جهش پذیری و ترمیم DNA :

1-     تعریف جهش :پایداری ماده ی ژنتیکی از نسلی به نسل بعد، به حفظ نرخ جهش در سطوح پایین بستگی دارد. نرخ بالای جهش در لایه ی  زایا گونه را از بین خواهد برد و نرخ بالای جهش در سلولهای سوماتیک فرد را از بین خواهد برد. حیات و تنوع زیستی به موازنه ی بین جهش ها و ترمیم آن وابسته است. سلول های زنده به عملکرد صحیح هزاران ژن نیاز دارند که هرکدام از این ژن ها می توانند از طریق جهش در ترادف رمزدهنده  پروتئین خود،یا جهش در ترادف های کنترل کننده ی بیان ژن یا پردازش mRNA ،آسیب ببیند.

2-     منابع جهش : دو منبع عمده ی جهش، همانندسازی غیر دقیق DNA و آسیب های شیمیایی به ماده ی ژنتیکی هستند.اشتباهات همانندسازی ناشی از توتومریزاسیون است که صحت جفت شدن بازها طی همانندسازی DNA را محدود می کند.همچنین DNA یک مولکول آلی شکننده با پایداری شیمیایی محدود است. DNAنه تنها دچار آسیب های خود به خودی نظیر حذف بازها می شود ،بلکه به وسیله مواد شیمیایی طبیعی و غیرطبیعی و اشعه ها مورد هجوم واقع می شوندکه سبب می شود اسکلت آن بشکند یا بازهای آن از نظر شیمیایی تغییر کنند. سومین عامل مهم در ایجاد جهش مربوط به ورود قطعات DNA به نام ترانسپوزون است.

3-     پیامدهای جهش : اشتباهات همانندسازی و آسیب DNA دو پیامد دارد :اول ایجاد تغییرات دائمی در DNA که منجر به تغییر رمز ترادف یک ژن یا ترادف های تنطیم کننده  می شود و پیامد دوم آن است که بعضی تغییرات شیمیایی در DNA، سبب عدم استفااده DNA به عنوان الگو در همانندسازی و رونویسی می شود.اثر جهش ها معمولا تنها در نسل هایی از سلول تظاهر پیدا می کنند که تغییر ترادف در آنها صورت پذیرفته باشد.ولی آسیب هایی که مانع از همانندسازی و یا رونویسی می شوند، می توانند اثرات شدیدی در عملکرد وحیات سلول داشته باشند. بدین ترتیب وطایف سلول دو برابر خواهد شد: اول اینکه سلول باید تمامی ژنوم را برای پیدا کردن خطاهای DNA جستجو کند. دوم اینکه سلول باید آسیب وارده را ترمیم کندو عملکرد آن به طریقی باشد که ترادف اصلی DNA حفظ شود.

4-     انواع جهش ها : جهش ها  شامل هر تغییر قابل تصوری  در ترادف DNA هستند.ساده ترین جهش تعویض یک باز با باز دیگر است که به دو حالت مشاهده می شود:

حالت نخست(1) انتقال ساده است که در آن یک باز پیریمیدین باز پیریمیدین دیگر ویا یک باز پورین با باز پورینی دیگر تعویض می شود. نظیر تعویض  Tبا C و G با. A  حالت دوم (2) انتقال متقاطع است که در آن باز های پیریمیدینی با بازهای پورینی تعویض می شوند. دیگر جهش های ساده (3) شامل ورود ویا حذف تک نوکلئوتیدهاست جهش هایی که باعث تغییر دریک نوکلئوتید می شوند را جهش های نقطه ای می نامند. (4) سایر جهش ها مانند ورود و حذف های گسترده و نیز نوآرایی های بزرگ در ساختار کروموزوم منجر به تغییرات شدیدی در DNA می شود.این تغییرات ممکن است به عنوان مثال توسط ورود  یک ترانسپوزون صورت گیرد.بدین ترتیب چندین هزار نوکلئوتید از DNA خارجی به منطقه ی تنظیم کننده یا رمز دهنده ی ژن وارد می شوند.به علاوه این تغییرات می تواند ناشی از عملکردهای نامناسب  فرایندهای نوترکیبی باشد.سرعت ایجاد جهش های جدید خود به خودی در هر نقطه ای از کروموزوم حدود^6-10 تا ^11-10 هر دور از همانندسازی DNA است.بعضی از نقاط کروموزوم “نقاط داغ ” (hot spots ) هستندبه طوری که میزان جهش ها در این نقاط در مقایسه با سایر نقاط بسیار زیاد است. یک نوع از ترادف ها که بسیار مستعد جهش هستند به علت اهمیت آنها در بیماری و ژنتیک انسان مورد توجه قرار گرفته اند.این ترادف های مستعد به جهش ،تکراری از ترادف های دو،سه یا چهار نوکلئوتیدی هستند که به DNA ماهواره ای کوچک معروفند.

