Контроль генетических повреждений: ферменты репарации ДНК
Тип повреждения ДНК канцерогенами определяет способ ее репарации ( схема 6 ). Однонитевые разрывы репарируются с помощью ДНК- полинуклеотидлигаз прямым соединением концов путем восстановления разорванных фосфодиэфирных связей. Известны различные изоформы данных ферментов, но их корреляция с предрасположенностью к онкологическим заболеваниям не выявлена [ Shen, 2002 ].
Репарация апуриновых и апиримидиновых (АП) сайтов может происходить как с помощью специальных ферментов инсертаз [ Сойфер, 1997 , Deutsch, 1979 ], так и с помощью нуклеотидной эксцизионной репарации [ Сойфер, 1997 ], при которой дезоксирибонуклеаза I распознает повреждение ДНК и разрывает фосфодиэфирные связи вблизи него. Вслед за этим ДНК-полимераза застраивает вырезанный участок, используя в качестве матрицы неповрежденную комплементарную цепь. Затем полинуклеотидлигаза восстанавливает фосфодиэфирные связи в репарируемом участке. У человека выявлено пять изоформ дезоксирибонуклеазы I и показана корреляция наличия двух из них с предрасположенностью к раку желудка и толстой кишки [ Tsutsumi, 2000 ].
Результат атаки электрофильных соединений - разнообразная модификация оснований. В частности, наиболее распространенным результатом атаки алкилирующих агентов является образование N7-метилгуанина и О6-метилгуанина , О4-алкилтимина . Канцерогенный эффект метилирующих агентов коррелирует с содержанием и длительностью персистенции О6-метилгуанина, отсутствие репарации которого приводит к транзициям GC в AT. Репарация О6-метилгуанина и О4-алкилтимина осуществляется с помощью метилтрансфераз, которые могут захватывать метильные группы и благодаря этому восстанавливать исходную структуру ДНК. Однако метилтрансфераза, захватив метильную группу, не может от нее освободиться, в связи с чем для каждого акта репарации нужна новая молекула белка и клетка постоянно должна его синтезировать. Если процесс возникновения новых повреждений в ДНК идет быстрее, чем синтез новых молекул, в клетке могут возникнуть мутации. У человека был выявлен полиморфизм по О6-метилтрансферазе и показана зависимость предрасположенности к онкологическим заболеваниям от типа данного белка [ Tranah, 2006 ].
Наиболее распространенным способом репарации модифицированных оснований ДНК является их эксцизионная репарация . Данный тип репарации базируется на распознавании модифицированного основания различными гликозилазами, расщепляющими N-гликозидную связь этого основания с сахарофосфатным остовом молекулы ДНК. При этом существуют гликозилазы, специфически распознающие присутствие в ДНК определенных модифицированных оснований (оксиметилурацила, гипоксантина, 5-метилурацила, 3-метиладенина, 7-метилгуанина и т.д.). Для многих гликозилаз к настоящему времени описан полиморфизм, связанный с заменой одного из нуклеотидов в кодирующей последовательности гена. Для ряда изоформ этих ферментов была установлена ассоциация с повышенным риском возникновения онкологических заболеваний [ Chen, 2003 ]. Генетический полиморфизм ферментов заключительной стадии репарации, и в частности недостаточность ДНК-полимеразы в или лигазы III, существенно увеличивает цитотоксичность этих аддуктов [ Sobol, 1996 , Ochs, 1999 ].
Следует отметить, что после действия гликозилаз образуются АП- сайты, механизмы дальнейшей репарации которых были приведены выше.
