stringtranslate.com

Сшивание ДНК

Внутрицепочечные и межцепочечные сшивки ДНК

В генетике сшивание ДНК происходит , когда различные экзогенные или эндогенные агенты реагируют с двумя нуклеотидами ДНК , образуя между ними ковалентную связь. Эта сшивка может происходить в пределах одной и той же цепи (внутрицепочечная) или между противоположными цепями двухцепочечной ДНК (межцепочечная). Эти аддукты мешают клеточному метаболизму, такому как репликация и транскрипция ДНК , вызывая гибель клетки . Однако эти сшивки могут быть восстановлены с помощью путей вырезания или рекомбинации.

Сшивание ДНК также имеет полезные преимущества в химиотерапии и воздействии на раковые клетки с целью апоптоза [1], а также для понимания того, как белки взаимодействуют с ДНК.

Сшивающие агенты

Многие охарактеризованные сшивающие агенты имеют две независимо реактивные группы в одной и той же молекуле, каждая из которых способна связываться с нуклеотидным остатком ДНК. Эти агенты разделяются на основе их источника происхождения и маркируются как экзогенные или эндогенные. Экзогенные сшивающие агенты — это химические вещества и соединения, как природные, так и синтетические, которые возникают в результате воздействия окружающей среды, например, фармацевтических препаратов, сигаретного дыма или автомобильных выхлопов. Эндогенные сшивающие агенты — это соединения и метаболиты, которые вводятся из клеточных или биохимических путей внутри клетки или организма.

Экзогенные агенты

Эндогенные агенты

Сводная таблица сшивающих агентов

Ремонт сшивок ДНК

Сшитая ДНК восстанавливается в клетках с помощью комбинации ферментов и других факторов из пути репарации нуклеотидов эксцизионной репарации (NER), гомологичной рекомбинации и пути репарации оснований эксцизионной репарации (BER). Для восстановления межцепочечных сшивок у эукариот 3'-лоскутная эндонуклеаза из NER, XPF-ERCC1 , привлекается к сшитой ДНК, где она помогает «отцепить» ДНК, расщепляя 3'-цепь в месте сшивки. Затем 5'-цепь расщепляется либо XPF-ERCC1 , либо другой эндонуклеазой , образуя двухцепочечный разрыв (DSB), который затем может быть восстановлен с помощью пути гомологичной рекомбинации . [17]

Сшивки ДНК обычно вызывают потерю информации о перекрывающейся последовательности из двух нитей ДНК. Поэтому точное восстановление повреждения зависит от извлечения потерянной информации из неповрежденной гомологичной хромосомы в той же клетке. Извлечение может происходить путем спаривания с сестринской хроматидой, произведенной во время предыдущего раунда репликации. В диплоидной клетке извлечение может также происходить путем спаривания с не сестринской гомологичной хромосомой , как это происходит, особенно во время мейоза . [ необходима цитата ] После того, как спаривание произошло, сшивку можно удалить и ввести правильную информацию в поврежденную хромосому путем гомологичной рекомбинации.

Расщепление связи между дезоксирибозным сахаром в сахарофосфатном остове ДНК и связанным с ним нуклеооснованием оставляет абазический сайт в двухцепочечной ДНК. Эти абазические сайты часто генерируются как промежуточные, а затем восстанавливаются при репарации эксцизии оснований. Однако, если этим сайтам позволить сохраниться, они могут ингибировать репликацию и транскрипцию ДНК. [18] Абазические сайты могут реагировать с аминогруппами на белках, образуя сшивки ДНК-белок, или с экзоциклическими аминами других нуклеооснований, образуя межцепочечные сшивки. Чтобы предотвратить межцепочечные или ДНК-белковые сшивки, ферменты из пути BER прочно связывают абазический сайт и изолируют его от близлежащих реактивных групп, как показано в человеческой алкиладенин ДНК гликозилазе (AAG) и 3-метиладенин ДНК гликозилазе II (AlkA) E. coli . [19] in vitro доказательства продемонстрировали, что межстандные перекрестные связи, индуцированные абазическим сайтом (DOB-ICL), являются блокирующими репликацию и крайне неправильно кодирующим повреждением. По сравнению с несколькими другими исследованными TLS pols, pol η, вероятно, способствует TLS-опосредованному восстановлению DOB-ICL in vivo . [20] Используя повреждения ДНК O 6 -2'-дезоксигуанозин-бутилен-O 6 -2'-дезоксигуанозин (O6-dG-C4-O6-dG), которые являются химически стабильной структурой, была исследована обходная активность нескольких ДНК-полимераз, и результаты показали, что pol η проявила самую высокую обходную активность; однако, 70% обходных продуктов были мутагенными, содержащими замены или делеции. Увеличение размера отцепленных промежуточных продуктов репарации повышает частоту делеционной мутации. [21]