(5) از دیگر انواع جهش می توان به تغییرات خود به خودی DNA ناشی از د آمینه شدن و هیدرولیز اشاره کرد. DNA همچنین تحت تاثیر آسیب های خودبخودی ناشی از عملکرد آب نیز قرار می گیرد. (این موضوع تا حدی طنز آمیز است چون ساختار مطلوب DNA دورشته ای وابسته به محیط آبی است.)

شایعترین و مهمترین نوع آسیب ناشی از هیدرولیزمربوط به حذف گروه آمین از باز سیتوزین می باشد در شرایط فزیولوژیک معمولی سیتوزین خود به خود گروه آمین خود را ازدست می دهد وباز غیرطبیعی یوراسیل(وجود یوراسیل در DNA غیرطبیعی است.) را ایجاد می کند. ار آنجا که یوراسیل ترجیحا با آدنین جفت می شود، بنابر اینن در همانندسازی این باز را بجایG  که مکمل C است، به رشته ی مخالف عرضه می کند. آدنین و گوانین هردو گروه می توانند آمین خود را به طور خود به خود از دست دهند. آدنین با د آمینه شدن به  هیپوگزانتین تبدیل می شود که به جای تیمین با سیتوزین پیوند هیدروژنی می دهد. گوانین با دآمینه شدن به گزانتین تبدیل می شود که در این حالت نیز با سیتوزین (اگرچه با دو پیوند هیدروژنی )جفت می شود . به علاوه ممکن است DNA با هیدرولیز پیوند N- گلیکوزیلی ، پورین خود را از دست بدهد.(دپورینه شدن) بدین ترتیب در DNA جایگاهی بدون باز ایجاد می شود.(یعنی دئوکسی ریبوزی که جایگاه باز خود را از دست داده است.

DNA از طریق آلکیله شدن (6) ، اکسیده شدن (7) و تابش (8) دچار آسیب می شود.

(6) در آلکیله شدن ، گروه های متیل یا اتیل به جایگاه های واکنشگر موجود بر روی باز ها و فسفات های اسکلت DNA منتقل می شود.آلکیله کننده  های شیمیایی عبارتند از : نیتروزآمین ها و یک جهش زای بسیار قوی آزمایشگاهی به نام N – متیل N – نیترو- N- نیتروزوگوانیدین. یکی از جایگاه های بسیار آسیب پذیر نسبت به آلکیله شدن ،اکسیژن کربن شماره ی 6 گوانین است .محصول این متیلاسیون ، یعنی O⁶–متیل گوانین ،معمولا با تیمین جفت می شود که هنگام همانندسازی DNA آسیب دیده موجب تغییر جفت باز C:G به جفت باز A:T می شود.

