale retardatie gaat vaak gepaard met de laatste twee aandoeningen, wat wijst op een verhoogde kwetsbaarheid van ontwikkelingsneuronen.

    Andere DNA-reparatiestoornissen zijn onder meer:

      : voortijdige veroudering en vertraagde groei : overgevoeligheid voor zonlicht, hoge incidentie van maligniteiten (vooral leukemieën). : gevoeligheid voor ioniserende straling en sommige chemische agentia

    Alle bovengenoemde ziekten worden vaak "segmentale progeria's" ("versnelde verouderingsziekten") genoemd omdat hun slachtoffers op een abnormaal jonge leeftijd ouder lijken en aan verouderingsgerelateerde ziekten lijden, terwijl ze niet alle symptomen van ouderdom vertonen.

    Andere ziekten die verband houden met een verminderde DNA-herstelfunctie zijn Fanconi-anemie, erfelijke borstkanker en erfelijke darmkanker.

    Vanwege inherente beperkingen in de DNA-reparatiemechanismen, zouden mensen, als ze lang genoeg zouden leven, uiteindelijk allemaal kanker krijgen. [72] [73] Er zijn minstens 34 erfelijke mutaties van het menselijke DNA-herstelgen die het risico op kanker verhogen. Veel van deze mutaties zorgen ervoor dat DNA-herstel minder effectief is dan normaal. In het bijzonder is erfelijke niet-polyposis colorectale kanker (HNPCC) sterk geassocieerd met specifieke mutaties in de DNA-mismatch-reparatieroute. BRCA1 en BRCA2, twee belangrijke genen waarvan de mutaties een enorm verhoogd risico op borstkanker aan dragers geven, [74] zijn beide geassocieerd met een groot aantal DNA-herstelroutes, met name NHEJ en homologe recombinatie.

    Kankertherapieprocedures zoals chemotherapie en radiotherapie werken door het overweldigen van het vermogen van de cel om DNA-schade te herstellen, wat resulteert in celdood. Cellen die zich het snelst delen - meestal kankercellen - worden bij voorkeur aangetast. Het neveneffect is dat andere niet-kankerachtige maar snel delende cellen zoals voorlopercellen in de darm, de huid en het hematopoëtische systeem ook worden aangetast. Moderne kankerbehandelingen proberen de DNA-schade aan cellen en weefsels te lokaliseren die alleen verband houden met kanker, hetzij door fysieke middelen (concentratie van het therapeutische middel in het gebied van de tumor) of door biochemische middelen (gebruikmakend van een eigenschap die uniek is voor kankercellen in het lichaam) . In de context van therapieën die gericht zijn op DNA-schaderesponsgenen, wordt de laatste benadering 'synthetische letaliteit' genoemd. [75]

    Misschien wel de meest bekende van deze 'synthetische letaliteit'-medicijnen is de poly (ADP-ribose) polymerase 1 (PARP1) -remmer olaparib, die in 2015 door de Food and Drug Administration werd goedgekeurd voor de behandeling bij vrouwen van BRCA-defecte eierstok kanker. Tumorcellen met gedeeltelijk verlies van DNA-schaderespons (met name homologe recombinatiereparatie) zijn afhankelijk van een ander mechanisme - enkelstrengs breukherstel - dat een mechanisme is dat gedeeltelijk bestaat uit het PARP1-genproduct. [76] Olaparib wordt gecombineerd met chemotherapeutica om herstel van enkelstrengs breuken, veroorzaakt door DNA-schade veroorzaakt door de gelijktijdig toegediende chemotherapie, te remmen. Tumorcellen die afhankelijk zijn van dit resterende DNA-herstelmechanisme zijn niet in staat de schade te herstellen en zijn daarom niet in staat om te overleven en te prolifereren, terwijl normale cellen de schade kunnen herstellen met het functionerende homologe recombinatiemechanisme.

    Veel andere geneesmiddelen voor gebruik tegen andere resterende DNA-herstelmechanismen die vaak bij kanker worden aangetroffen, worden momenteel onderzocht. Echter, therapeutische benaderingen voor synthetische letaliteit zijn in twijfel getrokken vanwege het opkomende bewijs van verworven resistentie, bereikt door herbedrading van DNA-schaderesponsroutes en omkering van eerder geremde defecten. [77]

    DNA-reparatiedefecten bij kanker

    Het is de afgelopen jaren duidelijk geworden dat de reactie op DNA-schade een barrière vormt voor de kwaadaardige transformatie van preneoplastische cellen. [78] Eerdere studies hebben een verhoogde respons op DNA-schade aangetoond in celcultuurmodellen met oncogenactivering [79] en preneoplastische colonadenomen. [80] Responsmechanismen voor DNA-schade veroorzaken stilstand van de celcyclus en proberen DNA-laesies te herstellen of celdood/veroudering te bevorderen als herstel niet mogelijk is. Replicatiestress wordt waargenomen in preneoplastische cellen als gevolg van verhoogde proliferatiesignalen van oncogene mutaties. Replicatiestress wordt gekenmerkt door: verhoogde replicatie-initiatie/oorsprong-vuren verhoogde transcriptie en botsingen van transcriptie-replicatiecomplexen nucleotidedeficiëntie toename van reactieve zuurstofspecies (ROS). [81]

