Sửa chữa và bảo vệ DNA

Sửa chữa và bảo vệ DNA
Trên phân tử DNA có thể xuất hiện nhiều biến đổi do sai hỏng trong quá trình trao đổi chất,
do các tác nhân gây đột biến vật lý và hóa học của môi trường. Tuy nhiên, genome luôn có độ ổn
định cao nhờ các cơ chế sửa chữa và bảo vệ DNA. DNA là phân tử duy nhất, mà khi biến đổi hay
bị phá hỏng vẫn có khả năng được sửa chữa nhờ tế bào. Các cơ chế sửa sai rất đa dạng và có hiệu
quả cao. Ba quá trình bao gồm sửa sai, tái bản và tái tổ hợp DNA liên quan chặt chẽ với nhau. Đây
cũng là một minh chứng về sự phối hợp chặt chẽ giữa nhiều cơ chế di truyền.
I. Khái quát về các cơ chế sửa sai
Hầu hết các đột biến trên phân tử DNA thường được khắc phục bằng hai phương thức chính:
- Sửa chữa phục hồi trực tiếp (direct reversal repair), hoặc:
- Cắt bỏ sai hỏng và sửa chữa lại bằng cách dùng trình tự bổ sung (damage excision and
repair using complementary sequence).
Sửa chữa trực tiếp thường liên quan đến hai loại sai hỏng trên phân tử DNA do tia tử ngoại
gây ra là: cyclobutane-pyrimidine dimer (CPDs) và pyrimidine (6-4) pyrimidone (6-4 PPs). Hai loại
sai hỏng này đều làm biến dạng cấu trúc xoắn của DNA. CPDs và 6-4 PPs được nhận biết và sửa
chữa nhờ enzyme photolyase. Enzyme này sử dụng năng lượng ánh sáng để thực hiện phản ứng
làm thay đổi các liên kết hóa học để nucleotide trở lại dạng bình thường. Phản ứng sửa chữa DNA
bằng photolyase xảy ra trong rất nhiều sinh vật prokaryote và eukaryote. Tuy nhiên, quá trình này
không thấy ở động vật có vú. Ở người cũng chưa phát hiện được bất kỳ loại photolyase nào.
Đa số sai hỏng của DNA được sửa chữa bằng phương thức thứ hai. Cơ chế này phải sử dụng
thông tin di truyền chứa ở một trong hai sợi đơn DNA. Khi trình tự nucleotide trên một sợi bị thay
đổi thì sợi thứ hai (liên kết bổ sung với sợi thứ nhất) được dùng làm khuôn mẫu để sửa chữa những
sai hỏng đó. Một số cơ chế sửa chữa như sau:
- Hệ thống sửa chữa nhận biết các trình tự DNA không thích hợp với các cặp base chuẩn và
thay thế chúng.
- Hệ thống sửa chữa-cắt bỏ (excision-repair system) loại đi một đoạn DNA ở vị trí sai hỏng
và sau đó thay thế nó.
- Hệ thống sửa chữa-tái tổ hợp (recombinant-repair system) sử dụng phương thức tái tổ hợp
để thay thế vùng sợi đôi bị sai hỏng.
Các hệ thống sửa chữa cũng phức tạp như bộ máy tái bản của nó, điều đó cho thấy tầm quan
trọng của chúng đối với sự sống của tế bào. Khi hệ thống sửa chữa phục hồi một sai hỏng của

