انواع سیستم های ترمیم DNA و Neurodegeneration Disease

در میان پروسه های متعدد عملکردی برای زنده ماندن اورگانیسم ها ، پیام رسانی سلولی برای پاسخ گویی به آسیب های DNA و توانایی ترمیم این آسیب ها، پروسه ای ضروری و حیاتی محسوب می شود.
سلول های بدن دائماً در معرض عوامل ایجاد کننده آسیب در DNA از جمله عوامل endogenous مثل گونه های واکنش دار اکسیژن( ROS) و عوامل خارجی مثل عوامل ایجاد کننده جهش و اشعه ها می باشد. سلول ها برای محافظت در برابر این آسیب ها چندین مسیر تعمیر DNA را شامل می شوند.

انواع اسیب ها و تعمیرات DNA در سلول

در سیستم عصبی مرکزی بیشترین سطح آسیب های DNA، چه به دلیل افزایش در معرض قرارگیری با عوامل آسیب زا و چه به دلیل نقص در ترمیم DNA، می تواند منجربه ایجاد اختلالات عصبی شود.
مغز شامل تعداد زیادی سلول های غیر قابل تکثیر می باشد و به این دلیل کاملاً آمادگی ایجاد نقص در سیستم ترمیم DNA را دارد که این آسیب ها منجربه تجمع و انباشتگی آسیب های تعمیر نشده DNA می گردد. این آسیب های DNA در نهایت دلیل آسیب شناسی عصبی مشاهده شده در بسیاری اختلالات عصبی می باشد.

عملکرد مسیرهای مختلف تعمیر DNA در حین پیشرفت و تکوین سلول های عصبی
در مراحل مختلف تکوین، سیستم عصبی در معرض انواع مختلف آسیب ها قرار می گیرد.
در حین تکثیر، شکست های ناشی از همانند سازی در دورشته DNA رخ می دهد که نیاز به ترمیم با سیستم تعمیری Double Strand DNA Repair(DSB دارد که این روش ترمیمی خود به ۲ صورت HR)Homologous Recombination) و (Non Homologous End Joining (NHEJ صورت می گیرد.
HR وابسته به استفاده از کروماتیدهای خواهری به عنوان یک الگوی سالم تعمیر می باشد بهمین دلیل این روش فقط در سلول های در حال تکثیر رخ می دهد.
سلول های همانند سازی شونده محتمل آسیب های دیگری شامل Crosslink بین رشته ای یا شکست رشته با دلیل های دیگر مثل آسیب های اکسیداتیو و آسیب های مربوط به رونویسی هم می شود که راه های تعمیر آنها بیشتر DSBR و Miss Match Repair (MMR) می باشد.
MMR از دیگر انواع مهم سیستم های ترمیم می باشد که بازهای غلط گذاشته شده در حین همانند سازی را اصلاح می کند.
در سلول های تقسیم نشونده، مکانیزم NHEJ و (Single Strand Break (SSBR ها مثل (Base excision repair (BER و Nucleotide excision repair (NER در ترمیم آسیب ها دخالت دارند.
پیامد دیگر آسیب DNA در سلول های عصبی غیر بالغ و تکثیر شونده در تمایز نیافته آپوپتوزاست حال آنکه آسیب DNA در سلول های تمایز یافته آپوپتوز را فعال نمی کند و به جای آن رونویسی را مختل می کند در سلول های نابالغ که تمایز نیافته و قابلیت تکثیر دارند به دلیل اینکه سلول های قابلیت جایگزین شدن دارند بنابراین راهکار دیگر برای فرار از آسیب DNA می تواند آپوپتوز القا شده باشد. اما در سلول های تمایز یافته سیستم رونویسی و بیان ژن در صورت عدم تعمیر مختل می شود.

اسیب و ترمیم در سلول های عصبی

Replication Stress
استرس های همانند سازی DNA به عنوان همانند سازی ناکارآمد DNA معرفی می شوند که سبب توقف یا حرکت کند چنگال همانند سازی در حین همانند سازی می گردند.
زمانی که مولکول DNA ای که در حال همانند سازی نیست دچار آسیب در یکی از رشته ها می شود. تمامیت مولکول DNA به واسطه ی پیوندهای هیدروژنی باندهای اطراف محل آسیب دیده با بازها، رشته مقابل تا زمانی که رشته تعمیر شود حفظ می شود.
اما دررشته هایی که در حال همانند سازی هستند : دو رشته DNA باید برای همانند سازی در ناحیه ی چنگال همانند سازی از هم جدا شوند. این DNA های تک رشته به شدت recombinogenic هستند و احتمال رخداد شکست های تک رشته ای در آنها بسیار بالا می باشد. بدلیل اینکه رشته ی جدید از روی این تک رشته در حال ساختن است پس در محل تک رشته مزبور، شکست در رشته ایجاد می شود که این شکست سبب توقف چنگال همانند سازی برای تعمیر شکست ۲ رشته و یا رخداد replication fork collapse در صورت عملکردهای check point می شود.

