Oprava DNA: Porovnání verzí

Přidáno 25 bajtů ,  před 1 rokem
m
překlepy, pravopis
m (Překlad části textu, potřeba dopsat zdroje.)
m (překlepy, pravopis)
 
== Poškození DNA ==
K poškozením patří různé [[genové mutace]], [[chromozómová mutace|chromozomové aberace]] či dokonce [[genomová mutace|genomové mutace]]. Výše zmíněná buněčná obměna vede k molekulárním lézím uvnitř buněk v rozsahu 10,000 až jeden milión za den. Nespravované léze u důležitých genů jako jsou [[Tumor supresorový gen|tumor supresorové geny]], vede k navýšenému riziku výskytu rakoviny. Většina narušení DNA ovlivňuje primární strukturu dvoušroubovice, to znamená upravení samotných bazíbází chemickými procesy. Tyto modifikace mohou narušit obecnou šroubovitou strukturu, začleňováním cizích chemických vazeb, které nepasují do standartníhostandardního modelu dvojité šroubovice. DNA obvykle narozdílna rozdíl od proteinů a RNA postrádá terciálníterciární [[biomolekulární strukturu]] a s tím spojené vlastnosti, takže se u DNA nevyskytují poškození na této úrovni. DNA má (u eukaryot) specifickou vlastnost se vinout ([[nadšroubovicové vinutí]]) a obmotávat kolem nashromážděných skupin bílkovin, nazývaných [[Histon|histony]]. U eukarytických buněk jsou tyto struktury nazývány [[Nukleozom|nukleozomy]], ty samotné jsou také citlivé na poruchy v DNA. Harper dělí poškození DNA následovně:<ref>{{citace monografie| titul = Harper’s Illustrated Biochemistry; twenty-sixth edition| autor = Robert K. Murray; Daryl K. Granner; Joe C. Davis; Peter A. Mayes; Victor W. Rodwell| isbn = 0-07-138901-6| rok=2003}}</ref>
[[Soubor:Dna repair base excersion de.svg|náhled|200x245pixelů|Proces vyjmutí báze z dvoušroubovice DNA, při aktivování mechanismů opravy DNA.]]
* ''<big>změna jediné [[nukleová báze|báze]]</big>'':
# UV - A záření způsobuje zejména volné radikály, tento způsob je nazýván ''nepřímé poškození DNA''.
# Ionizujícího záření (například i z [[Kosmické záření|kosmického záření]]) láme trojrozměnrou prostorovou konfiguraci DNA. Může ve velké míře způsobit i nenávratné škody, které již nelze opravit.
# Tepelné narušení, vlivem navýšené teploty zvyšuje míru depurinace. To může vést k přetržení vláken dvoušroubovice. U termofilních bakterií je možno sledovat hydrolitickou depurinaci. Jsou to bakterie, které rostou v horkých pramenech v teplotách 40 - 80°C. Míra depurinace (300 purinových zbytků v genomu jedné generace) je příliš vysoká, tak že nemůže být napravována běžnými mechanismy. Na to se u těchto bakterií vyvijívyvíjí adaptace odpovídající okolnímu prostředí.
# Průmyslové chemikálie s negativním vlivem na dvoušroubovici deoxyribonukleové kyseliny je [[vinylchlorid]], nebo také [[peroxid vodíku]] ve velkém množství, způsobující alkylaci bází a neblahé křížové propojování v DNA.
 
Poškození UV zářením, alkylace/[[Methylace DNA|metylace]] , narušení rentgenovým zářením a oxidativní poškození jsou příklady indukované, kumulativní škody. SpontanníSpontánní poškození zahrnuje ztrátu báze, deaminaci, svráštěnésvraštěné prstencové formace sacharidů, tautomerní posun.
 
== Oprava DNA během replikace ==
 
== Oprava DNA mimo období replikace ==
Jednotlivé buňky nemohou správně fungovat při narušené DNA a tím pádem kompromitované integrity a dostupnosti informací genomu (i když buňky mohou být funkční i při poškození, nebo přímo postrádání genů, které nejsou eseciálněesenciálně důležité). Podle typu poškození ohrožujícího dvoušrobovici DNA, se evolučně vyvinuly opravné mechanismy na rekonstrukci a obnovení ztracených informací. Pokud je to možné, buňky použijí nemodifikované komplementární vlákna DNA, nebo sousední chromatidu jako vzor k napravení škod originální informace. Bez přístupu k předloze, buňky využijí metody náchylné k chybám a to, translační syntézy jako poslední zásobu snahy o nápravu. Jakékoliv poškození DNA, narušuje originální prostorovou konfiguraci vlákna šroubovice, což buňka dokáže detekovat. Jakmile je lokalizováno poškození, konkrétní molekuly na opravu DNA se přichytí v blízkosti místa poškození. Tím napomáhají lokalizovat a přichytit se k místu dalším molekulám. Za probíhajících [[Molekulové interakce|molekulových interakcí]], dohromady vytvoří komplex, který teprve aktivně opravuje poškozené místo v určité prostorové konfiguraci.
 
