Наука | 
3
4087

Роль спонтанных повреждений ДНК при старении

Молекула ДНК содержит информацию о строении и функционировании всего нашего организма, и нарушения ее структуры могут быть крайне опасны. Существует точка зрения, что основной причиной старения и возникновения онкологических заболеваний является накопление с возрастом генетических повреждений. Знание механизмов, приводящих к таким повреждениям, крайне необходимо практической медицине для того, чтобы облегчить поиск путей их лечения.

на сайте с 19 января 2009

Изменение структуры ДНК как причина старения

DNA image Причины и механизмы старения— одна из самых актуальных проблем современной биологии. Сегодня существует несколько альтернативных теорий о причинах и механизмах старения, которые, возможно, отчасти противоречат друг другу, а отчасти - дополняют. Некоторые ученые считают, что это – неизбежный процесс износа нашего организма, как сложного механизма, детали которого могут разрушаться со временем. Другие полагают, что старение связано с некой целенаправленной программой самоуничтожения. И, наконец, есть точка зрения, что основной причиной старения является накопление с возрастом генетических повреждений, которые могут быть как случайными (спонтанными), так и вызванными различными специализированными повреждающими факторами. Эти повреждения вызывают множественные нарушения в структуре ДНК, а также ускоряют появление таких признаков старения, как, к примеру, седина или раковые опухоли.
Спонтанные повреждения образуются, как правило, в ходе нормальных метаболических (обменных) процесcов, за счет естественного фона радиации и из-за перемещения по геному мобильных элементов. Они возникают самопроизвольно на протяжении всей жизни организма в нормальных для него условиях окружающей среды.

Образование активных форм килорода как побочных продуктов обмена веществ

Reaction of oxidative deamination


Частой причиной спонтанных мутаций оказывается воздействие активных форм кислорода (АФК) как побочных продуктов обмена веществ, особенно в процессе окислительного дезаминирования. Катализируя реакцию окислительного дезаминирования, моноаминоксидаза (МАО) способствует образованию высокореакционных соединений: альдегидов, аммиака и перекиси водорода, что приводит к инициации окислительного стресса в тканях (PubMed). Так, АФК атакуют основания ДНК по различным фрагментам их молекул.

Воздействие на структуру ДНК солнечного излучения

sun radiation Основной поток солнечных лучей задерживается в верхних слоях атмосферы озоновым экраном. Однако порой ультрафиолетового облучения оказывается достаточно, чтобы повредить ДНК. Чаще всего это происходит следующим образом. Квант света – фотон – может беспрепятственно пролететь сквозь клеточные мембраны и другие структуры, и, столкнувшись с ДНК, передать ей свою энергию. Когда эта энергия поглощается нуклеотидом, он переходит в возбужденное состояние. Последствия зависят от того, с каким именно нуклеотидом это произошло.

Основные типы повреждения ДНК

Types of DNA damage


На схеме показаны основные типы возможного повреждения ДНК. Это - одноцепочечные и двуцепочечные разрывы, химичекая модификация оснований (дезаминирование, гидроксилирование и др.), образование тиминовых димеров, сшивок ДНК-ДНК и ДНК-белок, а также возникновение АП-сайтов.

1. Разрывы углеводно-фосфатного остова ДНК

Single and double strand breaks Двуцепочечные разрывы (double strand breaks, DBS) – наиболее часто встречающиеся повреждения ДНК. Они могут вызываться ионизирующей радиацией и некоторыми химическими продуктами, а, кроме того, образуются на непродолжительное время в процессе мейоза (PubMed).
Также в ДНК всегда содержится некоторое количество однонитевых разрывов (single strand breaks, SBS) (PubMed), часть из которых создается самой клеткой с помощью ферментов (нуклеаз) при считывании генетической информации и выполнении других функций. Например, важнейший механизм удаления повреждений из молекулы ДНК, эксцизионная репарация, заключается в том, что участок дефектного кода вырезается и застраивается заново. Так что, по крайней мере, часть однонитевых разрывов — явление функциональное и легко обратимое. Однако увеличение их числа - настораживающий признак.
Клеточные системы восстановления повреждений не могут работать асолютно безошибочно, так что одно- и двунитевые разрывы ДНК, не являясь мутациями как таковыми, тем не менее могут иметь прямое отношение к возникновению грубых хромосомных перестроек (аберраций), злокачественному перерождению и гибели клеток.

2. Химическая модификация оснований. Образование тиминовых гликолей:


Воздействие радиации или АФК на пиримидины приводит к их окислению в положении С5–С6.
При взаимодействии АФК с тимином образуются изомеры 5,6-дигидрокситимина или тиминовые гликоли (Тг; 5,6-dihydroxythymine, Tg). Тиминовые гликоли блокируют репликацию, а также цитотоксичны.

