AP-mjesto

U biohemiji i molekulskoj genetici, AP-mjesto (apurinsko/apirimidinsko mjesto), također poznato kao abazno mjesto, je lokacija u DNK (takođe u RNK, ali mnogo manje vjerovatno) koja nema ni purinsku ni pirimidinsku bazu, bilo spontano ili zbog oštećenja DNK . Procijenjeno je da se u fiziološkim uvjetima u ćeliji dnevno može stvoriti 10.000 apurinskih mjesta i 500 apirimidinskih.^[1]^[2]

AP-mjesta se mogu formirati spontanim depurinacijama, ali se mogu pojaviti i kao intermedijari u baznom ekscizijskom popravku.^[3] U ovom procesu, DNK-glikozilaza prepoznaje oštećenu bazu i cijepa N-glikozidnu vezu kako bi oslobodila bazu, ostavljajući AP-mjesto. Postoje razne glikozilaze koje prepoznaju različite tipove oštećenja, uključujući oksidirane ili metilirane baze, ili uracil u DNK. AP mjesto se zatim može otcijepiti pomoću AP-endonukleaze, ostavljajući 3'-hidroksil i dezoksiriboza-5-fosfatne krajeve (vidi struktura DNK). Na alternativni način, bifunkcionalne glikozilaze-lijaze mogu cijepati AP-mjesto, ostavljajući 5' fosfat uz 3' α,β-nezasićeni aldehid. Oba mehanizma formiraju jednolančani prekid, koji se zatim popravlja bilo kratkom ili dugom popravkom bazne ekscizije.^[4]

Ako se ne poprave, AP-mjesta mogu dovesti do mutacija tokom polukonzervativne replikacije. Oni mogu uzrokovati zastoj replikacijskih viljuški i zaobilaze se pomoću translezijske sinteze. U E. coli, adenin se prvenstveno ubacuje preko AP-mjesta, poznato kao "pravilo A". Situacija je složenija kod viših eukariota, s različitim nukleotidima koji pokazuju preferenciju u zavisnosti od organizma i eksperimentalnih uslova.^[3]

Formiranje

AP-mjesta se formiraju kada se dezoksiriboza otcijepi od svoje dušične baze, prekidajući glikozidnu vezu između njih. Ovo se može dogoditi spontano, kao rezultat hemijske aktivnosti, zračenja ili zbog aktivnosti enzima. Glikozidne veze u DNK mogu se prekinuti putem kiselinski-katalizirane hidrolize. Purinske baze se mogu izbaciti u slabo kiselim uslovima, dok pirimidini zahtevaju jaču kiselost da bi se cijepali. Purini se čak mogu ukloniti i na neutralnom pH, ako se temperatura dovoljno poveća. Formiranje AP-mjesta također može biti uzrokovano raznim hemikalijama koje modifikuju bazu. Alkilacija, deaminacija i oksidacija pojedinačnih baza mogu dovesti do slabljenja glikozilne veze, tako da izlaganje agensima koji uzrokuju te modifikacije može podstaknuti formiranje AP-mjesta.^[2]

Ionizirajuće zračenje također može dovesti do formiranja AP-mjesta. Ozračena okruženja sadrže radikale, koji mogu doprinijeti AP-mjestima na više načina. Hidroksilni radikali mogu napasti glikozidne veze, direktno stvarajući AP-mjesto, ili učiniti glikozilnu vezu manje povoljnom, povezivanjem sa bazom ili deoksiriboznim prstenom.^[2]

Enzimi, odnosno DNK-glikozilaze, također često stvaraju AP-mjesta, kao dio popravka bazne ekscizije. Procjenjuje se da u datoj ćeliji sisara dnevno formira 5000-10 000 apurinskih mjesta. Apirimidinska mjesta se formiraju otprilike 20 puta sporije, s procjenama na oko 500 formiranja dnevno, po ćeliji. Pri ovako visokim stopama, ključno je da ćelije imaju robustan aparat za popravku kako bi se spriječile mutacije.

Obilježja

Hemijske karakteristike

Reaktivnost AP-mjesta

AP-mjesta su izuzetno reaktivna. Fluktuiraju između furanskog prstena i otvorenog lanca bez aldehida i slobodne alkoholne konformacije. Izlaganje nukleofilu može izazvati reakciju β-eliminacije, pri čemu je 3' fosfodiesterska veza prekinuta, uzrokujući jednolančani prekid. Ovu reakciju može katalizirati AP-lijaza.^[2] U prisustvu viška reagensa može doći do dodatne eliminacije na 5' strani. Slobodni aldehid također može reagirati s nukleofilnim aldehidima koji sadrže amin. Ove reakcije mogu dalje podstaknuti cijepanje fosfoesterske veze. Aldehidi koji sadrže grupe O-HN₂ mogu poslužiti za stabilizaciju bezbaznog mjesta reakcijom sa aldehidnom grupom. Ova interakcija ne cijepa fosfoestersku vezu.