    Replicatiestress, samen met de selectie voor het inactiveren van mutaties in DNA-schaderesponsgenen in de evolutie van de tumor, [82] leidt tot downregulatie en/of verlies van sommige DNA-schaderesponsmechanismen, en dus verlies van DNA-herstel en/of senescentie/ Geprogrammeerde celdood. In experimentele muismodellen werd verlies van DNA-schaderespons-gemedieerde celsenescentie waargenomen na gebruik van een kort haarspeld-RNA (shRNA) om de dubbelstrengs breukrespons kinase ataxia telangiectasia (ATM) te remmen, wat leidde tot een grotere tumorgrootte en invasiviteit. [80] Mensen geboren met erfelijke defecten in DNA-herstelmechanismen (bijvoorbeeld het Li-Fraumeni-syndroom) hebben een hoger risico op kanker. [83]

    De prevalentie van mutaties in reactie op DNA-schade verschilt tussen kankertypes. Zo heeft 30% van de invasieve borstcarcinomen mutaties in genen die betrokken zijn bij homologe recombinatie. [78] Bij kanker wordt neerwaartse regulatie waargenomen in alle DNA-schaderesponsmechanismen (base-excisiereparatie (BER), nucleotide-excisiereparatie (NER), DNA-mismatchreparatie (MMR), homologe recombinatiereparatie (HR), niet-homologe end-joining ( NHEJ) en translesion DNA-synthese (TLS). [84] Naast mutaties in genen voor DNA-schadeherstel, treden er ook mutaties op in de genen die verantwoordelijk zijn voor het stoppen van de celcyclus om voldoende tijd te geven voor DNA-herstel, en sommige genen zijn betrokken in zowel DNA-schadeherstel als controlepuntcontrole van de celcyclus, bijvoorbeeld ATM en checkpoint kinase 2 (CHEK2) - een tumorsuppressor die vaak afwezig is of wordt gedownreguleerd bij niet-kleincellige longkanker. [85]

    HR NHEJ SSA FA BER NER MMR
    Geldautomaat x x x
    ATR x x x
    PAXIP x x
    RPA x x x
    BRCA1 x x
    BRCA2 x x
    RAD51 x x
    RFC x x x
    XRCC1 x x
    PCNA x x x
    PARP1 x x
    ERCC1 x x x x
    MSH3 x x x

    Tabel: Genen die betrokken zijn bij DNA-schadereactieroutes en vaak gemuteerd bij kanker (HR = homologe recombinatie NHEJ = niet-homologe eindverbinding SSA = enkelstrengs annealing FA = fanconi-anemieroute BER = base-excisieherstel NER = nucleotide-excisieherstel MMR = mismatch reparatie)

    Epigenetische DNA-reparatiedefecten bij kanker

    Klassiek wordt kanker gezien als een reeks ziekten die worden veroorzaakt door progressieve genetische afwijkingen, waaronder mutaties in tumorsuppressorgenen en oncogenen, en chromosomale afwijkingen. Het is echter duidelijk geworden dat kanker ook wordt veroorzaakt door epigenetische veranderingen. [86]

    Epigenetische veranderingen verwijzen naar functioneel relevante modificaties van het genoom die geen verandering in de nucleotidesequentie met zich meebrengen. Voorbeelden van dergelijke modificaties zijn veranderingen in DNA-methylering (hypermethylering en hypomethylering) en histonmodificatie, [87] veranderingen in chromosomale architectuur (veroorzaakt door ongepaste expressie van eiwitten zoals HMGA2 of HMGA1) [88] en veranderingen veroorzaakt door microRNA's. Elk van deze epigenetische veranderingen dient om genexpressie te reguleren zonder de onderliggende DNA-sequentie te veranderen. Deze veranderingen blijven meestal door celdelingen, duren meerdere celgeneraties en kunnen worden beschouwd als epimutaties (equivalent aan mutaties).

    Hoewel grote aantallen epigenetische veranderingen worden gevonden bij kankers, lijken de epigenetische veranderingen in DNA-reparatiegenen, die verminderde expressie van DNA-reparatie-eiwitten veroorzaken, bijzonder belangrijk te zijn. Men denkt dat dergelijke veranderingen zich vroeg in de progressie naar kanker voordoen en een waarschijnlijke oorzaak zijn van de genetische instabiliteit die kenmerkend is voor kankers. [89] [90] [91]

    Verminderde expressie van DNA-reparatiegenen veroorzaakt een gebrekkige DNA-reparatie. Wanneer DNA-herstel deficiënt is, blijft DNA-schade in cellen op een hoger dan normaal niveau en deze overmatige schade veroorzaakt verhoogde frequenties van mutatie of epimutatie. Mutatiesnelheden nemen aanzienlijk toe in cellen die defect zijn in DNA-mismatchreparatie [92] [93] of in homologe recombinatiereparatie (HRR). [94] Chromosomale herschikkingen en aneuploïdie nemen ook toe in HRR-defecte cellen. [95]

    Hogere niveaus van DNA-schade veroorzaken niet alleen verhoogde mutatie, maar veroorzaken ook verhoogde epimutatie. Tijdens reparatie van DNA-dubbelstrengsbreuken of reparatie van andere DNA-schade, kunnen onvolledig gewiste reparatieplaatsen epigenetische genuitschakeling veroorzaken. [96] [97]

    Deficiënte expressie van DNA-reparatie-eiwitten als gevolg van een erfelijke mutatie kan een verhoogd risico op kanker veroorzaken. Personen met een erfelijke stoornis in een van de 34 DNA-reparatiegenen (zie artikel DNA-reparatie-deficiëntiestoornis) hebben een verhoogd risico op kanker, waarbij sommige defecten een levenslange kans op kanker tot 100% veroorzaken (bijv. p53-mutaties). [98] Dergelijke kiembaanmutaties (die zeer penetrante kankersyndromen veroorzaken) zijn echter de oorzaak van slechts ongeveer 1 procent van de kankers. [99]

