Ugrás a tartalomhoz

Genetika és genomika

Falus András, László Valéria, Tóth Sára, Oberfrank Ferenc, Pap Erna, Dr. Szalai Csaba (2014)

Typotex Kiadó

DNS-hibajavítás (repair)

DNS-hibajavítás (repair)

Ha a DNS-ben vagy magukban a génekben ilyen sokféle módon jöhetnek létre mutációk, akkor az sem meglepő, hogy az evolúció során számos mechanizmus alakult ki az örökítőanyag épségének biztosítására, azaz a mutációk kivédésére, a keletkezett hibák kijavítására. E mechanizmusok összefoglaló neve a DNS-hibajavítás vagy repair.

A hibajavítási mechanizmusokat a szerint csoportosítják, hogy

  1. a mutációt okozó kémiai reakciót fordítja-e meg, ez a direkt repair vagy

  2. a hibás bázis/oka/t vágja-e ki, s helyettesíti jóval, ez az ún. excíziós (kivágásos) repair.

1.) A direkt repair legjobb példája az UV-sugárzás indukálta timin dimerek eltávolítása. Az elsősorban prokariótákra és néhány eukariótára (pl. élesztő) jellemző folyamat a fotoreaktiváció. Ennek során a látható fény energiájának felhasználásával a pirimidin bázisok között létrejött ciklobután gyűrű felhasad, s mivel a bázisok maradnak az eredeti helyükön, a korábbi szerkezet visszaáll.

Bár az UV-sugárzás az egyik leggyakoribb mutagén (gondoljunk csak az egyre növekvő ózonlyuk miatt a Föld felszínét egyre intenzívebben érő UV-sugárzásra), sajnálatos módon sok faj, közte az ember sem képes erre a fotoreaktivációs repairre. Vajon ez magyarázható az ember késői – azaz a védő ózonpajzs, s így a földfelszínt elérő kisebb mennyiségű UV-sugárzás megjelenését követő – evolúciójával?

A másik direkt hibajavítási mechanizmus az alkilált bázisok eltávolítására szolgál. Az O6-metilguanin metiltranszferáz enzim eltávolítja a guanin metilcsoportját úgy, hogy azt a saját aktív centrumában lévő ciszteinhez kapcsolja. Az ilyen jellegű enzimek mind a pro-, mind pedig az eukariótákban megtalálhatók.

2.) Az excíziós repair a direkt hibajavításnál sokkal gyakoribb. Három típusa van:

  1. bázis kivágásos

  2. nukleotid kivágásos

  3. mismatch (hibás illesztéses) hibajavítás

a) A bázis excíziós repair során az egyetlen hibásan beépült bázis kivágódik, majd a rést a DNS-polimeráz a megfelelő, immár jó bázissal betölti, az ép komplementerszálat használva templátként.

b) A nukleotid excíziós repair során nemcsak a mutált rész, pl. a timin dimer vágódik ki, hanem az azt megelőző és követő néhány másik nukleotid is, azaz egy rövidebb oligonukleotid. Ezután a hiányt a DNS-polimeráz betölti a sértetlen komplementerszál alapján, és a DNS-ligáz összeköti a régi és a kijavított szakaszt. E folyamathoz emberben 7 különböző gén terméke szükséges, melyek bármelyikének hibája az UV-sugárzás indukálta mutációk kijavíthatatlanságával jár. Ez jellemez néhány ritka örökletes betegséget, mint pl. a Cockayne-szindróma vagy a xeroderma pigmentosum. Ez utóbbi kórkép is jó példa a genetikai heterogenitásra, hiszen a különböző excíziós repair enzimek hibái ugyanolyan tüneteket eredményeznek.

c) A mismatch repair során a nem pontosan komplementer, azaz a kettős hélixbe nem pontosan illeszkedő bázis kerül felismerésre, majd eltávolításra. A DNS-replikáció során a nem jól beépített bázisok egy jó része még a szintézis során a DNS-polimeráz ún. proof-reading – korrektor, azaz betűhiba-felismerő – tulajdonságának (3’→5’ exonukleáz-aktivitás) köszönhetően felismerésre és eltávolításra kerül. Azokat, amelyek ezen a szűrőn átcsúsztak, javítja ki a mismatch repair több enzimből álló komplexe.

