การซ่อมแซมแบบตัดออกนิวคลีโอไทด์และการซ่อมแซมแบบตัดออกเบส

การซ่อมแซมแบบตัดออกจะกำจัดส่วนที่เสียหายของดีเอ็นเอสายหนึ่งออกไป และสังเคราะห์ขึ้นใหม่โดยใช้ดีเอ็นเอสายคู่สมที่สมบูรณ์เป็นแม่แบบ กลไกทั้งสองแบบนี้มีหลักการเดียวกัน แต่จัดการกับความเสียหายที่แตกต่างกัน: การซ่อมแซมแบบตัดออกเบสจะแก้ไขความเสียหายของเบสขนาดเล็กที่ไม่ทำให้เกลียวบิดเบี้ยว ในขณะที่การซ่อมแซมแบบตัดออกนิวคลีโอไทด์จะกำจัดความเสียหายขนาดใหญ่ที่ทำให้เกลียวบิดเบี้ยว เช่น ความเสียหายที่เกิดจากรังสีอัลตราไวโอเลต ทั้งสองกลไกจะคืนลำดับเดิมโดยไม่ทิ้งการเปลี่ยนแปลงถาวรไว้

Definition

การซ่อมแซมแบบตัดออกเบส (BER) จะกำจัดเบสที่เสียหายหรือผิดปกติเพียงเบสเดียวผ่านเอนไซม์ดีเอ็นเอไกลโคซิเลส และจัดการกับตำแหน่งที่ไม่มีเบสที่เกิดขึ้น ในขณะที่การซ่อมแซมแบบตัดออกนิวคลีโอไทด์ (NER) จะจดจำความเสียหายขนาดใหญ่ที่ทำให้เกลียวบิดเบี้ยว และตัดโอลิโกนิวคลีโอไทด์สั้นๆ ที่มีความเสียหายออกไป จากนั้นทั้งสองกลไกจะเติมและเชื่อมช่องว่างด้วยการสังเคราะห์โดยใช้แม่แบบและการเชื่อมต่อ

Scope

บทความนี้เปรียบเทียบกลไกการซ่อมแซมแบบตัดออกทั้งสองแบบ: สารตั้งต้นที่แต่ละกลไกจดจำ เอนไซม์ที่ทำหน้าที่จดจำ ตัดออก เติมช่องว่าง และเชื่อมต่อ และความแตกต่างภายในกลไกการซ่อมแซมแบบตัดออกนิวคลีโอไทด์ระหว่างกลไกย่อยแบบทั่วทั้งจีโนมและแบบเชื่อมโยงกับการถอดรหัส บทความนี้เป็นข้อมูลอ้างอิงเชิงกลไกและไม่ได้กล่าวถึงการจัดการทางคลินิก

Core questions

• ความเสียหายประเภทใดที่แต่ละกลไกจดจำ?
• การซ่อมแซมแบบตัดออกเบสจัดการกับตำแหน่งที่ไม่มีเบสอย่างไรหลังจากที่เบสถูกกำจัดออกไป?
• การซ่อมแซมแบบตัดออกนิวคลีโอไทด์ตัดโอลิโกนิวคลีโอไทด์ที่เสียหายออกไปได้อย่างไร?
• ความแตกต่างระหว่าง NER แบบทั่วทั้งจีโนมและ NER แบบเชื่อมโยงกับการถอดรหัสคืออะไร?

Key concepts

• ดีเอ็นเอไกลโคซิเลส
• ตำแหน่งที่ไม่มีเบส (AP) และ AP เอนโดนิวคลีเอส
• BER แบบสั้นและแบบยาว
• ความเสียหายขนาดใหญ่ที่ทำให้เกลียวบิดเบี้ยว
• การตัดสองครั้งใน NER
• NER แบบทั่วทั้งจีโนม
• NER แบบเชื่อมโยงกับการถอดรหัส
• การเติมช่องว่างและการเชื่อมต่อ