    Frequenties van epimutaties in DNA-reparatiegenen

    Deficiënties in DNA-reparatie-enzymen worden soms veroorzaakt door een nieuw opkomende somatische mutatie in een DNA-reparatiegen, maar worden veel vaker veroorzaakt door epigenetische veranderingen die de expressie van DNA-reparatiegenen verminderen of stilleggen. Toen bijvoorbeeld 113 colorectale kankers achter elkaar werden onderzocht, hadden slechts vier een missense-mutatie in het DNA-reparatiegen MGMT, terwijl de meerderheid de MGMT-expressie had verminderd als gevolg van methylering van het MGMT-promotergebied (een epigenetische wijziging). [100] Vijf verschillende onderzoeken hebben aangetoond dat tussen 40% en 90% van de colorectale kankers de MGMT-expressie hebben verminderd als gevolg van methylering van het MGMT-promotergebied. [101] [102] [103] [104] [105]

    Evenzo was van de 119 gevallen van niet-overeenkomende reparatie-deficiënte colorectale kankers die DNA-herstelgen PMS2-expressie misten, PMS2 deficiënt in 6 als gevolg van mutaties in het PMS2-gen, terwijl in 103 gevallen PMS2-expressie deficiënt was omdat de paringspartner MLH1 werd onderdrukt vanwege tot promotormethylering (PMS2-eiwit is onstabiel in afwezigheid van MLH1). [106] In de andere 10 gevallen was het verlies van PMS2-expressie waarschijnlijk te wijten aan epigenetische overexpressie van het microRNA, miR-155, dat MLH1 neerwaarts reguleert. [107]

    In een ander voorbeeld werden epigenetische defecten gevonden bij verschillende kankers (bijvoorbeeld borst-, eierstok-, colorectaal en hoofd-hals). Twee of drie tekortkomingen in de expressie van ERCC1, XPF of PMS2 komen gelijktijdig voor bij de meeste van 49 darmkankers die zijn geëvalueerd door Facista et al. [108]

    De grafiek in deze sectie toont enkele veelvoorkomende DNA-beschadigende middelen, voorbeelden van DNA-laesies die ze veroorzaken, en de wegen die met deze DNA-schade omgaan. Ten minste 169 enzymen worden ofwel direct gebruikt bij DNA-reparatie of beïnvloeden DNA-reparatieprocessen. [109] Hiervan worden er 83 rechtstreeks gebruikt bij het repareren van de 5 soorten DNA-schade die in de grafiek worden geïllustreerd.

    Enkele van de meer goed bestudeerde genen die centraal staan ​​in deze herstelprocessen worden weergegeven in de grafiek. De genaanduidingen in rood, grijs of cyaan geven genen aan die vaak epigenetisch veranderd zijn bij verschillende soorten kankers. Wikipedia-artikelen over elk van de genen gemarkeerd door rood, grijs of cyaan beschrijven de epigenetische wijziging(en) en de kanker(s) waarin deze epimutaties worden gevonden. Overzichtsartikelen, [110] en brede experimentele onderzoeksartikelen [111] [112] documenteren ook de meeste van deze epigenetische DNA-reparatiedeficiënties bij kankers.

    Rood gemarkeerde genen worden vaak verminderd of tot zwijgen gebracht door epigenetische mechanismen bij verschillende kankers. Wanneer deze genen een lage of afwezige expressie hebben, kan DNA-schade zich ophopen. Replicatiefouten voorbij deze beschadigingen (zie translesiesynthese) kunnen leiden tot verhoogde mutaties en uiteindelijk tot kanker. Epigenetische repressie van DNA-reparatiegenen in nauwkeurig DNA-herstelroutes lijken centraal te staan ​​in carcinogenese.

    De twee grijs gemarkeerde genen RAD51 en BRCA2, zijn vereist voor homologe recombinatiereparatie. Ze worden soms epigenetisch tot overexpressie gebracht en soms tot onderexpressie gebracht bij bepaalde kankers. Zoals aangegeven in de Wikipedia-artikelen over RAD51 en BRCA2 hebben dergelijke kankers gewoonlijk epigenetische tekortkomingen in andere DNA-herstelgenen. Deze reparatiedeficiënties zouden waarschijnlijk meer niet-gerepareerde DNA-schade veroorzaken. De overexpressie van RAD51 en BRCA2 die bij deze kankers wordt gezien, kan een weerspiegeling zijn van selectieve druk voor compenserende RAD51 of BRCA2 overexpressie en verhoogde homologe recombinatie reparatie om op zijn minst gedeeltelijk om te gaan met dergelijke overmatige DNA-schade. In die gevallen waarin RAD51 of BRCA2 onderexpressie zijn, zou dit zelf leiden tot verhoogde niet-herstelde DNA-schade. Replicatiefouten voorbij deze beschadigingen (zie translesiesynthese) kunnen verhoogde mutaties en kanker veroorzaken, zodat onderexpressie van RAD51 of BRCA2 op zich kankerverwekkend zou zijn.

