náhled|Porušení celých řetězců DNA na tomto obrázku vyústilo ve vady ve stavbě chromozomů Oprava DNA je označení pro jakýkoliv mechanismus, který je schopen v poškozeném řetězci DNA obnovit původní pořadí nukleotidů („písmen genetického kódu“ – jednotlivých bází). Takové poškození, které může být způsobené jednou nebo několika mutacemi, by jinak mohlo mít za následek poškození genetické informace buňky. Poruchy může mít někdy za následek např. rakovinné bujení. Opravy na DNA uchovávají v pořádku celý genom a nedegradovaný stav jednotlivých genů. U lidských buněk může být poškození způsobeno například vlivem radiace či i normálními metabolickými procesy. Přes průběh jediného dne je předpokládané množství jednotlivých molekulárních lézí až 1 milión. Mnoho těchto rozkladů může mít za následek i narušení struktury molekul DNA. Porušením může nastat částečné, nebo úplné zamezení schopnosti transkripce segmentů genů ve výsledku degradující celý proces kódování sahající svým rozsahem až i po mechanismy genové exprese. Dalším vyskytujícím se nebezpečím jsou nechtěné mutace v genomu buněk (dědičné informaci), následně přenesené na dceřiné buňky po procesu mitózy. Mechanismy opravující DNA jsou v organismu neustále aktivní, jak reagují na poškození ve struktuře DNA a náhodně se opakujícím chybám. Při selhání mechanismů opravy a nenastání apoptózy, se mohou vyskytnout nenávratné škody. Například zlomení struktury dvoušroubovice a také vznik komplikovaných křížových vazeb mezi jednotlivými vlákny (crosslinks, ICLs), to může vést až k vytvoření rakovinných těles. Tyto šířící se chyby, následně děděné po buněčných generacích jako jeden ze základů rakovinného bujení je podstatou Knudsonovy hypotézy (two-hit hypothesis).
Míra proběhlých oprav DNA je závislá na mnoha faktorech, typu buňky, stáří samotné buňky, okolním prostředí obklopujícím buňku. Buňka s příliš mnoho opakujícími se narušeními DNA nebo buňka, která v rámci vnitřních procesů není schopna efektivně aplikovat opravy vyskytnutých chyb, vstoupí do aktivního průběhu jednoho z těchto tří stavů:
Buňka nenávratně dobrovolně vstoupí do pasivního stavu zpomalujícího vnitřní procesy, který může vést k dormanci a neomezená míra zpomalování reakcí vede k senescenci. Buňka aktivně vstoupí do procesu apoptózy a Programované buněčné smrti (PCD). Buňka zahájí integrovaný nenávratný neregulovaný proces buněčného dělení, který může vést k růstu tumoru, který je okolními buňkami považován za nebezpečí, okolní buňky neobsahující toto rozsáhlé poškození DNA nedokážou v metabolických procesech s narůstajícím tělesem komunikovat a začlenit jej. Rakovinné bujení následně u nedostatečného zásahu leukocytů gradovaně narůstá.
Průběh buněčné opravy DNA je esenciální při integrujících procesech genomu, tedy zaručuje správné fungování organismu a opakujících se metabolických reakcí. Mnoho genů, s prokázaným vlivem na délku života, ve spolupráci s některými bílkovinami, je zapojených v mechanismech opravy DNA a také její ochrany. Narušená trojrozměrná prostorová konfigurace DNA může být také faktorem tvořícím chybové úkony v průběhu translace při syntéze bílkovin.
V roce 2015 byla Tomasu Lindahlovi, Paulu Modrichovi a Azizu Sancarovi udělena Nobelova cena za chemii za poodkrytí molekulárních procesů spojených s opravou DNA: nejméně dvou konkrétních typů, a to oprava za dočasného vyjmutí na nukleotidu a oprava za dočasného vyjmutí na nukleové bázi.
Poškození DNA K poškozením patří různé genové mutace, chromozomové aberace či dokonce 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 supresorové geny, vede k navýšenému riziku výskytu rakoviny. Většina narušení DNA ovlivňuje primární strukturu dvoušroubovice, to znamená upravení samotných bází chemickými procesy. Tyto modifikace mohou narušit obecnou šroubovitou strukturu, začleňováním cizích chemických vazeb, které nepasují do standardního modelu dvojité šroubovice. DNA obvykle na rozdíl od proteinů a RNA postrádá terciární 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 histony. U eukarytických buněk jsou tyto struktury nazývány nukleozomy, ty samotné jsou také citlivé na poruchy v DNA. Harper dělí poškození DNA následovně: náhled|200x245pixelů|Proces vynětí báze z dvoušroubovice DNA, při aktivování mechanismů opravy DNA. změna jediné báze depurinace (purinová báze se uvolní z fosfáto-cukerné kostry) deaminace (adenin na hypoxantin či cytosin na uracil) alkylace báze inzerce či delece nukleotidu vložení analogu báze, tzn. molekuly strukturně podobné nukleové bázi schopné ji nahradit při replikaci změna dvou bází vznik thyminového dimeru vlivem absorpce UV záření dimerizace sousedních bází vlivem alkylačních činidel poruchy na úrovni celých řetězců poruchy vlivem ionizujícího záření poruchy fosfáto-cukerné složky vlivem radioaktivity vznik volných radikálů vlivem oxidace chybný vznik vazeb mezi dvěma bázemi na stejném řetězci nebo napříč řetězcem mezi DNA a okolními proteiny (histony atp.)