Обработка E. coli псораленом плюс УФ-светом ( PUVA ) приводит к образованию межцепочечных сшивок в ДНК клеток. Коул и др. [22] и Синден и Коул [23] представили доказательства того, что гомологичный рекомбинационный процесс репарации, требующий продуктов генов uvrA , uvrB и recA , может удалить эти сшивки в E. coli . Этот процесс, по-видимому, довольно эффективен. Несмотря на то, что для инактивации клетки достаточно одной или двух нерепарированных сшивок, бактериальная клетка дикого типа может восстановить и, следовательно, восстановить от 53 до 71 сшивок псоралена. Эукариотические дрожжевые клетки также инактивируются одной оставшейся сшивкой, но дрожжевые клетки дикого типа могут восстановить от 120 до 200 сшивок. [24]

Приложения

Сшивание ДНК и белка

Методы биохимического взаимодействия

Сшивание ДНК-белок может быть вызвано различными химическими и физическими агентами, включая переходные металлы, ионизирующее излучение и эндогенные альдегиды, в дополнение к химиотерапевтическим агентам . [25] Подобно сшиванию ДНК, сшивание ДНК-белок является повреждением в клетках, которые часто повреждаются УФ-излучением. Воздействие УФ-излучения может привести к реактивным взаимодействиям и вызвать сшивание ДНК и белков, которые с ней контактируют. Эти сшивки являются очень объемными и сложными повреждениями. Они в основном возникают в областях хромосом, которые подвергаются репликации ДНК, и мешают клеточным процессам.

Методы структурной идентификации достигли прогресса, и добавление возможности измерения взаимодействий между ДНК и белком является необходимым условием для полного понимания биохимических процессов. Структура комплексов ДНК-белок может быть отображена с помощью фотосшивки, которая представляет собой фотоиндуцированное образование ковалентной связи между двумя макромолекулами или между двумя различными частями одной макромолекулы. Методология включает ковалентное связывание ДНК-связывающего мотива ДНК-связывающего белка, специфичного для целевой последовательности, с фотоактивируемым сшивающим агентом, способным реагировать с нуклеотидами ДНК при воздействии УФ-излучения. Этот метод предоставляет информацию о взаимодействии между ДНК и белком в сшивке. [26]

Клинические методы лечения

Пути восстановления ДНК могут привести к образованию опухолевых клеток . Методы лечения рака были разработаны с использованием агентов сшивания ДНК для взаимодействия с азотистыми основаниями ДНК для блокирования репликации ДНК. Эти агенты сшивания обладают способностью действовать как монотерапия, нацеливаясь и разрушая определенные нуклеотиды в раковых клетках. Этот результат останавливает цикл и рост раковых клеток; поскольку он ингибирует определенные пути восстановления ДНК, этот подход имеет потенциальное преимущество в виде меньшего количества побочных эффектов. [27]

У людей основной причиной смерти от рака во всем мире является рак легких, включая немелкоклеточную карциному легких (НМРЛ), на которую приходится 85% всех случаев рака легких в Соединенных Штатах. [28] Лица с НМРЛ часто лечатся терапевтическими соединениями платины (например, цисплатином, карбоплатином или оксалиплатином) (см. Химиотерапия рака легких ), которые вызывают межцепочечные сшивки ДНК. Среди лиц с НМРЛ низкая экспрессия гена рака молочной железы 1 ( BRCA1 ) в первичной опухоли коррелирует с улучшением выживаемости после химиотерапии, содержащей платину. [29] [30] Эта корреляция подразумевает, что низкий уровень BRCA1 в раке и, как следствие, низкий уровень репарации ДНК вызывают уязвимость рака к лечению с помощью агентов, сшивающих ДНК. Высокий уровень BRCA1 может защищать раковые клетки, действуя в пути гомологичной рекомбинационной репарации, который устраняет повреждения в ДНК, вызванные платиновыми препаратами. Уровень экспрессии BRCA1 потенциально является важным инструментом для подбора химиотерапии при лечении рака легких. [29] [30]