    Cyaan-gemarkeerde genen bevinden zich in de microhomologie-gemedieerde end-join (MMEJ) -route en worden opwaarts gereguleerd bij kanker. MMEJ is een extra foutgevoelig onnauwkeurig herstelpad voor dubbelstrengs breuken. Bij MMEJ-reparatie van een dubbelstrengige breuk is een homologie van 5-25 complementaire basenparen tussen beide gepaarde strengen voldoende om de strengen uit te lijnen, maar niet-overeenkomende uiteinden (flappen) zijn meestal aanwezig. MMEJ verwijdert de extra nucleotiden (flappen) waar de strengen zijn samengevoegd en ligeert vervolgens de strengen om een ​​intacte dubbele DNA-helix te creëren. MMEJ omvat bijna altijd ten minste een kleine deletie, zodat het een mutageen pad is. [24] FEN1, het flap-endonuclease in MMEJ, wordt epigenetisch verhoogd door promotorhypomethylering en wordt tot overexpressie gebracht in de meeste borstkankers, [113] prostaat, [114] maag, [115] [116] neuroblastomen, [ 117] alvleesklier, [118] en long. [119] PARP1 wordt ook tot overexpressie gebracht wanneer de ETS-site van de promotorregio epigenetisch gehypomethyleerd is, en dit draagt ​​bij aan de progressie naar endometriumkanker [120] en BRCA-gemuteerde sereuze eierstokkanker. [121] Andere genen in de MMEJ-route worden ook tot overexpressie gebracht in een aantal kankers (zie MMEJ voor een samenvatting), en worden ook weergegeven in cyaan.

    Genoombrede distributie van DNA-reparatie in menselijke somatische cellen

    Differentiële activiteit van DNA-herstelroutes in verschillende regio's van het menselijk genoom zorgt ervoor dat mutaties zeer ongelijk verdeeld zijn binnen tumorgenomen. [122] [123] Vooral de genrijke, vroeg replicerende gebieden van het menselijk genoom vertonen lagere mutatiefrequenties dan de genarme, laat replicerende heterochromatine. Een mechanisme dat hieraan ten grondslag ligt, is de histonmodificatie H3K36me3, die mismatch-reparatie-eiwitten kan rekruteren [124], waardoor de mutatiesnelheden in H3K36me3-gemarkeerde regio's worden verlaagd. [125] Een ander belangrijk mechanisme betreft het herstel van nucleotide-excisie, dat kan worden gerekruteerd door de transcriptiemachinerie, waardoor de somatische mutatiesnelheid in actieve genen [123] en andere open chromatinegebieden wordt verlaagd. [126]

    De basisprocessen van DNA-herstel zijn sterk geconserveerd onder zowel prokaryoten als eukaryoten en zelfs onder bacteriofagen (virussen die bacteriën infecteren), maar complexere organismen met complexere genomen hebben dienovereenkomstig complexere herstelmechanismen. [127] Het vermogen van een groot aantal structurele eiwitmotieven om relevante chemische reacties te katalyseren, heeft tijdens de evolutie een belangrijke rol gespeeld bij de uitwerking van reparatiemechanismen. Voor een uiterst gedetailleerd overzicht van hypothesen met betrekking tot de evolutie van DNA-reparatie, zie. [128]

    Het fossielenbestand geeft aan dat eencellig leven zich op een bepaald moment tijdens de Precambrische periode op de planeet begon te verspreiden, hoewel het onduidelijk is wanneer precies het moderne leven ontstond. Nucleïnezuren werden het enige en universele middel om genetische informatie te coderen, waarvoor DNA-herstelmechanismen nodig waren die in hun basisvorm door alle bestaande levensvormen van hun gemeenschappelijke voorouder zijn geërfd. De opkomst van de zuurstofrijke atmosfeer van de aarde (bekend als de "zuurstofcatastrofe") als gevolg van fotosynthetische organismen, evenals de aanwezigheid van potentieel schadelijke vrije radicalen in de cel als gevolg van oxidatieve fosforylering, maakte de ontwikkeling van DNA-reparatiemechanismen noodzakelijk die specifiek werken om de soorten schade veroorzaakt door oxidatieve stress tegen te gaan.

    Snelheid van evolutionaire verandering

    In sommige gevallen wordt DNA-schade niet gerepareerd of gerepareerd door een foutgevoelig mechanisme dat resulteert in een verandering van de oorspronkelijke sequentie. Wanneer dit gebeurt, kunnen mutaties zich voortplanten in de genomen van het nageslacht van de cel. Mocht een dergelijke gebeurtenis plaatsvinden in een kiemlijncel die uiteindelijk een gameet zal produceren, dan kan de mutatie worden doorgegeven aan de nakomelingen van het organisme. De snelheid van evolutie in een bepaalde soort (of, in een bepaald gen) is een functie van de snelheid van mutatie. Als gevolg hiervan hebben de snelheid en nauwkeurigheid van DNA-reparatiemechanismen invloed op het proces van evolutionaire verandering. [129] Bescherming en herstel van DNA-schade heeft geen invloed op de snelheid van aanpassing door genregulatie en door recombinatie en selectie van allelen. Aan de andere kant beïnvloedt het herstel en de bescherming van DNA-schade de snelheid van accumulatie van onherstelbare, voordelige, code-uitbreidende, erfelijke mutaties, en vertraagt ​​het het evolutionaire mechanisme voor uitbreiding van het genoom van organismen met nieuwe functionaliteiten. De spanning tussen evolueerbaarheid en mutatieherstel en -bescherming behoeft nader onderzoek.

    In 2012 werd een technologie ontdekt met de naam clustered regular interspaced short palindromic repeat (afgekort tot CRISPR-Cas9). De nieuwe technologie stelt iedereen met een opleiding in moleculaire biologie in staat om de genen van elke soort nauwkeurig te veranderen door DNA-schade op een specifiek punt te veroorzaken en vervolgens het veranderen van DNA-reparatiemechanismen om nieuwe genen in te voegen. [130] Het is goedkoper, efficiënter en nauwkeuriger dan andere technologieën. Met behulp van CRISPR–Cas9 kunnen door wetenschappers delen van een genoom worden bewerkt door delen in een DNA-sequentie te verwijderen, toe te voegen of te wijzigen.


