پایگاه علمی زیست شناسی تکوینی

سیستم های ترمیم DNA

تغییرات ایجاد شده در توالی DNA همگی ثابت نیستند و عده کثیری از این تغییرات طی فعالیت سیستم ترمیم اصلاح می شوند. در اکثر موارد، جهش هایی که به علت عوامل داخل ارگانیسم یا سلول ایجاد می شوند با عمل ترمیم برطرف می شوند این در حالی است که، اکثر تغییرات پدید آمده توسط جهش زاها به شکل پایدار باقی مانده و در موجود ایجاد اختلال می کنند.

- سیستم های تعمیر DNA به پنج گروه اصلی تقسیم می شوند:

1. ترمیم مستقیم(Direct Repair)

نور ماورای بنفش (UV) با طول موج 300 تا 500 نانومتر باعث ایجاد پیوندهای کووالانس بین دو باز پیریمیدینی مجاور در زنجیره DNA می شود که تحت عنوان دایمر پیریمیدین (Pyrimidine Dimer) می باشد. این حالت با بیشترین احتمال برای تشکیل دایمرهای تیمین اتفاق می افتد. در برخی باکتری ها با فعالیت آنزیم فتولاز (Pholase) که یک آنزیم وابسته به نور است، طی یک واکنش نوری (Photo Reactivation) این دایمرها شکسته می شوند.

نکته: واکنش نوری وابسته به آنزیم فتولاز در پستانداران صورت نمی گیرد و آنزیم مذکور در کنترل ساعت بیولوژیک پستانداران نقش دارد.

2. ترمیم استخراجی (Excision Repair)

در این روش با ایجاد برش در ناحیه آسیب دیده و خارج کردن آن از توالی DNA قسمت صدمه دیده حذف شده و سپس با درج بازهای جدید و اتصال آنها به توالی DNA، ترمیم صورت می گیرد.

2-1. استخراج باز (Base Exicision Repair: BER)

روش ترمیم با استخراج باز یک روش عمومی برای تعمیر اکثر بازهای آسیب دیده است. ابتدا آنزیم گلیکوزیلاز اختصاصی هر باز، باز آسیب دیده را حذف می کنند. آنچه از فعالیت این آنزیم باقی می ماند قند و فسفات سالم در ستون فقرات DNA است که فاقد باز می باشد و به همین دلیل تحت عنوان جایگاه AP یا فاقد باز خوانده می شود. سپس آنزیم AP اندونوکلئاز، جایگاه AP را شناسایی کرده و در همان محل، اسکلت قند - فسفات را می برد و ناحیه مذکور به همراه چند نوکلئوتید مجاور توسط آنزیم های اندونوکلئاز حذف می شوند. ناحیه تک رشته باقی مانده توسط آنزیم DNA پلیمرازI پر شده و اتصال نهایی توسط آنزیم DNA لیگاز برقرار می شود.

نکته: چنانچه سیستم تعمیر استخراج باز (BER) به علت جهش در ژن MYH (یکی از ژن های دخیل در این سیستم ترمیم) دچار آسیب شود منجر به سرطان کلورکتال با توارث اتوزومال مغلوب می گردد.

2-2. استخراج نوکلئوتید(Nucleotide Excision Repair: NER)

این روش یکی از مهمترین سیستم های عمومی تعمیر در سلول ها بوده و مشابه روش ترمیم استخراج باز می باشد. تفاوت بین دو روش ترمیم استخراج باز و استخراج نوکلئوتید در این است که روش اخیر نسبتا غیر اختصاصی می باشد. در این روش تنها تغییراتی که روی مارپیچ دو رشته ای DNA اثر قاببل ملاحظه ای گذاشته اند، شناسایی و ترمیم می شوند.

نکته: بازهای ناهمخوان و همچنین بازهای تغییر یافته ای که اثر کمّی روی ساختمان مارپیچ دو رشته ای DNA دارند با این سیستم ترمیم شناسایی نمی شوند. این در حالی است که دایمرهای تیمین و کمپلکس های بزرگ شیمیایی هدف اصلی این سیستم هستند.

نکته: تعمیر به واسطه استخراج نوکلئوتید در یوکاریوت ها و پروکاریوت ها تا حد زیادی مشابه بوده و تنها تفاوت قابل توجه بین این دو روش تعداد نوکلئوتیدهای حذف شده و کمپلکس های آنزیمی درگیر در آن می باشد.

نکته: یکی از ژن های دخیل در سیستم تعمیر DNA به روش استخراج نوکلئوتید ژن XP می باشد. جهش در مجموعه ژن های XP ( هشت ژن مختلف XP) نقص در سیستم تعمیر DNA به روش NER را نتیجه می دهد که در نهایت منجر به بیماری اگزودرما پیگمنتوزوم (XP) می شود. بیماران مبتلا به XP حساسیت شدیدی نسبت به UV داشته و مستعد سرطان پوست هستند. این افراد همچنین به مواد سرطان زای شیمیایی مثل سیگار و تنباکو نیز حساس می باشند. این بیماری دارای هفت شکل مختلف است که تمامی مبتلایان به آن تا سن 20 سالگی می میرند.