DNA, thì không có một hậu quả xấu nào xảy ra. Nhưng một đột biến có thể tạo ra hậu quả xấu khi
DNA bị hỏng.
Hình 7.1 tóm tắt một số cơ chế sửa chữa DNA như sau:
- Một vài enzyme phục hồi trực tiếp các loại sai hỏng đặc biệt của DNA.
- Một số phương thức sửa chữa bằng cách cắt bỏ base, sửa chữa bằng cách cắt bỏ nucleotide,
và sửa chữa ghép đôi lệch, tất cả chức năng của chúng thực hiện bằng cách loại bỏ và thay thế
nguyên liệu.
- Các hệ thống chức năng có thể tái tổ hợp để tạo ra một bản sao không bị sai hỏng thay thế
cho một sợi đôi bị sai hỏng.
- Phương thức nối đầu không tương đồng đã nối lại các đầu sợi đôi bị hỏng.
- Một số DNA polymerase khác nhau cần thiết trong việc tổng hợp lại các đoạn DNA thay
thế.
1. Các biến đổi xảy ra trên phân tử DNA
Trên DNA có thể xảy ra các biến đổi ngẫu nhiên như sau:
- Gãy hay đứt mạch. Phân tử DNA có chiều ngang rất mảnh, bản thân nó lại thường xuyên cuộn
xoắn và giãn xoắn nên dễ xảy ra đứt gãy một sợi. Tuy nhiên, khả năng đứt cùng lúc hai sợi hiếm
khi gặp hơn.
Hình 7.1. Việc sửa chữa các gen có thể được phân loại theo các phương thức sử dụng các cơ chế
khác nhau để phục hồi hoặc bỏ qua sự sai hỏng của DNA
- Base bị cắt mất. Hiện tượng này làm base tương ứng không bắt cặp được. Dưới tác dụng
của nhiệt có thể xảy ra quá trình khử purine (depurination) do thủy phân liên kết N-glycosyl.
- Gắn các nhóm mới vào base bằng liên kết cộng hóa trị làm thay đổi tính chất như trường
hợp methyl hóa (gắn nhóm CH
3
vào một base).
- Biến một base này thành một base khác làm bắt cặp sai. Ví dụ: quá trình khử amine
(desamination) của cytosine biến nó thành uracil.
- Các base có thể tồn tại ở hai dạng keto và enol nên có thể dẫn đến bắt cặp sai. Ví dụ: dạng
enol của cytosine có thể bắt cặp với adenine.
- Tạo các thymine dimer.

- Liên kết chéo giữa các mạch (interstand crosslink).
Trên đây là các biến đổi ngẫu nhiên, nếu có tác động của các tác nhân gây đột biến các biến
đổi sẽ xảy ra nhiều hơn.
2. Khái quát các cơ chế sửa chữa ở mức phân tử
Sự nguyên vẹn của phân tử DNA mang thông tin di truyền có ý nghĩa sống còn đối với tế
bào, nhất là tế bào prokaryote. Ở tế bào vi khuẩn, có đến 50% DNA không bị biến đổi thậm chí sau
khi tái bản đến 100 triệu lần. Sự ổn định cao của DNA tế bào có được nhờ hàng loạt các cơ chế bảo
vệ sự nguyên vẹn và sửa chữa ngay lập tức bất kỳ sai hỏng nào vừa xuất hiện.
Các hệ thống sửa sai rất đa dạng và có hiệu quả rất cao ở E. coli. Có khoảng 100 locus tham
gia trực tiếp hoặc gián tiếp vào việc bảo vệ DNA và sửa sai.
Chỉ với DNA, tế bào phải đầu tư rất lớn cho sự ổn định của thông tin di truyền. Nếu như sự
tái bản chỉ xảy ra khi phân bào, thì các cơ chế sửa sai phải hoạt động liên tục. Tái bản được thực
hiện với cơ chế về cơ bản giống nhau ở các loại tế bào và trong mỗi lần nhân đôi DNA. Trong khi
đó, sai hỏng xảy ra rất đa dạng, nên các cơ chế sửa sai nhiều hơn và với số lượng gen tham gia lớn
hơn. Hơn nữa, các cơ chế di truyền cơ bản như tái bản, tái tổ hợp DNA đều có sự tham gia của các
cơ chế sửa sai và ngược lại sửa sai cần đến tái bản và tái tổ hợp.
3. Biến đổi làm tăng tần số đột biến
Nhờ các cơ chế sửa sai nên bình thường DNA tế bào có độ ổn định rất lớn, thường sự thay
thế base có tần số 10
-9
-10
-10
. Tuy nhiên, người ta đã phát hiện được các dòng đột biến ngẫu nhiên
tăng cao hơn hẳn, chúng được gọi là mutator (nhân tố gây đột biến). Trong nhiều trường hợp, các
kiểu hình mutator liên quan đến sai hỏng trong hệ thống sửa sai. Ở E. coli, các locus mutator mutH,
mutL, mutU và mutS tác động đến các cấu phần của hệ thống sửa sai do ghép đôi lệch (mismatch-
repair) sau tái bản nên đã làm cho tần số đột biến ngẫu nhiên tăng cao.
Ngoài mutator, sự sai hỏng làm tăng tính nhạy cảm với tia tử ngoại (ultraviolet) và tăng sai
hỏng khi tái tổ hợp.
II. Các kiểu sửa chữa