    3. Resultaten  

    3.1. Algemene structuur  

    Het gastheersysteem dat in deze studie werd gebruikt, maakt gebruik van de co-kristallisatie van een 16-basenparen DNA-oligonucleotideduplex (gast) met het eiwit (gastheer), het N-terminale fragment van het Moloney murine leukemievirus reverse transcriptase (MMLV RT ), waaronder de domeinen vingers en handpalm (Coté et al., 2000 ▶). Het vingersdomein van MMLV RT interageert met het 3′-­OH-uiteinde van een streng, evenals de kleine groefbase en suikeratomen van de drie terminale basenparen, wat resulteert in verschillende waterstofbruggen en van der Waals-contacten (Cot& #x000e9 & Georgiadis, 2001 ▶ Kinderbed'x000e9 et al., 2000 ▶, 2003 ▶ Najmudin et al., 2000 ▶). Het host–guest-systeem heeft verschillende belangrijke functies, waarvan er twee relevant zijn voor dit werk. Ten eerste worden verschillende DNA-oligonucleotiden allemaal geanalyseerd binnen hetzelfde kristalrooster en zijn daarom onderhevig aan dezelfde kristallijne omgeving (zie Tabel 1 ▶ voor eenheidscelparameters). Ten tweede zijn de centrale 10'x02005bp van het 16'02005bp duplex-DNA vrij van interacties met het eiwit of andere DNA-moleculen, waardoor het nucleïnezuur een structuur kan aannemen die wordt bepaald door zijn sequentie. In eerder werk hebben we dit gastheersysteem gebruikt om de eigenschappen te analyseren van de 5′-CA dinucleotide-stap die wordt herkend en verwerkt door integrase (VOB-items 2fvp, 2fvq, 2fvr en 2fvs) en ontdekten dat onafhankelijk van zijn positie binnen de centrale 10𠁛p, de CA dinucleotide stap in deze structuren had vergelijkbare structurele eigenschappen, waaronder een positieve rolhoek en een negatieve schuifwaarde (Montaño et al., 2006 ▶).

    Het host'sx02013guest-systeem is het meest geschikt voor de analyse van symmetrische DNA-sequenties, aangezien 8𠁛p van de totale 16𠁛p duplex zich in de asymmetrische eenheid bevindt, de unieke herhalende eenheid in het kristal (Goodwin et al., 2005 ▶ Zon et al., 1998 ▶). We analyseerden dus de structuren van twee symmetrische duplexen met 16 basenparen, één met twee SP-laesies, één in elke streng gescheiden door twee basenparen, en de andere met het normale DNA van dezelfde lengte en sequentie (Fig. 1 & #x025b6 een, 1 ▶ B en 1 ▶ C). Bovendien, aangezien het MMLV RT-fragment alleen werd gebruikt als het zoekmodel om fasering van moleculaire vervanging te verkrijgen, was de initiële elektronendichtheid die werd verkregen voor de gast-DNA-moleculen onbevooroordeeld. Goed gedefinieerde elektronendichtheid werd waargenomen voor de SP-laesie in initiële elektronendichtheidskaarten (Fig. 2 ▶ een). Over het algemeen hebben de structuren van de SP-bevattende en niet-SP-bevattende DNA-duplexen duidelijke structurele verschillen, zoals weergegeven in Fig. 2 ▶ (B) en wordt hieronder in detail beschreven.

    Kristalstructuur van het SP-bevattende duplex 16-meer-oligonucleotide in een gastcomplex. (een) De chemische structuur van het sporenfotoproduct wordt getoond. (B) Het gastcomplex van de gastheer omvat twee eiwitmoleculen, weergegeven in een cartoonweergave met één molecuul in groen en de andere in blauw, en één duplex met 16 basenparen, weergegeven in een stokweergave met één streng gekleurd met C-atomen in groen , N-atomen in blauw, O-atomen in rood en P-atomen in oranje en de andere met C-atomen in cyaan, N-atomen in blauw, O-atomen in rood en P-atomen in oranje. De asymmetrische eenheid van het kristal omvat één eiwitmolecuul en acht basenparen duplex-DNA. De SP-laesies worden weergegeven in magenta en worden aangegeven met pijlen. (C) De volgorde van het SP-bevattende DNA dat voor dit onderzoek is gebruikt, wordt weergegeven met het nummeringsschema. De thymines die betrokken zijn bij de SP-laesie worden aangeduid als ‘t’. Dezelfde sequentie zonder de SP-laesie werd ook gekristalliseerd en geanalyseerd.

    De SP-laesie veroorzaakt structurele veranderingen in het DNA. (een) De F OF C elektronendichtheidskaart (groen gaas) wordt getoond voorafgaand aan opname van de SP en complementaire adenines in het structurele model met een contour van 2,5σ, waarbij het uiteindelijke verfijnde model voor de laesie wordt weergegeven als een stokmodel. De elektronendichtheid voor de covalente binding tussen de thymines is duidelijk zichtbaar. (B) Stick-weergaven van negen basenparen worden in stereo weergegeven voor het SP-bevattende duplex-DNA in groen, de SP-laesie in blauw en de niet-SP-bevattende DNA-duplex in magenta. De eerste drie basenparen binnen elke structuur superponeren goed. Afwijkingen in de twee structuren zijn dan duidelijk buiten deze eerste basenparen. De ruwe positionering van een spline door de fosfodiester-ruggengraat wordt aangegeven door rode lijnen voor de SP-bevattende duplex en door een oranje lijn voor de niet-SP-bevattende duplex. In deze weergave is de significante verwijding van de kleine groef van het SP-bevattende DNA duidelijk. (C). Stick-weergaven worden in stereo weergegeven voor de basenparen (groen) tussen de twee SP-laesies (blauw) binnen onze 16𠁛p oligonucleotide gesuperponeerd op het equivalente gebied van de structuur van een enkele SP-laesie (oranje) gevonden in een oligonucleotide gecomplexeerd met B. stearothermophilus DNA-polymerase I. De tweede SP-laesie in onze structuur (niet getoond) zou op de streng zijn die complementair is aan die met A8 en T9.

