Reparační mechanismy nukleových kyselin

Z WikiSkript

Navzdory působení mnoha faktorů, které mohou mutovat DNA, si organismy vyvinuly způsoby, jak mutace v genetickém materiálu opravovat.

Opravné systémy jsou velmi komplexní procesy, na nichž se účastní přibližně 130 genů a podílí řada bílkovin s různou funkcí .

U člověka existuje minimálně 5 typů oprav DNA.

Přímá oprava[upravit | editovat zdroj]

  • u lidí méně častý způsob
  • vyskytuje se u nás několik genů, které se účastní mechanismu přímé opravy
  • z nich je nejlépe charakterizován gen, který kóduje DNA-methyltransferasu schopnou odstranit methyl-skupinu z nesprávně methylovaných guaninů
  • u bakterií existuje opravný mechanismus, závislý na viditelném světle – fotoreaktivace
  • ta opravuje dimery pyrimidinů (thyminů např.) produkované UV zářením
  • viditelné záření indukuje enzymy nazývané fotolyasy, které rozpoznají thyminové dimery, váží se na ně a štěpí kovalentní vazby, které se mezi nimi vytvořily za využití světelné energie

Excizní opravy[upravit | editovat zdroj]

  • excizní opravy jsou důležitou součástí procesu replikace
  • při vysoké rychlosti zařazování nukleotidů do nového řetězce je frekvence chybného zařazení bazí poměrně vysoká
  • jsou známy zejména dva hlavní typy excizních oprav

BER (base excision repair)

  • odstranění abnormální nebo chemicky modifikované baze
  • tento kontrolní systém opravuje velké množství nejběžnějších poškození DNA
  • oprava probíhá za účasti různých DNA-glykosylas, které jsou kódovány nejméně 8 geny
  • každá DNA-glykosylasa je odpovědná za identifikaci a odstranění specifické purinové nebo pyrimidinové baze
  • po odstranění baze štěpí endonukleasa (AP endonukleasa) a fosfodiesterasa vlákno DNA v pozici špatně zařazené baze a odstraní zbytek nukleotidu (curk-fosfát) za vzniku mezery
  • DNA-polymerasa pak nahradí chybějící baze podle originální struktury a DNA-ligasa spojí nový úsek DNA s původní DNA

NER (nucleotid excision repair)

  • odstranění větších úseků DNA
  • tento systém používá komplex jiných enzymů než systém BER
  • má schopnost opravovat větší úseky DNA i dimery pyrimidinů
  • excizní opravy poškozené DNA sestávají z následujících kroků
    • enzym DNA-endonukleasa rozpozná poškozené místo a označí jej (např. přeruší jeden řetězec DNA v sousedství poškození)
    • DNA-nukleasa odstraní označený nukleotid a také několik sousedních nukleotidů
    • následně enzym DNA-polymerasa doplní vzniklou mezeru, přičemž jako templát slouží nepoškozený řetězec DNA
    • reparační proces je ukončen spojením nově syntetizované DNA s původní DNA činností DNA-ligasy

Postreplikační oprava (homologní rekombinace)[upravit | editovat zdroj]

  • uplatní se zejména při nápravě zlomů obou řetězců DNA a je mnohem méně objasněný než excizní systémy
  • je realizován mechanismem, který je podobný genové konverzi
  • jedná se o homologní  rekombinaci, kdy se jedno vlákno homologního chromosomu spáruje a zrekombinuje a s poškozenou DNA
  • mezi lidské geny, které se účastní tohoto způsobu opravy patří gen NBS (gen mutovaný u Nijmegen breakage syndromu) nebo gen BLM (mutovaný u Bloomova syndromu) a geny BRCA1 a BRCA2

Mismatch repair[upravit | editovat zdroj]

  • systém opravuje chyby, které vzniknou v průběhu replikace DNA
  • enzymy jsou schopné identifikovat špatně zařazený nukleotid (mismatch) a označit ho nebo přímo opravit
  • důležité je, že systém dokáže rozlišit původní řetězec a správnou sekvenci nukleotidů a dceřinný řetězec s mutovanou sekvencí a nahradit nesprávný nukleotid podle originálu
  • systém byl nejprve objeven u bakterií (E. coli), kde je rozlišení umožněno porovnáním methylace obou řetězců
  • řetězce DNA obsahují palindromové sekvence GATC, ve kterých je adenin v templátovém řetězci methylovaný
  • v novém řetězci dochází k methylaci adeninu až po určité době
  • proteiny mismatch repairu jsou schopné rozpoznávat tyto semimethylované GATC sekvence a tak původní a nově syntetizovaný řetězec
  • u E. coli mismatch repair zajišťují produkty 4 genů – mutH, mutL, mutS a mutU
    • mutU je helikasa, mutS protein rozpoznává chybné párování, mutL spojuje komplex proteinů a mutH přeruší nemethylovaný řetězec (GATC specifická endonukleasa) v semimethylované sekvenci GATC po nebo proti proudu
    • nově syntetizovaný řetězec s chybnou bazí je vyštěpen mutD
    • excidovaný úsek může být dlouhý i tisíce bazí
    • jeho délka závisí na vzdálenosti nejbližší GATC sekvence od místa chybného párování
    • vyštěpený úsek je syntetizován DNA-polymerasou I a spojen ligasou
  • homology proteinů mutS a mutL byly prokázány i u člověka v souvislosti se studiem onkogeneze
  • geny, které je kódují, jsou označovány jako mutátorové geny, i když mutace nevyvolávají, ale opravují
  • mutace těchto genů znemožňují účinný mismatch repair
  • mutace vzniklé při replikaci a změny struktury DNA jsou bez opravy přenášeny do dalších generací buněk
  • kumulace mutací může vést až ke vzniku tumoru
  • mismatch repair geny člověka jsou označovány jako hMSH2, hMLHl, hMSl, hPMS2 a MSH6
  • mismatch repair je zřejmě univerzální ve všech buňkách s dvouřetězcovou DNA
  • u člověka germinální mutace mutátorových genů podmiňují vznik nepolyposního hereditárního karcinomu tlustého střeva (Lynchův syndrom I a II)


Všechny tyto systémy (s výjimkou přímé opravy) vyžadují spolupráci řady enzymů – exo, endo nukleas, helikas, polymeras a ligas.