(7) DNA تحت تاثیر گونه های فعال اکسیژن (نظیر O₂^–، H₂O₂، OH) نیز قرار می گیرد.این اکسید کننده های قوی از طریق پرتوهای یونیزه کننده و عوامل شیمیایی ایجاد می شوند ، که تولید کننده ی رادیکال آزاد هستند. به عنوان مثال اکسیده شدن گوانین منجر به ایجاد 7و8 دی هیدرو- 8- اکسو گوانین یا oxoG  می شود.اکسو گوانین بسیار جهش زا است چون قادر به تشکیل جفت باز با هردو باز آدنین و سیتوزین است.ا گر با آدنین ایجاد جفت باز کند، در جریان همانندسازی جفت باز C:G به T:A تبدیل می شود.این رایج ترین نوع جهش یافته شده در سرطان های انسانی است.بنابراین شاید قسمتی از اثرات سرطان زایی اشعه های یونیزه کننده و عوامل اکسید کننده مربوط به رادیکال های آزادی باشد که موجب تبدیل گوانین به اکسوگوانین می شود.

(8) اشعه ی ماوراء بنفش از دیگر عواملی است که موجب آسیب دیدگی باز ها می شود. اشعه هایی که دارای طول موج 260 نانومتر هستند به شدت توسط بازها جذب می شوند واین امر موجب اتصال فتوشیمیایی دو باز پیریمیدینی می شود که در رشته ی پلی نوکلئوتیدی در مجاورت یکدیگر قرار دارند. این نوع اتصال را در مورد دو تیمین ، دایمر تیمین می نامند.

این بازهای متصل به هم قادر به ایجاد جفت باز نیستند به همین دلیل موجب توقف DNA پلی مراز در جریان همانندسازی می شود.

به علاوه اشعه گاما و اشعه ی X (تشعشعات یونیزه کننده ) نیز بسیار خطرناکند چون آن ها باعث شکست درهر دو رشته ی DNA می شود، که ترمیم آن ها به سختی صورت می پذیرد.اشعه های یونیزه کننده می توانند مستقیما به دئوکسی ریبوز در اسکلت DNA حمله  کنند(باعث یونیزه شدن آن می شوند). این اشعه ها همچنین می توانند به طور غیر مستقیم واز طریق زیرواحد های دئوکسی ریبوز واکنش دهند.

جهش ها به وسیله ی  بازهای آنالوگ و عوامل میانگیرشونده (9) نیز روی می دهند.

جهش ها توسط ترکیباتی که جانشین بازهای طبیعی می شوند (بازهای آنالوگ) یا بین بازها قرار می گیرند(عوامل میانگیرشونده)نیز ایجاد شده و موجب بروز خطا در همانندسازی می شوند.آنالوگ های بازها از لحاظ ساختاری مشابه بازهای معمولی هستند ولی از جهاتی متفاوتند. این مساله سبب آسیب به سلول می شود.به بیان دیگر آنالوگ های بازها به اندازه ی کافی با بازهای معمولی مشابه اند تا توسط سلولها گرفته شده ،به نوکلئوزید تری فسفات تبدیل شوند و در جریان همانندسازی در DNA به کار روند.اما به علت تفاوت های ساختاری بین این آنالوگ ها و بازهای معمولی ، آنالوگ ها به طور نادرست در تشکیل جفت باز شرکت می کنند.این امر سبب ایجاد اشتباهات متعددی در جریان همانندسازی می شود.یکی از جهش زا ترین آنالوگ ها 5- برومو یوراسیل است که آنالوگ تیمین می باشد.

