Κάνει κάτι ένα κύτταρο για να προστατευτεί από τη βλάβη του DNA;

Κάθε κύτταρο χρησιμοποιεί μια ποικιλία προληπτικών και διορθωτικών μέτρων για τη μετάλλαξη και τη βλάβη του DNA, συμπεριλαμβανομένης της διόρθωσης, της επιδιόρθωσης αναντιστοιχίας, της επιδιόρθωσης εκτομής και ακόμη και της απόπτωσης, μεταξύ άλλων.

Όταν σκεφτόμαστε τις απειλές για την ευημερία και την επιβίωσή μας, μερικά από τα πρώτα πράγματα που σκέφτονται οι άνθρωποι είναι ο πόλεμος, η πείνα, η κλιματική αλλαγή, ο πυρηνικός πόλεμος, η φτώχεια, το έγκλημα ή οποιαδήποτε άλλη τρομερή πραγματικότητα της σύγχρονης ζωής. Ωστόσο, στην κυτταρική κλίμακα, υπάρχει ένας σαφής και παρών κίνδυνος που βρίσκεται πάνω από οτιδήποτε άλλο—το κατεστραμμένο ή μεταλλαγμένο DNA.

DNA:το δομικό στοιχείο της ζωής (Photo Credit :Billion Photos/Shutterstock)

Για ένα κύτταρο, δεν υπάρχει τίποτα χειρότερο από το μεταλλαγμένο DNA γιατί αυτό μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία εσφαλμένων πρωτεϊνών, μερικές από τις οποίες μπορεί να οδηγήσουν σε σοβαρές ασθένειες, συμπεριλαμβανομένου του καρκίνου! Η βλάβη στο DNA μπορεί επίσης να προέλθει από εξωτερικές πηγές, επομένως το κύτταρο πρέπει να είναι σε θέση να αμυνθεί και έναντι αυτής της απειλής. Υπάρχουν διάφορα «σημεία ελέγχου» που πρέπει να περάσει το DNA προτού επιτραπεί η μεταβίβασή του. Αν και πολλές μεταλλάξεις δεν είναι επικίνδυνες -και μερικές είναι ακόμη και ωφέλιμες!-- τα κύτταρα εξακολουθούν να επαγρυπνούν για την ακεραιότητα του DNA τους και καταβάλλουν κάθε δυνατή προσπάθεια για να αποτρέψουν τέτοια λάθη. Αυτό το άρθρο θα διερευνήσει μερικές από τις μεθόδους και τα μέσα με τα οποία τα κύτταρα υπερασπίζονται την πιο πολύτιμη ιδιοκτησία τους - το γενετικό υλικό!

Αντιγραφή DNA

Πριν μπούμε στα πιθανά σφάλματα που μπορεί να συμβούν στο γενετικό υλικό, πρέπει να έχουμε μια βασική κατανόηση της ίδιας της διαδικασίας αντιγραφής. Κατά την αντιγραφή του DNA στον πυρήνα ενός κυττάρου, το γενετικό υλικό αντιγράφεται, έτσι ώστε αυτό το υλικό να μπορεί να περάσει με ακρίβεια στα θυγατρικά κύτταρα. Ουσιαστικά, ένα μόριο DNA διπλής όψης αντιγράφεται για να παραχθεί ένα δεύτερο πανομοιότυπο μόριο DNA.

Αυτή η διαδικασία λαμβάνει χώρα σε τρία κύρια στάδια:διαίρεση του μορίου DNA στη μέση, εκκίνηση των χωριστών μισών για αντιγραφή και συναρμολόγηση των νέων μορίων DNA. Όπως γνωρίζετε, το DNA έχει σχήμα διπλής έλικας και αυτό θα ξετυλιχθεί, το οποίο ουσιαστικά αποσυνδέει το μόριο του DNA. Διάφορα ένζυμα θα κινηθούν κατά μήκος των μεμονωμένων μισών, προετοιμάζοντας τα νουκλεοτίδια για αντιγραφή.