1. Quang tái hoạt hóa
Sửa chữa trực tiếp bằng quang tái hoạt hóa (photoreactivation) ít khi gặp, nó bao gồm sự
phục hồi hoặc loại bỏ đơn giản các sai hỏng và quá trình này xảy ra ở ngoài sáng. Quang tái hoạt
hóa của các pyrimidine dimers, trong đó tạo cơ hội cho các liên kết cộng hóa trị được phục hồi nhờ
enzyme phụ thuộc ánh sáng (light-dependent enzyme), là một ví dụ điển hình (Hình 7.2). Hệ thống
sửa chữa này phổ biến trong tự nhiên, và đặc biệt quan trọng ở thực vật. Trong E. coli, nó phụ
thuộc vào sản phẩm của một gen đơn (phr) mã hóa cho một enzyme được gọi là photolyase.
Sau khi xử lý tia tử ngoại gây đột biến, nếu đưa ra ánh sáng thì phần lớn sai hỏng được phục
hồi. Hiện tượng này được gọi là quang tái hoạt hóa. Năng lượng của ánh sáng khả kiến (từ 300 đến
600 nm) hoạt hóa photolyase (gen phr ở E. coli) cắt các vòng cyclobutyl pyrimidine dimer (thường
là thymine dimer).
Enzyme này hoạt động trong các tế bào ở nhiều loài khác nhau. Vào ban ngày, các sinh vật
thường chịu tác động của ánh sáng, nên cơ chế quang tái hoạt hóa (quang phục hồi) có vai trò quan
trọng trong sửa sai DNA. Ví dụ: Mycoplasma, sinh vật đơn giản nhất hiện nay, chỉ có vài trăm gen
nhưng một trong số đó đã được dùng cho quang tái hoạt hóa.
2. Sửa chữa ghép đôi lệch
Sửa chữa ghép đôi lệch (mismatch-repair) giữa các sợi DNA là một trong những mục tiêu
chính của hệ thống sửa sai. Sửa chữa ghép đôi lệch được tiến hành khi phát hiện trên DNA các base
nằm cạnh nhau mà không bắt cặp thích hợp. Các ghép đôi lệch tăng lên trong suốt quá trình tái bản
được sửa chữa bằng cách phân biệt giữa các sợi cũ và mới và được ưu tiên sửa chữa trình tự của
các sợi được tổng hợp mới (Hình 7.3). Ghép đôi lệch được tạo ra bởi các biến đổi base, là một kết
quả của sự khử amine (deamination).
Hình 7.2. Quang tái hoạt hóa
Ghép đôi lệch thường được sửa sai bằng phương thức sửa chữa cắt bỏ, được khởi đầu bằng
một enzyme nhận biết một base sai hỏng thực sự hoặc có sự thay đổi chiều hướng không gian
(spatial path) của DNA.
Hình 7.3. Sửa chữa ghép đôi lệch trong tái bản
Sự nhận biết và sửa chữa các sai lệch do bắt cặp base sai trên DNA được phát hiện ở E. coli,
nấm men và tế bào động vật có vú. Ở vi khuẩn E. coli, có ba hệ thống enzyme khác nhau được sử
dụng để sửa chữa các sai lệch bằng cách:

- Loại bỏ chỗ sai trong tái bản (errors in replication).
- Loại bỏ ghép đôi lệch bên trong các đoạn trung gian của tái tổ hợp (mismatch within
recombinant intermediates).