5-     ترمیم آسیب های وارده به DNA : به طور کلی 3نوع سیستم ترمیمی وجود دارد.در سرراست ترین این سیستم ها آنزیم ترمیم کننده به سادگی آسیب دیدگی را به حالت اول باز می گرداند. یک مرحله تکامل یافته تر، سیستم ها ی ترمیم حذف است که در آن نوکلئوتید آسیب دیده ترمیم نمی شود بلکه از DNA برداشته می شود .در سیستم های ترمیم حذف ، رشته ی دیگر که دچار آسیب دیدگی نشده است به عنوان الگو برای اتصال مجدد نوکلئوتیدهای مناسب توسط DNA پلیمراز عمل می کند.همان طور که  خواهیم دید دو نوع ترمیم حذفی وجود دارد در یکی تنها نوکلئوتیدآسیب دیده و در دیگری قسمت کوتاهی از DNA تک رشته ی که حاوی آسیب دیدگی است برداشته می شود. بالاخره مشکل ترین روش ، ترمیم نوترکیبی است.این شیوه وقتی به کار گرفته می شود که هر دو رشته ی DNA دچار آسیب دیدگی شده باشد .نظیر زمانی که DNA می شکند.در نهایت و در آخرین مرحله ی ترمیم زمانی که از پیشرفت همانندسازی DNA به سبب بازهای آسیب دیده ممانعت به عمل بیاید، یک پلیمراز اختصاصی با فعالیت ” گذر از آسیب” جایگاه آسیب دیده را کپی برداری می کند.

a ) بازفعال سازی نوری : بازفعال سازی نوری مثالی از ترمیم به روش به روش برگشت ساده است.واکنش های نوری به طور مستقیم دایمرهای پیریمیدینی حاصل از اشعه ی ماوراء بنفش را به حالت اول بر می گرداند.در بازفعال سازی نوری آنزیم DNA فتولیاز انرژی نور را گرفته و از آن برای شکست پیوندهای کوالانسی بین پیریمیدین های مجاور استفاده می کند.به بیان دیگر بازهای آسیب دیده به طور مستقیم تعمیر می شوند.

B) ترمیم حذف باز : در ترمیم حذف باز آنزیمی به نام گلیکوزیلاز باز آسیب دیده را شناسایی می کند و از طریق هیدرولیز پیوند گلیکوزیدی شناسایی کرده و باز را بر می دارد. قند فاقد باز حاصل در یک مرحله ی دیگر بافعالیت اندونوکلئولیتیکی از اسکلت برداشته می شود.همچنین قندهای فاقد پورین و پیریمیدین که از طریق هیدرولیز خودبخودی ایجاد شده اند، از طریق شکست اندونوکلئولیتیک برداشته می شوند.بعد ازاینکه نوکلئوتید آسیب دیده به طور کامل از اسکلت برداشته شد، یک DNA پلی مراز ترمیمی و DNA لیگاز با استفاده از رشته ی سالم به عنوان الگو، رشته ی آسیب دیده را ترمیم می کند.

(C ترمیم حذف نوکلئوتیدی :آنزیم های ترمیم حذف نوکلئوتیدی ، در هردوطرف محل آسیب دیدگی برش ایجاد می کنند.برخلاف ترمیم حذف بازی ، آنزیم های ترمیم حذف نوکلئوتیدی ، هیچ آسیب دیدگی خاصی را شناسایی نمی کنند. این سیستم از طریق انحرافاتی که در شکل مارپیچ دو رشته ای ایجاد می شود ،عمل می کند. از جمله این انحرافات حضور دایمر تیمین یا وجود گروه های شیمیایی بزرگ بر روی بازهااست.این انحرافات باعث یک سری سلسله رویدادهای پیاپی می شود که طی آن قطعه ی کوچک تک رشته ای دارای آسیب دیدگی حذف می شود..برداشت این قطعه یک شکاف تک رشته ای در DNA ایجاد می کند که توسط DNA پلی مراز پر می گردد.  DNA پلی مراز از رشته ای که حاوی آسیب دیدگی نیست به عنوان رشته ی الگو استفاده می کند و بدین ترتیب  ترادف اصلی نوکلئوتیدی محفوظ می ماند.

D) شکست دو رشته ای DNA یا (DSB) :  کشنده ترین نوع آسیب هایی است که به DNA وارد می شود. در سلولها مسیرهای مشابه متعددی برای کپی برداری از DNA آسیب دیده وجود دارد.بنابراین تعجب آور است که سلولها تنها به سیر ترمیم  DSB برای ترمیم این آسیب اتکا نمی کنند.مسیر ترمیم DSB با اتکا براطلاعات موجود بر روی کروموزوم خواهری به ترمیم DNA شکسته شده می پردازد.این یک راهبرد موثر است چون کروموزوم خواهری به عنوان یک الگوی با ارزش برای برگرداندن اطلاعات در ناحیه ی شکسته شده است.

