Пиримидиновые димеры представляют собой молекулярные повреждения , образующиеся из тиминовых или цитозиновых оснований в ДНК в результате фотохимических реакций , [1] [2] обычно связанных с прямым повреждением ДНК . [3] Ультрафиолетовый свет (УФ; особенно УФС ) индуцирует образование ковалентных связей между последовательными основаниями вдоль нуклеотидной цепи вблизи их двойных углерод-углеродных связей. [4] Фотосвязанные димеры флуоресцентны. [5] Реакция димеризации может происходить и между пиримидиновыми основаниями в дцРНК (двухцепочечной РНК) — урацилом или цитозином. Двумя распространенными продуктами УФ-излучения являются димеры циклобутан-пиримидина (ЦПД) и 6–4 фотопродукты . Эти премутагенные повреждения изменяют структуру спирали ДНК и вызывают неканоническое спаривание оснований. В частности, соседние тимины или цитозины в ДНК при соединении образуют циклобутановое кольцо и вызывают искажение ДНК. Это искажение предотвращает механизм репликации или транскрипции за пределами места димеризации. [6] Во время воздействия солнечного света в клетке кожи может возникать до 50–100 таких реакций в секунду, но обычно они корректируются в течение нескольких секунд путем реактивации фотолиазы или эксцизионной репарации нуклеотидов . У людей наиболее распространенной формой репарации ДНК является эксцизионная репарация нуклеотидов (NER). Напротив, такие организмы, как бактерии, могут неожиданно собирать энергию солнца, чтобы исправить повреждение ДНК димерами пиримидина посредством активности фотолиазы. Если эти повреждения не устранены, полимеразный механизм может неправильно распознать или добавить в цепь неправильный нуклеотид. Если повреждение ДНК огромно, в геноме организма могут возникнуть мутации, которые могут привести к образованию раковых клеток. [7] Нескорректированные повреждения могут ингибировать полимеразы , вызывать неправильное чтение во время транскрипции или репликации или приводить к остановке репликации. Это вызывает солнечные ожоги и запускает выработку меланина . [8] Пиримидиновые димеры являются основной причиной меланомы у людей.
Димер циклобутан-пиримидина (CPD) содержит четырехчленное кольцо, образующееся в результате соединения двух атомов углерода с двойными связями каждого из пиримидинов. [9] [10] [11] Такие димеры мешают спариванию оснований во время репликации ДНК , что приводит к мутациям.
Фотопродукт 6–4 (6–4 пиримидин– пиримидон или 6–4 пиримидин–пиримидинон) представляет собой альтернативный димер, состоящий из одинарной ковалентной связи между углеродом в положении 6 одного кольца и углеродом в положении 4 кольца другого. следующая база. [12] Этот тип конверсии происходит втрое реже, чем CPD, но является более мутагенным. [13]
Третий тип поражения — пиримидинон Дьюара , образующийся в результате обратимой изомеризации фотопродукта 6–4 при дальнейшем воздействии света. [14]
Транслезионные полимеразы часто вызывают мутации в димерах пиримидина как у прокариот ( SOS-мутагенез ), так и у эукариот. Хотя тимин-тиминовые CPD (димеры тимина) являются наиболее частыми повреждениями, вызванными УФ-излучением, полимеразы, вызывающие повреждение, склонны к введению As, так что димеры ТТ часто реплицируются правильно. С другой стороны, любой цитозин, участвующий в CPD, склонен к дезаминированию, индуцируя переход C в T. [15]
Димеры пиримидина вносят локальные конформационные изменения в структуру ДНК , которые позволяют распознавать повреждение ферментами репарации. [16] У большинства организмов (за исключением плацентарных млекопитающих, таких как человек) они могут быть восстановлены путем фотореактивации. [17] Фотореактивация — это процесс восстановления, при котором ферменты фотолиазы обращают CPD с помощью фотохимических реакций. Кроме того, некоторые фотолиазы могут также восстанавливать 6-4 фотопродукта повреждения ДНК, вызванного УФ-излучением. Ферменты фотолиазы используют флавинадениндинуклеотид (ФАД) в качестве кофактора в процессе восстановления. [18]
Доза УФ-излучения, которая снижает выживаемость популяции дрожжевых клеток дикого типа до 37%, эквивалентна (при условии распределения попаданий по Пуассону ) дозе УФ-излучения, которая вызывает в среднем одно летальное попадание в каждую из клеток популяции. [19] Число пиримидиновых димеров, индуцированных на гаплоидный геном при этой дозе, составило 27 000. [19] Мутантный штамм дрожжей, дефектный по трем путям репарации пиримидиновых димеров в дрожжах, также был протестирован на чувствительность к УФ-излучению. При этом выяснилось, что только один или, самое большее, два нерепарированных пиримидиновых димера на гаплоидный геном являются летальными для клетки. [19] Таким образом, эти результаты указывают на то, что восстановление димеров тимина в дрожжах дикого типа очень эффективно.
