Пряма́я репара́ция ДНК, прямое восстановление исходной структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Субстратами выступают фотопродукты и некоторые алкилированные основания. Основные механизмы – фотореактивация, перенос и окисление алкильных групп.

История открытия и изучения

Фотореактивация открыта в 1940-х гг. двумя независимыми американскими лабораториями: Cold Spring Harbor, в которой исследованиями репарации занимались А. Келнер и М. Демерец, и лабораторией Сальвадора Лурии в Индианском университете, сотрудником которой был Р. Дульбекко (Нобелевская премия по физиологии и медицине 1975 г.).

Дж. Уотсон, коллега Дульбекко, показал, что фотореактивация наблюдалась при воздействии УФ-излучения, но не ионизирующего излучения. Позднее были обнаружены и другие механизмы прямой репарации ДНК, направленные на восстановление продуктов алкилирования.

Механизмы прямой репарации ДНК

Во всех механизмах прямой репарации происходит выворачивание повреждённого основания из двойной спирали ДНК в активный центр фермента (base-flipping), после чего начинается процесс репарации.

Фотореактивация

Фотоиндуцированная реактивация (фотореактивация) осуществляется в клетке для восстановления исходной структуры оснований, подвергшихся воздействию УФ-излучения. К повреждениям, обусловленным излучением, относятся циклобутановые пиримидиновые димеры (ЦПД) и пиримидин-(6,4)-пиримидоны. Их репарацию осуществляют фотолиазы – ФАД (флавинадениндинуклеотид)-зависимые ферменты, катализирующие расщепление димеров.

Предполагаемым механизмом реакции разложения фотопродуктов является трёхстадийный процесс: перенос электрона от свободного радикала семихинона флавинадениндинуклеотида FADH^-* к димеру, расщепление димера и обратный перенос электрона от мономерного пиримидинового радикала к FADH^•.

Существует 2 класса фотолиаз, восстанавливающих ЦПД. Они различаются аминокислотными последовательностями и строением активного центра, но предполагаемый механизм их действия одинаков. Первой стадией реакции является перенос электрона в активном центре с помощью трёх остатков триптофана (класс 1) или посредством триптофановой диады (класс 2).

В клетке функционируют также (6-4)-фотолиазы, субстратом для которых служат пиримидин-(6, 4)-пиримидоны. Предполагается, что механизм их действия включает в себя 3 стадии: одноэлектронное восстановление, быстрое расщепление аддукта, ключевую роль в котором играет циклический перенос протона от фермента к субстрату с помощью остатка гистидина в активном центре, обратный перенос электрона на кофактор ФАД.

Прямое деметилирование алкилированных оснований

Алкилированные основания образуются под действием различных химических агентов, таких как S-аденозилметионин, иприты и др. Продукты алкилирования приводят к мутациям за счёт изменения степени комплементарности пар оснований и препятствования работе ДНК-полимераз. Прямое деметилирование алкилированных оснований осуществляется O⁶-алкилгуанин-ДНК-алкилтрансферазой, субстратом для которого является не только O⁶-метилгуанин, но и производные гуанина с более крупными заместителями. Механизм работы фермента заключается в прямом трансалкилировании из положения O⁶ на цистеин, входящий в состав активного центра. Метилтрансферазы, использованные клеткой для репарации ДНК, не могут быть использованы повторно, так как после переноса метильной группы фермент теряет каталитическую активность.

Окисление алкильных групп

Окислительное деалкилирование осуществляется ферментами семейства AlkB – прокариотическим ферментом AlkB или его эукариотическими гомологами. Спектр репарируемых оснований довольно широк, однако лучшими субстратами для них являются N¹-метиладенин и N³-метилцитозин. Ферменты, относящиеся к семейству AlkB, имеют железосодержащий участок для активации молекулы кислорода, участвующей в окислении. Механизм деалкилирования ферментом AlkB состоит из 2 стадий: гидроксилирование алкильной группы и гетеролитический разрыв азот-углеродной связи.

 У фермента AlkB существует 9 эукариотических гомологов. Каждый из них является железо- и α-кетоглутарат-зависимым ферментом. Белок человека ALKBH1 демонстрирует высокую степень гомологии с ферментом AlkB. Он обладает АП-лиазной активностью – расщепляет апуриновые и апиримидиновые сайты, однако деметилазной активности у него установлено не было. ALKBH3 осуществляет реактивацию N3-метилцитозина в одноцепочечной ДНК, ALKBH2 деметилирует N1-метиладенин, N3-метилцитозин, ε-аденин. ALKBH8 катализирует реактивацию 5-карбоксиметилуридина посредством последовательной реакции этерификации ввиду наличия метилтрансферазной активности, гидроксилирования и распада азот-углеродной связи.

Белок ALKBH2 ингибирует пролиферацию злокачественных клеток раковых опухолей желудка, ALKBH3 способствует выживаемости раковых клеток при онкологических заболеваниях лёгкого и предстательной железы, ALKBH8 ускоряет развитие рака мочевого пузыря. Следовательно, ферменты ALKBH3 и ALKBH8 (гомологи фермента AlkB) являются терапевтическими мишенями, так как подавление экспрессии генов, кодирующих их, препятствует развитию онкологических заболеваний.