اگر کروموزومی که هنوز همانندسازی نکرده است دچار شکست شود چه اتفاقی رخ خواهد داد؟

در چنین شرایطی هیچ کروموزوم خواهری وجود نخواهد داشت تا به عنوان رشته ی الگو در ترمیم DSB مورد استفاده قرار گیرد.بنابراین سیستم دیگری به نام سیستم اتصال دهنده ی انتهای غیر همولوگ یا  NHEJ ایفای نقش می کند. NHEJ در مخمر نقش سیستم کمکی را دارد ولی در موجودات عالی تر نقش اساسی در ترمیم شکستگی ها ایفا می کند.مراحل فرایند NHEJ نظیر ماشینی است که در حفاظت انتهای شکسته شده و سپس اتصال آنها به یکدیگر نقش دارد.چون در جریان NHEJ ، ترادف اصلی در اطراف محل شکست به درستی بازگردانیده نمی شود.بنابراین در انتهای شکسته شده اطلاعات ترادف ها از بین می رود.مسیر NHEJ یک مسیر جهش زا می باشد.بااین حال جهش هایی که از طریق مسیر NHEJ ایجاد می شوند ، نسبت به وقتی که انتهای شکسته شده بدون ترمیم رها گذاشته شوند،برای سلول خطر کمتری دارد.

NHEJ با استفاده از چه مکانیسمی انتهای DNA را به هم متصل می کند؟ NHEJ همانطور که از نامش هم پیداست در طویل سازی ترادف های همولوگ نقشی ندارد بلکه دو انتهای تک رشته ای  DNA شکسته شده را از طریق اتصال ناهمگون  به یکدیگر متصل می سازد. به نظر می رسد که این نوع همردیفی ، با جفت شدن بین قطعات کوچکی (حتی به کوچکی یک جفت باز) از باز های مکمل صورت می پذیرد.دم های تک رشته ای توسط نوکلئازها برداشته شده و شکاف ها توسط  DNA پلیمراز پر می شود.

فرایند سنتز “گذر از آسیب ” باعث عبور همانندسازی از روی منطقه  آسیب دیده DNA می شود.

در مثال های ذکر شده این گونه در نظر گرفته می شد که آسیب های وارده به DNA از طریق حذف و پس از آن ساخت دوباره ی DNA با استفاده از رشته ی آسیب ندیده به عنوان الگو، ترمیم میشود.ولی چنین سیستم های ترمیمی به طور کامل کارآمد نیستند و بعضی اوقات DNA پلیمراز با آسیب هایی نظیر دایمر پیریمیدینی یا جایگاه های بدون پورین مواجه می شود که ترمیم نشده اند.چون چنین آسیب هایی موانعی در پیشرفت DNA پلیمراز ایجاد می کنند، بنابراین ماشین همانندسازی باید سعی کند یا منطقه آسیب دیده را کپی برداری کند یا همانندسازی را متوقف کند.حتی اگر سلول قادر به ترمیم این آسیب ها نباشد، مکانیسم fail-safe  باعث می شود تا ماشین همانندسازی از این جایگاه ها عبور کند.این مکانیسم به سنتز گذر ازآسیب  معروف است.هرچند که این مکانیسم بسیارمستعد خطاست و در نتیجه منجر به ایجاد جهش می شود ولی سلول را در برابر همانندسازی ناقص کروموزوم حفاظت می کند.

خلاصه ای از فصل 9 ، زنتیک مولکولی واتسون  .2008

تهیه توسط م. قربانی

جهش ساده:



جهش نقطه ای:



جهش براثر تابش اشعه ها




سیستم ترمیم حذف باز







سیستم ترمیم حذف نوکلئوتیدی:



سیستم ترمیم شکست دو رشته ای :



سیستم اتصال انتهای غیر همولوگ: