Kas ir bāzu izgriešanas reparācija (BER)?

BER mērķis ir bojājumi, kas skar pašu bāzi, nevis DNS mugurkaulu vai spirāles formu. Tie rodas galvenokārt no trim procesiem: oksidēšanas, dezaminēšanas un alkilēšanas, kā arī no bāzu spontānas atdalīšanās.

Visplašāk pētītais piemērs ir oksidētais guanīns, ko apzīmē ar 8 okso guanīns. Tas ir mānīgs tieši tāpēc, ka izskatās gandrīz normāls, bet DNS kopēšanas laikā var savienoties ar adenīnu guanīna partnera citozīna vietā. Ja tas netiek izlabots, pēc divām dalīšanās reizēm rodas noturīga mutācija.

• Oksidētas bāzes, kas rodas no skābekļa radikāļiem šūnas vielmaiņā.
• Citozīna dezaminēšana par uracilu, kas notiek spontāni un bieži.
• Metilēta citozīna dezaminēšana par timīnu, kas ir grūtāk pamanāma.
• Alkilētas bāzes, ko rada gan vielmaiņas produkti, gan atsevišķas ķīmijterapijas zāles.
• Spontāni zaudētas bāzes, kas atstāj tukšu vietu spirālē.

Visu sāk DNS glikozilāze, ferments, kas patrulē gar spirāli un atpazīst konkrēta veida bojājumu. Tas izgriež bojāto bāzi, pārraujot saiti starp bāzi un dezoksiribozi, un atstāj tukšu vietu. Dažas glikozilāzes vienlaikus pārgriež arī mugurkaulu, citas šo darbu atstāj nākamajam fermentam.

Tālāk darbojas apurīna un apirimidīna endonukleāze, kas pārgriež DNS ķēdi tieši pie tukšās vietas. Tad DNS polimerāze bēta iztīra palikušo cukura un fosfāta gabalu un pievieno pareizo nukleotīdu, bet ligāze aizzīmogo pārrāvumu.

1. Glikozilāze atrod bojāto bāzi un izgriež to no pavediena.
2. Rodas tukša vieta, kurā bāzes nav, bet mugurkauls vēl ir vesels.
3. Endonukleāze pārgriež mugurkaulu tieši pie tukšās vietas.
4. Polimerāze noņem atlikušo cukura un fosfāta gabalu.
5. Polimerāze ievieto pareizo nukleotīdu pēc pretējā pavediena parauga.
6. Ligāze savieno ķēdes galus, un spirāle ir atjaunota.

BER pastāv divos variantos. Īsajā ceļā tiek nomainīts tikai viens nukleotīds, un tas ir biežāk izmantotais variants. Garajā ceļā polimerāze sintezē īsu jaunu gabalu, izbīdot veco kā atlokāmu galu, kuru pēc tam nogriež atsevišķs ferments.

Garais ceļš tiek izmantots tad, ja cukura atlieka ir ķīmiski izmainīta un polimerāze bēta to nespēj noņemt, vai ja šūna aktīvi dalās. Abi ceļi noslēdzas ar ligāzi, tikai izmanto dažādus fermentu komplektus.

Šis ir viens no skaistākajiem piemēriem, kā labošanas sistēma ietekmējusi pašas dzīvības ķīmiju. RNS satur uracilu, DNS timīnu, lai gan timīns ir tikai metilēts uracils un tā ražošana prasa papildu enerģiju.

Iemesls ir tiešs: citozīns spontāni zaudē aminogrupu un pārvēršas par uracilu. Ja uracils DNS būtu normāla sastāvdaļa, šūna nekādi nevarētu atšķirt, kurš uracils ir īsts un kurš ir bojāts citozīns. Tā kā DNS uracila nav, jebkurš atrastais uracils ir pierādījums bojājumam, un attiecīgā glikozilāze to nekavējoties izgriež.

Tieši tāpēc dabai bija izdevīgi timīnu ražot dārgāk. Šī izvēle ir viens no reti minētajiem piemēriem, kad molekulas uzbūvi nosaka nevis tās funkcija, bet gan kļūdu atklāšanas ērtums.