    3.2. Spiraalvormige parameters  

    De helixparameters en lokale basenpaargeometrieën van de 16 basenparen SP-bevattende en niet-SP-bevattende DNA-sequenties werden berekend met behulp van 3DNA (Colasanti et al., 2013 ▶ Lu & Olson, 2003 ▶, 2008 ▶). De structurele parameters die verband houden met de SP-structuur kunnen worden beïnvloed door de nabijheid van de twee SP-laesies, die zich binnen twee basenparen van elkaar bevinden.De basenparen direct naast de SP-laesies lijken qua structuur echter sterk op die gevonden in de structuur die is gerapporteerd voor een enkele SP-laesiebevattende structuur in een complex met B. stearothermophilus DNA-polymerase I (Fig. 2 ▶ C). In het bijzonder is het basenpaar direct grenzend aan de laesie, waar beide structuren een purine bevatten in de positie die equivalent is aan A8, bijna identiek in de twee structuren. In het volgende basenpaar heeft de enkele SP-laesiestructuur een purine in de positie die equivalent is aan T9, maar is structureel nog steeds vrij gelijkaardig. De nabijheid van de twee laesies in onze structuur lijkt dus geen structurele veranderingen te veroorzaken die significant verschillen van die veroorzaakt door een enkele laesie.

    Beide structuren behouden een rechtshandige DNA-conformatie met continue base-stapeling en hebben gemiddelde spiraalvormige wendingen van 34,56° en 33,98°, wat overeenkomt met respectievelijk 10,4 en 10,6𠁛p per draai. De schroeflijnvormige twist als functie van basenparen verschilt echter in de twee structuren, zoals weergegeven in Fig. 3 ▶ (een). Een uitgesproken afwikkeling wordt waargenomen bij de t6t7-dinucleotidestap (zie Fig. 1 ▶ voor het nummeringsschema) in het gebied van de sporenfotoproductlaesie, waar het DNA afwikkelt met een hoek van 𢄤.4° vergeleken met de niet-SP-structuur. De drie dinucleotide-stappen die volgen op t6t7 tonen echter overwinding van het DNA, met waarden variërend van 0,68° tot 7,6°. Gezamenlijk zijn deze veranderingen verantwoordelijk voor de accommodatie van de spore-fotoproductlaesie in het dubbel-helix-DNA, terwijl de Watson'x02013Crick-basenparing behouden blijft. Globale spiraalvormige twistwaarden voor de niet-SP-structuur wijken significant af van die van de SP-structuur voor dinucleotidestappen C3C4 en C4G5, met waarden van respectievelijk 24.63° en 39.66° vergeleken met respectievelijk 35.10° en 34.64° . Deze twee stappen zijn dus effectief respectievelijk onder- en overwikkeld in de niet-SP-structuur in vergelijking met de SP-structuur.

    Vergelijkende analyse van spiraalvormige twist en kleine groefbreedte in SP-bevattende en niet-SP-bevattende DNA-structuren. (een) De verandering in spiraalvormige twist voor niet-SP-bevattend (zwarte driehoeken) en SP-bevattend DNA (zwarte vierkanten) worden uitgezet met betrekking tot basenparen. (B) De breedte van kleine groeven wordt weergegeven in de afwezigheid (zwarte driehoeken) en aanwezigheid (zwarte vierkanten) van de spore-fotoproductlaesie die is uitgezet voor dinucleotidestappen (basen 5�).

    De structuur van het niet-SP-DNA is overal B-vorm, terwijl die van het spore-fotoproduct drie verschillende gebieden in de DNA-structuur vertoont: het bovenste en het onderste derde deel nemen een B-vorm aan, terwijl de centrale dinucleotidestappen inclusief de twee sporenfotoproducten en tussenliggende basenparen vormen een soort tussenstructuur die aanzienlijk afwijkt van B-૟orm. Het centrale gebied omvat de dinucleotidestappen tt/AA, tA/TA, AT/AT, TA/tA en AA/tt (B6�/G6–G11). De waarden van Zp voor deze dinucleotide stappen samen met spiraalvormige helling en x verplaatsing, dimeerstap, rol en schuif aanzienlijk afwijken van die gevonden in standaard DNA-conformaties. De Zp- en lokale basenpaarparameters van het SP-bevattende en niet-SP-bevattende DNA staan ​​vermeld in Tabel'x000a02 'x025b6'. Een significant effect van de sporenfotoproductlaesie wordt ook waargenomen op de kleine groefbreedte van het DNA. Bij het vergelijken van de kleine groefbreedte van het SP-bevattende DNA met de niet-SP-vorm, is het duidelijk dat er een significante verwijding van de kleine groef is (Fig. 3 ▶ B): de breedte van de kleine groef neemt toe van 9,7 Å in het niet-SP-DNA tot 12,5 Å in het SP-bevattende DNA. De verwijde groef is het resultaat van veranderingen in lokale basenpaarparameters als gevolg van de aanwezigheid van het sporenfotoproduct, waarin de twee thymines covalent aan elkaar zijn gekoppeld. De grote groefbreedtes in de SP- en niet-SP-structuren zijn vergelijkbaar, met verschillen van minder dan 1 Å.

    Tafel 2

    Lokale basenpaarparameters.

