Sửa chữa và bảo vệ ADN potx

Sửa chữa và bảo vệ ADN

1. Cơ chế sửa sai sinh học

Tế bào sống có hàng loạt hệ thống sai hỏng DNA theo nhiều cách khác nhau.
Tỷ lệ đột biến tự nhiên thấp do nhờ tính hiệu quả của hệ thống sửa sai này.
Sai hỏng của hệ thống sửa sai này dẫn đến tỷ lệ đột biến cao.

1.1. Quang phục hoạt (photoreactivation) hay sửa sai nhờ ánh sáng
(light repair)

Sau khi xử lý tia tử ngoại gây đột biến, nếu đưa ra ánh sáng thì phần lớn sai
hỏng được phục hồi nhờ enzyme photolyase. Enzyme này gắn vào
photodimer cắt nó thành các monomer dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời
có bước sóng 320-370 nm. Sau đó phục hồi các base ban đầu



Sự tạo thành và sự loại bỏ dimer thymine

1.2. Sửa sai bằng làm mất nhóm alkyl (dealkylation)

Enzyme alkyltransferasecos thể sửa trực tiếp các sai hỏng. Chúng cắt nhóm
alkyl từ chất nitrosoguanine và ethylmethnesulfonate và gắn vào vị trí O-6
guanine.

Enzyme methyltransferase của E. coli có khả năng chuyển nhóm methyl
từ chất O-6 methylguanine sang gốc cistein trên phân tử protein. Tuy nhiên
hệ thống sửa sai này có thể bảo hòa nếu mức độ alkyl hóa đủ cao.

* Sửa sai bằng cắt bỏ (excision repair pathway)

Phần lớn các cơ chế sửa sai khác thực hiện theo lối cắt bỏ (excistion repair)
không cần ánh sáng nhờ các nuclease, sau đó thay vào các base đúng.
Có thể xảy ra theo nhiều cách:

+ Cắt các base (base excision repair) Sự cắt bỏ các base sai hỏng nhờ các
enzyme DNA glycosylase. Các enzyme này nhận biết các base bị biến đổi
và các điểm mất purine hay mất pyrimidine và thủy giải liên kết N-
glycosilic nối base với đường. Rồi enzyme AP endonuclease cắt liên
kết đường và phosphate gần base bị biến đổi. Sau đó enzyme
thứ ba, deoxyribophosphodiesterase loại bỏ từng nucleotide kế tiếp nhau ở
đoạn bị hỏng. Sau đó, DNA polymerase lấp đầy khoảng trống với các
nucleotide bổ sung với sợi khuôn còn lại. Enzyme DNA ligase sẽ gắn các khe
hở giữa 2 đầu 3'-5' .

Trong tế bào tồn tại một số DNA glycosylase. Chẳng hạn, enzyme
uracil-DNA glycosylase cắt uracil khỏi DNA. Uracil tạo thành do đột biến
mất nhóm amin ngẫu nhiên ở cytosine, dẫn đến đột biến đồng hoán thay C
bằng T. Enzyme này phát hiện ra uracil trên DNA như là một bất thường,
chúng sẽ cắt bỏ và sửa sai.

+ Cắt các nucleotide: Sự cắt bỏ vùng có nhiều pyrimidine dimer được thực
hiện nhờ enzyme exinuclease (enzyme rạch mạch hay enzyme tạo khấc trên
DNA) như phức hợp 3 enzyme được mã hóa bới gene uvr ABC của E. coli.
Phức hợp này cắt đoạn 12 nucleotide trên một mạch: 8 nucleotide từ một đầu
bị sai hỏng và 4 nucleotide của đầu còn lại. Khoảng trống của 12 nucleotide
này sẽ được lấp đầy nhờ enzyme DNA polymerase I dựa vào mạch
đơn bổ sung kia của trình tự DNA gốc. DNA ligase sẽ gắn vào các khe hở.

Sửa sai bằng cắt bỏ nucleotide

+ Đọc sửa đối với các base bắt cặp sai

Cơ chế đọc sửa đối với các base bắt cặp sai (proofreading for base-pair
matching) được thực hiện trong sao chép DNA. Trong quá trình sao chép,
trước khi thực hiện phản ứng polymer hóa nối các nucleotide, các nucleotide
triphotphate mới phải bắt cặp bổ sung với mạch khuôn. Nếu sự bắt cặp sai
xảy ra, DNA polymerase sẽ loại bỏ nucleotide bắt cặp sai. Ngay cả trước khi
nucleotide mới ráp vào, enzyme dò lại cặp base cuối, nếu chúng không bắt
cặp thì sự polymer hóa tiếp theo bị dừng. Cặp nucleotide ở đầu cuối 3' bắt
cặp sai sẽ bị loại bỏ nhờ hoạt tính exonuclease3'®5' của DNA polymerase.
Khi đã bắt cặp đúng, quá trình polymer hóa mới được tiếp tục.