3. تعمیر نوکلئوتیدهای ناهمخوان (Mismatch Repair)

گاهی اوقات طی همانندسازی، بازهای غیر مکمل مقابل یکدیگر قرار می گیرند و تشکیل جفت بازهای ناهمخوان را می دهند. هرچند آنزیم های DNA پلیمراز مسئول همانندسازی، توانایی غلط گیری دارند اما به ازای هر 10⁶ تا 10⁸ نوکلئوتید، امکان حضور یک باز ناهمخوان وجود دارد که منجر به تغییر در ساختار DNA می شود. نکته مهم در این قسمت این است که هر دو نوکلئوتید ناهمخوان، جزء نوکلئوتیدهای طبیعی هستند و سلول بایستی دارای سیستمی باشد تا بتواند رشته قدیمی را از رشته جدید تشخیص داده و نوکلئوتید ناهمخوان را از رشته جدید حذف نماید. شناسایی رشته قدیمی و رشته جدید با حضور گروه های متیل صورت می گیرد به طوری که رشته جدید نسبت به رشته قدیمی با کمی تاخیر دچار متیلاسیون می شود.

نکته: در یوکاریوت ها سه ژن hMSH2 - hMLH1 و hMSH1 در فرایند ترمیم بازهای ناهمخوان دخیل هستند که نقص در این مسیر منجر به سرطان کلورکتال غیر پولیپی (HNPCC) می شود.

 4. تعمیر پس از همانندسازی (Post Replication Repair)

در این سیستم تعمیر شکست های دو رشته ای DNA هدف می باشند، که خود به دو زیرگروه تقسیم می شوند:

الف) تعمیر صدمات DNA با استفاده از نوترکیبی عمومی(Recombinant Repair):

این روش ترمیم که تحت عنوان نوترکیبی همو لوگوس (Homologous Recombination) نیز می باشد، بیشتر در باکتری ها، مخمرها و مگس سرکه اهمیت داشته و در یوکاریوت هایی نظیر انسان چندان کاربرد ندارد. در این روش اتصال انتهای همولوگ قطعات DNA صورت می گیرد.

ب) تعمیر صدمات DNA با استفاده از اتصال انتهای غیر همولوگ (None Homologous End-Joining (NHEJ:

در این روش که در یوکاریوت ها کاربرد دارد، شکست های دو رشته ای DNA ترمیم می شوند. در این حالت دو انتهای ناحیه شکستگی که فاقد توالی های مشابه هستند، در عملیات ترمیمی دخیل می باشند. ایراد این سیستم این است که چند نوع نوکلئوتید در حین ترمیم از نواحی انتهایی حذف می شوند. البته با توجه به این که اکثر قسمت های ژنوم انسان از نواحی غیر رمزگردان و فاصله انداز تشکیل شده است، این ایراد نبایستی چندان مشکل ساز باشد.

آنچه این سیستم ترمیم را نسبت به روش های دیگر متمایز می کند، این است که چناچه شکست های دو رشته ای DNA ترمیم نشوند، می توانند کشنده باشند.

نکته: ژن های دخیل در این مسیر شامل NBS، BLM و BCRA1/2 می باشند. جهش در ژن NBS منجر به بیماری نیجمژن (Nijmegen) شده و سندرم بلوم و سرطان سینه ارثی به ترتیب به علت جهش در ژن های BML و BCRA1/2 ایجاد می شوند.

5. سیستم ترمیمی مستعد خطا (Error - Prone DNA Repair)

چنانچه ژنوم انسان متحمل تعداد زیادی از جهش ها شود (مثلا قرار گیری فرد در معرض نور ماورای بنفش قوی) و صدمه به DNA چنان وسیع باشد که سیستم های ترمیم قادر به برطرف کردن آنها نباشند، آنگاه همانندسازی در آن ناحیه متوقف می شود. در چنین شرایطی سلول مسیر ترمیم غیر عادی را که تحت عنوان SOS می باشد را القا می کند. این مسیر شامل آنزیم هایی است که می توانند روی نواحی آسیب دیده DNA همانندسازی نمایند. هرچند به کمک این سیستم همانندسازی ادامه پیدا می کند و سلول از مرگ حتمی نجات می یابد اما به دلیل اینکه آنزیم های دخیل در این سیستم دارای خاصیت غلط گیری نبوده و از صحت عملکرد پایینی برخوردار هستند، ژنوم دچار تعداد تعداد زیادی جهش می گردد که همین دو امر دلیل نامگذاری این روش (روش مستعد خطا) می باشد. چنانچه در سلول، DNA دچار آسیب شده باشد مسیرهای سیگنالینگ پیچیده ای چرخه سلول را متوقف می کنند تا سلول زمان بیشتری برای انجام عملیات ترمیم و تعمیر در اختیار داشته باشد.

نکته: چنانچه آسیب قابل تعمیر نباشد، ممکن است سلول مسیر مرگ برنامه ریزی شده (Programmed Cell Death: PCD) را انتخاب نماید و یا این که مسیر SOS فعال شود.

نکته: محصول پروتئینی ژن ATM، که به همین نام می باشد، مسئول تشخیص آسیب DNA در حین همانندسازی است. جهش در ژن ATM منجر به بیماری آتاکسی تلانژکتازی (AT) می شود. مبتلایان به این بیماری حساسیت بالایی به پرتوهای گاما داشته و مستعد سرطان می باشد.

منبع:

کتاب ژنتیک پزشکی انتشارات ارشد سپاهان