Popravak ekscizije baze

Popravak ekscizije baze (BER) je ćelijski mehanizam, proučavan u oblastima biohemije i genetike, koji popravlja oštećenu DNK tokom ćelijskog ciklusa. Prvenstveno je odgovoran za uklanjanje malih lezija baza koje ne iskrivljuju heliks iz genoma. Povezani put nukleotidni ekscizijski popravak popravlja glomazne lezije koje izobličuju heliks. BER je važan za uklanjanje oštećenih baza koje bi inače mogle uzrokovati mutacije, pogrešnim uparivanjem ili dovesti do prekida u DNK tokom replikacije. BER pokreću DNK-glikozilaze, koje prepoznaju i uklanjaju specifične oštećene ili neodgovarajuće baze, formirajući AP-mjesta. One se zatim cijepaju AP-endonukleazama. Rezultirajući jednolančani prekid se tada može obraditi ili kratkim zakrpom (gdje se zamjenjuje jedan nukleotid) ili BER dugom zakrpom (gdje se sintetiše 2 –10 novih nukleotida).^[1]

Lezije obrađene BER-om

8-oksoguanin formira Hoogsteenov bazni par sa adeninom

Pojedinačne baze u DNK mogu biti hemijski oštećene različitim mehanizmima, a najčešći su deaminacija, oksidacija i alkilacija. Ove modifikacije mogu uticati na sposobnost baze da se veže vodikovom vezom, što dovodi do netačnog uparivanja baza i, kao posljedicu, mutacija u DNK. Naprimjer, inkorporacija adenina preko puta 8-oksoguanina (desno) tokom DNK replikacije uzrokuje mutaciju baznog para G:C u T:A. Drugi primjeri baznih lezija koje je popravio BER uključuju:

Oksidirane baze: 8-oksoguanin, 2,6-diamino-4-hidroksi-5-formamidopirimidin (FapyG, FapyA)
Alkilovane baze: 3-metiladenin, 7-metilgvanozin
Deaminirane baze: hipoksantin nastao deaminacijom adenina. Ksantin nastao deaminacijom guanina. (Timidinski proizvodi nakon deaminacija 5-metilcitozina su teže prepoznati, ali se mogu popraviti glikozilazama specifičnim za neslaganje)
'Uracil' neprikladno ugrađen u DNK ili formiran deaminacijom citozina^[2]

Pored osnovnih lezija, nizvodni koraci BER-a se također koriste za popravku jednolančanih prekida.

Izbor između popravka duge i kratke zakrpe

Izbor između popravke kratke i duge zakrpa je još uvijek pod istragom. Smatra se da različiti faktori utiču na ovu odluku, uključujući tip lezije, fazu ćelijskog ciklusa i da li je ćelija terminalno diferencirana ili se aktivno deli.^[3] Neke lezije, kao što su oksidirana ili reducirana AP-mjesta, otporne su na aktivnost pol β lijaza i stoga moraju biti obrađene dugom zakrpom BER-a.

Preferencije za put se takođe mogu razlikovati među organizmima. Dok ljudske ćelije koriste i kratki i dugi BER, dugo se smatralo da kvasac Saccharomyces cerevisiae nema put kratke zakrpe jer nema homologe nekoliko proteina kratke zakrpe sisara, uključujući pol β, DNK-ligazu III, XRCC1 i kinazni domen PNKP. Nedavno otkriće da poli-A polimeraza Trf4 posjeduje aktivnost 5' dRP lijaze dovela je u pitanje ovo gledište.^[4]

Proteini uključeni u popravku ekscizije baze

DNK glikozilaze

Uracil DNK.glikozilaza izbacuje ostatak uracila iz dupleksa, prikazan žuto.