Эксцизионная репарация нуклеотидов , иногда называемая «темновой реактивацией», представляет собой более общий механизм репарации повреждений и наиболее распространенную форму репарации ДНК димеров пиримидина у людей. Этот процесс основан на использовании клеточных механизмов для обнаружения димеризованных нуклеотидов и удаления повреждения. После удаления CPD в цепи ДНК остается пробел, который необходимо заполнить. Механизм ДНК использует неповрежденную комплементарную цепь для синтеза нуклеотидов и, следовательно, заполнения пробела в ранее поврежденной цепи. [6]
Пигментная ксеродерма (XP) — редкое генетическое заболевание человека, при котором гены, кодирующие белки NER, мутируют и приводят к снижению способности бороться с димерами пиримидина, образующимися в результате повреждения УФ-излучением. Люди с XP также подвергаются гораздо более высокому риску развития рака, чем другие: риск развития рака кожи увеличивается более чем в 5000 раз. [7] Некоторые общие черты и симптомы XP включают изменение цвета кожи и образование множественных опухолей в результате воздействия ультрафиолета.
У некоторых организмов есть другие способы восстановления:
Другим типом механизма репарации, который сохраняется у людей и других немлекопитающих, является синтез транслейкоза. Обычно поражение, связанное с димером пиримидина, блокирует синтез клеточного механизма за пределами поврежденного участка. Однако при синтезе трансплементации CPD обходит трансплессионные полимеразы, и механизмы репликации и/или транскрипции могут продолжать работу за пределами очага поражения. У людей с XPD наблюдается дефицит одной специфической ДНК-полимеразы транслейкоза, ДНК-полимеразы η. [21]
Прямое повреждение ДНК снижается солнцезащитным кремом, что также снижает риск развития солнечных ожогов. Когда солнцезащитный крем находится на поверхности кожи, он фильтрует ультрафиолетовые лучи, что снижает их интенсивность. Даже когда молекулы солнцезащитного крема проникают в кожу, они защищают от прямого повреждения ДНК, поскольку ультрафиолетовый свет поглощается солнцезащитным кремом, а не ДНК. [22] Солнцезащитный крем в основном работает, поглощая ультрафиолетовый свет солнца за счет использования органических соединений, таких как оксибензон или авобензон. Эти соединения способны поглощать УФ-энергию Солнца и переходить в состояния с более высокой энергией. В конце концов, эти молекулы возвращаются в состояния с более низкой энергией, и при этом первоначальная энергия УФ-излучения может быть преобразована в тепло. Этот процесс абсорбции снижает риск повреждения ДНК и образования димеров пиримидина. Свет UVA составляет 95% УФ-излучения, достигающего Земли, тогда как свет UVB составляет лишь около 5%. UVB-свет — это форма УФ-излучения, которая отвечает за загар и ожоги. Солнцезащитные кремы защищают как от лучей UVA, так и от UVB. В целом, солнечные ожоги являются примером повреждения ДНК, вызванного УФ-лучами, и это повреждение может проявляться в виде свободных радикалов, а также димеризации соседних нуклеотидов. [23]