Hoạt tính đọc sửa đối với các base bắt cặp sai là đặc tính của nhiều
DNA polymerase đảm bảo cho sự kéo dài chính xác của mạch đạng được
tổng hợp.

+ Sửa sai dựa vào tính tương đồng (Homology-dependent repair
system)


Mô hình bẻ gãy sợi đôi nhờ trao đổi chéo

Một hệ thống sửa sai quan trọng đã phát hiện tính chất bổ sung đối
song song của 2 mạch đơn DNA để phục hồi đoạn sai hỏng trở lại trạng thái
bình thường ban đầu. Trong hệ thống này, đoạn DNA sai hỏng bị cắt bỏ và
thay bằng một đoạn nucleotide mới được tổng hợp bổ sung với sợi khuôn đối
diện. Sự sửa sai xảy ra qua sợi khuôn và nguyên tắc của sao chép DNA bảo
đảm sự sửa sai hoàn thành với độ chính xác cao - đó là sự giải phóng sai

hỏng (error-free). Có 2 hệ thống chủ yếu để loại bỏ sai hỏng: Hệ thống sửa
chữa sai hỏng phát hiện ra trước khi sao chép và hệ thống sửa chửa sai hỏng
phát hiện trong quá trình diễn biến sao chép (sửa sai sau sao chép).

+ Sửa sai đứt mạch kép (repair of double-strand break)

Khi cả 2 sợi của chỗi xoắn kép bị đứt ở cùng một vị trí, được gọi là đột biến
đứt mạch đôi, có thể gây ra sai hình nhiễm sắc thể, làm chết tế bào
hoặc tạo ra trạng thái tiến ung thư. Tế bào sử dụng nhiều protein và
con đường sửa sai đứt gãy mạch đôi là thực hiện tái tổ hợp trong giảm
phân. Quá trình sửa chữa do trao đổi chéo trong giảm phân xảy ra như sau .

Trên một nhiễm sắc thể xảy ra sự đứt mạch đôi và kết quả ăn mòn các đầu
mút ở đoạn ngắn của DNA sợi đơn. Đầu 3' của một trong những sợi này
"xâm lấn" vào một chromatid.

Đoạn xâm lấn làm mồi cho tổng hợp các base bị mất của nó nhờ sử
dụng sợi đối song song của chromatid như là sợi khuôn. Sự tổng hợp mới này
sẽ tạo ra một vòng sợi đơn lai với một sợi đơn không xâm lấn. Vì vậy tạo ra
một vùng dị hợp tử nhỏ "Aa" và sử dụng như mạch khuôn để khôi phục các
base bị mất trên sợi đó. DNA polymerase sẽ lấp đầy chỗ trống và enzyme
ligase sẽ nối các đầu mút xảy ra trong cấu trúc đặc biệt giống với trao đổi
chéo 2 sợi đơn. Cấu trúc này cũng chứa các đoạn bắt cặp không tương
đồng đơn giản. Trao đổi chéo sợi đơn được gọi là cấu trúc Holliday
(Holliday structure) do Holliday phát hiện vào những năm 1960.

+ Hệ thống SOS

Ở tế bào vi khuẩn hoặc tế bào eukaryote bị sai hỏng nặng do chiếu tia uv, tia
X hoặc do tác dụng của các hóa chất gây đột biến, hệ thống sửa sai khẩn cấp

được khởi động. Ở E. coli, hệ thống này có liên quan với hai protein
được mã hóa bởi gene lexAvà recA. Protein lexAlà một chất ức chế, nó gắn
vào hộp SOS, chồng lấp các promotor của các gene SOS, ngăn cản sự phiên
mã nhóm các gene của hệ thống SOS. Một vài sản phẩm của DNA bị tổn
thương sẽ làm hoạt hóa enzyme protease recA. Protein recAbị hoạt hóa sẽ cắt
bỏ protein lexA, cho phép các gene của hệ thống SOS phiên mã. Phản ứng
của hệ thống SOS xảy ra trong thời gian ngắn nhưng phức tạp. Nó bao gồm
các quá trình làm tăng hoạt tính tái tổ hợp, thay đổi trong khởi sự sao chép,
ức chế nuclease và kích thích phục hồi sao chép và chuyển sai hỏng
thành sửa sai úp sấp (error-prone replication). Tế bào bây giờ sẽ xảy ra sự sao
chép DNA nhanh hơn bình thường. Nếu sửa sai không kịp, tế bào phải chấp
nhận hoặc bị đột biến hoặc bị chết.