Každá učebnice pojímá klasifikaci opravných mechanismů jinak, tento je založen na knize Biochemistry od Donalda a Judith Voetových.<ref name="voet">{{citace monografie| příjmení = Voet | jméno=Donald |příjmení2= Voet |jméno2=Judith | titul = Biochemie | vydání = 1. | vydavatel=Victoria Publishing| místo=Praha| rok= 1995| isbn= 80-85605-44-9}}</ref>
Rekombinační (protože připomíná [[crossing-over|rekombinaci]]) nebo také postreplikační typ oprav spočívá v tom, že pyrimidinové dimery vzniklé účinkem UV záření, jako je dimer thyminový, působí vážné potíže při [[replikace DNA|replikaci DNA]]. Pokud DNA polymeráza replikující genom dojde na místo, kde je např. thyminový dimer, přeruší zde polymeraci a toto místo přeskočí. Taková mezera však musí být zacelena, a to nejlépe podle vzoru v podobě druhého rodičovského vlákna, které již mezi tím bylo replikováno. U ''[[Escherichia coli|E. coli]]'' toto zajišťuje nukleáza [[RecA]], která vystřihne odpovídající část DNA z rodičovského vlákna a přesune ho na druhou část [[replikační vidlice]], kde se řetězec zabuduje do dceřiného vlákna.<ref name="voet" />
 
Velmi nebezpečným případem, je když dojde k poškození oddělení obou vláken DNA. Takový případ může vést k reorganizaci genomu. V nejhorších případech se jedná o nevrstnénevratné poškození z toho důvodu, že ani jedno vlákno nemůže sloužit jako předloha. Buňka následně zemře při příští mitóze, nebo v ojedinělých případech dojde k mutaci. Existují tři mechanismy na opravu oddělení obou vláken (DSBs), ty mají zkratky: ('''''NHEJ'''''), ('''''MMEJ''''') a '''''homologní rekombinace'''''. V prostředí in vitro, se u buněk savců obejvilobjevil MMEJ na úrovních 10 - 20 % oproti HR, když byly oba mechanismy HR a NHEJ také dostupné.
 
Při mechanismu s NHEJ se vytvoří komplex z specializované DNA ligázy (DNA ligáza IV) s kofaktorem XRCC4, který se připojí na oba konce. Aby bylo docíleno přesné opravy NHEJ spoléhá na krátké homologního sekvence, mikrohomologního charakteru. Ty jsou přítomné na konečných částech jednoho vlákna DNA, k následnému spojení. Když jsou tyto dva převisy kompatibilní dojde k přesné opravě. Během opravy s NHEJ se může během vyskyznoutvyskytnout i mutace. Ztráta poškozených nukleotidů u narušené prostorové konfigurace může vést k odstranění, nebo spojení nekompatibilních konců a vložení nesprávných sekvencí, či translokaci. NHEJ je obzvláště důležitý před tím, než buňka replikovujereplikuje svou DNA, protože není žádná dostupná předloha pro opravu způsobem HR. U vyšších eukaryot existují i "''záložní''" pochody NHEJ, kromě role pečovatele o genom je NHEJ potřeba pro spojování háčkovitých útvarů během opravy indukované [[V(D)J rekombinace|V(D)J rekombinací]]. Tento proces generuje velmi užitečnou rozmanitost na [[B-buněčný receptor|B-buněčném receptoru]] a [[T-buněčný receptor|T-buněčném receptoru]] v imunitním systému obratlovců.
 
