Репарація ДНК – це набір процесів, який усуває пошкодження ДНК, дозволяючи їм і далі кодувати генетичну інформацію. Стандартна метаболічна активність може призводити до порушень у структурі ДНК (активні радикали), крім того, зовнішні чинники так само можуть викликати поломки і розриви подвійної спіралі (радіація, хімічні речовини, УФ-випромінювання). Це може порушити або навіть зробити неможливим транскрипцію пошкоджених генів, що в свою чергу, здатне привести до масштабних розладів в хімічних каскадах, керуючих активністю клітини. У деяких випадках такі ушкодження можуть бути фатальними і для клітини, і для організму вцілому. Тому в ході еволюції з’явилися системи, що відповідають за виправлення пошкоджених ділянок ДНК.
Швидкість і спосіб, яким здійснюється репарація, залежить від безлічі факторів, серед яких: тип клітини, її вік, її позаклітинне оточення і багатьох інших. Якщо клітина накопичує велику кількість «поломок» в ДНК, то з нею може статися одна з трьох наступних подій.
- Вона може перейти в необоротний стан спокою, відоме як «старіння».
- Вона може зробити «клітинне самогубство», відоме як апоптоз або запрограмована клітинна смерть.
- Вона може почати цикл неконтрольованого ділення, що призводить до утворення пухлини і розвитку раку.
Здатність систем репарації відновлювати ДНК принципова для нормального функціонування генома і організму в цілому. Багато генів, які впливають на тривалість життя, беруть участь в контролі за системами репарації.
Існує кілька причин пошкодження ДНК.
Ендогенні фактори.
Вплив активних радикалів, зокрема, активних форм кисню, які утворюються в ході нормальних метаболічних процесів в клітині здатні завдати істотної шкоди структурі та цілісності ДНК. Окрім того, час від часу відбуваються помилки реплікації ДНК – коли новосинтезовані ДНК відрізняється від матричної ДНК через неправильне і неточне копіювання реплікази послідовності матричної ДНК. В результаті дочірня ДНК буде відрізнятися від початкової.
Екзогенні фактори
Ультрафіолетове випромінювання (200-400 нм) від Сонця і штучних джерел світла. Радіоактивне випромінювання, наприклад, рентгенівське або гамма-випромінювання. Гідроліз або термічна обробка. Деякі токсини. Мутагени. віруси.
Важливо відрізняти пошкодження ДНК і мутації. Пошкодження ДНК – це порушення структури будови молекули ДНК на різних рівнях. До них відносяться – одно-і двохниткові розриви, іонізація азотистих основ, і т.д., – узагальнюючи – це події, що порушують саму матрицю, в якій міститься закодована інформація. У клітці є спеціальні ферменти – репарази – здатні усувати одноланцюжкові розриви та інші порушення, «порівнюючи» пошкоджений ланцюжок ДНК з інтактним ланцюжком ДНК і «заштопуючи» розрив за принципом комплементарності. У разі дволанцюжкових розривів, деякі типи репараз здатні вставляти випадковий набір нуклеотидів, відновлюючи таким чином обидві ланцюжки «навмання». Само собою, цей метод несе в собі істотні ризики мутації або порушення роботи генів.
Мутації ж – це зміни в самій закодованій інформації, тобто порушення послідовності нуклеотидів, а не самої структури нуклеотидів і цукрофосфатного остова. Мутації змінюють «сенс» записаної генетичної інформації, а не матрицю, в якій вони закодовані. Мутації небезпечні тим, що можуть вислизати від уваги репараз, позаяк, з технічної точки зору, не є поломками структури ДНК. А, значить, мають великі шанси залишитися в геномі до наступного поділу клітини і, таким чином поширитися далі.
Існує три основних групи типів ушкоджень, що оотримують ДНК в природному середовищі. Для кожної з них передбачений окремий механізм відновлення ДНК.
- Фоторепарація ДНК. Поглинання кванта світла, енергія якого використовується на виправлення внесених пошкоджень. Застосовується при порушеннях, при яких помилки сталися у формуванні зв’язків між основами або іонізація ряду груп азотистих основ. Не виправляє розриви цукрофосфатного остова.
- Одноланцюжкові розриви. Пошкодження, при яких розірвано цукрофатний остов одного з двох ланцюжків ДНК. Існує три способи виправлення цих ушкоджень – двоосновна ексцизія, нуклеотидная ексцизія і виправлення помилок компліментаціїи. Кожна з них утилізує свій власний набір білків і механізмів. Усі три методи використовують в якості «шаблону для лагодження» інтактний ланцюжок ДНК.
- Дволанцюжкові розриви. Руйнування цукрофосфатного остова у двох ланцюжках ДНК одночасно. У таких випадках використання інтактного ланцюжка як матриці відновлення не є можливим, оскільки інтактних ланцюжків не залишилося. Існує три різних механізму відновлення подібних ушкоджень, – від використання лігази для зшивання розірваних кінців ДНК, до рекомбінантного відновлення зі вставкою випадково вибраних нуклеотидів в розрив і подальше зшивання його кінців.