DNK-glikozilaze su odgovorne za početno prepoznavanje lezije. Oni okreću oštećenu bazu iz dvostruke spirale, kao što je prikazano na slici, i cijepaju N-glikozidnu vezu oštećene baze, ostavljajući AP-mjesto. Postoje dvije kategorije glikozilaza: monofunkcionalne i bifunkcionalne. Monofunkcionalne glikozilaze imaju samo aktivnost glikozilaze, dok bifunkcionalne glikozilaze takođe poseduju aktivnost AP-lijaza. Stoga, bifunkcionalne glikozilaze mogu pretvoriti osnovnu leziju u jednolančani prekid bez potrebe za AP-endonukleazama. β-eliminacija AP-mjesta pomoću glikozilaze-lijaze daje 3' α,β-nezasićeni aldehid, pored 5' fosfata, koji se razlikuje od produkta cijepanja APendonukleaze.^[5] Neke glikozilaze-lijaze mogu dalje izvršiti δ-eliminaciju, koja pretvara 3' aldehid u 3' fosfat. Veliki broj glikozilaza evoluirao je da prepoznaju različite oštećene baze. Primjeri DNK-glikozilaza uključuju Ogg1, koji prepoznaje 8-oksoguanin, MPG, koja prepoznaje 3-metiladenin, i koji uklanja uracil iz DNK.

AP endonukleaze

AP-endonukleaze cijepaju AP-mjesto dajući 3' hidroksil pored 5' dezoksiribozofosfata (dRP). AP-endonukleaze se dijele u dvije porodice, na osnovu njihove homologije sa bakterijskim endonukleazama AP-predaka endonukleaza IV i egzonukleaza III.[^[6] Mnogi eukarioti imaju članove obje porodice, uključujući kvasac Saccharomyces cerevisiae, u kojem je Apn1 EndoIV homolog, a Apn2 je u srodstvu sa ExoIII. Kod ljudi su identificirane dvije AP-endonukleaze, APE1 i APE2.^[7] Član je porodice ExoIII.

Enzimi za završetak obrade

Da bi došlo do ligacije, prekid lanca DNK mora imati hidroksil na svom 3' kraju i fosfat na svom 5' kraj. Kod ljudi, polinukleotid kinaza-fosfataza (PNKP) podstiče formiranje ovih krajeva tokom BER. Ovaj protein ima domen kinaze, koji fosforilira 5' hidroksilne krajeve, i domen fosfataze, koji uklanja fosfate sa 3' krajeva. Zajedno, ove aktivnosti spremaju jednolančane prekide sa oštećenim krajevima za podvezivanje. AP endonukleaze također učestvuju u procesuiranju 3' kraja. Osim što otvaraju AP-mjesta, posjeduju aktivnost 3' fosfodiesteraze i mogu ukloniti razne 3' lezije uključujući fosfate, fosfoglikolate i aldehide. 3'-Procesuiranje se mora dogoditi prije nego što se može započeti sinteza DNK jer DNK-polimeraze zahtijevaju 3' hidroksil da bi se proširio.

DNK polimeraze

Pol β je glavna ljudska polimeraza koja katalizira BER kratkog krpljenja zak, s pol λ sposobnom da kompenzira u njenom odsustvu.^[8] Ove polimeraze su članovi porodice Pol X i obično ubacuju samo jedan nukleotid. Pored aktivnosti polimeraze, ovi enzimi imaju domen lijaze koji uklanja 5' dRP koji je ostao nakon cijepanja AP-endonukleaze. Tokom dugotrajnog BER-a, sinteza DNK se smatra posredovana pol δ i pol ε zajedno sa faktorom procesivnosti PCNA, istim polimerazama koje vrše replikaciju DNK. Ove polimeraze izvode sintezu pomicanja, što znači da je krajnji kraj 5' DNK "pomaknut" kako bi se formirao preklop. Pol β također može izvoditi sintezu pomicanja dugih zakrpa i stoga može sudjelovati u bilo kojem BER putu.^[9] Sinteza duge zakrpe obično ubacuje 2-10 novih nukleotida.

Flap endonukleaza

FEN1 uklanja 5' preklop generiran tokom dugog patch BER. Ova endonukleaza pokazuje jaku preferenciju za dugački 5' režanj pored režnja od 1-nt 3'.^[10] [Homolog kvasca za FEN1 je RAD27, pored svoje uloge u dugotrajnom BER-u, FEN1 cijepa klapne sa sličnom strukturom tokom Okazaki fragmentne obrade, što je važan korak u zaostatku lanca replikacija DNK.