Клинические химиотерапевтические препараты могут вызывать ферментативные и неферментативные сшивки ДНК-белок. Примером такой индукции являются производные платины, такие как цисплатин и оксалиплатин. Они создают неферментативные сшивки ДНК-белок посредством неспецифического сшивания взаимодействующих с хроматином белков с ДНК. Сшивание также возможно в других терапевтических агентах либо путем стабилизации ковалентных промежуточных продуктов реакции ДНК-белок, либо путем создания псевдосубстрата, который захватывает фермент на ДНК. Производные камптотецина, такие как иринотекан и топотекан, нацеливаются и захватывают специфическую ДНК- топоизомеразу 1 (TOP1) путем интеркаляции в интерфейс фермент-ДНК. Поскольку токсичность этих препаратов зависит от захвата TOP1, клеточная чувствительность к этим соединениям напрямую зависит от уровней экспрессии TOP1. В результате функция этих препаратов заключается в том, чтобы служить ферментными ядами, а не ингибиторами. Это можно применять для лечения опухолевых клеток с использованием ферментных ядов TOP 2. [31]

Ссылки

  1. ^ Динс, А. Дж.; Уэст, Южная Каролина (24 июня 2011 г.). «Репарация межцепочечных сшивок ДНК и рак». Nature Reviews. Рак . 11 (7): 467–80. doi : 10.1038/nrc3088. PMC  3560328. PMID  21701511.
  2. ^ Гвайнацци, Анджело; Шерер, Орландо Д. (2010-11-01). «Использование синтетических межцепочечных сшивок ДНК для выяснения путей восстановления и выявления новых терапевтических целей для химиотерапии рака». Cellular and Molecular Life Sciences . 67 (21): 3683–3697. doi :10.1007/s00018-010-0492-6. ISSN  1420-682X. PMC 3732395 . PMID  20730555. 
  3. ^ Рак, Клиника Кливленда. «Азотный иприт – Препараты для химиотерапии – Chemocare». chemocare.com . Получено 09.10.2017 .
  4. ^ Джеймисон, Э. Р.; Липпард, С. Дж. (1999-09-08). «Структура, распознавание и обработка аддуктов цисплатина и ДНК». Chemical Reviews . 99 (9): 2467–2498. doi :10.1021/cr980421n. ISSN  1520-6890. PMID  11749487.
  5. ^ Poklar N, Pilch DS, Lippard SJ, Redding EA, Dunham SU, Breslauer KJ (июль 1996 г.). «Влияние внутрицепочечного сшивания цисплатина на конформацию, термическую стабильность и энергетику 20-мерного ДНК-дуплекса». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 93 (15): 7606–11. Bibcode :1996PNAS...93.7606P. doi : 10.1073/pnas.93.15.7606 . PMC 38793 . PMID  8755522. 
  6. ^ Rudd GN, Hartley JA, Souhami RL (1995). «Сохранение межцепочечных сшивок ДНК, вызванных цисплатином, в мононуклеарных клетках периферической крови у пожилых и молодых людей». Cancer Chemother. Pharmacol . 35 (4): 323–6. doi :10.1007/BF00689452. PMID  7828275. S2CID  24036376.
  7. ^ Coste, F.; Malinge, JM; Serre, L.; Shepard, W.; Roth, M.; Leng, M.; Zelwer, C. (1999-04-15). «Кристаллическая структура двухцепочечной ДНК, содержащей цисплатиновую межцепочечную поперечную связь при разрешении 1,63 А: гидратация на платинированном участке». Nucleic Acids Research . 27 (8): 1837–1846. doi :10.1093/nar/27.8.1837. ISSN  0305-1048. PMC 148391. PMID 10101191  . 
  8. ^ "Цисплатин". Национальный институт рака . 2007-03-02 . Получено 2017-10-09 .
  9. ^ Чимино, ГД; Гампер, ХБ; Айзекс, СТ; Херст, ДЖЕ (1985). «Псоралены как фотоактивные зонды структуры и функции нуклеиновых кислот: органическая химия, фотохимия и биохимия». Annual Review of Biochemistry . 54 : 1151–1193. doi : 10.1146/annurev.bi.54.070185.005443. ISSN  0066-4154. PMID  2411210. S2CID  21013934.
