ترمیم دنا (DNA) — به زبان ساده

ترمیم دنا (DNA Repair) به ساز و کار‌های مختلفی گفته می‌شود که سلول به وسیله آن‌ها یکپارچگی کد ژنتیکی خود را حفظ می‌کند. ترمیم DNA بقای یک گونه را تضمین می‌کند، زیرا DNA والدین، تقریبا، بدون تغییر، به فرزندان به ارث می‌رسد. این فرایند، همچنین برای حفظ سلامتی خود فرد نیز، مهم و کلیدی است. جهش در کد ژنتیکی، می‌تواند منجر به سرطان و سایر بیماری‌های ژنتیکی شود.

در این نوشتار، به انواع آسیب‌های تهدیدکننده DNA می‌پردازیم و ساز و کارهای ترمیم دنا را معرفی می‌کنیم. انواع روش‌های برش باز آلی، برش نوکلئوتید، شناسایی عدم تطابق و همچنین، روش‌های مبتنی بر نوترکیبی و اتصال غیر همولوگ، از جمله راهکارهای سلول، برای ترمیم DNA آسیب دیده به شمار می‌روند.

انواع آسیب های دنا بر اساس منشا

آسیب DNA را می‌توان بر اساس منشا آن‌ها به دو دسته اصلی طبقه‌بندی کرد:

عوامل درونی (Endogenous)

هربار که یک سلول انسانی، تکثیر می‌شود، حدود $$3 × 10^9$$ باز، با کارایی بسیار بالا، توسط آنزیم DNA پلیمراز، کپی‌برداری خواهند شد. در این میان، برخی عوامل داخلی، باعث درج بازهای اشتباهی در رشته DNA می‌شوند. برخی از این عوامل، عبارتند از:

فیلم آموزش زیست شناسی – پایه دوازدهم رشته تجربی – بخش یکم در فرادرس

کلیک کنید

• اکسیداسیون بازها
• آلکیلاسیون بازها
• هیدرولیز بازها
• عدم تطابق بازها

بیشتر آسیب درونی DNA، ناشی از درگیری DNA در واکنش‌های هیدرولیتیک و اکسایشی با آب و گونه‌های اکسیژن فعال (ROS) است که به طور طبیعی در سلول‌ها وجود دارند. چنین واکنش‌های ذاتی DNA با مولکول‌های اطراف آن، باعث توسعه بیماری‌های ارثی و سرطان‌های تک‌گیر می‌شود.

عوامل بیرونی (Exogenous)

از طرف دیگر آسیب بیرونی DNA هنگامی رخ می‌دهد که عوامل محیطی، فیزیکی و شیمیایی به DNA آسیب می‌رسانند. به عنوان مثال، می‌توان به اشعه ماورا بنفش و پرتوهای یونیزان، عوامل آلکیله کننده و عوامل پیوند عرضی اشاره کرد.

مهم‌ترین آسیب‌های ناشی از عوامل بیرونی، عبارتند از:

• نور UV-B، که باعث ایجاد پیوندهای عرضی بین سیتوزین‌ها و تیمین‌های مجاور و در نتیجه، ایجاد دیمرهای پیریمیدین می‌شود. به این فرایند، آسیب مستقیم DNA می‌گویند.
• نور UV-A بیشتر رادیکال‌های آزاد ایجاد می‌کند. آسیب ناشی از رادیکال‌های آزاد را آسیب غیر مستقیم DNA می‌نامند.
• تشعشعات یونیزه کننده، مانند پرتوهای مورد استفاده در عکسبرداری دندان، یا اشعه‌های کیهانی، باعث شکسته شدن رشته‌های DNA می‌شود. تابش پرتو یونیزان سطح متوسط، ​​ممکن است باعث آسیب جبران ناپذیر DNA شود که به نوبه خود، پیری و سرطان قبل از بلوغ را در پی دارد.
• تخریب حرارتی، در دمای بالا باعث افزایش دپورینه شدن DNA می‌شود. این فرایند، به معنی از بین رفتن بازهای پورین و حذف آن‌ها از اسکلت DNA است.  تخریب حرارتی، موجب ایجاد شکستگی‌های تک‌رشته‌ای می‌شود.
• مواد شیمیایی صنعتی مانند وینیل کلراید و پراکسید هیدروژن و مواد شیمیایی محیطی مانند هیدروکربن‌های آروماتیک چند حلقه‌ای موجود در دود، دوده و قیر، تنوع عظیمی از ترکیبات جهش‌یافته دنا را ایجاد می‌کنند.

