frame|jobbra|A DNS károsodása miatt eltört kromoszómák thumb|185px|A DNS-ligáz I. javítja a kromoszómakárosodást
A DNS-javítás a sejtekben állandóan zajló folyamat; amely, mivel megvédi a genomot a károsodástól és a veszélyes mutációktól, elengedhetetlen a túléléshez. Az emberi sejtekben a normális anyagcsere-folyamatok és külső környezeti tényezők (például UV-sugarak) egyaránt okozhatnak DNS-károsodást, aminek következtében naponta mintegy 500 000 egyedi molekuláris lézió alakul ki egy-egy sejtben. Ezek a léziók roncsolják a DNS-molekula szerkezetét, ezáltal drámai változást okozhatnak a génekben kódolt információk olvasásában. A DNS-javításnak tehát állandóan működnie kell, hogy a DNS szerkezetében keletkező károkat gyorsan helyre lehessen állítani.
Ahogy azonban a sejtek öregszenek, a DNS-javítás sebessége csökken egészen addig, míg végül már nem tud lépést tartani a DNS folyamatos károsodásával. Ezután a sejt sorsa három irányban mehet tovább: visszafordíthatatlan nyugvó állapotba kerül, melyet öregedésnek nevezünk a sejt elpusztul, apoptózis vagy programozott sejthalál révén rák alakul ki, más szóval karcinogenezis megy végbe.
A szervezet legtöbb sejtje először megöregszik, majd amikor a DNS már javíthatatlanul károsodott, bekövetkezik az apoptózis. Ebben az esetben az apoptózis "utolsó menedékként" lép működésbe, hogy megelőzze a sejt karcinogénné válását, ami veszélyes lenne az élőlényre nézve.
Amikor a sejtek megöregszenek, a bioszintézis és a turnover változásai miatt már nem tudnak olyan hatékonyan működni, ami elkerülhetetlenül betegséghez vezet. A sejt DNS-javító képességének létfontosságú szerepe van a genom integritásának megőrzésében, ami pedig a sejt és a szervezet normális működéséhez szükséges. Sok gén, amelyről régóta tudjuk, hogy befolyásolja a várható élettartamot, a DNS javításában és megóvásában játszik szerepet.
Ha az ivarsejtekben keletkező molekuláris léziók nem javítódnak ki, az mutáns ivadékokhoz vezet, és ezáltal hatással lehet az evolúció sebességére is.
DNS-károsodás A DNS-károsodás mértéke, ha a sejt normális anyagcsere-folyamatai okozzák, naponta 50 000 – 500 000 molekuláris lézió sejtenként. Ezt az arányt azonban sok káros hatás megnövelheti. Egyetlen kijavítatlan lézió a humán genom 3 000 000 000 (3 milliárd) bázisának csupán 0,0002%-át teszi ki, ám ha egy kritikus, rákkal kapcsolatos génben (például egy tumorszupresszor génben) fordul elő, az katasztrofális következményekkel járhat az egyénre nézve.
Nukleáris és mitokondriális DNS károsodása Az emberekben és általában az eukarióta sejtekben a DNS két helyen található – a sejtmag belsejében és a mitokondriumokban (mitokondriális genetika). A sejtmagban található (nukleáris) DNS (nDNS) nagyméretű, tömör struktúrákat alkot, ezek a kromoszómák, melyek gyöngyszerű fehérjemolekulákra, a hisztonokra feltekert formában tartalmazzák a DNS-t. Ha a sejtnek szüksége van a DNS-ében kódolt genetikai információra, a kromoszóma megfelelő régiója letekeredik, az ott található gének kifejeződnek, végül a régió visszatömörödik a nyugalmi alakjába. A mitokondriális DNS (mtDNS) a mitokondrium sejtszervecskék belsejében található, több példányban létezik, és szintén szorosan kapcsolódik bizonyos fehérjékhez, amelyekkel közösen a nukleoid nevű komplexet alkotják. A mitokondriumokban az adenozin-trifoszfát (ATP) folyamatos termelése (oxidatív foszforiláció) közben létrejövő reaktív oxigénszármazékok (reactive oxygen species – ROS), vagy szabad gyökök erősen oxidáló közeget hoznak létre, ami roncsolja a mtDNS-t.
Káros hatások A DNS károsodása kétféle eredetű lehet:
endogén károsodás, például a normális anyagcsere melléktermékeiből származó reaktív oxigénszármazékok támadása esetén (spontán mutáció); exogén károsodás, amelyet a következő külső hatások okozhatnak: a Nap ultraibolya sugárzása [UV 200-300 nm] más frekvenciájú sugárzások, többek között a röntgensugárzás és a gamma-sugárzás hidrolízis vagy hőbomlás bizonyos növényi toxinok szintetikus mutagén vegyszerek, például a cigarettafüstben található szénhidrogének rák elleni kemoterápia és sugárterápia
Ha sejtosztódás előtt a károsodott DNS kettőződik meg, akkor előfordulhat, hogy a roncsolódott bázisokkal szemben hibás bázis épül be. Amikor a hibás bázisokat az utódsejtek is öröklik, akkor már mutáns sejtekről (mutációt hordozó sejtekről) beszélünk, és már nincs visszaút (kivéve a visszamutálódás és a génkonverzió ritka eseteit).
A károsodás típusai Az endogén károsodás a kettős hélixnek inkább az elsődleges, mint a másodlagos szerkezetére van hatással. Négy altípusa van: a reaktív oxigénszármazékok a bázisok oxidációját (például 8-oxo-7,8-dihidroguanin (8-oxoG)) és a DNS-szál megszakadását okozhatják, a bázisok alkilációja (általában metiláció), például a 7-metilguanin keletkezése a bázisok hidrolízise, például depurináció és depirimidináció. össze nem illő bázisok összekapcsolódása a DNS megkettőződése során, ekkor az újonnan kialakuló DNS-szálba hibás bázis épül be.
DNS-javító mechanizmusok A sejtek nem tűrik, ha a DNS károsodása veszélyezteti a genomban található alapvető információk integritását és elérhetőségét (de látszólag működőképesek maradnak, ha úgynevezett „nem esszenciális” gének hiányoznak vagy károsodnak). A DNS kettős hélix szerkezetét ért károsodás típusától függően sokféle javítási stratégia alakult ki az elveszett információ visszaállítására. A visszaállításhoz a sejtek a DNS módosítatlan kiegészítő szálát vagy a testvér kromoszómát használják mintaként. Ha nem áll rendelkezésre az információ mintája, a DNS-javítás hibázhat (de lehet, hogy ez a folyamat normális menete: az emlősök sejtjeiben a legtöbb kettős szálú törés minta segítsége nélkül javítódik ki; lásd később).
A DNS károsodása megváltoztatja a hélix térbeli konfigurációját, amit a sejt is érzékel. Amint azonosította a károsodás helyét, specifikus DNS-javító molekulák jelennek meg, amelyek rákötődnek a károsodott helyre vagy a közelébe. Ez más molekulák kötődését váltja ki, és így létrejön egy olyan komplex, amely lehetővé teszi, hogy végbemenjen a javítás. A részt vevő molekulák típusai és a beindított javító mechanizmus jellege a következőktől függ: a DNS-károsodás típusától attól, hogy a sejt belépett-e az öregedés állapotába attól, hogy a sejt a sejtciklus mely fázisában van
Egy szálat érintő károsodás Amikor a kromoszóma két szála közül csak az egyik hibás, a másik szál használható mintaként, ami alapján végbemehet a károsodott szál javítása. Ha a DNS két helikális doménjének egyikét kell megjavítani, annak megvalósítására számos mechanizmus létezik. Ilyen például: A károsodást közvetlenül visszafordító mechanizmusok, amelyek egy-egy károsodástípusra specifikusak. Példaként vehetjük a metil-guanin metil-transzferázt (MGMT), amely specifikusan a guaninról távolítja el a metilcsoportokat, és a baktériumok fotoliázát, amely felbontja a szomszédos timidin bázisok között UV fény hatására létrejött kémiai kötést. A javítás e formájához nincs szükség mintaszálra. Kivágó mechanizmusok, amelyek eltávolítják a károsodott nukleotidot, és a helyére egy sértetlent építenek be úgy, hogy a másik DNS szál nukleotidját kiegészítse. Ezeknek a következő típusait ismerjük: Báziskivágó javítás (base excision repair – BER), amely egyetlen oxidáció, alkiláció, hidrolízis vagy deamináció útján károsodott nukleotidot javít ki; Nukleotidkivágó javítás (nucleotide excision repair – NER), amely 2‒30 nukleotid hosszúságú károsodott szakaszokat javít ki. Ezek lehetnek nagyobb, a hélixet torzító sérülések, például a timin UV fény hatására bekövetkező dimerizációja, vagy egyetlen szálat érintő szakadások. A NER egy speciális formája, a transzkripcióhoz kötött javítás (transcription-coupled repair – TCR) során NER-t végző, fontos javítóenzimek települnek az aktívan átíródó génekre; Össze nem illő párok javítása (mismatch repair – MMR), amely a DNS-replikáció és az azt követő rekombináció során keletkező hibás nukleotidpárokat javítja ki.
