DNA ONARIMI

DNA’da oluşan hasarlar DNA onarım mekanizmaları ile düzeltilir. DNA onarımında görev alan altı farklı temel mekanizma bilinmektedir: DNA hasarı DNA sentezi (replikasyon) olmadan veya DNA sentezi sırasında farklı yolaklar ile gerçekleşmektedir. Öncelikle mikroorganizmalarda (Eschericia coli) tanımlanmış olan DNA onarım mekanizmaları tüm canlılarda bulunmakta olup, rol oynayan proteinler çok sayıda olup, tüm canlılarda benzerlik göstermektedir (Şekil 3 ve Tablo 2).  Bu yolaklarda kendilerine özel çok sayıda protein veya yolaklar arası karşılıklı konuşmayı sağlayan ortak proteinler içermektedir.

  1. DNA sentezi (replikasyon) olmadan DNA hasarını onaran yolaklar:
  • Direk onarım yolu
  • Baz kesip çıkartma yolağı (base excision repair–BER-)
  • Nukleotid kesip çıkartma yolağı (nucleotide excision repair-NER)
  • Non-homolog rekombinasyon (Non-Homolog End Joining-NHEJ-) ile onarım. Hata yapmaya eğilimli olan NHEJ onarımı çoğalmayan sessiz durumdaki hücrelerde (örneğin erişkin kök hücrelerde) tek iplik kırıklarını düzeltir.
  1. DNA sentezi sırasında DNA hasarını onaran yolaklar:
  • Yanlış eşleşme onarımı mekanizması (mismatch repair-MMR-)
  • Homolog rekombinasyonla onarım (HR) çoğalan hücrelerde (örneğin embriyonik kök hücreler) DNA sentezi sırasında eşlenik (komplementer) ipliği kullanarak iplik kırıklarını doğru bir şekilde onarır. DNA’da oluşan çapraz bağların onarılması da HR yolağı ile olmakla birlikte çapraz bağ lezyonlarının tanınıp  açılması için FANC proteinlerinin bulunduğu FANC yolağı ile gerçekleşir.

Embriyonik kök hücrelerde hata olasılığı diğer hücrelere göre 100 kat daha az gözlenmektedir. Embriyonik kök hücrelerdeki fazla replikasyon stresine rağmen daha az DNA hasarı görülmesinin sebebi bu hücrelerde özelleşmiş DNA onarım mekanizmaları yanısıra, genotoksik ajanları nötralize edebilen antioksidatif, antialkilleyici enzimler ve de genotoksik ajanları hücre dışına atabilen yüksek miktarda hücresel pompa sistemleri bulunmasıdır.

2015 yılı Nobel Kimya ödülü DNA onarım mekanizmalarında yaptıkları buluşlar nedeni ile üç bilim insanı arasında paylaşıldı. Halen İngiltere Francis Crick Enstitüsü’nde araştırmalarını sürdürmekte olan İsveç asıllı Thomas Lindahl baz kesip çıkarma (Base Excision Repair-BER-) ile onarım mekanizmasındaki enzimleri bulmuştur. BER sistemi oksidasyon, alkillenme, amin, purin veya pirimidin kayıplarına bağlı baz lezyonlarının tamirini yapar. BER onarımı baz lezyonunu tanıyan DNA glikozilaz enzimi ile başlar. Farklı baz hasarlarını tanıyan farklı DNA glikozilaz enzimleri vardır. Uygun DNA glkozilaz enzimi ile tanınan hasarlı baz ortamdan uzaklaştırılarak XRCC1 gibi bir dizi BER proteinleri ile hasar onarılır (bkz. Tablo 2). BER mekanizması DNA’da torsiyona yol açmayan baz lezyonları yanı sıra tek iplik kırıklarının onarımında da rol oynar. BER mekanizması olmadan herhangi bir organizmanın yaşamı mümkün değildir.