Непланарное расположение заместителей при связи C5-C6 у тиминовых гликолей:

Interaction of Tg with surrounding bases. Остатки Тг большей частью блокируют синтез ДНК репликативными и репаративными ДНК-полимеразами (PubMed ). Данные рентгеноструктурного анализа свидетельствуют о том, что блокирование полимераз связано с нарушением конформации ДНК в активном центре за счет непланарного расположения заместителей при связи C5-C6 у измененного основания (PubMed).

2. Химическая модификация оснований. Гидроксилирование цитозина:

Hydroxylation of cytosine
Цитозин при взаимодействии с АФК и гидроперекисями образует цитозин, гидроксилированный в положении С5–С6 (PubMed), и другие продукты его окисления (цитозингликоль, 5-гидроксицитозин и др.).Он также может раскрывать двойные связи. У тканей, пораженных раковыми заболеваниями, уровень продуктов окисления цитозина в ДНК повышен (PubMed).

2. Химическая модификация оснований. Образование 8-оксо-2'-деоксигуанозина:

8-Oxo-2\'-deoxyguanosine formation
Среди продуктов окислительной модификации пуринов наибольшее внимание заслуживает 8-оксо-2'-деоксигуанозин (8-ОГ; 8-Oxo-2'-deoxyguanosine, 8-oxoG). Он обрзуется в результате окисления гуанина и приводит к ошибке копирования – замене гуанина на тимин в цепочке нуклеотидов.

Последствия образования 8-оксо-2'-деоксигуанозинового основания:

8-Oxo-2\'-deoxyguanosine mutation consequences Химическая модификация гуанина в 8-ОГ сохраняет способность к комплементарному спариванию во время репликации и транскрипции. Когда при репликации ДНК-полимеразе встречается 8-оксо-2'-деоксигуанозиновое основание, она ошибочно добавляет к синтезируемой цепочке аденин вместо цистеина. Это приводит к замене гуанина на тирозин в последующих цепочках ДНК.
Образование 8-ОГ происходит постоянно, однако значительно возрастает при различных патологических состояниях и может рассматриваться как маркер окислительного стресса (PubMed). Определение 8-ОГ в моче - неинвазивный метод оценки уровня окислительного стресса (PubMed).
Особенно опасно образование 8-ОГ для промотерных областей ДНК, где часто располагаются участки, богатые G-C парами. В связи с важностью промоторного участка, любая мутация в нем может привести к неправильному считыванию или невозможности транскрипции гена, что в свою очередь приводит к неправильному синтезу функционального белка. Кроме того, окисление гуанина в последовательности C-G ингибирует метилирование соседнего основания Cyt-метилтрансферазой человека (PubMed). При образовании 8-ОГ в последовательности узнавания наблюдается ингибирование связывания транскрипционных факторов AP-1 и Sp1 (Pubmed). Остатки 8-ОГ в ДНК ингибируют 3-5-экзонуклеазную активность WRN белка, дефицит которого ведет к проявлению синдрома Вернера, характерными признаками которого являются задержка роста, раннее появление седых волос, облысение, выпадение зубов, атрофия мышечной ткани и др. (PubMed). Окисление гуанина в ДНК повышает иммуногенность ДНК, что может иметь значение для развития ряда аутоиммунных заболеваний, сопровождающихся образованием антител к ДНК (системная красная волчанка, ревматоидный артрит и т.п.) (PubMed). Считается, что уровень 8-ОГ влияет на продолжительность жизни у млекопитающих и увеличивается с возрастом, а так же повышен у курильщиков и онкологических больных (PubMed).
Следует упомянуть и о том, что сам 8-ОГ может достаточно легко подвергаться дальнейшему окислению. При этом образуются несколько модифицированных оснований в зависимости от окислителя и условий реакции: 2,5-диамино-4H-имидазол-4-он, 2,2,4-триамино-1,3-оксазол-5(2H)- он, и др. (PubMed). Каждое из этих оснований в биологических системах имеет свои, на сегодняшний день слабо изученные свойства, и может также оказывать мутагенное и цитотоксическое действие.

2. Химическая модификация оснований. Дезаминирование азотистых оснований:

Deamination of cytosine


Под действием АФК может происходить дезаминирование азотистых оснований, в результате которого аминогруппа превращается в кетогруппу, например, трансформация цитозина в урацил. Дезаминирование гуанина и аденина приводит к появлению ксантина и гипоксантина в составе ДНК, обладающих мутагенным действием.

3. Образование ковалентных связей между основаниями ДНК. Образование тиминовых димеров:

TT-dimer Ультрафиолет разрушает связи в гетероциклических молекулах пиримидиновых азотистых оснований. Если при этом в последовательности ДНК два пиримидиновых нуклеотида находятся рядом, возможно образование ковалентных связей между их азотистыми основаниями. В результате этого появляется пиримидиновый димер. Могут образовываться тиминовые, цитозиновые и тимин-цитозиновые димеры. Наиболее распространенными являются тиминовые димеры (ТТ-димеры).
Пиримидиновые димеры препятствуют правильной работе ДНК-полимеразы, что приводит к возникновению точечных мутаций.