Két szálat érintő károsodás Az osztódó sejtekre nézve különösen veszélyes az olyan DNS-károsodás, amikor a kettős hélix mindkét szála sérül. Az ilyen károsodást két mechanizmus tudja kijavítani. Az egyiknek a nem homológ végek összekapcsolása lényege, a másik a rekombinációs javítás, minta-alapú javítás vagy homológ rekombináció.
A rekombinációs javításhoz szükség van egy azonos vagy közel azonos szekvencia jelenlétére, ami mintaként szolgál a törés megjavításához. Az ilyen javítási folyamatokért felelős enzimműködések közel azonosak az osztódó ivarsejtekben zajló kromoszomális átkereszteződésért felelős enzimműködésekkel. A rekombinációs javítómechanizmus túlnyomórészt a sejtciklus azon fázisaiban működik, amelyekben a DNS megkettőződik, vagy már megkettőződött. Így a károsodott kromoszóma javításához mintaként használható az újonnan létrejött testvérkromatid, azaz egy tökéletes másolat, amely pontosan illik a sérült régióhoz. A humán genomban sok gén több példányban van jelen, így az azonos szekvenciák több forrásból elérhetők. Az ilyen másolatokra hagyatkozó rekombinációs javítás azonban problémát jelent, mert kromoszomális transzlokációkhoz és más kromoszomális átrendeződésekhez vezet.
A nem homológ végek összekapcsolása (non-homologous end-joining – NHEJ) során a törés két vége mintaszekvencia nélkül kapcsolódik össze. Eközben azonban gyakran vesznek el DNS-szekvenciák, így ez a javítás mutációt is okozhat. A NHEJ a sejtciklus bármely fázisában végbemehet, de emlőssejtekben főként addig fontos, amíg a DNS megkettőződése lehetővé nem teszi, hogy a testvérkromatid felhasználásával működésbe lépjen a rekombinációs javítás. Mivel az ember és a többi többsejtű élőlény genomjának legnagyobb részén a DNS nem tartalmaz géneket (ez az úgynevezett „szemét DNS”), a mutagén NHEJ még mindig kevésbé veszélyes, mint amennyire a mintát használó javítás lenne több mintaszekvencia jelenlétében, mivel az utóbbi esetben nem kívánt kromoszomális átrendeződések történnek. A NHEJ enzimjeit a B-sejtek is használják, a RAG fehérjék által a VDJ rekombináció során okozott törések kijavítására, ami az immunrendszer lényeges lépése az ellenanyagdiverzitás kialakítása felé.
A DNS-javítás szerepe a betegségekben és az öregedésben A gyenge DNS-javítás betegséghez vezet Ahogy a sejtek öregszenek, a DNS-károsodások a javítás sebességénél gyorsabban halmozódnak fel bennük, aminek következtében csökken a fehérjeszintézis. Mivel pedig a fehérjék a sejt számos életfontosságú funkciójához szükségesek, a sejt állapota egyre romlik, és végül elpusztul. Amikor egy szerv elég sejtje jut el ebbe az állapotba, maga a szerv is veszélybe kerül, és elkezdenek kialakulni a betegség tünetei. Azok az állatkísérletek, amelyekben a DNS-javítással kapcsolatos géneket kikapcsolták, gyorsított öregedést és az öregedéssel járó betegségek korai kialakulását eredményezték, és rák is nagyobb eséllyel alakult ki. Az olyan vizsgálatoknál, ahol bizonyos DNS-javító gének működését felerősítették, megnőtt a sejtkultúra várható élettartama megnőtt, és a sejtek ellenállóbbak voltak a karcinogén hatásokkal szemben.
A DNS-javítás sebessége változó lehet Ha a DNS-károsodás sebessége meghaladja a sejt javító kapacitását, a hibák felhalmozódása legyőzheti a sejtet, és öregedést, apoptózist vagy rákot okozhat. A rosszul működő DNS-javítással összefüggő örökletes betegségek korai öregedést (például Werner-szindróma) és a karcinogénekre való fokozott érzékenységet (például xeroderma pigmentosum) okoznak. Azokban az állatkísérletekben, amelyekben a DNS-javító géneket nem engedik működni, hasonló betegségek alakultak ki.