  10. ^ Ци Ву, Лора А. Кристенсен, Рэнди Дж. Легерски и Карен М. Васкес, Репарация несоответствий участвует в безошибочной обработке межцепочечных сшивок ДНК в клетках человека, EMBO Reports 6, 6, 551–557 (2005).
  11. ^ Кирхнер, Джеймс Дж.; Сигурдссон, Снорри Т.; Хопкинс, Пол Б. (1992-05-01). «Межцепочечное сшивание дуплексной ДНК азотистой кислотой: ковалентная структура поперечной связи dG-dG в последовательности 5'-CG». Журнал Американского химического общества . 114 (11): 4021–4027. doi :10.1021/ja00037a001. ISSN  0002-7863.
  12. ^ Стоун, Майкл П.; Чо, Ён-Джин; Хуан, Хай; Ким, Хе-Ён; Козеков, Иван Д.; Козекова, Албена; Ван, Хао; Минко, Ирина Г.; Ллойд, Р. Стивен (01.07.2008). «Межцепочечные сшивки ДНК, вызванные α,β-ненасыщенными альдегидами, полученными из перекисного окисления липидов и источников окружающей среды». Accounts of Chemical Research . 41 (7): 793–804. doi :10.1021/ar700246x. ISSN  0001-4842. PMC 2785109. PMID 18500830  . 
  13. ^ Нидернхофер, Лора Дж.; Дэниелс, Дж. Скотт; Роузер, Кэрол А.; Грин, Рэйчел Э.; Марнетт, Лоуренс Дж. (2003-08-15). «Малоновый диальдегид, продукт перекисного окисления липидов, мутагенен в клетках человека». Журнал биологической химии . 278 (33): 31426–31433. doi : 10.1074/jbc.m212549200 . ISSN  0021-9258. PMID  12775726.
  14. ^ Дули, Патрисия А.; Чжан, Минчжоу; Корбел, Грегори А.; Нечев, Любомир В.; Харрис, Констанс М.; Стоун, Майкл П.; Харрис, Томас М. (2003-01-08). "ЯМР-определение конформации триметиленовой межцепочечной поперечной связи в дуплексе олигодезоксинуклеотида, содержащем мотив 5'-d(GpC)". Журнал Американского химического общества . 125 (1): 62–72. doi :10.1021/ja0207798. ISSN  0002-7863. PMID  12515507.
  15. ^ LC Colis; P Raychaudhury; AK Basu (2008). "Мутационная специфичность индуцированных гамма-излучением внутрицепочечных сшивок гуанин-тимин и тимин-гуанин в клетках млекопитающих и синтез транслезиона после повреждения гуанин-тимин человеческой ДНК-полимеразой eta". Биохимия . 47 (6): 8070–8079. doi :10.1021/bi800529f. PMC 2646719. PMID  18616294 . 
  16. ^ Бокс, Гарольд К.; Будзинский, Эдвин Э.; Давидзик, Джин Д.; Уоллес, Джон К.; Эванс, Марианна С.; Гобей, Джейсон С. (1996). «Образование сшивки между основными фрагментами дезоксигуанозина и тимидина в дезоксигенированных растворах d(CpGpTpA) под действием радиации». Radiation Research . 145 (5): 641–643. Bibcode :1996RadR..145..641B. doi :10.2307/3579285. JSTOR  3579285. PMID  8619032.
  17. ^ Klein Douwel, Daisy; Boonen, Rick ACM; Long, David T.; Szypowska, Anna A.; Räschle, Markus; Walter, Johannes C.; Knipscheer, Puck (2014). "XPF-ERCC1 действует в расцеплении межцепочечных сшивок ДНК в сотрудничестве с FANCD2 и FANCP/SLX4". Molecular Cell . 54 (3): 460–471. doi :10.1016/j.molcel.2014.03.015. PMC 5067070 . PMID  24726325. 
  18. ^ Репарация ДНК и мутагенез . Фридберг, Эррол К., Фридберг, Эррол К. (2-е изд.). Вашингтон, округ Колумбия: ASM Press. 2006. ISBN 9781555813192. OCLC  59360087.{{cite book}}: CS1 maint: другие ( ссылка )
  19. ^ Адмирал, Сюзанна Дж.; О'Брайен, Патрик Дж. (2015-03-10). «Ферменты репарации эксцизионных оснований защищают абазические сайты в дуплексной ДНК от межцепочечных перекрестных связей». Биохимия . 54 (9): 1849–1857. doi :10.1021/bi501491z. ISSN  0006-2960. PMC 4404639. PMID 25679877  . 