Homologní rekombinace vyžaduje přítomnost identické, nebo použití téměř identické sekvence jako předlohu pro opravu poškozené části. Enzymatické procesy zodpovědné za průběh opravy jsou téměř stejné jako procesy probíhající při chromozomální cross-over během meiózy. Základem procesu je spravení poškozeného chromozomu za použití sousední chromatidy (přístupné v G2 po replikaci DNA), nebo využití homologní chromozomu jako vzoru. DSBs způsobí kolaps replikační vidlice a jsou následně opraveny rekombinací. Tyto DSBs jsou způsobené během procesu replikace, snahou o syntetizování s narušením na jednom vlákně, nebo nespravené léze.
MMEJ počíná odstraněním konce o krátkém rozsahu a to MRE11 nukleázou na obou koncích narušení lokalizovaných na obou vláknech, při tom se odhalí mikrohomologní oblasti. V dalších krocích je vyžadována  Poly (ADP-ribóza), polymeráza 1 (PARP1) na počáteční krok MMEJ. Dále je párování mikrohomologních oblastí následováno dodáním 1 (FEN1) na odstranění převislých částí. Navazuje dodání XRCC1-LIG3 na místo pro spojení konců DNA, vedoucí k získání neporušené DNA. MMEJ funguje vždy s odstraňováním, což z MMEJ dělá mutagenní způsob pro opravu DNA.
 
Extrémofilní organismus ''[[Deinococcus radiodurans]]''  oplývá obdivuhodnou schopností přežít ionizující radiaci poškozující DNA a další ničivé zdroje.  Alespoň dvě kopie genomu s náhodnými poškozeními na DNA se dokáží zformovat do fragmentů DNA, kde je vnitřní stavba DNA držená pohromadě tvorbou [[Vodíková vazba|vodíkových můstků]]. Částečně převislé fragmenty jsou následovně použity pro syntézu homologních oblastí přes ''D-loop'', nadále může pokračovat prodlužování, dokud nenalezne komplementární část vlákna. Ke konci průběhu se využije ''cross-over'' od homologní rekombinace závislé na RecA.
 
[[Topoizomeráza]] je aktivní v narušení týkajících se jednoho i dvou vláken za účelu změny stavu DNA [[Nadšroubovicové vinutí|nad-šroubovicovým]] vinutím, které je obzvláště běžné v oblastech v blízkosti otevřené replikační vidlice. Takové narušení není považováno za lézi na DNA, protože se jedná o přirozený mezikrok v biochemickém mechanismu topoizomerázy a jsou okamžitě napraveny enzymy, které je původně způsobily.
U bakteriálních buněk, silně poškozených různými způsoby, dojde k utlumení [[buněčné dělení|dělení]] a místo toho se posílí opravné mechanismy. Nukleáza [[RecA]] v tom případě aktivuje celou řadu proteinů podílejících se na SOS odpovědi. Jedná se však o značně nedokonalý proces, který slouží jako „''poslední záchrana''“, neboť při tomto procesu dochází k četným chybám.<ref name="voet" />
 
Konkrétně způsobem SOS odpovědi reaguje ''Escherichia coli'' a další bakterie, změnou v [[Exprese genu|expresi genů]], na výrazné poškození DNA. Zapojené jsou dva klíčové proteiny a to LexA a RecA. LexA je bílkovinýbílkovinný dimer, [[Transkripce (DNA)|transkripční]] [[Represe (genetika)|represor]] , který se váže na operační sekvence obecně nazývané SOS boxes. Je známo kolem 48 genů, včetně samotného LexA a RecA u ''E. coli, u'' kterých jsou transkripce regulovány genem LexA''.'' SOS odpovědodpověď je u bakterií široce rozšířená , ale u některých konkrétních kmenů chybí jako jsou například [[spirochéty]]. Obecnými spouštěči SOS odpovědi jsou v buňce oblasti DNA o jednom vláknu vycházející z replikační vidlice, při oddělení obou vláken od sebe. Oddělení obou vláken DNA je zaručené mechanismem za přítomnosti DNA [[Helikáza|helikázy]]. V počátečním kroku se bílkovina RecA naváže na ssDNA v reakci ATP hydrolýzy vedoucí k vytvoření RecA - ssDNA vláken. RecA - ssDNA vlákna aktivují auto[[Proteáza|proteázu]], která ultimátně vede k výstřihu LexA dimeru a také degradaci. Ztráta LexA represoru indukuje transkripci genů podílejících se na SOS, napomáhá další indukci signálů, inhibice a navýšuje úroveň množství proteinů v procesu řešení poškození.
 
V ''Escherichia coli'', jsou SOS boxy jsou složené z sekvence o přibližné délce 20 nukletidů (blízko [[Promotor (genetika)|promotoru]] s strukturou [[Palindrom|palindromu]]). V jiných třídách a kmenech se úseky SOS boxů velmi odlišují (jiné délky i složení sekvencí). Přesto se jedná o jedny z nejsilnějších signálů v genomu. Vysoký obsah informací v SOS boxes dovoluje vázání LexA na různé promotory, umožňuje načasování SOS odpovědi. Geny na opravu DNA jsou vyvolány na počátku mechanismů SOS odpovědi. Jako poslední záchranázáchranná možnost, jsou následně vypuštěny translační polymerázy náchylné k tvoření chyb, jako například UmuCD´2 (''DNA polymeráza'' V). K potřebnému snížení koncentrace jednovláknité DNA v buňce, dochází po opravení poškození na DNA, nebo obejití mezery za použití polymerázy a rekombinace. Tím se sníží i množství RecA vláken, vedoucí k snížení aktivity LexA dimeru, který způsoboval vystřihávání. LexA se ke konci naváže k SOS boxům v blízkosti promotoruůpromotorů a obnoví běžnou expresi genů.
 