Amerika Birleşik Devletleri Howard Hughes Tıp Enstitüsü’nden (Durham, NC) Paul Modrich hücre çoğalırken DNA replikasyonu sırasında nasıl yanlış eşleşmeler olabileceğini ve bu yanlış eşleşmelerin onarılmasında rol oynayan enzimleri bulmuştur. Replikasyondan hemen sonra yeni sentezlenen ipliğin üzerinde prokaryotkarda metil işaretlerinin olmaması, ökaryotlarda ise geçici çentiklerin olması sayesinde yanlış eşleşen ipliği tanıyan enzimlerce DNA hasarı düzeltilir. Yanlış eşleşme onarım (MMR) sisteminde; hMSH2 ve hMSH6’nın oluşturduğu heterodimer protein hMutS ile yanlış eşleşen bölüm tanınır. Daha sonra hMLH1 ve hPMS2’nin oluşturduğu diğer bir heterodimer protein hMutLα ATP’ye bağımlı bir şekilde aktivite göstererek yanlış eşleşen bölgeye bağlanır. Bu bağlanma hMutS’nin yapısal değişimine yol açar ve hMutS DNA üzerine kenetlenerek MutL kompleksini (insanda MLH1 ve hPMS2 proteinlerinden oluşur) DNA üzerine çağırır. MutL kompleksi DNA replikasyon enzimi DNA polimerazın ve ona yardımcı PCNA proteinin DNA üzerinden düşmesine sebep olarak DNA çoğalmasını durdurur. Daha sonra, yeni sentezlenen yanlış DNA ipliği ekzonukleaz (EXO1) enzimi ile yıkılır.

Amerika Birleşik Devletleri North Carolina Üniversitesi Biyokimya ve Biyofizik anabilim dalı öğretim üyesi Türk bilim insanı Prof. Dr. Aziz Sancar ise UV ve diğer mutajenler ile olan DNA hasarları üzerine E. coli bakterisinde yaptığı çalışmalarında nukleotid kesip çıkarma mekanizmasını (NER) tanımlamıştır. Daha sonra bu mekanizmada rol oynayan enzimleri kodlayan genlerdeki mutasyonların kansere yatkınlığı artırdığı gösterilmiştir. DNA kopyalanması (replikasyon) ve gen ifadesi (transkripsiyon) esnasında oluşan torsiyonel lezyonlarını düzelten global NER ve transkipsiyonel NER yolakları olarak tanımlanmış farklı yolaklar mevcuttur. Global NER sisteminde; E.coli’de  UvrA ve B eukaryotlarda XPA, XP-C ve 28B proteinleri DNA’da oluşan hasar sonucu  (örneğin UV’ye maruz kalma sonucu DNA’da yanyana yerleşmiş olan Timin’lerin dimerleşmesi) baz eşleşmemesine bağlı balonlaşmayı ve DNA torsiyonunu tanır. XP-C’nin hasarlı bölgeye bağlanması TFIIH bölgeye getirerek 25 nukleotidlik bir çift iplik açılmasını sağlar. Tek iplik bağlayıcı proteinler olan RPA’lar ile açılan ipliğin tekrar kapanmaması sağlanır. XP-F, ERCC1 ile heterodimer yapar ve XP-G endonukleazı ile birlikte (prokaryotlarda UvrC ve UvrB) hasarlı ipliği keser. Oluşan 24-32 baz uzunluğundaki tek iplik boşluğu DNA polimeraz ile eşlenik ipliğine göre sentezlenir ve ligaz ile uçlar yapıştırılır (Şekil 3).

DNA Onarımını Etkileyen Faktörler

Farelerde in vivo ve laboratuvar ortamında in vitro yapılan çalışmalarda biyolojik ritim (Diurnal veya Sirkadyan ritim) ve bazı besinlerin DNA onarım yolaklarındaki bazı proteinler üzerine etkileri gösterilmiştir. Yine Aziz Sancar ve arkadaşları NER yolağınının önemli bileşenlerinden XPA proteininin farelerde saat 16:00-17:00 civarında arttığını, sabahları ise düşük düzeylerde olduğunu saptamışlar ve fareler sabah 5:00-9:00 arası UV maruz bırakıldığında akşam üstüne göre daha fazla invazif karsinom geliştiğini gözlemlemişlerdir.  Ahududu XPA dahil bazı NER proteinlerini; enginar, deve dikeni, zerdeçal direk onarımda rol oynayan metil-guanin-DNA metil transferaz (MGMT) enzimini; yaban mersini, kahve, ayçiçeği çekirdeği, enginar tek iplik kırıklarına tanıyan PARP’ı; kahve, kızılcık, havuç yanlış eşleşmeyi düzelten onarım mekanizma proteinlerinden PMS2’yi; zeytin ve metaboliği kafeik asid, çukolatadaki proanthocyanidin’ler PARP ve PMS2’yi  artırmaktadır. Yeşil çaydaki epigalocatechin-3-gallate MGMT ve MLH1’yı; Soya’daki Genistein de MGMT’yi artırmaktadır.

Lipid peroksidasyon bileşikleri, arsenik, kadmiyum, safra asidi, ve oksidatif strese yol açan gama irradyasyon, benzo(a)pyrene ve nikel gibi diğer bir çok karsinojen ise çeşitli DNA onarım mekanizması proteinlerini baskılamaktadır.