Η DNA πολυμεράση είναι ένα κρίσιμο ένζυμο που στη συνέχεια θα συναρμολογήσει τη νέα πλευρά του μορίου του DNA, ταιριάζοντας κατάλληλα ζεύγη αζωτούχων βάσεων με ελεύθερα νουκλεοτίδια από τον πυρήνα. Λόγω της έννοιας του συμπληρωματικού ζεύγους βάσεων, τα ζεύγη βάσεων αδενίνης και τυροσίνης (Α &Τ) θα συνδυαστούν μαζί και τα νουκλεοτίδια κυτοσίνης και γουανίνης (C &G) θα ζευγαρωθούν επίσης κατά μήκος του κλώνου. Η πολυμεράση περικλείει πλήρως τον αποσυμπιεσμένο κλώνο καθώς συναρμολογείται και συνδέει τον νέο συνεργάτη κλώνο, με αποτέλεσμα ένα νέο δίκλωνο μόριο DNA. Στους ανθρώπους, αυτή η διαδικασία συμβαίνει πολύ γρήγορα—περίπου 50 ζεύγη νουκλεοτιδίων ανά δευτερόλεπτο!

Διόρθωση DNA

Όχι μόνο είναι η DNA πολυμεράση το ένζυμο που συναρμολογεί τα νουκλεοτίδια κατά τη διάρκεια της αντιγραφής του DNA, αλλά είναι επίσης υπεύθυνη για τον έλεγχο της δουλειάς του. Για παράδειγμα, εάν η πολυμεράση ανιχνεύσει ότι μια βάση έχει τοποθετηθεί λανθασμένα (π.χ., σύζευξη μιας κυτοσίνης με μια αδενίνη, αντί για μια γουανίνη), μπορεί να αφαιρέσει αμέσως το σφάλμα προτού συνεχίσει προς τα κάτω στον κλώνο. Αυτή η ταχεία απόκριση στα σφάλματα ονομάζεται διόρθωση DNA και είναι το πρώτο βήμα που έχουν τα κύτταρα όσον αφορά την άμυνα έναντι των σφαλμάτων αντιγραφής, των μεταλλάξεων και των διαφόρων συνεπειών τέτοιων λαθών.

Επισκευή ασυμφωνίας DNA

Δυστυχώς, όπως γνωρίζει κάθε συγγραφέας, η διόρθωση σπάνια είναι τέλεια, επομένως λάθη εξακολουθούν να εμφανίζονται στο DNA και πρέπει να διορθωθούν μετά την ολοκλήρωση της αναπαραγωγής. Αυτό είναι όταν η επιδιόρθωση ασυμφωνίας DNA αναλαμβάνει. Αυτή είναι μια ελαφρώς πιο απαιτητική διαδικασία από τη διόρθωση, καθώς ο κλώνος του DNA έχει πλέον ολοκληρωθεί και σφραγιστεί.

Αρχικά, μια ομάδα πρωτεϊνών και ενζύμων εργάζεται στην περιοχή του κλώνου όπου συνέβη το λάθος. Ένα σύμπλεγμα πρωτεϊνών δεσμεύεται στην κακώς ζευγαρωμένη βάση και τα ένζυμα αποκόπτουν ένα μικρό τμήμα νουκλεοτιδίων και στις δύο πλευρές του σφάλματος. Σε μια πρόσφατα αντιγραφόμενη αλυσίδα DNA, η "νέα πλευρά" θα στερείται μεθυλικών ομάδων, γεγονός που επιτρέπει στα πρωτεϊνικά σύμπλοκα και τα ένζυμα να γνωρίζουν ποια πλευρά του κλώνου να επιδιορθώσουν.

Μια πολυμεράση DNA (από το βήμα διόρθωσης) θα επανασυνδεθεί στη συνέχεια στον κλώνο DNA και θα «διορθώσει» το λάθος τοποθετώντας τα σωστά ζεύγη αζωτούχων βάσεων στον κλώνο. Αυτό είναι λίγο πιο χρονοβόρο από τη βασική διόρθωση, αλλά είναι όλα σχετικά και αυτή η διαδικασία επεξεργασίας μπορεί να ολοκληρωθεί σε κλάσματα δευτερολέπτου!

Γενική επιδιόρθωση DNA

Οι δύο παραπάνω μέθοδοι σχετίζονται συγκεκριμένα με σφάλματα και διορθώσεις που αφορούν τη διαδικασία αναπαραγωγής. Ενώ πολλά γενετικά σφάλματα κωδικοποίησης συμβαίνουν κατά τη διαδικασία αντιγραφής, αυτή δεν είναι η μόνη πηγή μεταλλάξεων ή βλάβης στο DNA μας! Το γενετικό μας υλικό μπορεί επίσης να καταστραφεί ως αποτέλεσμα ακτινοβολίας, χημικών και άλλων εξωτερικών πηγών. Επομένως, πρέπει επίσης να υπάρχουν διαδικασίες επιδιόρθωσης του DNA όταν η βλάβη συμβαίνει κατά τη διάρκεια της κανονικής ζωής ενός κυττάρου.

