Genomun Gardiyanları: DNA Tamir Mekanizmaları
Tuğçe Gül Yeşilyayla - Öğrenci/Moleküler Biyoloji ve Genetik, Fen-Edebiyat Fakültesi, Uludağ Üniversitesi
Organizmaların yaşama devam edebilmesi genom bütünlüğünün ve dizi bilgisinin korunmasına bağlıdır. Hemen hemen her gün 1013 hücremiz DNA hasarı oluşturabilen, çeşitli hastalıklara ve ölüme yönlendirebilecek binlerce etkene maruz kalmakta. Bu etkenler biyolojik, fiziksel veya kimyasal ajanları içermekte, bu ajanlar ise endojen ve ekzojen olabilmektedir[1].
Endojen etkenli DNA hasarının büyük bir çoğunluğu hidrolitik ve oksidatif reaksiyonlarının sebep olduğu kimyasal olarak aktif DNA’dan kaynaklanmaktadır. Bu etkenler şöyle sıralanabilmektedir[2].
Replikasyon sırasındaki DNA Polimeraz enzimin baz ekleme sırasındaki eşleşme hataları (Bu hatalar aynı enzimin “proofreading” etkinliği sayesinde düzeltilebilmektedir.)
Topoizomeraz enzim aktivitesindeki sorunlar
Deaminasyon ve metilasyon ile kimyasal değişiklikler
Oksidatif DNA hasarları
Apürinik ve apirimidik bölge oluşumları
Ekzojen etkenli DNA hasarları ise çevresel, kimyasal ve fiziksel ajanlar sebebiyle meydana gelmektedir[2]. Örneğin;
İyonize radyasyon
Ultraviyole radyasyon
Alkilleyici ajanlar (metil metansülfonat, mustard gazları)
Aflotoksin, benzopiren, vinil klorid gibi kimyasal moleküller
Kemoterapi ilaçları
Aromatik aminler (sigara, benzin, kömür, endüstriyel boyalar)
Çevresel stres (ekstrem sıcaklık koşulları, hipoksi, oksidatif stres)
Herhangi bir etken sebebiyle meydana gelecek DNA hasarı lezyon-spesifik sensör proteinleri tarafından algılanır ve DNA hasar yanıtını oluşturur. Genom yanıta cevap olarak ise 4 olası durumlardan birini tercih eder. Bunlar: DNA hasar kontrol noktalarının başlatılması, transkripsiyonel cevabın oluşması, hasar düzeltilebilecek durumda ise DNA tamir mekanizmalarının devreye girmesi ve apoptozdur[3].
DNA tamir yolakları 5 kategoriye bölünmüştür: direk tamir, baz eksizyon (kesip-çıkarma), nükleotid kesip-çıkarma, çift zincir kırıklıkları onarımı ve çarpraz bağlantı onarımıdır. Bunlar aşağıda ayrı ayrı açıklanmıştır[3].
1. Direkt Tamir Mekanizması:
Organizmanın büyük çoğunluğunda 2 tip direkt tamir mekanizması bulunmaktadır. İlk mekanizma fotoliyaz enzimlerince gerçekleşmektedir. UV- bağlı pirimidin dimerlerinin onarımını içermektedir. İkinci mekanizma ise metil-guanin DNA metil transferaz enzimi tarafından yürütülmektedir. DNA’daki O6-metilguaninden O6metil grubunun çıkarılmasını içermektedir. O6-metilguanin alkilleyici ajanlar varlığında oluşan mutejenik bir moleküldür[3].
Fotoliyaz enzimi çoğu türde bulunmazken metilguanin DNA transferaz enzimi özellikle insanları da içeren büyük bir kesimde fonksiyon göstermektedir[3].
Fotoliyaza sahip bazı bakteriler enerji kaynağı olarak mavi dalga fotonlarını kullanarak siklobütan pirimidinlerini tamir etmektedir. Fotoliyaz, 55-65kDa uzunluğunda monomerik bir proteindir. Pterin ve Flavin olarak iki adet kromofor kofaktör içermektedir[3].
Metil guanin DNA metiltransferaz enzimi doğada birçok yerde bulunabilen 20 kDa uzunluğunda ve herhangi bir kofaktör içermeyen küçük bir proteindir. Bu enzim hasarlı bölgenin DNA iskeletine bağlanarak düşük kararlılıkta bir kompleks oluşturur ve yanlış metillenmiş bazlardan -CH3 grubunu kendi sistein rezidüllerine aktarır. Böylece hasarlı bölge onarılmış olur[3].