انواع آسیب های دنا بر اساس مکانیسم اثر

همانطور که گفتیم موجودات زنده به طور دائم در معرض عوامل درونی و بیرونی هستند که به DNA آسیب می‌رسانند. در صورت عدم ترمیم، چنین آسیب‌هایی می‌تواند منجر به جهش، بیماری و مرگ سلول شود. پاسخ‌های سلولی به آسیب DNA شامل فرایندهایی است که با عواقب آن مقابله می‌کنند.

به عنوان مثال، تحمل و آپوپتوز، دو نمونه از چنین پاسخ‌هایی به شمار می‌روند. همچنین ترمیم مستقیم آسیب توسط مکانیسم‌های ترمیم DNA، ساز و کار دفاعی دیگری است که البته ممکن است به فعال‌سازی مسیرهای «ایست-بازرسی» نیاز داشته باشد. عوامل آسیب‌رسان، به شکل‌های مختلفی به DNA صدمه می‌زنند که مثال‌هایی از آن، عبارتند از:

• تغییر در نوکلئوتیدها
• شکستگی رشته‌ها
• اتصالات عرضی
• عدم تطابق

برای همانندسازی موفقیت آمیز DNA باید دو نوکلئوتید حاوی باز پورین، یعنی آدنین (A) و گوانین (G) با مکمل‌های پیریمیدینی خود، یعنی ​​تیمین (T) و سیتوزین (C) جفت شوند. با این وجود، انواع مختلف آسیب‌ها می‌توانند از جفت شدن درست بازها جلوگیری کنند. مواردی از این آسیب‌ها عبارتند از:

• جهش‌های خود به خودی
• خطاهای همانندسازی
• تغییرات شیمیایی

جهش‌های خود به خودی، زمانی اتفاق می‌افتند که بازهای DNA با محیط خود واکنش نشان دهند، مانند زمانی که آب، یک باز را هیدرولیز می‌کند و ساختار آن را تغییر می‌دهد و باعث جفت شدن آن با یک باز نادرست می‌شود.

خطاهای همانندسازی، هنگامی که ماشین تکثیر DNA، سنتز خود را «تصحیح» (Proofread) می‌کند، به حداقل می‌رسند، اما گاهی اوقات، جفت بازهای ناسازگار، از این تصحیح فرار می‌کنند.

عوامل شیمیایی نیز، با ایجاد تغییراتی در بازها، در تکثیر DNA تداخل ایجاد می‌کنند. به عنوان مثال، نیتروزامین‌ها که در محصولاتی مانند آبجو و انواع ترشی‌ها وجود دارند، می‌توانند باعث آلکیلاسیون DNA (افزودن یک گروه آلکیل) شوند. عوامل اکسید کننده و تشعشعات یونیزان، رادیکال‌های آزاد در سلول ایجاد می‌کنند که بازها، به ویژه گوانین را اکسید می‌کنند.

پرتو فرابنفش (UV) می‌تواند منجر به تولید رادیکال‌های آزاد مخرب شود و با اتصال پیریمیدین‌های مجاور، در یک رشته از دو رشته دنا، دیمرهای پیریمیدین ایجاد ‌کند. تشکیل این دیمرها، مانع از تکثیر DNA خواهد شد.

تابش پرتوهای یونیزه کننده و استفاده از برخی داروهای خاص، مانند ماده شیمیایی «بلئومایسین» (Bleomycin)، نیز می‌توانند با ایجاد شکاف‌های دو رشته‌ای در DNA، از همانندسازی آن جلوگیری کنند. این عوامل، همچنین می‌توانند موجب ایجاد شکستگی‌های تک رشته‌ای در ساختار دنا شوند. غلبه بر این شکل از آسیب، اغلب برای سلول‌ها آسان‌تر است. آنالوگ‌های بازها و عوامل درج‌شونده در DNA نیز می‌توانند باعث درج و حذف‌های غیرطبیعی در توالی شوند.

هریک از عومال جهش‌زایی که به آن‌ها اشاره کردیم، در صورت عدم ترمیم، موجب ایجاد یک جهش ژنتیکی خواهند شد. این جهش‌ها به معنی تغییر در یک یا چند نوکلئوتید، در رشته DNA هستند و با تکنیک‌‌های مختلفی شناسایی یمی‌شوند. یکی از این روش‌ها، مقایسه توالی ژن فرد مشکوک، با توالی همان ژن در فرد سالم است، که به کمک نرم‌افزارهای ویژه این کار، صورت می‌گیرد.