3. Образование ковалентных связей между основаниями ДНК. Образование пиримидин-(6-4)-пиримидоновых фотопродуктов:

Pyrimidine (6-4) pyrimidone photoproducts Помимо циклобутановых димеров воздействие ультрафиолета может вызывать формирование пиримидин-(6-4)-пиримидоновых фотопродуктов. В этом случае образуется связь между 6 и 4 атомами соседствующих пиримидиновых колец. Такие фотопродукты менее распространены, чем циклобутановые димеры, и чаще встречаются в последовательностях 5’-TC и 5’-CC (PubMed).

3. Образование ковалентных связей между основаниями ДНК. Образование межнитевых сшивок ДНК-ДНК:

DNA interstrand cross-link Ковалентные связи могут образовываться и между основаниями двух разных нитей ДНК, в результате чего формируются межнитевые сшивки ("crosslinking"). Это - редкий, но один из наиболее опасных типов повреждений. Количество межнитевых сшивок возрастает при облучении ультрафиолетом, а так же увеличивается в течение жизни. Считается, что увеличение числа сшивок с возрастом возникает из-за ухудшения эффективности работы механизмов репарации.
Соединения, вызывающие формирование сшивок, например, циклофосфамиды, используют в химиотерапии рака. Другой класс соединений, вызывающих поперечные сшивки, представляет псорален и его производные, которые используют для лечения раковых заболеваний и псориаза. Возникновение сшивок в структуре нуклеиновых кислот служит препятствием для нормального протекания процессов репликации, транскрипции. Если нарушение вовремя не репарируется, репликация прекращается и возможно наступление клеточной смерти. Опасность для репарации заключается в том, что блокируются обе цепочки двойной спирали, и невозможно использовать комплементарную нить. У пациентов, принимающих препараты на основе псоралена, наблюдаются признаки преждевременного старения кожи. Также лекарства, применяемые в химиотерапии, вызывают нарушения опорно-двигательного и сердечно-сосудистого аппаратов, зрения и других систем, возникающие, как правило, в более позднем возрасте (PubMed).

4. Образование ковалентных связей между основанием ДНК и белком

Topoisomerase and DNA cross-link Ковалентные связи могут образовываться также между ДНК и белком. Сшивки ДНК-белок возникают, например, при образовании топоизомеразой ковалентных связей с основаниями ДНК в ходе ее ферментативной деятельности (PubMed). Обычно эти связи кратковременны и обратимы. Однако иногда какие-либо факторы (например, ультрафиолетовое излучение) могут помешать разрушению установленной связи, и образуется устойчивое соединение топоизомераза-ДНК.
Иногда сшивки образуются между цепью ДНК и каким-либо белком хромосомы. Это может происходить при накоплении в ДНК большого количества разрывов.
Такие сшивки блокируют в данном локусе синтез ДНК и РНК, поскольку в обоих этих процессах требуется расхождение цепей ДНК.
С возрастом количество сшивок ДНК-белок, также как и 8-оксо-2'-деоксигуанозина, в ДНК возрастает (PubMed). 

5. Удаление пуриновых и пиримидиновых оснований из ДНК

AP-site Голландский ученый Т. Линдал в 1979 году обнаружил, что при некоторых типах повреждений пуриновых или пиримидиновых оснований ковалентная связь между основанием и сахаром (гликозидная связь) может рваться. Тогда в молекуле ДНК на месте этих оснований образуется брешь, названная АП-сайтом (AP site). Удаление пуриновых и пиримидиновых оснований бывает вызвано гидролизом или температурными воздействиями. Описаны ферменты, которые могут заполнять брешь таким же основанием, какое было до поражения, и соединять его с сахаром. Но невосстановленные АП-сайты опасны тем, что в ходе полуконсервативной репликации в дочернюю цепочку напротив них основания встраиваются по случайному принципу.

Заключение

DNA image Как мы видим, у молекулы ДНК "имеется масса возможностей" получить повреждения, и в течение жизни вероятность возникновения этих повреждений возрастает. Не секрет, что ДНК содержит информацию о строении и функционировании всего нашего организма, и ее повреждения могут быть крайне опасны. Конечно же, в клетке существуют механизмы их устранения (репарации), но они далеко не универсальны и эффективность их с возрастом снижается.
Как уже было сказано, нарушения структуры ДНК являются одной из причин старения и возникновения онкологических заболеваний. Именно поэтому задача науки состоит в том, чтобы найти способы снижения вероятности их возникновения и устранение возникших в ДНК изменений. Большие надежды в этом смысле возлагаются на такую область биологии, как генная инженерия, которой предстоит выработать способы защиты и восстановления нашей «самой главной молекулы».

Ссылки на статьи по данной теме

Комментарии

Оставить комментарий

Поделиться с друзьями

Share on Twitter