Replication Stress

آسیب اکسیداتیو:
یکی از فعال ترین ارگان ها از نظر متابولیکی مغز (سیستم CNS) می باشد که درحدود ۲۰ درصد کل اکسیژن جذب شده را دریافت و مصرف می کند.
در حالت فعال این درصد تا حدودی افزایش هم می یابد وبرای انجام کارهای روزانه نیاز به منبع از خون های غنی از اکسیژن دارد. هر گونه مسدود شدن و یا فقر اکسیژن حتی برای چند ثانیه هم خطرات غیر قابل برگشتی را برای سیستم عصبی (هم نورون ها و هم سلول های گلیا) ایجاد می کند.
اگرچه CNS میزان بالای اکسیژن را نیاز دارد اما به طور تعجب برانگیزی فاقد آنزیم های لازم برای متابولیزه کردن گونه های واکنش کننده اکسیژن به گونه های بی ضرر می باشد.
در مقابل CNS سرشار از اسیدهای چرب غیر اشباع می باشد که آماده برای اکسید شدن با سدخونی و مغزی است چرا که این سد در کنار اینکه مانع از ورود توکسین ها به سیستم مغزی می شود از ورود آنتی اکسیدان هایی مثل ویتامین E هم به مغز جلوگیری می کند.
از طرف دیگر به عنوان مرکز تولید انرژی سلول، میتوکندری ها هم به طور مستقیم در معرض آسیب های اکسیداتیو هستند. این مسئله نه تنها به دلیل وجود گونه های واکنش کننده اکسیژن بلکه به دلیل این واقعیت است که در میتوکندری ها ژنوم توسط هیستون ها محافظت نمی شوند و هم چنین تعمیرات ناکارآمد در ژنوم میتوکندی منجر به ارتقای میزان جهش در mtDNA می شود. که استرس های اکسیداتیو فاکتور مهمی برای ایجاد بیماری های اکسیداتیو است به طوریکه آسیب های ایجاد شده در نورن ها یا به واسطه افزایش روند اکسیداتیو و یا به دلیل کاهش دفاع آنتی اکسیدان و یا هر دو رخ می دهد.
* ناپایداری ژنومی در پی آسیب های endogenous و exogenous در DNA رخ می دهد که می تواند با تغییرات شیمیایی در DNA همراه باشد. به طور کلی به نظر می رسد که آسیب های اکسیداتیو دلیل اصلی برای ایجاد ناپایداری ها زنومی در مغز است.
به طور کلی بیماری های عصبی زمانی پیشرفت می کنند که مسیرهایی که به طور طبیعی از استرس های اکسیداتیو جلوگیری می کند درست عمل نکنند و یا مسیرهای اصلاح DNA که به صورت آسیب ها را تعمیر می کرد دچار نقص در عملکرد شود.

Double Strand Break Repair :
یکی از بیشترین آسیب های سمی و موتاژنیک ، ایجاد شکست در ۲ رشته DNA می باشد که این شکست کروموزومی ممکن است منجربه از بین رفتن تمامیت ژنتیکی گردد.
تعمیر شکست ۲ رشته عموماً یا به صورت( homologous recombination(HR صورت می گیرد (زمانیکه کروموزم همولوگ در قالب کروماتید خواهری در دسترس باشد) و یا به صورت (Non Homologous End  Joining(NHEJ این نوع تعمیر عمدتاًدر چرخه ی سلولی رخ می دهد:
HR late S, G_2
NHEJ G_0-G_1-early S