Míg a bakteriális mismatch hibajavítás viszonylag jól, addig az emberi kevésbé ismert. Annyit azonban tudunk, hogy az egyik gyakori örökletes vastagbélrák kapcsolatos a mismatch repairben részt vevő fehérjekomplex génjeinek néhány mutációjával. Vagyis nemcsak az egy meghatározott fehérjét kódoló gén sérülése, hanem a bármilyen génhibát kijavító mechanizmus sérülése is betegséghez vezethet.

Mind a direkt, mind pedig az excíziós repair a DNS-replikáció előtt történik, ezzel biztosítva, hogy lehetőleg csak hibátlan DNS-molekula kettőződjön meg. A sejtek azonban többszörös biztosítással működnek, így az előbbi két hibajavítás mechanizmus hibája esetén még két további, alternatív, replikáció utáni (posztreplikációs) javító mechanizmus állhat rendelkezésre. Az egyik a rekombinációs repair, a másik az ún. error-prone (hibagazdag) vagy SOS repair. A rekombinációs hibajavítás során a kijavítatlanul maradt mutáció, pl. timin dimer gátolja a DNS-szintézist, így a neki megfelelő helyen egy rés lesz az új szálon.

(A szintézis teljesen azért nem szakad meg, mert a DNS-polimeráz – mint az Okazaki fragmentumok esetében is – képes részletekben szintetizálni az új szálat.) A rés később az eredeti szállal rekombinálódva betöltődik, míg az eredeti szálon keletkezett rést a DNS-polimeráz és ligáz együttesen betöltik, lévén, hogy itt semmiféle a szintézist gátló hiba nem volt. Az egész mechanizmus lényege, hogy így lehetőség nyílik az eredeti hiba későbbi, a következő replikációt megelőző kijavítására.

A legnehezebben javítható mutációk az általában ionizáló sugárzás vagy oxidatív károsodás miatt létrejövő kétszálú DNS-törések (double stranded breaks), ugyanis ekkor – szemben az előző hibajavítási mechanizmusokkal – nem áll rendelkezésre egy templátként szolgáló szál, aminek alapján elvégezhető a korrekció. A kétszálú törések – lévén hogy szabad végeket generálnak – fokozzák a kromoszómák instabilitását, és ezzel szerkezeti kromoszóma-rendellenességek létrejöttéhez vezethetnek. Kijavításukra két mechanizmus szolgál:

  1. az ún. non-homologous end joining (NHEJ) = nem homológ végek egyesítése

  2. a homológ rekombináció

A NHEJ során egy speciális DNS-ligáz enzim egy kofaktor segítségével egyesíti a tört végeket. Ha a kétszálú törés területén a létrejött darabokon az egyik szál túlnyúlik, hosszabb, és mikrohomológ szakaszt is tartalmaz, a repair nagy valószínűséggel pontos. Ha a darabok végein a szálak egyforma hosszúak, nagyobb az esély nem összetartozó darabok egyesítésére, és ezáltal szerkezeti kromoszóma rendellenességre is.

A homológ rekombináción alapuló javítás vagy a homológ kromoszóma megfelelő szakaszát, vagy a sejtciklus G2 fázisában a már létrejött testvér kromatidát használja fel templátként a hibajavításhoz egy, a crossing over során használthoz hasonló enzimrendszer révén.

Az SOS hibajavítás vagy error-prone repair csak prokariótákban ismert (bár feltételeznek hasonló mechanizmusokat eukariótákban is), s csak olyan extrém esetekben működik, amikor a sejt túlélése a tét. Ha igen erős sugárzás vagy más mutagén tényező a DNS jelentős részét károsítja, akkor nincs idő a korábban említett precíz, ámde időigényes javító mechanizmusokra, hanem ha meglehetősen pontatlanul is, de vissza kell állítani a DNS épségét, elkerülve ezzel az azonnali sejthalált. Könnyen belátható, hogy ilyen mechanizmusra a többsejtű eukariótákban nincs szükség, hiszen ott egyetlen sejt pusztulása nem jelenti az élőlény halálát; a többi sejt átveszi a kiesett sejt funkcióját.

Természetesen a genom intaktságának megóvására nemcsak a különböző hibajavító mechanizmusok állnak rendelkezésre, hanem olyan inaktivációs rendszerek is, melyek a mutagén hatású anyagokat közömbösíteni, inaktiválni képesek. Ilyen az oxidatív és ezért mutagén szuperoxidokat elimináló peroxiszomális rendszer, amelyben a szuperoxid-dizmutáz a peroxidokat H2O2-vé alakítja, majd azt a kataláz bontja, s így neutralizálja.