DNK ligaza

DNK ligaza III zajedno sa svojim kofaktorom XRCC1 katalizira korak zatvaranja zareza u kratkom BER kod ljudi.^[11]^[12] DNK ligaza I ligira prekid u dugotrajnom BER-u.^[13]

Također pogledajte

Reference

^ Liu Y, Prasad R, Beard WA, Kedar PS, Hou EW, Shock DD, Wilson SH (2007). "Coordination of Steps in Single-nucleotide Base Excision Repair Mediated by Apurinic/Apyrimidinic Endonuclease 1 and DNA Polymerase β". Journal of Biological Chemistry. 282 (18): 13532–13541. doi:10.1074/jbc.M611295200. PMC 2366199. PMID 17355977.
^ Jayanta Chaudhuri & Frederick W. Alt (2004). "Class-switch recombination: interplay of transcription, DNA deamination and DNA repair". Nature Reviews Immunology. 4 (7): 541–552. doi:10.1038/nri1395. PMID 15229473. S2CID 34376550.
^ Fortini P, Dogliotti E (april 2007). "Base damage and single-strand break repair: mechanisms and functional significance of short- and long-patch repair subpathways". DNA Repair. 6 (4): 398–409. doi:10.1016/j.dnarep.2006.10.008. PMID 17129767.
^ Gellon L, Carson DR, Carson JP, Demple B (februar 2008). "Intrinsic 5'-Deoxyribose-5-phosphate Lyase Activity in Saccharomyces cerevisiae Trf4 Protein with a Possible Role in Base Excision DNA Repair". DNA Repair. 7 (2): 187–98. doi:10.1016/j.dnarep.2007.09.009. PMC 2258243. PMID 17983848.
^ Fromme JC, Banerjee A, Verdine GL (februar 2004). "DNA glycosylase recognition and catalysis". Curr. Opin. Struct. Biol. 14 (1): 43–9. doi:10.1016/j.sbi.2004.01.003. PMID 15102448.
^ Aravind L, Walker DR, Koonin EV (1999). "Conserved domains in DNA repair proteins and evolution of repair systems". Nucleic Acids Research. 27 (5): 1223–1242. doi:10.1093/nar/27.5.1223. PMC 148307. PMID 9973609.
^ Demple B, Herman T, Chen DS (1991). "Cloning and expression of APE, the cDNA encoding the major human apurinic endonuclease: definition of a family of DNA repair enzymes". PNAS USA. 88 (24): 11450–11454. Bibcode:1991PNAS...8811450D. doi:10.1073/pnas.88.24.11450. PMC 53153. PMID 1722334.
^ Braithwaite EK, Prasad R, Shock DD, Hou EW, Beard WA, Wilson SH (maj 2005). "DNA polymerase lambda mediates a back-up base excision repair activity in extracts of mouse embryonic fibroblasts". J. Biol. Chem. 280 (18): 18469–75. doi:10.1074/jbc.M411864200. PMID 15749700.
^ Beard WA, Prasad R, Wilson SH (2006). "Activities and Mechanism of DNA Polymerase β". Activities and mechanism of DNA polymerase beta. Meth. Enzymol. Methods in Enzymology. 408. str. 91–107. doi:10.1016/S0076-6879(06)08007-4. ISBN 9780121828134. PMID 16793365.
^ Kao HI, Henricksen LA, Liu Y, Bambara RA (april 2002). "Cleavage specificity of Saccharomyces cerevisiae flap endonuclease 1 suggests a double-flap structure as the cellular substrate". J. Biol. Chem. 277 (17): 14379–89. doi:10.1074/jbc.M110662200. PMID 11825897.
^ Cappelli, Enrico (1997). "Involvement of XRCC1 and DNA Ligase III Gene Products in DNA Base Excision Repair". Journal of Biological Chemistry. 272 (38): 23970–23975. doi:10.1074/jbc.272.38.23970. PMID 9295348.
^ Caldecott, Keith (1995). "Characterization of the XRCC1-DNA ligase III complex in vitro and its absence from mutant hamster cells". Nucleic Acids Research. 23 (23): 4836–4843. doi:10.1093/nar/23.23.4836. PMC 307472. PMID 8532526. Arhivirano s originala, 17. 5. 2022. Pristupljeno 10. 3. 2019.
^ Pascucci, Barbara (1999). "Long Patch Base Excision Repair with Purified Human Proteins DNA ligase i as patch size mediator for dna polymerases δ and ε". The Journal of Biological Chemistry. 274 (47): 33696–33702. doi:10.1074/jbc.274.47.33696. PMID 10559260.