Η απλούστερη έκδοση αυτής της επισκευής είναι απλώς αντιστροφή ζημιών, που συνήθως απαιτείται ως απόκριση σε χημική έκθεση. Όταν ορισμένες χημικές ουσίες εισέρχονται στο κύτταρο, αυτά τα μόρια ή οι ομάδες μπορεί να συνδεθούν με τις νουκλεοτιδικές βάσεις του DNA, αλλάζοντας έτσι τον τρόπο με τον οποίο ζευγαρώνουν κατά την αντιγραφή. Αυτή η εσφαλμένη σύζευξη θα μπορούσε να οδηγήσει σε μεταλλάξεις, αλλά τα κύτταρά μας διαθέτουν μηχανισμούς για να αφαιρέσουν τέτοια πρόσθετα, ανεπιθύμητα μόρια και να διασφαλίζουν ότι οι βάσεις συμπεριφέρονται κανονικά κατά τη διάρκεια της αντιγραφής.

Επισκευή βασικής εκτομής είναι μια γρήγορη και απλή διαδικασία αντικατάστασης, κατά την οποία πρέπει να αφαιρεθεί και να αντικατασταθεί μια μεμονωμένη λανθασμένη ζεύξη βάσης (αυτή που άλλαξε μέσω χημικής αλληλεπίδρασης ή ολίσθησης μέσω της διαδικασίας διόρθωσης και επισκευής ασυμφωνίας). Ένα ένζυμο θα ανιχνεύσει αυτή τη λανθασμένη νουκλεοτιδική βάση, θα δεσμευτεί στον κλώνο και θα αφαιρέσει τη λανθασμένη βάση. Μια πολυμεράση θα έρθει να γεμίσει το κενό με τη σωστή βάση και ένα ένζυμο που ονομάζεται λιγάση θα σφραγίσει τη ραχοκοκαλιά του DNA.

Επισκευή εκτομής νουκλεοτιδίων είναι λίγο πιο περίπλοκο, καθώς αυτά τα «λάθη» στον κλώνο του DNA συχνά περιλαμβάνουν περισσότερα από ένα ζευγάρια βάσεων ή ένα μικρό κομμάτι του γενετικού κώδικα. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, όταν ορισμένες χημικές ομάδες συνδέονται με το DNA μας, μπορούν να αλλάξουν τη συμπεριφορά και την ακρίβεια αντιγραφής του κλώνου. Η βλάβη από την ακτινοβολία μπορεί να προκαλέσει την αλληλεπίδραση τμημάτων του DNA με τον εαυτό του, οδηγώντας έτσι σε μεταλλάξεις. Αυτά τα κατεστραμμένα τμήματα του DNA θα αντιμετωπιστούν με ελικάση DNA, η οποία ρωγμές ανοίγει τον κλώνο και ζαρώνει τον κλώνο γύρω από το κατεστραμμένο τμήμα του DNA. Ολόκληρο αυτό το τμήμα θα αφαιρεθεί, μια πολυμεράση DNA θα οργανώσει και θα τοποθετήσει τα σωστά και άθικτα ζεύγη βάσεων και η λιγάση θα σφραγίσει ξανά το κενό όπου έγιναν οι εργασίες επισκευής.

Τέλος, εάν ολόκληρος ο κλώνος του DNA σπάσει ή και οι δύο πλευρές του κλώνου έχουν καταστραφεί και απαιτούν αντικατάσταση, επισκευή θραύσης διπλής έλικας μπαίνει στο παιχνίδι. Υπάρχουν δύο ποικιλίες αυτής της επισκευής, μία που απλώς κολλάει τα σπασμένα μισά μαζί, με την προσθήκη κάποιων επιπλέον νουκλεοτιδίων. Αυτά λειτουργούν σαν «κόλλα» και πιθανότατα θα προκαλέσουν κάποιες μεταλλάξεις, αλλά είναι μια καλύτερη λύση από το να επιτρέψουμε σε εκατοντάδες γονίδια και μεγάλα τμήματα χρωμοσωμάτων να διαχωριστούν και να χαθούν για πάντα. Η πιο λεπτή δίκλωνη μέθοδος περιλαμβάνει ανασυνδυασμό από το μη κατεστραμμένο ομόλογο του χρωμοσώματος. Τα δύο ομόλογα ενώνονται στο κελί και το κατεστραμμένο τμήμα αντιγράφεται απευθείας και ανασυντίθεται από τον άθικτο συνεργάτη. Αυτή η μορφή επιδιόρθωσης συνήθως δεν οδηγεί σε πρόσθετες μεταλλάξεις.

