Kas ir DNS enzīmi?

Enzīmus ērti šķirot pēc tā, ko tie ar molekulu dara: attin, kopē, griež vai savieno. Šis dalījums ir vienkāršots, jo daudziem enzīmiem ir vairākas aktivitātes, taču tas palīdz saprast darba sadali.

Atsevišķi jāmin telomerāze, kas pagarina hromosomu galus. Lielākajā daļā pieaugušā cilvēka ķermeņa šūnu tā praktiski nedarbojas, bet aktīva tā ir dzimumšūnu priekštečos, cilmes šūnās un daudzās audzēja šūnās, kur tieši tā ļauj šūnām dalīties bez parastā ierobežojuma.

Pirms dalīšanās šūnai jāizgatavo pilna DNS kopija. Process sākas noteiktās vietās, kur helikāze atver spirāli un veidojas dakšveida struktūra. Tā kā attīšana rada savērpumu pārējā molekulā, topoizomerāze šo spriegumu noņem, uz brīdi pārgriežot ķēdi un pēc tam to savienojot.

Katra DNS polimerāze var pievienot nukleotīdus tikai vienā virzienā, un tai nepieciešams jau esošs sākuma gabaliņš. Tāpēc vispirms primāze izgatavo īsu RNS ievadu, un tikai tad polimerāze sāk darbu. Viena jaunā ķēde tiek sintezēta nepārtraukti, bet otra pa gabaliem, kurus pēc tam apstrādā un salīmē kopā.

1. Helikāze atver divkāršo spirāli un izveido replikācijas dakšu.
2. Topoizomerāze atbrīvo savērpumu priekšā esošajā molekulas daļā.
3. Primāze uzliek īsu RNS ievadu, no kura polimerāze var sākt.
4. DNS polimerāze pievieno nukleotīdus pēc parauga ķēdes, vienā pusē nepārtraukti, otrā pa fragmentiem.
5. RNS ievadi tiek noņemti, spraugas aizpildītas, un ligāze savieno fragmentus vienā veselā ķēdē.

Precizitāte rodas nevis no vienas, bet no trim cita citu papildinošām pārbaudēm. Pirmā ir pati polimerāze, kas nepareizu nukleotīdu pievieno reti, jo pareizā pāra ģeometrija tās aktīvajā centrā ieguļ daudz labāk. Otrā ir pašpārbaude: daudzām polimerāzēm ir papildu aktivitāte, kas tikko pievienoto nepareizo nukleotīdu izgriež un ļauj mēģināt vēlreiz.

Trešā pārbaude notiek pēc kopēšanas. Atsevišķa nesakritību labošanas sistēma atpazīst vietas, kur abas ķēdes viena otrai neatbilst, izgriež nepareizo posmu jaunajā ķēdē un aizpilda to no jauna. Tieši šīs sistēmas iedzimts defekts ir pamatā iedzimtam resnās zarnas un citu audzēju sindromam, ko sauc par Linča sindromu.

Bojājumu veidi ir dažādi, tāpēc arī labošanas ceļi ir vairāki. Atsevišķas izmainītas bāzes izgriež un aizvieto viens ceļš, plašākus bojājumus, kādus rada ultravioletais starojums, izgriež kopā ar apkārtējo posmu cits ceļš, bet abu ķēžu pārrāvumu labo pavisam citas olbaltumvielu komandas.

Abu ķēžu pārrāvums ir bīstamākais bojājuma veids, jo pazūd paraugs, pēc kura kopēt. To var salabot, izmantojot otru hromosomu kā paraugu, vai vienkārši savienojot galus kopā, kas ir ātrāk, bet neprecīzāk. Šo divu risinājumu līdzsvars lielā mērā nosaka, cik daudz mutāciju šūnā uzkrājas ar gadiem.

• Bāzu izgriešanas labošana: nomaina atsevišķas ķīmiski izmainītas bāzes.
• Nukleotīdu izgriešanas labošana: izņem posmu ap apjomīgu bojājumu, piemēram, pēc ultravioletā starojuma.
• Nesakritību labošana: izlabo kopēšanas laikā palikušās neatbilstības.
• Homologā rekombinācija: precīzi atjauno pārrāvumu pēc otras hromosomas parauga.
• Galu savienošana bez parauga: ātrs, bet neprecīzs risinājums abu ķēžu pārrāvumam.