Mechanisms

การซ่อมแซมแบบตัดออกเบสเริ่มต้นเมื่อเอนไซม์ดีเอ็นเอไกลโคซิเลสจดจำและกำจัดเบสที่เสียหายหรือผิดปกติเพียงเบสเดียว เช่น ยูราซิล หรือ 8-ออกโซกัวนีน ทำให้เกิดตำแหน่งที่ไม่มีเบส จากนั้นเอนไซม์ AP เอนโดนิวคลีเอสจะตัดโครงสร้างหลัก เอนไซม์พอลิเมอเรสจะเติมช่องว่าง และเอนไซม์ไลเกสจะเชื่อมต่อ โดยมีรูปแบบการซ่อมแซมแบบสั้นและแบบยาวที่แตกต่างกันในจำนวนนิวคลีโอไทด์ที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่ Krokan และ Bjørås อธิบายว่ากลไกนี้เป็นเส้นทางหลักสำหรับความเสียหายของเบสขนาดเล็กที่เกิดขึ้นบ่อยครั้งจากปฏิกิริยาออกซิเดชัน ดีอะมิเนชัน และอัลคิเลชัน ในทางกลับกัน การซ่อมแซมแบบตัดออกนิวคลีโอไทด์จะจดจำการบิดเบี้ยวของเกลียวที่เกิดจากสารประกอบเชิงซ้อนขนาดใหญ่และผลิตภัณฑ์จากแสงอัลตราไวโอเลต คอมเพล็กซ์โปรตีนหลายชนิดจะตรวจสอบความเสียหาย ตัดทั้งสองด้าน และกำจัดโอลิโกนิวคลีโอไทด์สั้นๆ หลังจากนั้นช่องว่างจะถูกเติมและเชื่อมต่อ Schärer อธิบายกลไกย่อยของ NER สองแบบ: NER แบบทั่วทั้งจีโนมจะสำรวจจีโนมทั้งหมดเพื่อหาการบิดเบี้ยว ในขณะที่ NER แบบเชื่อมโยงกับการถอดรหัสจะถูกกระตุ้นเมื่อ RNA พอลิเมอเรสหยุดชะงักที่ความเสียหายในสายที่กำลังถอดรหัส

Clinical relevance

ความบกพร่องทางพันธุกรรมในการซ่อมแซมแบบตัดออกนิวคลีโอไทด์ทำให้เกิดโรคผิวหนังแห้งสีคล้ำ (xeroderma pigmentosum) ซึ่งมีความไวต่อรังสีอัลตราไวโอเลตอย่างมากและมีความเสี่ยงสูงต่อการเป็นมะเร็งผิวหนัง และความผิดปกติที่เกี่ยวข้อง เช่น กลุ่มอาการ Cockayne ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสำคัญของกลไกเหล่านี้ บทความนี้เสนอความสัมพันธ์เหล่านั้นเป็นข้อมูลพื้นฐานเชิงกลไกมากกว่าเป็นแนวทางสำหรับการวินิจฉัยหรือการดูแลบุคคลใดบุคคลหนึ่ง

History

การซ่อมแซมแบบตัดออกเป็นหนึ่งในกระบวนการซ่อมแซมแรกๆ ที่ได้รับการจำแนกทางชีวเคมี โดยมีการรับรู้ในช่วงทศวรรษ 1960 ว่าเซลล์สามารถตัดส่วนที่เสียหายจากรังสีอัลตราไวโอเลตออกและสังเคราะห์ขึ้นใหม่ได้ การสร้างกลไกของมนุษย์ขึ้นใหม่ในภายหลังได้ยืนยันเอนไซม์ที่เกี่ยวข้อง และความแตกต่างระหว่างกลไกย่อยแบบทั่วทั้งจีโนมและแบบเชื่อมโยงกับการถอดรหัสได้ชี้แจงว่าเหตุใดกลุ่มอาการที่บกพร่องในการซ่อมแซมบางชนิดจึงส่งผลกระทบต่อจีโนมทั้งหมด ในขณะที่บางชนิดส่วนใหญ่ส่งผลกระทบต่อยีนที่กำลังถอดรหัส

Key figures

• Aziz Sancar
• Tomas Lindahl
• Orlando Schärer
• Hans Krokan

Seminal works

• sancar-2004
• scharer-2013
• krokan-bjoras-2013

Frequently asked questions

ความแตกต่างหลักระหว่างการซ่อมแซมแบบตัดออกเบสและการซ่อมแซมแบบตัดออกนิวคลีโอไทด์คืออะไร?

การซ่อมแซมแบบตัดออกเบสจะกำจัดเบสที่เสียหายเพียงเบสเดียวและตำแหน่งที่ไม่มีเบสที่เกิดขึ้นสำหรับความเสียหายขนาดเล็กที่ไม่ทำให้บิดเบี้ยว ในขณะที่การซ่อมแซมแบบตัดออกนิวคลีโอไทด์จะกำจัดส่วนสั้นๆ ของนิวคลีโอไทด์รอบๆ ความเสียหายขนาดใหญ่ที่ทำให้เกลียวบิดเบี้ยว เช่น ผลิตภัณฑ์จากแสง UV

การซ่อมแซมแบบเชื่อมโยงกับการถอดรหัสคืออะไร?

เป็นสาขาหนึ่งของการซ่อมแซมแบบตัดออกนิวคลีโอไทด์ที่ถูกกระตุ้นเมื่อ RNA พอลิเมอเรสหยุดชะงักที่ความเสียหายในสายที่กำลังถอดรหัส ทำให้ความเสียหายในยีนที่ทำงานอยู่ได้รับการซ่อมแซมเป็นพิเศษ