2015 metų Nobelio premija chemijos srityje: šešios klaidos, kurias darome kasdien

Pradėti verta nuo trumpo DNR struktūros aprašymo. Šią molekulę sudaro dvi grandinės, turinčios specialias azotines bazes. Grandinės pagrindas – cukrų molekulės, tarpusavyje susietos fosforo rūgšties liekanomis. Grandines sujungia azotiniai pagrindai – timinas (T), adeninas (A), citozinas (C) ir guaninas (G), o susijungti jos gali tik tam tikru būdu – adeninas jungiasi tik su timinu, o citozinas – su guaninu. Ši taisyklė vadinama komplementiškumo (papildymo) principu. Panagrinėję šių pagrindų chemines formules, pastebime, kad timinas panašius į citoziną (juos vadina pirimidininiais pagrindais), o adeninas panašus į guaniną (purininiai pagrindai).

DNR klaidos būna susijusios su cheminiais pagrindų pokyčiais, grandinių nutrūkimais arba atliekamų (neteisingų) nukleotidų buvimu vienoje iš grandinių.

Timino dimerizacija

Pirmasis klaidų tipas, nuo kurių ir pradėsime apžvalgą – dviejų kaimyninių azotinių bazių, dažniausiai timino, sulipimas tarpusavyje. Šis procesas vyksta, veikiant ultravioletinei (UV) šviesai, kurią skleidžia, pavyzdžiui, Saulė. Dėl tokio sulipimo keičiasi ryšys tarp dviejų grandinių ir tuo pačiu – DNR molekulės geometrija, kritiškai svarbi daugelio fermentų veikimui.

Tokio tipo klaidų taisymui kai kuriuose organizmuose, pavyzdžiui, E. coli, yra specialus fermentas, fotoliazė. Jo aktyvumą in vitro 1958 metais atrado Stenlis Rupertas – jis tapo pirmuoju patvirtinimu, kad gyvi organizmai turi DNR pažeidimų taisymo mechanizmą. Fotoliazės veikimą in vivo patvirtino viens iš laureatų Azizas Sancaras. Baltymas, sugerdamas Saulės šviesos energiją, panaudoja ją ryšių tarp timino liekanų suardymui, taip atstatydamas status quo.

Tačiau pas žinduolius, įskaitant ir žmones, fotoliazės pakito. Manoma, kad jos atsako už cirkadinius ritmus – aktyvumo kaitą naktį ir dieną. Vietoje šio metodo, mūsų ląstelės naudoja kitą metodą, atrastą Sandžaro: nucleotide excision repair (NER), arba taisymas nukleotidų iškirpimu.

Specialus fermentas fermentas ekzinukleazė randa pažeistą DNR vietą ir pradeda ištisos baltymų grupės darbą. Jie išpainioja DNR, išpjauna iš jos 8 – 12 nukleotidų fragmentą, paskui jį, remdamiesi komplementiškumo principu, atstato (čia dalyvauja DNR polimerazė) ir pataisytą fragmentą vėl suklijuoja su kita grandinės puse.

Pagrindų dezamininimas

Pirimidino pagrindai nelabai skiriasi – pavyzdžiui, citozinas nuo timino skiriasi tuo, kad pastarasis turi metilo grupę (CH₃) ir hidroksilo fragmentą (OH) vietoje amino (NH_2­). RNR, kitoje informaciją pernešančioje makromolekulėje, yra trečiasis šios pagrindų klasės atstovas – uracilas. Jis, kaip ir DNR timinas, komplementiškas adeninui.

Tačiau dėl tam tikrų cheminių procesų uracilas gali susidaryti ir DNR – dėl lengvai įvykstančio citozino dezamininimo. Ši reakcija paprasčiausiai pakeičia vieną aktyvią molekulės grupę kita, tačiau dėl to grandinėje pažeidžiamas grandinės komplementiškumas.

Ląstelė galėtų išspręsti šią problemą, išpjaudama visą atkarpą, tačiau jos arsenale yra ir kitas, ne toks radikalus tokių klaidų taisymo būdas, kurį atrado Tomas Lindahlis. Taisant pagrindo išpjovimo būdu, specialus baltymas, aptikęs neatitikimą, išpjauna netinkamą azotinę bazę iš grandinės – joje lieka laisva cukraus liekana, prisitvirtinusi prie kaimyninių nukleotidų fosfatinėmis grupėmis.

Kiti fermentai išpjauna ir ją, o į atsiradusį tarpą įtaisomas reikalingas pagrindas. Kaip ir ankstesnio klaidų taisymo metodo atveju, už grandinės priauginimą atsako DNR polimerazė. Paskui du grandinės fragmentus suklijuoja ligazė.

Pagrindo oksidavimas

Dėl laisvųjų radikalų, dažniausiai įvairių aktyvių deguonies formų, poveikio, azotinės bazės gali oksiduotis. Dėl to guaninas, gali pradėti jungtis, pavyzdžiui, su adeninu. Jei tokia klaida nebūtų ištaisoma, ląstelei dalinantis ar nuskaitant DNR informaciją, vienas pagrindas gali būti pakeistas kitu. Dėl to baltymuose, sintezuojamuose tokios mutavusios informacijos pagrindu, viena aminorūgštis gali būti pakeičiama kita, ir dėl to jie gali visiškai neveikti.