Iedzimti labošanas enzīmu defekti izpaužas kā palielināts audzēju risks noteiktos orgānos vai kā paaugstināta jutība pret starojumu. Pigmentozā kseroderma ir stāvoklis, kurā traucēta ultravioletā starojuma radīto bojājumu labošana, un cilvēkam jau bērnībā saulē ātri attīstās ādas bojājumi. Linča sindroms saistīts ar nesakritību labošanas traucējumiem, bet atsevišķu rekombinācijas olbaltumvielu pārmaiņas ievērojami paaugstina krūts un olnīcu vēža risku.

Šādos gadījumos cilvēku konsultē klīniskais ģenētiķis, bet novērošanas plānu veido kopā ar onkologu un attiecīgās jomas speciālistiem. Ģimenes anamnēze ar vairākiem viena veida audzējiem jaunā vecumā ir iemesls par to runāt ar ģimenes ārstu un lūgt nosūtījumu ģenētiskai konsultācijai. Pašam sev ģenētiskus testus interpretēt nav ieteicams, jo atradums bez konteksta bieži maldina.

Polimerāzes ķēdes reakcija, uz kuru balstās liela daļa infekciju un ģenētiskās diagnostikas, kļuva iespējama tieši pateicoties karstumizturīgai DNS polimerāzei, kas iegūta no karstos avotos dzīvojošām baktērijām. Parasta polimerāze augstajā temperatūrā, kas vajadzīga ķēžu atdalīšanai, vienkārši sabojātos.

Restrikcijas enzīmi, kurus baktērijas izmanto, lai sagrieztu svešu DNS, ir gēnu inženierijas pamatinstruments, jo tie griež stingri noteiktās secībās. Ligāzes pēc tam savieno iegūtos fragmentus. Onkoloģijā savukārt izmanto pretēju pieeju: ja audzēja šūnām jau ir bojāts viens labošanas ceļš, medikaments var nobloķēt otru, un šūna iet bojā, kamēr veselas šūnas izdzīvo.

• Polimerāzes ķēdes reakcija: izmeklē infekcijas, ģenētiskas pārmaiņas un audzēju marķierus.
• Sekvencēšana: nolasa nukleotīdu secību, izmantojot polimerāzi kontrolētos apstākļos.
• Restrikcijas enzīmi un ligāzes: sagriež un savieno DNS fragmentus gēnu inženierijā.
• Gēnu rediģēšanas sistēmas: precīzi ievada pārrāvumu izvēlētā vietā, un tālāk strādā šūnas pašas labošanas enzīmi.
• Tiesu medicīnas ekspertīze: DNS profila noteikšana no ļoti maza parauga daudzuma.

Visbiežākais pārpratums ir starp DNS un RNS enzīmiem. DNS polimerāze veido DNS pēc DNS parauga, RNS polimerāze veido RNS, nolasot gēnu, bet atgriezeniskā transkriptāze, kas sastopama dažiem vīrusiem, veido DNS pēc RNS parauga. Tie ir trīs dažādi enzīmi ar trim dažādiem uzdevumiem.

Otrs pārpratums ir domāt, ka enzīms un gēns ir viens un tas pats. Gēns ir instrukcija, enzīms ir pēc šīs instrukcijas izgatavots darba rīks. Ir arī nosaukumu neskaidrība: par dezoksiribozīmiem mēdz saukt mākslīgi veidotas DNS molekulas ar katalītiskām īpašībām, taču tās nav olbaltumvielu enzīmi un dabiskā cilvēka šūnā tādu nav.

Kopēšanas ātrums un precizitāte ir savstarpēji pretrunīgas prasības, un šūna tās nerisina ar vienu universālu enzīmu. Papildus galvenajām polimerāzēm ir arī tādas, kas speciāli paredzētas darbam gar bojātu vietu: tās kopē neprecīzi, bet ļauj replikācijai neapstāties. Šūna tādējādi apzināti pieņem dažas kļūdas, lai izvairītos no apstādinātas replikācijas dakšas, kas ir daudz bīstamāka.

Šis kompromiss izskaidro, kāpēc mutācijas nav tikai nelaime, bet arī neizbēgamas sistēmas blakusparādības. Tieši tāpēc šūnu dalīšanās kontrole un bojāto šūnu iznīcināšana ir tikpat svarīga aizsardzības līnija kā pati labošana.