مسیرهای ترمیم دنا

سه نوع ساز و کار اصلی برای ترمیم دنا وجود دارد:

• ترمیم برگشت مستقیم آسیب (Direct Reversal of the Damage)
• ترمیم برش (Excision Repair)
• ترمیم پس از همانندسازی (Postreplication Repair)

هریک از این ساز و کارها از مسیرهای مختلفی برای ترمیم DNA استفاده می‌کنند. هر مسیر ترمیم، برای انواع خاصی از آسیب، طراحی شده است و نوع معینی از آسیب می‌تواند توسط چندین مسیر ترمیمی، مورد هدف قرار گیرد. مسیرهای اصلی ترمیم DNA عبارتند از:

• ترمیم عدم تطابق (MMR)
• ترمیم برش نوکلئوتید (NER)
• ترمیم برش باز آلی (BER)
• ترمیم نوترکیبی همولوگ (HR)
• پیوند انتهایی غیر همولوگ (NHEJ)

سه مکانیسم اول، برای ترمیم آسیب‌های تک‌رشته‌ای به کار گرفته می‌شوند. اما اگر هر دو رشته دنا، دچار آسیب شده باشند، سلول، از یکی از دو مکانیسم HR یا NHEJ برای ترمیم ناحیه صدمه دیده، کمک خواهد گرفت.

ترمیم برگشت مستقیم، در مورد هر جهش، به صورت اختصاصی عمل می‌کند. به عنوان مثال، در فرایندی به نام «بازفعال سازی نوری» (Photoreactivation)، باز‌های پیریمیدین متصل شده توسط پرتو فرابنفش، در حضور نور مرئی، توسط آنزیم DNA فوتولیاز، دوباره از هم جدا می‌شوند. این آنزیم، با تابش نور، فعال می‌شود.

برای برگشت مستقیم جهش‌های ناشی از آلکیلاسیون، آنزیم DNA متیل ترانسفراز یا DNA گلیکوزیلاز، گروه آلکیل را شناسایی و حذف می‌کنند. ترمیم برش، می‌تواند اختصاصی یا غیر اختصاصی باشد.

در «ترمیم برش باز» (Base Excision Repair | BER)، گلیکوزیلازهای DNA به طور اختصاصی، باز نامناسب را شناسایی و آن را از رشته جدا می‌کنند. در «ترمیم برش نوکلئوتید» (Nucleotide Excision Repair | NER)، ماشین تعمیر، مجموعه وسیعی از به‌هم‌ریختگی‌های ناشی از بازهای ناسازگار را در مارپیچ دوتایی DNA تشخیص می‌دهد. در این شکل از ترمیم، کل منطقه آسیب دیده، از مولکول DNA خارج می‌شود.

ترمیم پس از تکثیر، در پایین دست ضایعه رخ می‌دهد، زیرا تکثیر در محل واقعی آسیب، مسدود و متوقف شده است. همانطور که می‌دانید در فرایند همانندسازی دنا، بخش‌های کوتاهی از DNA به نام قطعات اوکازاکی سنتز و سپس، هر قطعه، توسط آنزیم لیگاز، به قطعه قبلی، متصل می‌شود.

در این نوع ترمیم نیز، با ساز و کاری مشابه، قطعاتی از دنا ساخته می‌شوند و شکاف باقیمانده در محل آسیب، از طریق فرایندی به نام «ترمیم نوترکیبی» (Recombination Repair) پر خواهد شد. این نوع ترمیم، از توالی کروموزوم خواهری سالم، برای ترمیم DNA آسیب دیده استفاده می‌کند. روش دیگر، «ترمیم مستعد خطا» (Error Prone Repair) است که طی آن، از رشته آسیب دیده، به عنوان توالی الگو استفاده می‌شود. ترمیم مستعد خطا، معمولاً نادرست است و شانس جهش‌های مختلف را افزایش می‌دهد.

ترمیم عدم تطابق (MMR)

«ترمیم عدم تطابق» (Mismatch Repair) ، سیستمی برای شناسایی و ترمیم اشتباهات درج، حذف و ورود باز اضافی اشتباه در رشته دنا است که ممکن است در طی همانندسازی و نوترکیبی DNA ایجاد شود. این سیستم ترمیمی، همچنین، برخی از اشکال آسیب DNA را تعمیر می‌کند.