Tokių klaidų taisymas vyksta lygiai taip pat, kaip ir deamininimas – pagrindo iškirpimo pataisymu.

Pagrindo metilinimas

Mūsų organizme yra tam tikrų genų įjungimo ir išjungimo mechanizmas. Jo esmė – metilo grupės pritvirtinimas prie citozino, kur ji veikia kaip žymeklis, neleidžiantis pradėti konkrečios DNR atkarpos informacijos nuskaitymo. Taip ląstelės kontroliuoja pavyzdžiui, įvairių baltymų gamybą.

Kai kada metilinimas gali įvykti chaotiškai. Tada „žymekliai“ gali atsirasti ir kitose azotinėse bazėse – normali ląstelės veikla sutrinka. Atskirti „neteisingą“ metilinimą nuo „teisingo“ ląstelė gali, pavyzdžiui, pagal tai, kad „žymekliai“ būna tik tuose citozino liekanose, šalia kurių (ne priešais!) yra guaninas.

Tokios klaidos taip pat taisomos, išpjaunant „neįtikusį“ pagrindą, nors kai kuriems atvejams yra specialūs fermentai, pavyzdžiui, O6-metilguanin-DNR-metiltransferazė, mokanti savarankiškai nuimti metilo grupes nuo guanino liekanos.

DNR trūkimas

DNR grandys – jau pačios savaime gan trapūs dariniai. Dėl UV spinduliavimo ar oksidavimo, o kartais ir dėl natūralios radiacijos, jos gali nutrūkti. Trūkiai gali būti viengrandžiai ir dvigrandžiai.

Jų taisymui ląstelės turi platų spektrą mechanizmų, kurių aprašymui galima būtų skirti visą atskirą straipsnį. Apsiribosime tik tuo, kad dažnai ląstelė geba trūkį atstatyti, jei šalia yra grandies kopijos, o kai tai neįmanoma, baltymai tiesiog suklijuoja dvi grandis.

„Neteisingų“ pagrindų įstatymas

DNR replikavimosi – svarbiausio gyvų ląstelių dalinimosi proceso – metu, šalia motininės molekulės atsiranda tiksli jos kopija. Jį kopijavimą atliekančių baltymų mechanizmas dirba neidealiai. Gamtoje pusei milijono DNR pagrindų tenka viena klaida – pagrindas praleidžiamas, įstatoma pašalinis ar neteisingas nukleotidas. Palyginimui, plačiausiai paplitusio žarnyno lazdelės štamo genome yra 4,5 milijono pagrindų porų – vykstant jos replikacijai, esant tokiam klaidų dažniui, atsiras 9 neteisingos pagrindų poros. Tai atrodo nedaug.

Žmogaus genome yra maždaug 3,1 milijardas pagrindų, tad klaidų atitinkamai bus 6200. O pjautuvinės anemijos, vieno iš pavojingų paveldimų susirgimų, išsivystymui, pakanka vienos adenino pagrindo pakeitimo į timiną, t.y., vienos klaidos.

Apsaugai nuo tokių mutacijų mūsų ląstelėse egzistuoja klaidų taisymo mechanizmas – klaidingai suporuotų pagrindų taisymas. Šį mechanizmą atrado trečiasis 2015 netų Nobelio chemijos premijos laureatas – Paul Modrich.

Neteisingas nukleotidas pažeidžia komplementišką ir iškreipia DNR formą. Tai aptinka baltymas mutS, prisitvirtinantis prie klaidos vietos ir pradeda klaidingos kopijos iškirpimo procesą. Iškerpama visa atkarpa, iki pat specialaus žymeklinio baltymo. Kitoje stadijoje darbo imasi DNR-polimerazė ir atstato jau ištaisytą kopiją. Replikacijoje, vykstančioje „prižiūrint“ taisymo sistemai, klaida pasitaiko jau tik vieną kartą iš 100 milijonų pagrindų.

Be šių mechanizmų mūsų DNR per kelias dienas neatpažįstamai pasikeistų. Daugybė mutacijų ir klaidų neleistų egzistuoti tokiam sudėtingam organizmui, kaip žmogus. Visgi dėl ląstelių įvairiausių mechanizmų, DNR molekulė lieka praktiškai nepakitusi per visą žmogaus gyvenimą.

Daugelis ekspertų pranašavo šių metų Nobelio premiją Emmanuelle Charpentier ir Jennifer Doudna už CRISPR/Cas9 sistemos sukūrimą. Šia sistema galima tikslingai keisti praktiškai bet kurį konkretų genomo gabalėlį. Vienas iš galimų (nors ir prieštaringų) šio technikos panaudojimų yra paveldimų ligų gydymas dar embriono stadijoje – irgi savotiškas DNR klaidų taisymas. Todėl labai atrodo labai teisinga ir kiek ironiška, kad premija atiteko būtent gamtinių taisymo mechanizmų tyrėjams.