مراحل تعمیر DSB :
HR: در پی ایجاد شکست دو رشته، کمپلکس (MRE11-RAD5O- NBS1 (MRN به نواحی شکست متصل می شوند ( به واسطه ی دایمر MRE11 ) ؛ سپس RAD50 به واسطه ی همکاری یون Zn^(2+) در مرکز خودش از ناحیه Coiled- Coil خود ۲ ناحیه ی شکست را به صورت یک پل بهم وصل می کند. حال سرین/ ترئونین کنیاز ATM از طریق فاکتور NBS به محل فراخوانده می شود (ATM فسفریله/ مونومر و فعال می شود). این اجتماع از فاکتورها سبب ایجاد پاسخ های SSBR مثل فراخوانی BRCA1 ، فسفریله کردن H_2 AX می گردد. سپس آنزیم اگزونوکلئاز EXO ایجاد تک رشته هایی با انتهای ۳^’ در ۲ انتها می کند که RAD51 به صورت واحدهای مونومری به تک رشته متصل شده و فیلامنت های نوکلئوپروتئینی را ایجاد می کند. حال به کمک فاکتور RAD54 به دنبال رشته همولوژی گشته و به کروموزوم همولوگ خود حمله می کند و فرم D.loop به خود می گیرد. حال آنزیم پلیمراز از رشته همولوگ به عنوان الگو استفاده کرده و درانتها LOG1 شکاف را پر می کند. این رخداد ممکن است همراه با کراسینگ اور باشد که بستگی به این دارد که در کجا آنزیم Resolvase اتصال را جدا کرده باشد.
هلیکاز BLM, RecQ همراه با TOPO3α و BLAP7S می توانند ساختار Holiday ایجاد شده را به صورت بدون کراسینگ اور جدا کنند.
NHEJ: در ابتدا فاکتور ku70 به ۲ انتها متصل می شود سپس DNA^PK 2 انتها را بهم نزدیک کرده و از آن جائیکه ممکن است ۲ انتها از لحاظ ساختاری (۵^’ P,3^’ OH) مناسب اتصال نباشند آنزیم TDP1، عمل end processing را انجام داده (این آنزیم به کمک DNA PK فعال می شود) ، از طرفی احتمال دارد که اگزونوکلئاز FEN و WRN نیز در end processing دخالت داشته باشند. حال آنزیم پلیمراز کار خود را انجام داده و در نهایت کمپلکس L_1 G_4/XRCC/XLF عمل اتصال را به کمک آنزیم لیگاز انجام دهند.

مراحل تعمیر DSB

نقص در DSBR در بیماری های عصبی:
پیام های مربوط به شکست های در رشته در یکسری تغییرات پس از ترجمه شرکت دارند که سبب تسهیل انتقال پیام از طریق میان کنش پروتئین های مسیر پیام رسان MRN/ATM می شود که در نهایت سبب توقف چرخه سلولی و جهت دادن برای تعمیر یا آپوپتوز می شوند.
AT) Ataxia telangiectasia) : این بیماری به دنبال شکست در فعال سازی ATM در پاسخ به DSB ایجاد می شود که در نهایت تعمیرDNA را تضعیف و مانع از آپوپتوز می شود. در این بیماری سلول های آسیب دیده از آپوپتوز فرار کرده و در مغز باقی می مانند که در نهایت سبب ایجاد AT شده که در آن سلول های آسیب دیده در CNS تجمع پیدا می کنند.
ATLD) AT Like disorder): این بیماری با جهش ژن MRE11 یکی از اعضای کمپلکس MRN آغاز می شود. MRE11 با هر دو جزء کمپلکس NBS و RAD5O میان کنش دارد. از طرفی اتصال کمپلکس به DNA از طریق موتیف های اتصال به MRE11 DNA صورت میگیرد.
جهش در این ژن الل های هایپومورف ایجاد می کند که در نتیجه یک پروتئین ناقص و یا پروتئین با طول کامل با ضعف عملکرد تولید می کند. پروتئین ناقص سبب کاهش سطح هر سه جزء کمپلکس MRE11 می شود. جهش های خاصی از این ژن در سلول های بیماران ATLD با ایجاد پروتئین های جهش یافته با طول کامل را ایجاد می کند که این pr با جهش های خاص خود میزان شدت میان کنش را 〖NBS〗_۱ و RAD5O را تعیین می کند (هر دو حالت ضعیف تر و قوی تر قابل مشاهده است). در صورتیکه فعالیت pro کاملاً از دست برود جنین می میرد.
NBS) Nijmegen breakage Syndrome) : از طریق جهش هایپومورف در ژن NBS ایجاد می شود. برخلاف AT و ATLD، در بیماری NBS حالت میکروسفالی در مغز مشاهده می شود. از طرفی نشانه های غیر نورولوژیکی مشابه با AT دارند مثل تمایل هر دو به سرطانی شدن.
معمول ترین نوع جهش (در بیش از ۹۹ درصد حالت ها) در NBS1. منجربه ایجاد قطعه پروتئین KDa26 با انتهای آمینی می شود که به صورت فیزیکی هیچگونه میان کنشی با کمپلکس MRN برقرار نمی کند زیرا جایگاه و دومین مربوط به اتصال به MRE11 در ناحیه ی C ترمینال این پروتئین قرار دارد که در پروتئین جهش یافته حذف شده است.
در هر سه ژن نامبرده شده از درست رفتن کامل فعالیت سبب ایجاد مرگ در دوران جنینی می شود.