تعمیر عدم تطابق، به صورت «اختصاصی رشته» (Strand-Specific) عمل می‌کند. در طول سنتز DNA، رشته تازه ساخته شده (رشته دختری) معمولاً شامل خطاهایی است. به منظور شروع تعمیر، ماشین تعمیر عدم تطابق، این رشته تازه سنتز شده را از الگو (رشته والدی) متمایز می‌کند.

در باکتری‌های گرم منفی، هِمی متیلاسیون موقتی مولکول دنا، دو رشته را از هم متمایز می‌کند. به این ترتیب که در مدت کوتاهی از چرخه سلول، رشته والدی به صورت متیله و رشته دختری به صورت غیر متیله دیده می‌شوند. با این حال، در سایر پروکاریوت‌ها و یوکاریوت‌ها، مکانیسم دقیق تشخیص رشته‌ها،‌ هنوز روشن نیست.

ترمیم برش نوکلئوتید (NER)

ترمیم برش نوکلئوتید، به ویژه در ترمیم آسیب ناشی از نور فرابنفش (UV) از اهمیت فراوانی برخوردار است. آسیب DNA در اثر پرتو فرابنفش، منجر به ایجاد ترکیبات جدیدی در ساختار DNA می‌شود، که در مجموع، به آن‌ها «ترکیبات حجیم دارای اضافه بار» (Bulky Adducts) گفته می‌شود. این ترکیبات اضافی، بیشتر، شامل دیمرهای تیمین و محصولات نوری 6،4 هستند و باعث ایجاد به هم‌ریختگی در ساختار مارپیچ رشته دنا می‌شوند.

تشخیص چنین آسیب‌هایی در دنا، منجر به حذف یک قطعه DNA کوتاه تک رشته‌ای می‌شود که حاوی ضایعه است. DNA تک رشته‌ای آسیب ندیده، در جای خود باقی می‌ماند و DNA پلیمراز، از آن به عنوان الگویی برای سنتز یک توالی مکمل کوتاه استفاده می‌کند. پس از ساخت این قطعه کوتاه،‌ آنزیم لیگاز، انتهای آن را به قطعه بعدی، متصل می‌کند و مولکول دو رشته‌ای DNA دوباره شکل می‌گیرد.

ترمیم برش باز آلی (BER)

وظیفه اصلی این سیستم ترمیمی این است که ضایعات بازی کوچک را از روی ژنوم حذف کند. این آسیب‌ها، اگرچه ساختار مارپیچی دنا را تحت تاثیر قرار نمی‌دهند، اما به نوبه خود، می‌توانند اثرات مخربی بر فعالیت‌های سلول داشته باشند.

همانطور که از نام آن برمی‌آید، سیستم BER برای از حذف بازهای آسیب دیده، مهم است که عدم ترمیم آن‌ها موجب جفت شدن‌های اشتباهی و سرانجام، ایجاد و حفظ جهش در ژنوم یا منجر به شکستگی DNA در هنگام تکثیر می‌شود. BER توسط گلیكوزیلازهای DNA آغاز می‌شود، كه بازهای خاص آسیب دیده یا نامناسب را شناسایی می‌کنند و از بین می‌برند. در حالی که اسکلت قند و فسفات نوکلئوتیدها، در جای خود، باقی می‌ماند.

در نتیجه حذف باز از نوکلئوتید آسیب دیده، یک «جایگاه فاقد پورین / پیریمیدین»، (apurinic/apyrimidinic site) ایجاد می‌شود که آن را به اختصار AP می‌نامیم. در گام بعد، این جایگاه‌های AP توسط یک اندونوکلئاز AP شکاف می‌خورند. شکست تک رشته‌ای حاصل، با یکی از دو مکانیسم زیر، پر می‌شود.

• «وصله کوتاه» (Short-Patch): جایگزینی یک نوکلئوتید با نوکلئوتید دیگر
• «وصله بلند» (Long-Patch): جایگزینی 2 تا 10 نوکلئوتید جدید، به جای نوکلئوتیدهای محدوده آسیب دیده

ترمیم نوترکیبی همولوگ (HR)

نوترکیبی همولوگ، شکاف‌های دو رشته‌ای DNA ناشی از تشعشعات یونیزان یا مواد شیمیایی آسیب رسان به DNA را ترمیم می‌کند. در صورت عدم ترمیم، این شکستگی‌های دو رشته‌ای می‌توانند باعث بازآرایی منطقه بزرگی از کروموزوم شوند، که به نوبه خود، عوارض جدی، مثل سرطان را در پی خواهد داشت. ترمیم HR رایج‌ترین نوع از «ترمیم وابسته به همولوژی» (Homology-Directed Repair) است که به اختصار، HDR نامیده می‌شود.