Если модифицированное основание не было удалено из ДНК и при репликации возникла неканоническая пара нуклеотидов, включается механизм репарации мисмэтчей (MMR) , запускаемый ферментами, распознающими нарушение структуры дуплекса, а затем вырезающими поврежденный участок по специфическим сайтам. В этой системе репарации участвует несколько белков, основные из которых MLH1 , MSH2 , MSH3 , MSH6 и hPSM2 . Оказалось, что канцерогенная активность ряда мутагенов зависит от функциональной активности ферментов MMR и объясняется различными способностями белков данной ферментной системы запускать апоптоз [ Roos, 2006 ]. Для ряда ферментов MMR был установлен полиморфизм (в частности, при снижении активности MLH1 продемонстрировано повышение мутагенной активности ряда канцерогенов).
Кроме того, восстановление структуры ДНК с модифицированными основаниями может происходить с помощью ферментов нуклеотидной эксцизионной репарации (NER) , в которой участвует порядка 30 белков и их комплексов. Наиболее существенными белками данной системы являются XPA , XPB , XPC , XPD и XPG , названные так в связи с наследственным синдромом пигментной ксеродермии . При этом заболевании наблюдается повышенная чувствительность кожи к канцерогенному действию УФ-излучения, обусловленная неспособностью ферментов репарации удалять циклобутановые димеры. Активность белков данной ферментной системы у нормальных доноров сильно варьирует. Показано, что способности ДНК лейкоцитов к репарации после воздействия ультрафиолета могут различаться более чем в 5 раз [ Li, 2006 ].
Ряд производных канцерогенное ковалентно связывается с ДНК, что приводит к сильным стерическим нарушениям структуры дуплекса и остановке транскрипции и репликации. Количество аддуктов в той или иной ткани и длительность их существования могут служить одним из показателей индивидуальной чувствительности к канцерогенам. Так, наиболее высокое содержание аддуктов канцерогенов из табачного дыма обнаруживается в лимфоцитах и легочной ткани больных, у которых опухоль возникла при малом стаже курения. У курящих женщин содержание аддуктов более высокое, чем у мужчин, и это соответствует предварительным эпидемиологическим наблюдениям о большей чувствительности женщин к канцерогенному действию табачного дыма. Индивидуальные различия здесь таковы, что разница в концентрациях аддуктов бенз(а)пирена в бронхиальной ткани может достигать 75, в стенке мочевого пузыря - 70, в пищеводе - 100 [ IARC. 1994 ].
Наблюдение над содержанием аддуктов ДНК у работников онкологически опасных профессий важно как для прогноза риска заболевания, так и для контроля соблюдения ими техники безопасности. В частности, у медсестер, занятых введением химиопрепаратов онкологическим больным, наблюдались большие различия в уровне аддуктов в лимфоцитах в зависимости от аккуратности работы.
При действии бифункциональных алкилирующих агентов ДНК могут образовываться так называемые сшивки, эксцизионная репарация которых приводит к появлению двунитевых разрывов. Репарация таких повреждений ДНК может происходить двумя путями: с помощью гомологичной соматической рекомбинации или воссоединением негомологичных концов.
Первый способ приводит к полному восстановлению исходной последовательности, когда в процессе участвуют гомологи или сестринские хроматиды, за исключением небольших участков инициации рекомбинации, подвергшихся генной конверсии. Однако если в процессе рекомбинации взаимодействуют несестринские хроматиды, может произойти потеря гетерозиготности и при этом могут проявиться содержащиеся во взаимодействующих локусах рецессивные мутации. Именно таким образом может происходить инактивация генов-супрессоров опухолевого роста. Основными компонентами данной ферментной системы являются RAD51 , XRCC2 , XRCC3 [ Сойфер, 1997 ]. Однонуклеотидный полиморфизм RAD51 , XRCC2 распространен достаточно широко, и влияние ряда изоформ данных белков на частоту возникновения рака мочевого пузыря было продемонстрировано достаточно убедительно [ Figueroa, 2007 ].
Второй способ репарации двунитевых разрывов - негомологичное воссоединение концов (NHEJ) . Он представляет собой способ сохранения жизнеспособности клетки путем создания новой комбинации генов, что часто приводит к злокачественной трансформации [ Сойфер, 1997 ].
