Komórkowa skrzynka z narzędziami

Mechanizm samonaprawy DNA, określony przez Komitet Noblowski jako „komórkowa skrzynka z narzędziami do naprawy DNA” jest niezmiernie istotny nie tylko dla wykrywania błędów genetycznych, ale — co ważniejsze — dla przyszłych możliwości ich leczenia. 

Prof. Thomas Carell z Ludwig Maximilian Universitat w Mona-chium, który od kilku dekad zajmuje się mechanizmami naprawy DNA, porównał je do płyty CD, która jest tyle razy kopiowana, iż w trakcie jej odczytu zaczynają, na skutek drobnych uszkodzeń, kumulować się błędy. „Według ostrożnych obliczeń, dziennie mamy do czynienia z około 10 000 błędów DNA w komórce” — stwierdził prof. Carell w wypowiedzi dla pisma „Science”. Na przykład w każdym momencie, kiedy DNA jest replikowane, istnieje ryzyko błędu w newralgicznym obszarze bądź rozpoczęcia kopiowania od złego obszaru. DNA może być także uszkadzane np. przez emisję w paśmie ultrafioletu lub substancje chemiczne.

Jak zauważają wszyscy biochemicy, nie ma więc możliwości, aby tak kluczowy i zarazem wrażliwy mechanizm molekularny nie został wyposażony w system, który pozwala na usuwanie błędów, monitorowanie działania i zarządzanie funkcjonowaniem. Jeśli bowiem błędy w obrębie DNA nie zostaną usunięte, wówczas komórki z nawarstwiającymi się błędami zaczynają tworzyć tkankę nowotworową. „Naprawa DNA jest absolutnie kluczowa dla stabilności genomu i całego życia na poziomie komórkowym” — twierdzi prof. Thomas Carell.

Trzy sposoby usuwania błędów

Badania prowadzone przez Lindahla, Modricha i Sancara dowiodły, iż istnieją trzy typy naprawy DNA. Pierwszy to usunięcie uszkodzonych par zasad, drugi — usunięcie całych uszkodzonych nukleotydów i trzeci — naprawa niepasujących do siebie par zasad. Naukowcy znaleźli w późniejszym okresie także i inne metody samonaprawy DNA, lecz mechanizmy odkryte przez trzech naukowców nadal pozostają najważniejszymi sposobami regeneracji DNA w komórce.

Prof. Thomas Lindahl stwierdził, iż cytozyna spontanicznie traci jedną grupę aminową, przechodząc tym samym w uracyl. Naukowiec zidentyfikował enzym usuwający fałszywy uracyl oraz drugi, który jest odpowiedzialny za wycinanie uszkodzonej adeniny. Enzymy te stanowią podstawę sporej rodziny związków odpowiedzialnych za naprawę DNA poprzez wycinanie.

Prof. Aziz Sancar zbadał proces naprawy struktur komórkowych uszkodzonych przez promieniowanie UV. U bakterii za proces ten odpowiedzialne są enzymy fotolizy, które wspomagają się światłem do prowadzenia wycinania uszkodzonych przez promieniowanie UV fragmentów DNA. Sancar odkrył także „ciemny” system reperacji DNA. W tym systemie główną rolę odgrywa ekscynukleaza — enzym, który może wyciąć długi na 12 nukleotydów obszar uszkodzonego DNA. Inne enzymy wypełniają powstałą w ten sposób lukę.

Prof. Paul Modrich z kolei badał, w jaki sposób komórki dopasowują do siebie niepasujące fragmenty DNA powstałe na skutek uszkodzeń. Odpowiedzialny za to zarówno u bakterii, jak i komórek organizmów wyższych okazał się enzym metylaza deoksyadezynowa (Dam methylase). Enzym ten oznaczał uszkodzone fragmenty DNA grupami metylowymi, co było wskazówką dla enzymów restrykcyjnych, aby odcięły ten fragment DNA. W 1989 roku Modrich złożył cały enzymatyczny „zestaw naprawczy” potrzebny do regeneracji niepasujących odcinków DNA u bakterii i jak się okazało w badaniach in vitro, ów zestaw działał prawidłowo. W 2004 roku profesor ostatecznie określił, iż podobny system dla komórek ludzkich oparty jest na metylacji DNA.

Wyniki powyższych badań są bardzo istotne dla onkologii. Uszkodzeniem mechanizmu regeneracji DNA poprzez wycinanie i dopasowanie niepasujących jego fragmentów tłumaczy się obecnie powstawanie niektórych typów nowotworów drobnokomórkowych, np. raka drobnokomórkowego wątroby. Bez badań prowadzonych przez prof. Sancara niemożliwy byłby dzisiejszy postęp w dziedzinie analiz czerniaka. Obecnie wiadomo, że w wielu przypadkach tego nowotworu występują zaburzenia w strukturze białka kodującego ekscynukleazę. Z kolei zaburzenia w wytwarzaniu enzymu wycinającego uszkodzoną adeninę są przyczyną tzw. spontanicznych manifestacji tkanki nowotworowej, charakterystycznych dla wczesnych stadiów rozwoju np. nowotworów przewodu pokarmowego.