فیلم آموزش زیست شناسی – پایه دوازدهم رشته تجربی – بخش یکم در فرادرس

کلیک کنید

مکانیسم HDR تنها زمانی توسط سلول استفاده می‌شود که یک قطعه همولوگ DNA آسیب دیده، در هسته وجود داشته باشد. این ویژگی، بیشتر در فازهای G2 و S چرخه سلولی دیده می‌شود. وقتی DNA همولوگ وجود ندارد ، به جای آن فرآیند دیگری به نام اتصال به انتهای غیرهمولوگ (non-homologous end joining | NHEJ) اتفاق می‌افتد که در ادامه به آن می‌پردازیم.

پیوند انتهایی غیر همولوگ (NHEJ)

این مکانیسم ترمیم نیز برای تعمیر شکاف‌های دو رشته‌ای دنا (Double Strand Break | DBS) طراحی شده است. در عنوان این مکانیسم، از اصطلاح «غیر همولوگ» استفاده شده است و گویای آن است که انتهای شکست در هر رشته، مستقیماً و بدون نیاز به الگوی همولوگ، به قطعه بعدی متصل می‌شود؛ بر خلاف ترمیم HDR، که برای هدایت ترمیم، به یک توالی همولوگ، نیاز دارد.

NHEJ به طور معمول، توسط توالی‌های DNA همولوگ کوتاه، به نام «ریزهمولوژی» (Microhomologies) هدایت می‌شود. این ریزهمولوژی‌ها اغلب، به صورت یک دنباله تک رشته‌ای، در انتهای شکاف‌های دو رشته وجود دارند. هنگامی که برآمدگی‌های دو رشته دنا، کاملاً با هم مکمل باشند، NHEJ معمولاً شکست را با دقت ترمیم می‌کند.

البته ترمیم نادرست نیز ممکن است رخ دهد، که منجر به از دست دادن نوکلئوتیدها خواهد شد. اما این اتفاق، به ویژه زمانی دیده می‌شود که دو دنباله تک رشته‌ای، در تمام طول خود، ‌مکمل هم نباشند. NHEJ نامناسب می‌تواند منجر به جابجایی و همجوشی تلومر شود، که از مشخصات اصلی سلول‌های توموری است.

غالباً هنگامی که DNA آسیب می‌بیند، سلول به جای انتظار برای ترمیم، ترجیح می‌دهد با وجود ضایعه، به همانندسازی و تکثیر، ادامه دهد. اگرچه این امر، ممکن است به جهش منجر شود، اما بر متوقف شدن در مرحله همانندسازی، ارجح است؛ چرا که این توقف، موجب مرگ سلول خواهد شد.

اختلال در ترمیم دنا

ترمیم درست DNA از اهمیت فراوانی برای بقای جانداران برخوردار است و خطای این فرایند، موجب ایجاد انواع بیماری‌ها می‌شود. به عنوان مثال، اکسیداسیون گوانین، توسط رادیکال‌های آزاد، منجر به ایجاد جفت باز اشتباهی G-T می‌شود که یکی از رایج‌ترین جهش‌ها در سرطان است.

سرطان کولورکتال غیرپولیپوز وراثتی، در اثر جهش در پروتئین‌های MSH2 و MLH1 ایجاد می‌شود، که عدم تطابق‌ها را هنگام تکثیر، ترمیم می‌کند. بیماری زرودرما پیگمنتوزوم  (Xeroderma pigmentosum | XP) بیماری دیگری است که در نتیجه عدم موفقیت در ترمیم DNA ایجاد می‌شود.

بیماران مبتلا به XP، بسیار حساس به نور هستند، پیری زودرس پوست را نشان می‌دهند و مستعد ابتلا به تومورهای بدخیم پوست هستند. زیرا پروتئین‌های XP، که بسیاری از آنها در ترمیم برش نوکلئوتید (NER) دخالت دارند، قادر به ادامه فعالیت نیستند.