Šūnā vienlaikus darbojas vairākas neatkarīgas DNS labošanas sistēmas, un katra ir specializējusies uz savu bojājuma veidu. Sajaukt tās ir viegli, jo nosaukumi ir līdzīgi, taču to darbības princips atšķiras.

Vispilnīgāk aprakstītais piemērs ir MUTYH gēna iedzimti bojājumi. Šis gēns kodē glikozilāzi, kas izgriež adenīnu, kas kļūdaini savienojies ar oksidētu guanīnu. Ja abas gēna kopijas ir bojātas, resnajā zarnā ar laiku veidojas daudzi polipi, un vēža risks ievērojami pieaug. Slimība pārmantojas recesīvi, tāpēc ģimenes anamnēzē vecākiem tās var nebūt.

Citos gadījumos BER fermentu darbība ir pārāk laba, un tas kļūst par problēmu ārstēšanā. Vairākas ķīmijterapijas zāles darbojas, alkilējot DNS bāzes, un aktīva labošana audzēja šūnās mazina zāļu iedarbību. Tāpēc pētniecībā meklē veidus, kā audzējā šo sistēmu tieši nomākt.

Ar šiem jautājumiem strādā medicīnas ģenētiķis un onkologs. Ja ģimenē ir bijuši vairāki resnās zarnas vēža gadījumi jaunā vecumā vai ja cilvēkam kolonoskopijā atrasts liels polipu skaits, ir pamats ģenētiskai konsultācijai. Lēmumu par izmeklēšanu pieņem ārsts, izvērtējot ģimenes koku un atradi.

• Vairāki polipi resnajā zarnā, atrasti salīdzinoši jaunā vecumā.
• Resnās zarnas vēzis vairākiem ģimenes locekļiem vienā paaudzē.
• Vēža diagnoze neparasti jaunā vecumā bez citiem riska faktoriem.
• Zināms iedzimts DNS reparācijas defekts asinsradiniekiem.

BER laikā uz brīdi rodas vienpavediena pārrāvums, un tieši šādus pārrāvumus atpazīst PARP1 ferments, kas pēc tam pievelk labošanas olbaltumus. Šis mehānisms ir kļuvis par mūsdienu onkoloģijas praktisku instrumentu.

Ja PARP tiek nomākts, vienpavediena pārrāvumi paliek nesalaboti un kopēšanas laikā pārvēršas par divpavedienu pārrāvumiem. Vesela šūna tos salabo ar homologās rekombinācijas palīdzību, bet šūna, kurā bojāti BRCA gēni, to izdarīt nespēj un iet bojā. Tieši uz šo principu balstās PARP inhibitoru lietošana atsevišķos krūts, olnīcu, aizkuņģa dziedzera un prostatas vēža gadījumos.

Šis piemērs labi parāda, kāpēc pamatbioloģijas zināšanas noved pie ārstēšanas. Sākotnēji tika pētīts, kā šūna labo sīkus DNS bojājumus; praktiskais rezultāts ir zāļu grupa, kas izmanto audzēja šūnas labošanas vājumu pret to pašu.

Viens no mazāk zināmajiem atklājumiem ir tas, kā glikozilāze vispār atrod bojāto bāzi. Bojājums neatrodas virspusē, bet ir paslēpts spirāles iekšienē starp pārējām bāzēm. Ferments slīd gar DNS un ik pa brīdim mēģina izbīdīt bāzi ārā no spirāles; pareizi salikts pāris pretojas, bet bojātais padodas vieglāk. Atpazīšana tātad notiek nevis pēc izskata, bet pēc mehāniskas pretestības.

Otra praktiska nianse attiecas uz antioksidantiem. Tā kā daudzus BER labojamos bojājumus rada skābekļa radikāļi, varētu šķist, ka lielas antioksidantu devas genomu pasargātu. Pētījumi šo vienkāršo loģiku nav apstiprinājuši, un daļā gadījumu lielas devas izrādījās nevis noderīgas, bet kaitīgas. Iemesls ir tas, ka mērenas radikāļu koncentrācijas šūnai ir nepieciešamas signālu pārraidei. Genoma aizsardzība tāpēc balstās nevis uz papildu vielām, bet uz izvairīšanos no zināmiem bojātājiem, tostarp tabakas dūmiem un pārmērīgas saules apdeguma slodzes.