  20. ^ Чжао, Линьлинь; Сюй, Вэньянь (2015-12-02). «Мутагенный обход аналога межцепочечной сшивки ДНК, вызванной окисленным абазическим повреждением, с помощью ДНК-полимераз человеческого транслезионного синтеза». Биохимия . 54 (50): 7409–7422. doi :10.1021/acs.biochem.5b01027. PMC 4700817. PMID  26626537 . 
  21. ^ Чжао, Линьлинь; Сюй, Вэньянь (2016-10-21). «O6-2′-дезоксигуанозин-бутилен-O6-2′-дезоксигуанозин ДНК межцепочечные поперечные связи являются блокирующими репликацию и мутагенными повреждениями ДНК». Chem. Res. Toxicol . 29 (11): 1872–1882. doi :10.1021/acs.chemrestox.6b00278. PMC 5665164. PMID  27768841 . 
  22. ^ Cole RS, Levitan D, Sinden RR (1976). «Удаление псораленовых межцепочечных сшивок из ДНК Escherichia coli: механизм и генетический контроль». J. Mol. Biol . 103 (1): 39–59. doi :10.1016/0022-2836(76)90051-6. PMID  785009.
  23. ^ Sinden RR, Cole RS (1978). «Репарация сшитой ДНК и выживание Escherichia coli, обработанной псораленом и светом: эффекты мутаций, влияющих на генетическую рекомбинацию и метаболизм ДНК». J. Bacteriol . 136 (2): 538–47. doi :10.1128/jb.136.2.538-547.1978. PMC 218577. PMID  361714 . 
  24. ^ Noll DM, Mason TM, Miller PS (2006). «Формирование и восстановление межцепочечных поперечных связей в ДНК». Chem. Rev. 106 ( 2): 277–301. doi :10.1021/cr040478b. PMC 2505341. PMID  16464006 . 
  25. ^ Третьякова, Наталья; Гроелер, Арнольд; Цзи, Шаофэй (2015). «ДНК-белковые перекрестные связи: формирование, структурная идентичность и биологические результаты». Acc Chem Res . 48 (6): 1631–44. doi :10.1021/acs.accounts.5b00056. PMC 4704791. PMID  26032357 . 
  26. ^ Pendergrast, P.; Chen, Yan; Ebright, Yon; Ebright, Richard (1992). «Определение ориентации мотива связывания ДНК в комплексе белок-ДНК методом фотосшивания» (PDF) . Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 89 (21): 10287–10291. Bibcode :1992PNAS...8910287P. doi : 10.1073/pnas.89.21.10287 . PMC 50323 . PMID  1332042. 
  27. ^ Смит, Кендрик; Мартин, Шетлар. «ДНК-БЕЛКОВЫЕ СШИВКИ». {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  28. ^ Molina JR, Yang P, Cassivi SD, Schild SE, Adjei AA (2008). «Немелкоклеточный рак легких: эпидемиология, факторы риска, лечение и выживаемость». Mayo Clin. Proc . 83 (5): 584–94. doi :10.4065/83.5.584. PMC 2718421. PMID  18452692. 
  29. ^ ab Taron M, Rosell R, Felip E, Mendez P, Souglakos J, Ronco MS, Queralt C, Majo J, Sanchez JM, Sanchez JJ, Maestre J (2004). "Уровни экспрессии мРНК BRCA1 как индикатор химиорезистентности при раке легких". Hum. Mol. Genet . 13 (20): 2443–9. doi : 10.1093/hmg/ddh260 . PMID  15317748.
  30. ^ ab Papadaki C, Sfakianaki M, Ioannidis G, Lagoudaki E, Trypaki M, Tryfonidis K, Mavroudis D, Stathopoulos E, Georgoulias V, Souglakos J (2012). «Уровни экспрессии мРНК ERCC1 и BRAC1 в первичной опухоли могут предсказать эффективность второй линии химиотерапии на основе цисплатина у предварительно леченных пациентов с метастатическим немелкоклеточным раком легких». J Thorac Oncol . 7 (4): 663–71. doi : 10.1097/JTO.0b013e318244bdd4 . PMID  22425915.
  31. ^ Стингеле, Джулиан; Беллелли, Роберто; Болтон, Саймон (сентябрь 2017 г.). «Механизмы восстановления сшивок ДНК–белок». Nature Reviews Molecular Cell Biology . 18 (9): 563–573. doi :10.1038/nrm.2017.56. PMID  28655905. S2CID  9938335.

Внешние ссылки