Zdroje poškození Poškození na DNA lze rozdělit na 2 hlavní typy:
Endogenní poškození jako je útok (ROS) reaktivními molekulami s kyslíkem pocházejícími z obecných produktů metabolismu (spontánní mutace), především proces oxidativní deaminace (včetně chyb při replikaci). Exogenní poškození způsobené útoky z vnějšího okolí. náhled|vpravo|Produkce ROS v mitochondriích u matrix a mezimembránového prostoru. Ultrafialové záření (UV 200–400 nm) radiace z Slunce.
Ostatní typy radiace (frekvencí), včetně rentgenového záření, gama záření. Hydrolýza, tepelná nerovnováha Některé rostlinné toxiny
Chemické látky způsobující mutace, obzvláště aromatické sloučeniny, které se dokáží vměstnat do struktury DNA a tím ji lehce poškozují. Účinky virusu.
Konkrétní typy narušení Je několik typů poškození DNA vzhledem k endogenním procesům týkajícím se buňky: náhled|vpravo|Schéma trojrozměrné prostorové konfigurace restriktivního enzymu EcoRV vázajícího se na DNA (původ E. coli). Oxidace bází (8-oxo-7,8-dihydroguanin (8-oxoG)) a narušení generace vláken DNA přerušením reaktivními molekulami s kyslíkem. Alkylace bází (obvykle metylace) jako je formace 7-metylguanosine, 1-metyladenin, 6-O-Metylguanin. Hydrolýza bází – depyrimidinace, depurinace, deaminace. Tzv. "bulky adduct formation" Překřížení bází, vzhledem k chybám při DNA replikaci. (špatná báze DNA je sešita do nepatřičného místa v nově se formujícím vlákně DNA, nebo je přeskočena báze, chybně vložena do struktury vlákna. Monoaditivní poškození způsobené změnou jedné dusíkaté báze DNA. Diaditivní poškození.
Typy poškození exogenními vlivy:
UVB záření způsobuje křížové spoje mezi přilehlou bází C a T, vytváří pyrimidinový dimer, který patří do přímého poškození DNA. UVA záření způsobuje zejména volné radikály, tento způsob je nazýván nepřímé poškození DNA. Ionizující záření (například i z kosmického záření) láme trojrozměrnou 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, takže nemůže být napravována běžnými mechanismy. Na to se u těchto bakterií vyvíjí 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/metylace, narušení rentgenovým zářením a oxidativní poškození jsou příklady indukované, kumulativní škody. Spontánní poškození zahrnuje ztrátu báze, deaminaci, svraštěné prstencové formace sacharidů, tautomerní posun.
Oprava DNA během replikace Replikace DNA, tedy kopírování DNA, které musí předcházet buněčnému dělení, je choulostivý proces, při němž je vysoký potenciál vzniku chyb v genetické informaci vycházejícího vlákna (repliky). To, že je nakonec tato chybovost pouze jedna chyba na miliardu bází (1/109), je zásluhou kontrolních mechanismů během replikace i po ní.
Proofreading Přímo při replikaci by mohlo docházet k tomu, že se k sobě navážou dvě báze, které nejsou komplementární, tedy adenin k cytosinu a guanin k thyminu. Díky speciálním vlastnostem DNA polymerázy je taková chybovost pouze jedna chyba na deset milionů bází (1/107).
Schopnost samotné DNA polymerázy opravovat špatně přiřazené báze se označuje jako proofreading (doslova „kontrolní čtení“). Jak tento enzym postupuje po řetězci a přidává na základě komplementarity jednotlivé nukleotidy, vždy předtím, než tento nukleotid přiřadí, zkontroluje, že navázání předchozího nukleotidu odpovídá plně zákonům komplementarity (tedy že k A je přiřazeno T, k G je přiřazeno C). Pokud je tam chyba, polymeráza je schopná opět narušit fosfodiesterovou vazbu a vložit na tomto místě nukleotid správný. Můžeme říci, že je DNA polymeráza schopná nejen 5'-3' polymerační aktivity, ale navíc praktikuje i 3'-5' exonukleotické procesy. Proofreading je zřejmě důvod, proč DNA polymeráza kopíruje DNA jen ve směru 5'-3' – jinak by nemohla provádět proofreading.
U bakterií se na opravě DNA různým způsobem podílí hlavně DNA polymeráza I a DNA polymeráza II.
Korekce párování bází Po ukončení replikace dané části řetězce následuje ještě jedna korekce správného párování bází (tzv. mismatch repair), která dokáže odhalit mnoho chyb zanedbaných komplexem DNA polymerázy. Právě díky ní je výsledná chybovost pouze 1/109. Příkladem chyby je například stav, kdy se naproti guaninu připojí báze adeninová, ačkoliv by tam měl být podle všech pravidel komplementarity cytosin. V tom případě je specializovaná skupina enzymů schopná rozeznat řetězec původní (templátový, ve zmíněném případě ten řetězec s guaninem) od řetězce právě dosyntetizovaného. To je zásadní, jinak by totiž nebylo jasné, která z bází (zda guanin, nebo adenin) je bodovou mutací a která výchozím stavem.
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 esenciálně důležité). Podle typu poškození ohrožujícího dvoušrobovici DNA se evolučně vyvinuly opravné mechanismy na rekonstrukci a obnovení ztracených informací. Pokud je to možné, buňky použijí nemodifikovaná komplementární vlákna DNA nebo sousední chromatidu jako vzor k napravení škod originální informace. Bez přístupu k předloze využijí buňky 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 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.
Přímý zvrat poškození