Vanjski linkovi

Base Excision Repair na US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)

[1] Liu Y, Prasad R, Beard WA, Kedar PS, Hou EW, Shock DD, Wilson SH (2007). "Coordination of Steps in Single-nucleotide Base Excision Repair Mediated by Apurinic/Apyrimidinic Endonuclease 1 and DNA Polymerase β". Journal of Biological Chemistry. 282 (18): 13532–13541. doi:10.1074/jbc.M611295200. PMC 2366199. PMID 17355977.

[2] Jayanta Chaudhuri & Frederick W. Alt (2004). "Class-switch recombination: interplay of transcription, DNA deamination and DNA repair". Nature Reviews Immunology. 4 (7): 541–552. doi:10.1038/nri1395. PMID 15229473. S2CID 34376550.

[pmid17129767-3] Fortini P, Dogliotti E (april 2007). "Base damage and single-strand break repair: mechanisms and functional significance of short- and long-patch repair subpathways". DNA Repair. 6 (4): 398–409. doi:10.1016/j.dnarep.2006.10.008. PMID 17129767.

[pmid17983848-4] Gellon L, Carson DR, Carson JP, Demple B (februar 2008). "Intrinsic 5'-Deoxyribose-5-phosphate Lyase Activity in Saccharomyces cerevisiae Trf4 Protein with a Possible Role in Base Excision DNA Repair". DNA Repair. 7 (2): 187–98. doi:10.1016/j.dnarep.2007.09.009. PMC 2258243. PMID 17983848.

[pmid15102448-5] Fromme JC, Banerjee A, Verdine GL (februar 2004). "DNA glycosylase recognition and catalysis". Curr. Opin. Struct. Biol. 14 (1): 43–9. doi:10.1016/j.sbi.2004.01.003. PMID 15102448.

[6] Aravind L, Walker DR, Koonin EV (1999). "Conserved domains in DNA repair proteins and evolution of repair systems". Nucleic Acids Research. 27 (5): 1223–1242. doi:10.1093/nar/27.5.1223. PMC 148307. PMID 9973609.

[7] Demple B, Herman T, Chen DS (1991). "Cloning and expression of APE, the cDNA encoding the major human apurinic endonuclease: definition of a family of DNA repair enzymes". PNAS USA. 88 (24): 11450–11454. Bibcode:1991PNAS...8811450D. doi:10.1073/pnas.88.24.11450. PMC 53153. PMID 1722334.

[pmid15749700-8] Braithwaite EK, Prasad R, Shock DD, Hou EW, Beard WA, Wilson SH (maj 2005). "DNA polymerase lambda mediates a back-up base excision repair activity in extracts of mouse embryonic fibroblasts". J. Biol. Chem. 280 (18): 18469–75. doi:10.1074/jbc.M411864200. PMID 15749700.

[pmid16793365-9] Beard WA, Prasad R, Wilson SH (2006). "Activities and Mechanism of DNA Polymerase β". Activities and mechanism of DNA polymerase beta. Meth. Enzymol. Methods in Enzymology. 408. str. 91–107. doi:10.1016/S0076-6879(06)08007-4. ISBN 9780121828134. PMID 16793365.

[pmid11825897-10] Kao HI, Henricksen LA, Liu Y, Bambara RA (april 2002). "Cleavage specificity of Saccharomyces cerevisiae flap endonuclease 1 suggests a double-flap structure as the cellular substrate". J. Biol. Chem. 277 (17): 14379–89. doi:10.1074/jbc.M110662200. PMID 11825897.

[11] Cappelli, Enrico (1997). "Involvement of XRCC1 and DNA Ligase III Gene Products in DNA Base Excision Repair". Journal of Biological Chemistry. 272 (38): 23970–23975. doi:10.1074/jbc.272.38.23970. PMID 9295348.

[12] Caldecott, Keith (1995). "Characterization of the XRCC1-DNA ligase III complex in vitro and its absence from mutant hamster cells". Nucleic Acids Research. 23 (23): 4836–4843. doi:10.1093/nar/23.23.4836. PMC 307472. PMID 8532526. Arhivirano s originala, 17. 5. 2022. Pristupljeno 10. 3. 2019.

[13] Pascucci, Barbara (1999). "Long Patch Base Excision Repair with Purified Human Proteins DNA ligase i as patch size mediator for dna polymerases δ and ε". The Journal of Biological Chemistry. 274 (47): 33696–33702. doi:10.1074/jbc.274.47.33696. PMID 10559260.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]