2. Baz Kesip-Çıkarma Tamir Mekanizması:
Bu mekanizma DNA’daki hedef bazlara bağlanabilen glikozilaz enzimi tarafından başlatılmaktadır. DNA glikozilaz hasarlı bazı protein kompleksi ile tanır ve diziden glikozidik bağı keserek çıkarır. Böylece apürinik veya apirimidinik bölge (AP) oluşturulur. Bu bölgeye ise tek veya 2-10 nükleotitlik yamalar eklenerek hasardan kurtulmuş olunur. Organizmalar genellikle urasili, alkillenmiş pürinleri, oksitlenmiş-redüklenmiş pirimidinleri ve okside pürinleri tanıyabilen enzimlere sahiptir. Bazı DNA glikozilazlar sadece hidrolitik aktiveye sahip olup baz onarımını katalizlerken bazıları ise liyaz aktivetesine ve AP bölgesi oluşturmak için reaksiyon katalitik aktiveye de sahiptir[3].
3. Nükleotit Eksizyon (Kesip-Çıkarma) Mekanizması (NEM):
DNA’da çeşitli nedenlerde oluşabilen büyük lezyonların tamirinde rol oynayan majör mekanizmadır[3]. Bu lezyonlar UV, iyonize radyasyon, benzopiren ürünleri veya kemoterapötik ajanlardan kaynaklanabilmektedir[2]. Mekanizmanın global NEM ve transkripsiyon ilişkili NEM olmak üzere iki türü bulunmaktadır[2]. Global NEM’de hasar sensörü XPC proteinidir ve RAD23B (radyasyona duyarlı UV tamir proteini 23B) ve CETN2 (sentrin 2) proteinleriyle kompleks oluşturmaktadır. Bu kompleks tek zincirli DNA’yı bozulmuş bazları bulmak için taramaktadır. İkinci mekanizma olan transkripsiyon ilişkili NEM de ise RNA polimeraz II ilişkilidir. Bu yolda özel çekirdek NEM faktörlerini ve proteinlerini (UVVSA, USP7, XAB2, HMGN1 gibi) içermektedir. Transkripsiyon sırasında Transkripsiyon Faktörü IIH (TF-IIH) ile polimeraz etkileşmektedir[2].
Nükleotid eksizyon onarımının temel aşamaları özetle şöyledir: ilk olarak hasar çok çeşitli protein kompleksleriyle tanınır ve hasarlı bölgeye bağlanır. Daha sonra prokaryotlarda 12-13 nükleotid ökaryotlarda ise 24-32 nükleotid uzunluğunda fragment oluşturmak için lezyonun her iki bölgesi eksizyon nükleazlarınca kesilmektedir. Hasarlı DNA’yı içeren bu oligonükleotid yapısı uzaklaştırlmaktadır. Oluşan boşluk doğru bir şekilde doldurulup ligasyonla birleştirilmektedir. Prokaryotlardaki onarım proteinleri uvrA, uvrB, uvrC ile gerçekleşirken insanlarda 6 farklı faktör (RPA, XPA, XPC, TFIIH, XPG ve XPF) ile sağlanmaktadır[3].
4. Çift Zincir Kırıklarının Onarımı:
Çift zincir kırıklıkları reaktif oksijen, iyonize radyasyon veya çeşitli kimyasallar ile ortaya çıkabilen genom bütünlüğünü tehdit eden bir hasar çeşididir. 2 mekanizma çeşidiyle onarılabilmektedir. Bunlar Homolog Rekombinasyon (HR) ve Homolog Olmayan Uç Birleştirme (ingilizce isminin kısaltmasıyla NHEJ) mekanizmalarıdır[3].
Homolog Rekombinasyon (HR): Bu işlem 3 adımda gerçekleşmektedir. Birincisi zincir invazyonu ikincisi invazyona uğramış dalın migrasyonu (ayrılması) üçüncüsü ise Holliday bağlantı (birbirine bağlanmış dört çift sarmallı kol içeren dallanmış nükleik asit yapısı) oluşumu. MRE11-RAD50-NBS1 kompleksi kırık uçları sahip olduğu nükleaz aktivitesiyle degrede eder. RAD52 proteini 3’ uca bağlanır Rad52, Rad54, Rad55, Rad57, BRCA1, ve BRCA2 genleri HR mekanizmasına katılmakta fakat ürettikleri proteinlerin rolleri tam olarak açıklanamamıştır[3].