Biološka aktivnost

AP-mjesta u živim ćelijama mogu uzrokovati različite i teške posljedice, uključujući smrt ćelije. Jednolančani prekidi koji nastaju zbog β-eliminacije zahtijevaju popravku pomoću DNK-ligaze, kako bi se izbjegla mutacija. Kada DNK-polimeraza naiđe na abazno mjesto, DNK replikacija je obično blokirana, što samo po sebi može dovesti do jednolančanog ili dvolančanog prekida u spirali DNK.^[4] U E. coli, kada enzim uspije zaobići abazno mjesto, adenin se prvenstveno inkorporira u novi lanac.^[2]^[3] Ako AP-mjesta u DNK nisu popravljena, replikacija DNK ne može nastaviti normalno i mogu rezultirati značajne mutacije.^[4] Ako su mutacije samo polimorfizmi jednog nukleotida, tada ćelija potencijalno može biti nepromijenjena. Međutim, ako dođe do ozbiljnijih mutacija, funkcija ćelije može biti ozbiljno narušena, rast i dioba mogu biti poremećeni, ili ćelija može jednostavno umrijeti.

Popravak

AP mjesta su važna karakteristika osnovnog puta popravka ekscizije. DNK-glikozilaze prvo stvaraju abazna mjesta prepoznavanjem i uklanjanjem modificiranih baza. Postoje mnoge varijante glikozilaza koje se bave višestrukim načinima na koje baza može biti oštećena. Najčešće okolnosti su alkilacija baze, oksidacija i prisustvo uracila u lancu DNK.^[4] Jednom kada je AP-mjesto uspješno kreirano, AP-endonukleaza katalizira razbijanje jed fosne fosfodiesterske veze, stvarajući urez u okosnici heliksa.^[4] Prelom može biti 3' ili 5' mjesto, ovisno o varijanti enzima. Završi se obrada enzima, a zatim pripremi lokaciju za ureznu ligaciju, koja se izvodi pomoću DNK-polimeraze.^[4] Baza umetnuta u urez određena je odgovarajućom bazom na suprotnom lancu. Urez je zatim zapečaćen DNK-ligazom.

Aktivnost AP-endonukleaza u popravljanju AP-mjesta u frontalnom/tjemenom korteksu, cerebellumu, moždanom stablu, srednjem mozgu i hipotalamusu opada s godinama u pacovima na dijeti ad libitum.^[5] U ograničenju kalorija kod pacova, za poređenje, aktivnost AP-endonukleaze u ovim regijama mozga ostaje veća s godinama.^[5] Ovi nalazi sugeriraju da povišena popravka AP-mjesta kod životinja s ograničenim unosom kalorija može odgoditi proces starenja.

Reference

^ Tropp, Burton (2012). Molecular Biology. Sudbury, MA: Jones & Bartlett Learning. str. 455. ISBN 978-1-4496-0091-4.
^ ^a ^b ^c ^d ^e Borlé, Myriam (1987). "Formation, detection, and repair of AP sites". Mutation Research. 181 (1): 45–56. doi:10.1016/0027-5107(87)90286-7. PMID 2444877.
^ ^a ^b ^c Abasic sites in DNA: repair and biological consequences in Saccharomyces cerevisiae. DNA Repair (Amst). 2004 Jan 5;3(1):1-12.
^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f Lindhal, Tomas (1993). "Instability and decay of the primary structure of DNA". Nature. 362 (6422): 709–715. Bibcode:1993Natur.362..709L. doi:10.1038/362709a0. PMID 8469282. S2CID 4283694.
^ ^a ^b Kisby GE, Kohama SG, Olivas A, Churchwell M, Doerge D, Spangler E, de Cabo R, Ingram DK, Imhof B, Bao G, Kow YW. Effect of caloric restriction on base-excision repair (BER) in the aging rat brain. Exp Gerontol. 2010 Mar;45(3):208-16. doi: 10.1016/j.exger.2009.12.003. Epub 2009 Dec 11. PMID 20005284; PMCID: PMC2826610

[Tropp-1] Tropp, Burton (2012). Molecular Biology. Sudbury, MA: Jones & Bartlett Learning. str. 455. ISBN 978-1-4496-0091-4.

[Borlé-2] Borlé, Myriam (1987). "Formation, detection, and repair of AP sites". Mutation Research. 181 (1): 45–56. doi:10.1016/0027-5107(87)90286-7. PMID 2444877.

[boiteux-3] Abasic sites in DNA: repair and biological consequences in Saccharomyces cerevisiae. DNA Repair (Amst). 2004 Jan 5;3(1):1-12.

[Lindhal-4] ^ ^a ^b ^c ^d ^e ^f Lindhal, Tomas (1993). "Instability and decay of the primary structure of DNA". Nature. 362 (6422): 709–715. Bibcode:1993Natur.362..709L. doi:10.1038/362709a0. PMID 8469282. S2CID 4283694.

[Kisby2010-5] Kisby GE, Kohama SG, Olivas A, Churchwell M, Doerge D, Spangler E, de Cabo R, Ingram DK, Imhof B, Bao G, Kow YW. Effect of caloric restriction on base-excision repair (BER) in the aging rat brain. Exp Gerontol. 2010 Mar;45(3):208-16. doi: 10.1016/j.exger.2009.12.003. Epub 2009 Dec 11. PMID 20005284; PMCID: PMC2826610

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]