Reparacija DNK
Replikacija DNK je vrlo tačan proces, ali greške povremeno nastaju - DNK polimeraza može ugraditi pogrešnu bazu, ili DNK može biti oštećena na razne druge načine (vrste i uzroci takvih oštećenja opisani su na stranici Mutacije gena). Ako greška ostane neispravljena, postaje trajna mutacija - u nekim slučajevima čak i sami reparacioni enzimi mogu biti mutirani ili neispravni. Prva linija odbrane je korekturno čitanje (proofreading) same DNK polimeraze tokom replikacije, već opisano na stranici Replikacija DNK. Ono što proofreading-u promakne, hvataju dodatni, nezavisni mehanizmi popravke.
Mismatch repair. Neke greške se ne isprave tokom same replikacije, nego tek pošto je replikacija cijelog segmenta završena - taj mehanizam se zove mismatch repair (popravka pogrešno uparenih baza). Enzimi prepoznaju netačno ugrađen nukleotid, izrežu ga i zamijene ispravnom bazom. Ključno pitanje je kako sistem uopšte zna KOJA od dvije uparene baze je "nova", pogrešna - kod bakterije E. coli, poslije replikacije, baza adenin na roditeljskoj niti nosi metil grupu, dok je novosintetisana nit još uvijek nema; ta razlika u obilježavanju govori ćeliji da grešku traži i uklanja baš sa nemetilovane, novije niti. Kod eukariota mehanizam prepoznavanja nije toliko dobro razjašnjen - ne oslanja se na isto metilaciono obilježavanje kao kod bakterija, nego se vjeruje da uključuje prepoznavanje još nezatvorenih zareza na novosintetisanoj niti.
Base excision repair. Kad je oštećena samo jedna, pojedinačna baza (na primjer nakon hemijske izmjene poput deaminacije, već pomenute na stranici Mutacije gena), enzim DNK glikozilaza je prepoznaje i uklanja, ostavljajući mjesto bez baze. Enzim AP endonukleaza zatim zareže DNK okosnicu na tom mjestu, DNK polimeraza popuni prazninu ispravnim nukleotidom, a DNK ligaza zatvori posljednju vezu.
Nucleotide excision repair (NER). Kad je oštećenje veće i fizički izobličuje samu strukturu dvostruke uzvojnice - klasičan primjer su pirimidinski (najčešće timinski) dimeri koje stvara UV zračenje - enzimi zasijeku DNK sa obje strane (3' i 5') oštećenog mjesta, uklone čitav taj segment, popune ga ispravnim nukleotidima preko DNK polimeraze, i zatvore prazninu DNK ligazom. Za razliku od mismatch repair-a, koji cilja hemijski normalne baze koje su samo pogrešno uparene, NER cilja oštećenja koja fizički mijenjaju oblik uzvojnice.
Popravka dvolančanog prekida. Najopasnije oštećenje je prekid OBJE niti dvostruke uzvojnice odjednom, jer ćelija tada gubi neoštećeni kalup za direktnu popravku. Postoje dva glavna pristupa: nehomologno spajanje krajeva, gdje se dva slobodna kraja jednostavno direktno zalijepe nazad, i homologna rekombinacija, gdje se kao kalup za popravku koristi identičan ili gotovo identičan segment sa sestrinske hromatide ili homolognog hromozoma. Mašinerija koja izvodi homolognu rekombinaciju kao popravku oštećenja je gotovo identična onoj koja izvodi krosingover tokom mejoze - isti molekularni alat, samo u drugom biološkom kontekstu (popravka slučajnog oštećenja naspram programirane rekombinacije opisane na stranici Rekombinacija i krosingover).
Česta zabuna
Proofreading i reparacija poslije replikacije (npr. mismatch repair) se lako pomiješaju kao ista stvar, ali su vremenski i mehanički odvojeni koraci. Proofreading se dešava ISTOVREMENO sa dodavanjem svakog nukleotida - DNK polimeraza provjeri upravo dodatu bazu prije nego pređe na sljedeću. Mismatch repair djeluje TEK NAKON što je cijeli segment već repliciran - to je druga, nezavisna linija odbrane koja hvata ono što je prva propustila.
Druga česta zabuna je da bi jedan reparacioni mehanizam mogao popraviti sve vrste oštećenja. U stvarnosti je svaki mehanizam specijalizovan za drugačiju vrstu problema: mismatch repair cilja pogrešno uparene, ali hemijski normalne baze; base excision repair cilja pojedinačne oštećene baze; nucleotide excision repair cilja veća oštećenja koja izobličuju samu strukturu uzvojnice; popravka dvolančanog prekida cilja situaciju kad su obje niti prekinute. Kad bi nedostajao samo jedan od ovih mehanizama, ćelija bi ostala nezaštićena baš od te jedne kategorije oštećenja.
Klinička korelacija
Xeroderma pigmentosum je nasledna bolest kod koje je defektan baš mehanizam nucleotide excision repair-a. Zahvaćene osobe imaju kožu izrazito osjetljivu na UV zrake sunca - pirimidinski dimeri koji nastanu izlaganjem suncu se kod njih ne izrezuju i ne popravljaju kako bi trebalo, pa se oštećenje gomila. Pošto ti nepopravljeni dimeri izobličuju uzvojnicu i ometaju tačnu replikaciju DNK, osobe sa xeroderma pigmentosum imaju znatno povećan rizik od raka kože u odnosu na opštu populaciju. Slično, defekti u drugim reparacionim sistemima vode ka drugim naslednim rizicima od raka - mutacije u genima za mismatch repair su vezane za Linč sindrom (nasledna sklonost ka kolorektalnom raku), a mutacije u genima BRCA1 i BRCA2, koji učestvuju u popravci dvolančanih prekida, znatno povećavaju rizik od raka dojke.
Izvori
- OpenStax Biology, 1. izdanje (2016), pog. 14.6 (DNA Repair, za mismatch repair, nucleotide excision repair i xeroderma pigmentosum) i 11.1 (The Process of Meiosis, za mehaniku homologne rekombinacije)
- Wikipedia: DNA repair (unakrsna provjera i dopuna za base excision repair, popravku dvolančanog prekida i BRCA1/2 korelaciju, koje OpenStax Biology 1e ne pokriva)
- MedlinePlus Genetics (NLM/NIH): "Xeroderma pigmentosum", "Lynch syndrome" (unakrsna provjera kliničkih korelacija)