    Het meest opvallende kenmerk van de niet-SP-structuur is dat deze een zeer smalle kleine groef heeft, variërend van 9,7 tot 10,4 Å, geassocieerd met de centrale TTATAA-reeks. In dit opzicht verschilt het van andere AT-rijke sequenties die we hebben gekristalliseerd en geanalyseerd, waarbij de AATT-plaatsen werden gescheiden door een centraal GC-paar (Glass et al., 2009 ▶ Goodwin et al., 2005 ▶, 2006 ▶). In deze structuren was de groefbreedte erg smal aan het 5′-uiteinde van de AATT-reeks en aanzienlijk verbreed naar het centrale GC-paar.

    3.3. Base-paar parameters  

    De variaties in de helixparameters en de groefbreedten van het SP-bevattende DNA van die van de niet-SP-vorm zijn het resultaat van het effect van variaties in de lokale basenpaarstapparameters en individuele basen als reactie op de aanwezigheid van het sporenfotoproduct. Het SP-bevattende DNA suggereert significante veranderingen in de lokale basenpaarstapparameters van de t6t7-dinucleotidestap van de sporenfotoproductlaesie. De kantel- en draaibewegingen voor de t6t7 nemen af ​​van respectievelijk 1.84° tot 𢄦.96° en van 35.79° tot 25.49°. Er is een significante toename van de waarde van de rol van 𢄣.60° in het niet-SP-bevattende DNA tot 17,52° in het SP-bevattende DNA (tabelਂ ▶ ). Een significante vermindering wordt ook waargenomen in het geval van: x verplaatsing (𢄠.58° tot 𢄥.49°) en globale spiraalvormige twist (36.01° tot 31.61°) bij t6t7. De afname in kantelen en draaien en de verminderde x verplaatsing vergeleken met de twee aangrenzende basisstappen resulteert in een verwijding van de kleine groef. De verminderde kanteling van de basen ten opzichte van de helix-as resulteert ook in een propellerachtige draaiing van het basenpaar, waardoor de waarde verandert van �.27° in het niet-SP-bevattende DNA in �.76° in het SP-bevattende DNA.

    Significante veranderingen worden ook waargenomen in de waterstofbindingsafstanden van de basenparen die betrokken zijn bij de vorming van de SP-laesie. t6 en t7 in het niet-SP DNA hebben O4–N6 waterstofbruggen van respectievelijk 3,31 en 3,15 Å, vergeleken met 2,76 en 2,84 Å in het SP DNA (Fig. 4 ▶ een). Dit suggereert dat het niet-SP-DNA één lange waterstofbinding heeft binnen het A–T-paar, terwijl het overeenkomstige A–t-paar meer conventionele waterstofbindingsafstanden heeft. De structuur suggereert dus dat de waterstofbindingen tussen basen naar verwachting iets sterker zijn in het SP-bevattende gebied. Dit wordt verder ondersteund door de verminderde kanteling, wat resulteert in een significante draaiing in het SP-laesiegebied. de genormaliseerde B factoren voor het SP-bevattende gebied of het equivalente gebied van de niet-SP-structuur lagen binnen 15% van het gemiddelde B factor en waren qua patroon vergelijkbaar. De aanwezigheid van de SP-laesie lijkt dus geen directe invloed te hebben op de dynamiek van de structuur zoals beoordeeld door de B factoren.

    Vergelijking van TT� basenparen in SP-bevattende en niet-SP-bevattende structuren. (een) Stick-weergaven van gesuperponeerde niet-SP TT� (paars) en SP tt� dinucleotide-stappen worden getoond. De waterstofbindingsafstanden worden getoond voor N6 van A11 en O4 van T6 voor beide basenparen in de dinucleotidestap. Voor de niet-SP-bevattende structuur is deze waterstofbinding erg lang op 3,31 'x000c5, terwijl deze in de SP-bevattende structuur 2,76 Å is. De waterstofbruggen tussen dezelfde atomen in A10 en T7 lijken erg op elkaar. (B) Stick-weergaven van de SP-bevattende dinucleotide-stap in dit werk (C, groen N, blauw O, rood P, oranje) en een nabootsing zonder het verbindende fosfaat gecomplexeerd met B. stearothermophilus DNA-polymerase I (Heil et al., 2011 ▶ roze) worden over elkaar heen weergegeven. De structuren lijken erg op elkaar ondanks het feit dat de mimiek het verbindende fosfaat mist. Waterstofbindingsafstanden worden getoond voor beide basenparen van de SP-structuur en duiden op sterke waterstofbinding van de SP-laesie aan complementaire adenines.

    Om te bepalen of het verlies van aromaticiteit de stabiliteit van base stacking voor t6 beïnvloedt, hebben we het contactgebied tussen t6 en G5 of t7 geanalyseerd en dit gebied vergeleken met dat in de niet-SP-bevattende structuur tussen T6 en G6 of T7 met behulp van NATOEGANG (Hubbard & Thornton, 1993 ▶). De contactgebieden tussen t6 en G5 of T6 en G5 waren zeer vergelijkbaar in de twee structuren. Het berekende contactoppervlak voor t6 en t7 was echter iets groter dan voor T6 en T7 (76 versus 67 Å 2 ), wat suggereert dat verlies van aromaticiteit geen negatieve invloed heeft op base stacking in de SP-laesie.