Απόπτωση

Υπάρχει μια άλλη, πιο δραστική προσέγγιση για τη διόρθωση σφαλμάτων που μπορεί να συμβούν σε ένα κελί. Όταν μια μετάλλαξη θεωρείται πολύ δύσκολο να επιδιορθωθεί ή εάν είναι άμεσα επιβλαβής για την υγεία του κυττάρου, μπορούν να παραχθούν πρωτεΐνες που δίνουν εντολή στο κύτταρο να αυτοκτονήσει. Αυτή η μορφή αυτοκαταστροφής ονομάζεταιαπόπτωση. Αυτό θεωρείται η τελευταία λύση ενός κυττάρου που θέλει απελπισμένα να μην μεταδώσει μια μετάλλαξη στα μελλοντικά κύτταρα μέσω της αντιγραφής και της κυτταρικής διαίρεσης.

Μετάλλαξη P53

Πιο συγκεκριμένα, υπάρχει μια πρωτεΐνη που ονομάζεται p53 που δημιουργείται σε περίπτωση σοβαρής γενετικής μετάλλαξης και ενθαρρύνει το κύτταρο να τερματίσει τη ζωή του και να σταματήσει και τις διαδικασίες αναπαραγωγής, γεγονός που μειώνει σημαντικά τον κίνδυνο μετάδοσης της μετάλλαξης. το κόστος ενός κυττάρου είναι πολύ μικρότερο από τη ζημιά που μπορεί να προκαλέσει σε έναν οργανισμό ένας ταχέως αναπτυσσόμενος καρκινικός όγκος. Αυτές οι πρωτεΐνες θα επιβραδύνουν επίσης την κυτταρική διαίρεση, δίνοντας στο κύτταρο περισσότερο χρόνο για να διορθώσει τυχόν λάθη ή να υποβληθεί στα βήματα της απόπτωσης.

Τα κακά νέα

Παρά το γεγονός ότι έχει τόσους πολλούς μηχανισμούς για την προστασία του από τη βλάβη του DNA, ορισμένοι από αυτούς τους προστατευτικούς μηχανισμούς είναι επίσης ευάλωτοι σε μετάλλαξη. Θυμηθείτε, οτιδήποτε συμβαίνει σε ένα κύτταρο προγραμματίζεται μέσω του DNA. Με άλλα λόγια, εάν υπάρχει μια μετάλλαξη στο τμήμα του DNA που ελέγχει την παραγωγή της DNA πολυμεράσης ή της πρωτεΐνης p53 ή τη συμπεριφορά της γλυκολάσης, ορισμένα από αυτά τα αμυντικά μέτρα μπορεί να μην είναι τόσο αποτελεσματικά. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε πολλαπλές μεταλλάξεις στο ίδιο κύτταρο, οι οποίες μπορούν να αρχίσουν να ενώνονται μεταξύ τους. Τότε μπορεί να ξεκινήσει η καρκινική ανάπτυξη. Σπάνια μια μόνο μετάλλαξη οδηγεί σε ανάπτυξη καρκινικών κυττάρων. Απαιτεί πολλαπλές μεταλλάξεις που επηρεάζουν τόσο τη διαδικασία αναπαραγωγής όσο και τα αμυντικά μέτρα για την καταπολέμηση τέτοιων σφαλμάτων.

Μια τελευταία λέξη

Η ζωή στον πυρήνα είναι μια συνεχής μάχη που απαιτεί διαρκή προσοχή στη λεπτομέρεια. Με χιλιάδες ζεύγη βάσεων να αντιγράφονται σε δισεκατομμύρια διαφορετικά κύτταρα κάθε λεπτό της ζωής μας, είναι βέβαιο ότι θα συμβούν λάθη. Είμαστε τυχεροί που οι απίστευτες λεπτομερείς οδηγίες για τη ζωή (DNA) σχεδίασαν επίσης ορισμένα προληπτικά μέτρα για να προστατεύσουμε τα κύτταρα μας από λάθη και μεταλλάξεις. Αν και αυτά τα συστήματα δεν είναι πάντα τέλεια, διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στη μακροπρόθεσμη επιβίωση και υγεία μας!