نقص در DSBR در بیماری های عصبینقص در DSBR در بیماری های عصبینقص در DSBR در بیماری های عصبی

دلیل ایجاد فنوتیپ های متنوع بین این سه سندروم هم چنان نامشخص است. اما ماهیت هایپومورف MRE11وNBS1 ممکن است سبب ایجاد تفاوت ها در بروز فنوتیپ بیماری شود. زیرا pro های ایجاد شده از ژن ها تا حدی عملکردی هستند.

عجیب است که ATLD وNBS دو مدل متفاوت از نوروپاتولوژی (Neurodegeneration و میکروسفالی) را ایجاد می کنند حال آنکه هر دوی آنها در اجزای کمپلکسMRN جهش دار شده اند. این نشان می دهد که علی رغم وجود این دو pro در یک کمپلکس، MRE11و NBS1 عملکردهای مجزایی دارند.
یک توضیح برای این مسئله می تواند این باشد که جهش ها می توانند تاثیرات متفاوتی از کمپلکس MRNرا برروی سیستم ترمیم DNA و آپوپتوز نشان دهند.

جهش های MRE11 می تواند بر عملکرد آپوپتوز تداخل ایجاد کند و از طرفی به همان اندازه سبب ایجاد DSB های غلط در سلول شود که سلول از آنها برای پیشرفت سیستم عصبی استفاده کند به این دو طریق سبب ایجاد Neurodegeneration در بیماران ATLD شود.
برعکس، جهش های NBS1 احتمالاً با عملکرد ترمیمی DNA در کمپلکس MRN تداخل ایجاد می کنند. در نهایت سبب بالا بردن حساسیت به DSB در سول بدون هچگونه تاثیر بروی آپوپتوز می شوند این تاثیرات منجربه میکروسفالی در بیماران می شود که در نتیجه ی افزایش از دست رفتن سلول در حین تکوین می باشد. لزوم میان کنش بین NBS1و H_2 AXدر محل DSB و نیاز به NBS1 برای قرارگیری ATM فعال در ناحیه ی شکست این تاثیرات را پایدار می کند.

به طور کلی: جهش در MRE11و NBS1 هر دو توانایی فسفریله کردن ATM را بعد از آسیب DNA از دست می دهند. اما فقط جهش در MRE11 مسیر فعال شدن آپوپتوز به واسطه ATM را block می کند (نقص در مسیر ATM به نوعی مانع از آپوپتوز سلول های عصبی می شود که منجربه الحاق سلول های با آسیب های ژنتیکی، به سیستم عصبی بالغ شده که با گذشت زمان سلول طاقت خود را از دست داده و می میرد). حال آنکه جهش در NBS1 سبب جمع شدن DNA آسیب دیده به واسط عملکرد غلط MRN شده حال انکه مسیر آپوپتوز وابسته به ATM را block نمی کند. پس در این بیماری میزان آپوپتوز در حین تکوین بالا می رود که در نهایت سبب میکروسفالی می شود.

SSDBR)Single Strand DNA Break Repair):

آسیب DNA که به طور ویژه با سلول های نورونی در ارتباط است عمدتا از نوع شکست های تک رشته ای می باشد. این نوع آسیب به صورت ناپیوسته در طول یک رشته از دو رشته هلیکس DNA رخ می دهد. تخمین زده شده در حدود ۰۰۰/۱۰ شکست تک رشته در طول روز رخ می دهد.
اگر چه دلیل این شکست ها متفاوت است اما شکست های مربوط به از هم پاشیدگی قند- فسفات در DNA که براثر آسیب های اکسیداتیو ناشی از عملکرد گونه های واکنش کننده اکسیژن ایجاد می شوند از معمول ترین حالات شکست تک رشته هستند. بنابراین بدلیل میزان بالای O_2 در محیط مغز بالغ، نورون های Post-mitotic در معرض هم بالای O_2 قرار گرفته و در طی عمر خود بسیار دچار شکست تک رشته می شوند.
اگرچه شکست تک رشته هم چون سایر آسیب ها به عنوان genotoxic مطرح نمی شود؛ اما می تواند برای سلول خطرناک باشد زیر بدلیل توانایی در توقف چنگال همانند سازی و حباب های رونویسی برخوردها اگر تعمیر نشوند برای سلول مضر خواهند بود.
علی رغم روش های متنوع ایجاد شکست در DNA راه های تعمیر آن تقریباً مشابه بوده و در برخی مسیرها با هم هم پوشانی دارند و به طور کلی به مجموع مسیرها SSDBR گفته می شود.
به طور کلی SSB به ۲ طریق در DNA ایجاد می شود:
۱- روش غیر مستقیم با شکست آنزیمی فسفودی استرازی. این شکست در حین تعمیر BER برای آسیب اکسیداتیو ایجاد می شود و یا در حین عمل آنزیم توپوایزومر از I (TOPI)
۲- روش مستقیم با القای آسیب اکسیداتیو از طریق حمله ROS مثل H_2 O_2-O_2^- و… یا اشعه های یونیزاسیون .
SSDBR از ۴ مرحله تشکیل شده است:
شناخت ناحیه شکست –Processing
end انتهای آسیب دیده-
پر کردن ناحیه شکاف
ligation.