    3.4. Hoofdketting en χ torsiehoeken  

    Het standaard B-vorm DNA heeft glycosidische torsiehoeken (χ) in de anti conformatie. Zowel het niet-SP-bevattende als het SP-bevattende DNA hebben χ hoeken in de anti exterieur behalve G13 (− 86.1°, syn) in het SP-DNA. De verandering in de hoek van χ van �.9° naar �.8° op t6 en van �.9° naar �.9° op t7 in het SP-DNA weerspiegelt de structurele verandering die nodig is om de spore-fotoproductlaesie te accommoderen. De torsiehoek van de ruggengraat β ervaart de grootste afwijking in het gebied van de laesie van het sporenfotoproduct, afnemend van 173,1° tot �.5° op t6, terwijl het licht toeneemt van �.6° tot 174,5& #x000b0 op t7.


    Biologie en pathologische associaties van de menselijke papillomavirussen: een overzicht

    Historische onderzoeken naar het papillomavirus van katoenstaartkonijnkonijnen hebben vroege aanwijzingen opgeleverd voor een oncogeen virus met DNA van zoogdieren. Tegenwoordig herkent moleculair klonen talrijke dierlijke en menselijke papillomavirussen (HPV's) en de ontwikkeling van in vitro transformatieassays heeft het oncologisch onderzoek naar HPV's geëscaleerd. Momenteel is hun detectie en typering in weefsels gewoonlijk door middel van Southern-blotting, in-situ hybridisatie en polymerasekettingreactiemethoden. Het complete papillomavirusvirion vormt een eiwitmantel (capside) die een circulair, dubbelstrengs DNA omgeeft, georganiseerd in coderende en niet-coderende gebieden. 8 vroege (E1-E8) open leesramen (ORF's) en 2 late (L1, L2) ORF's zijn geïdentificeerd in het coderende gebied van alle papillomavirussen. De vroege ORF's coderen voor eiwitten die een interactie aangaan met het gastheergenoom om nieuw viraal DNA te produceren, terwijl late ORF's alleen worden geactiveerd na virale DNA-replicatie en coderen voor virale capside-eiwitten. Alle papillomavirussen zijn verplichte intranucleaire organismen met een specifiek tropisme voor keratinocyten. Drie mogelijke gebeurtenissen kunnen volgen op het binnendringen van papillomavirussen in cellen: (1) viraal DNA wordt gehandhaafd als intranucleaire, extrachromosomale, circulaire DNA-episomen, die synchroon repliceren met de gastheercel, waardoor een latente infectie ontstaat (2) conversie van latente naar productieve infectie met assemblage van complete infectieuze virions (3) integratie van viraal DNA in het cellulaire genoom van de gastheer, een fenomeen dat wordt gezien bij HPV-infecties geassocieerd met kwaadaardige transformatie. Humane papillomavirussen (HPV's) veroorzaken in wezen huid- en mucosale epitheliale laesies. Van verschillende huidwratten is bekend dat ze HPV-geassocieerd zijn (HPV's 1, 2, 3, 7 en 10). Naast HPV's 3 en 10 zijn HPV's 5, 8, 17 en 20 hersteld van Epidermodysplasia verruciformis-laesies. Anogenitaal condyloma acuminatum, sterk verbonden met HPV's 6 en 11, is waarschijnlijk seksueel overdraagbaar. Dezelfde HPV's, aantoonbaar in terugkerende juveniele larynx papillomen, worden waarschijnlijk overgedragen door passage door een geïnfecteerd geboortekanaal. HPV's beschreven in baarmoederhalslaesies worden over het algemeen onderverdeeld in die geassocieerd met hoog (16, 18), gemiddeld (31, 33, 35, 39, 45, 51, 52, 56, 58, 59, 68) en laag (6, 11 , 26, 40, 42, 43, 44, 53, 54, 55, 62, 66) risico op cervicaal plaveiselcarcinoom. Cervicaal adenocarcinoom, heldercellig carcinoom en kleincellig neuro-endocrien carcinoom zijn ook in verband gebracht met HPV's, met name HPV18. Andere laesies die met HPV geassocieerd zijn, zijn: papillomen, dysplasie en carcinomen in de neusholte (HPV 6, 11, 57) squameus papilloma, condyloma acuminatum en verruca vulgaris van de mondholte (HPV 6, 11), oraal focaal epitheel hyperplasie (HPV 13, 32) wratachtige liplaesies (HPV 2): en conjunctivale papillomen (HPV 6, 11).


    De chemische biologie van DNA-schade

    Nicholas E. Geacintov is hoogleraar scheikunde en voormalig voorzitter van de afdeling scheikunde aan de New York University (NYU), VS. Hij behaalde zijn doctoraat in fysische chemie en polymeerchemie aan de State University of New York College of Forestry aan de Syracuse University, en bracht het grootste deel van zijn carrière door aan de NYU. Zijn huidige onderzoeksinteresses zijn gericht op de mechanismen van chemische carcinogenese en oxidatief gegenereerde DNA-schade, met name de relaties tussen de structurele kenmerken van DNA-laesies en hun impact op DNA-herstel en -replicatie. Hij heeft meer dan 350 artikelen gepubliceerd en is momenteel lid van de redactieraad van het Journal of Biological Chemistry.

    Suse Broyde is hoogleraar biologie en aangesloten hoogleraar scheikunde aan de New York University, VS. Haar onderzoeksinteresses zijn gericht op computermodellering van DNA-laesies, met als doel het ophelderen van de moleculaire oorsprong van hun mutagene en tumorverwekkende eigenschappen. Ze is gepromoveerd in fysische chemie met een minor in natuurkunde aan het Polytechnic Institute of New York, en heeft meer dan 160 artikelen gepubliceerd in peer-reviewed tijdschriften. Ze was lid van de Editorial Advisory Board of Chemical Research in Toxicology.


    Bekijk de video: DO NOT USE That DNA Test You Got For Christmas! (December 2021).