== oprava DNA a stárnutí ==
 
=== Patologické účinky nedostatečné opravy DNA ===
U experimentálních zvířat s nedostatečnou opravou DNA způsobenou nedostatečným procesem spojeným s geny bylo zaznamenané snížení délky života a zvýšené riziko vzniku rakoviny. U laboratorních myší s deficitem v dominantním způsobu opravy NHEJ a také v údržbě mechanismů spojených s telomerami, bylo častejičastěji zaznamenáno onemocnění [[Lymfom|Lymfomem]] a infekcí, což jim zkracovalo délku života. Podobné změny byly u mýšímyší, které měly menší míru transkripčního proteinu, který uvolňuje DNA helikázu. Vyskytl se u nich předčasný nástup onemocnění souvisejících se stárnutím a s tím spojená kratší délka života. Deficit přítomný u NER, způsoboval u myší kratší délku života, bez navýšení míry mutací.
 
Pokud typ poškození DNA překročí míru, jakou je buňka schopna opravovat, kumulace chyb může v buňce ve výsledku způsobit stárnutí, rakovinu, nebo apoptózu. Zděděné nemoci spojené s poškozeným mechanismem opravy DNA, vedou k předčasnému stárnutí, zvýšené citlivosti na účinky [[Karcinogen|karcinogenů]] a zvýšenému riziku vzniku rakoviny. Na druhou stranu u organismů s zvýšenou mírou opravy DNA a s tím spojených mechanismů, jako napčíkladnapříklad u ''Deinococcus radiodurans'' se projevuje rostoucí rezistence na narušení obou vláken DNA. Kdy toto narušení může být způsobené radioaktivitou. Zvýšená rezistence je zapřičiněna navýšenou efektivitou procesů opravy DNA a především NHEJ.
 
=== Dlouhodobá a kalorická omezení ===
Bylo identifikováno několik konkrétních genů ovlivňujících různost v délce života v populaci organismů. Působení těchto genů je velmi závislé na okolním prostředí, konkrétně na složení stravy u jednotlivých organismů. Resktrické v příjmu kalorií, reprodukovatelně vede k prodloužené životnosti u různých druhů organismů. To například snížením [[Bazální metabolický výdej|bazálního metabolického výdeje]]. Nejsou plně známé pochody molekulárních mechanismů, které jsou způsobené restrikcí v příjmu kalorií. Nicméně pochody zapojených genů do opravy DNA se mění za podmínky omezení příjmu kalorií. U několika zapojených látek byly zaznamenány a prokázány účinky odvrácení stárnutí. Například tlumí konstitutivní hladinu mTOR, který signalizuje redukci metabolických reakcí. Souběžně snížujesnižuje konstitutivní úroveň počkozenípoškození DNA indukované reaktivními sloučeninami s kyslíkem, které jsou generované z vnějšího prostředí.
 
Například navýšení výskytu jednoho konkrétní genu v genomu (SIR-2), který reguluje obalování DNA v [[Háďátko obecné|háďátku obecném]]. Obecně háďatkuháďátku navýší délku života. Analogový gen (genu Sir-2) u savců indukuje faktory opravy DNA typu NHEJ. Restrikce kalorií byla spojena s mírou excitace opravy bází v nuklearnínukleární DNA hlodavců, nicméně podobné procesy nebyly pozorovány u [[mitochondriální DNA]].
 
Gen AGE-1 u háďátka obecného, dramaticky prodlužuje délku života pod podmínkami dodávaní různého typu stravy. Nicméně vede pod kalorickou restrikcí k snížení reproduknčníhoreprodukčního stavu zdraví. Tyto pozorování potvrzují teorii pleiotropie o biologickém původu procesu stárnutí. V podstatě odkazuje na to, že geny užitečné k přežití, budou v raném vývoji vybrány k aktivování u živého organismu i přesto, že v sobě souběžně nesou i znevýhodnění rozvijejícírozvíjející se až později během života.
 
== oprava DNA a rakovina ==