Повреждение ДНК

Косвенным свидетельством того, что повреждение ДНК является серьёзной проблемой для живых организмов, является то, что репарация ДНК обнаружена во всех клеточных организмах, которые были исследованы на её наличие. Например, в бактериях регуляторная сеть, направленная на исправление повреждений ДНК (названная SOS-ответом в Escherichia coli) найдена во многих бактериальных видах. Белок RecA E. coli, являющийся ключевым в реакциях SOS-ответа, относится к широко распространённому классу белков, производящих обмен цепями ДНК в процессе гомологичной рекомбинации — механизме, который обеспечивает стабильность генома путём исправления разрывов ДНК[8]. Гены, гомологичные RecA и другим центральным генам SOS-ответа, найдены почти во всех бактериальных геномах, секвенированных на сегодняшний день, что наводит на мысль о древнем происхождении и широком распространении рекомбинационной репарации повреждений ДНК[9]. Рекомбиназы, гомологичные RecA, также широко распространены среди эукариот. Например, в делящихся дрожжах и в клетках человека гомологи RecA способствуют обмену цепями ДНК в комплексе спираль-спираль, необходимому для репарации двунитевых разрывов ДНК[10][11].

Также на важность сохранения целостности ДНК в клетке указывает то, что в процессы репарации повреждений ДНК вкладывается много клеточных энергетических ресурсов. По некоторым оценкам, исправление только одного двуцепочечного разрыва ДНК в клетке человека требует более чем 10 000 молекул АТФ, которые используются в процессе выявления повреждения, образования фокусов репарации и образования комплексов гомологичной рекомбинации с участием Rad51[6].

Список ниже иллюстрирует частоты, с которыми в течение суток возникают новые естественные повреждения ДНК, обусловленные внутренними клеточными процессами.

• Окислительные повреждения
  • Люди, на клетку в сутки — 10 000[12], 11 500[13], 2800 (специфические повреждения 8-oxoGua, 8-oxodG и 5-HMUra)[14][15].
  • Крысы, на клетку в сутки — 74 000[13], 86 000[16], 100 000[12].
  • Мыши, на клетку в сутки — 34 000 (специфические повреждения 8-oxoGua, 8-oxodG и 5-HMUra)[14] 47 000 (специфические повреждения oxo8dG в печени мыши)[17], 28 000 (специфические повреждения 8-oxoGua, 8-oxodG, 5-HMUra)[15].
• Депуринизация
  • Клетки млекопитающих, на клетку в сутки — 2000 — 10 000[18][19], 9000[20], 12 000[21], 13 920[22].
• Депиримидинизация
  • Клетки млекопитающих, на клетку в сутки — 600[21], 696[22].
• Одноцепочечные разрывы
  • Клетки млекопитающих, на клетку в сутки — 55 200[22].
• Двуцепочечные разрывы
  • Клетки человека, на клеточный цикл — 10[23], 50[24].
• O6-метилгуанидины
  • Клетки млекопитающих, на клетку в сутки — 3120[22].
• Дезаминирование цитозина
  • Клетки млекопитающих, на клетку в сутки — 192[22].

Другим важнейшим повреждением ДНК является образование M1dG — 3-(2'-дезокси-β-D-эритро-пентофуранозил)пиримидо[1,2-a]-пурин-10(3H)-она. Важным показателем может служить стационарный уровень в ДНК, отражающий и частоту возникновения, и частоту репарации ДНК. Стационарный уровень M1dG выше, чем уровень 8-oxodG.[25] Это указывает на то, что некоторые повреждения ДНК происходящие с низкой частотой, тяжело подвергаются исправлению и остаются в ДНК с высоким уровнем содержания в ней. Как M1dG[26], так и 8-oxodG[27] являются мутагенными.

Стационарный уровень повреждений ДНК отражает баланс между их возникновением и их репарацией. Охарактеризовано более чем 100 видов окислительных повреждений ДНК, и 8-oxodG является результатом около 5 % из них[28]. Helbock и др.[29] оценили стационарный уровень окислительных ДНК-аддуктов как 24 000 на клетку у молодых крыс и 66 000 аддуктов на клетку у старых крыс. Это отражает накопление повреждений ДНК с возрастом.

Swenberg и др.[30] измерили среднее количество отдельных стационарных эндогенных повреждений ДНК в клетках млекопитающих. Как показано в таблице 1, они оценили семь наиболее распространенных повреждений.

Измеряя стационарные повреждения в определенных тканях крыс, Nakamura and Swenberg[31] показали, что число сайтов с потерей основания варьирует от около 50 000 на клетку в печени, почках и легких до около 200 000 на клетку в мозге.

Дифференцированные соматические клетки у взрослых особей млекопитающих, в основном, реплицируются редко или совсем не реплицируются. Такие клетки, включая, например, нейроны мозга и миоциты мышц, мало или совсем не делятся. Нереплицирующиеся клетки, в основном, не производят мутаций, индуцируемых повреждениями ДНК на стадии репликации. Эти нереплицирующиеся клетки обычно не перерождаются в раковые, но они со временем накапливают повреждения ДНК, что, вероятно, вносит свой вклад в старение. В нереплицирующихся клетках одноцепочечный разрыв или другой тип повреждения в транскрибируемой цепи ДНК может блокировать транскрипцию, катализируемую РНК-полимеразой II[32]. Это будет мешать синтезу белка, кодируемого геном, в котором произошла такая блокировка.

Brasnjevic и др.[33] суммировали доказательства, показывающие, что одноцепочечные разрывы накапливаются с возрастом в мозге (хотя их число отличалось в разных зонах мозга) и что они наиболее представляют собой часто встречающийся стационарный тип повреждений в мозге. Как обсуждалось выше, эти накопившиеся одноцепочечные разрывы ожидаемо будут блокировать транскрипцию генов. В соответствии с этим, в обзоре, сделанном Hetman и др.,[34], были идентифицированы 182 гена, для которых показано снижение их транскрипции в мозгу лиц старше, чем 72 года, по сравнению с их транскрипцией в мозгу лиц моложе 43 лет. Когда было оценено содержание 40 определенных белков в мышцах крыс, для большинства белков показано значительное снижение содержания от 18 месячного (молодые крысы) к 30 месячному (старые крысы) возрасту.[35]

Другой тип повреждений ДНК, двуцепочечные разрывы, как показано, приводят к клеточной смерти (потере клеток) посредством апоптоза.[36] Этот тип повреждений ДНК не аккумулируется с возрастом, так как такие клетки погибают в ходе апоптоза.

• Старение (биология)
• Репарация ДНК
• Мутация