Şekil 1: Homolog rekombinasyonun kabaca şematik gösterimi gelecektir[4].
RAD51 (ökaryotlarda) veya RecA (prokaryotlarda) proteinleri ise diğer hasarlı bölgenin hasarsız homolog kromozomla mikrohomoloji bölgelerini oluşturması amacıyla invazyonu sağlamaktadır. Hasar görmüş kısım diğer hasarsız homolog kromozomu bir nevi işgal ederek Holliday bağlantısı oluşturur. Kardeş kromotid kalıp olarak kullanılır ve eşlenmemiş bölgeler çıkarılır. Hasar DNA polimeraz ve DNA ligaz enzimlerinin de devreye girmesiyle giderilmektedir. Bu mekanizmanın güzelliği kaybedilen sekans bilgisinin diğer kardeş kromotitten öğrenilmesidir[3].
Homolog Olmayan Rekombinasyon (Nonhomologous End-Joining): Bu onarım şeklinin ökaryot formuna bakıldığında kırık olan her iki uca da KU heterodimer proteinleri bağlanmaktadır[1]. Amaç kısa ve hızlı bir şekilde onarımı yapmak, genom dinamiğini korumaktır. Bu hızlı işlem mekanizmanın hataya meyilli olmasına neden olmaktadır. Kırık bölgeye ise aktive olmuş protein kinaz proteinleri onarım için diğer proteinlerin bölgeye gelmesini sağlamaktadır. Daha sonra ligaz-IV-XRCC4 kompleksi iki ucun homolog kromozom uçları olup olmadığını kontrol etmeksizin iki ucu da bağlayabilmektedir[3].
Şekil 2: Homolog olmayan uçların birleştirilmesinin şematik gösterimi gelecektir[5].
5. Çapraz Bağlantı Onarımı (CROSS-LINK):
Birçok kemoterepötik ilaçlar ve DNA hasar ajanları zincirler arası çapraz bağlantılara neden olmaktadır. Bu hasarı tamir etmede E.Coli ve S.Cerevisia canlıları homolog rekombinasyon ve nükleotid eksizyon mekanizmalarını kullanmaktadır. İnsanlarda bu mekanizmada nükleotid eksizyon işleminin katılıp katılmadığı bilinmemektedir. Ökaryotlarda bu durumu ortadan kaldırmak için NEM mekanizmasındaki endonükleaz aktivitesine sahip XPF-ERCC1 veya bir başka endonükleaz 3’ ve 5’ iplikteki çapraz bağlarını açmaya yardımcı olmaktadır. Bu NEM mekanizmasının sonucunda bölgede çift zincirli bir kırılma meydana gelmektedir. Bu hasar ise homolog rekombinasyon ile düzeltilmektedir[3].
Özetle endojen veya ekzojen(çevresel) ajanlar DNA üzerinde hasarlar, lezyonlar oluşturabilmektedir. Bu hasarın onarılması ise genom stabilitesi için hayati önem taşımaktadır. Canlılığın devamı ve sağlıklı bir yaşam için DNA tamir mekanizmaları çok önemlidir. Zira bu mekanizmalarla ilgili gen, enzim veya proteinlerdeki değişimler kanser de dahil olmak üzere yaşlanmaya, genetik hastalıklara ve ölüme neden olabilmektedir.
Referanslar
Jackson, S, P. Bartek, J. (2009). The DNA-damage response in human biology and disease. Nature. 461-22. 1. doi:10.1038/nature08467
Chatterjee, N. Walker, G, C. (2017). Mechanisms of DNA Damage, Repair, and Mutagenesis. Environmental and Molecular Mutagenesis. 52:35-42 .1-16. DOI 10.1002/em
Sancar, A. Lindsey-Boltz, LA. Ünsal-Kaçmaz, K. Linn, S. (2004). Molecular mechanisms of Mammalian DNA repair and the DNA damage checkpoints. Annu Rev Biochem .73:39–85. 47-59. doi: 10.1146/annurev.biochem.73.011303.073723
Homolog Rekombinasyon. 25 Mart 2021 tarihinde yazar tarafından oluşturulmuştur.
Homolog Olmayan Uç Birleştirme Yöntemi. The DNA-damage response in human biology and disease adlı makalenin 57. Sayfasındaki görselden esinlenerek tasarlanmıştır. doi:10.1038/nature08467