(SSDBR)Single Strand DNA Break Repair:
بدلیل میزان بالای اسیب های شکست تک رشته ، یک مسیر تعمیری سریع و کارآمد برای حفظ حیات سلول ضروری می باشد.
در حالت غیر مستقیم جایگاه AP ( جایگاه بدون باز الی در DNA) ایجاد شده توسط APE برداشته می شود. جایگاه AP می تواند به صورت خودبخودی یا القا فقدان باز آلی (بازهای دئوکسی ریبوز اکسید شده) یا برش ناحیه ی آسیب دیده با آنزیم ایجاد شود ؛ و یا در طی عملکرد ناقص آنزیم TOP1 درگیر با برخورد با RNA پلیمراز و یا در حالت نزدیکی به یکی از انواع دیگر اسیب های DNA که ایجاد حالت TOP1-linked می کند.
در حالت مستقیم، شکست ها به وسیله آنزیم(PARPI) Ploy (ADP-ribose)Polymerase I شناسایی می شوند و این آنزیم با اتصال خود سبب گردآوری سایر فاکتورهای ترمیمی به محل می شود.
* توجه کنیم که در حالت BER و یا عملکرد TOPI نیازی به وجود PARPI نداریم زیرا که جایگاه شناسایی از قبل توسط APE1 در BER ایجاد و یا توسط TOPI-SSB شناسایی شده است.

حال مرحله ی end processing اغاز میشود که در آن ۲ انتهای آسیب دیده باید مناسب برای پلیمریزاسیون باشند و می تواند توسط آنزیم پلی نوکلئوتید کیناز ۳′ فسفاتاز (PNKP) و یا آپراتاکسین (APTX) صورت گیرد ؛ سپس به کمک انزیم Polβ پلیمریزاسیون انجام میگیرد.ناحیه ی شکست ایجاد شده توسط تیروزیل DNA فسفودی استراز (TDP1)9 اصلاح می شود که طی آن TDP1، سبب حذف TOP1 از انتهای ناحیه ی شکست و ایجاد ۳′ P شده که ۳′ P توسط PNKP به ۳′ OH تبدیل می شود.

همین آنزیم PNKP انتهای ۳′ OH ناحیه شکست را نیز به ۵′ P تبدیل می کند. حال نوبت عملکرد آنزیم های پلیمرازی است در صورتی که فقط یک نوکلئوتید خالی باشد PoLβ عمل می کند و سپس توسط کمپلکس LIG3/XRCC1 بهم متصل می شوند(Short-Path).
اما در صورتیکه ایجاد شکست سبب تولید دئوکسی ریبوز p اکسید شده باشد دیگر نمی تواند توسط Polβ پلیمرایز گردد پس ناحیه شکاف به کمک انزیم های Pol δ⁄ε در حدود ۱۲-۲ نوکلئوتید پر می شود. (long-patch). در این مدل انتهای ۵′ آسیب دیده به عنوان flap در حدود ۲ نوکلئوتید یا بیشتر توسط FEN1 برداشته شده که این عمل توسطPARP1و PCNA تسهیل می شود ، حال انزیم Pol δ⁄ε عمل پلیمرازی خود را انجام می دهد و در نهایت توسط LiG1 شکاف پر می شود.

End Processing :
مهمترین قسمت پروسه ی تعمیر شکاف های تک رشته مرحله ی end Processingمی باشد که در آن باید DNA در ناحیه شکست در دو انتها حالت ۳′ OH و ۵′ p خود را برای عمل پلیمریزاسیون حفظ کند این مرحله بیشترین تنوع آنزیمی را براساس نوع نوکلئوتید تغییر یافته دارد.

end Processingترمیم انتهاهای اسیب دیده 3'OH و 5'P برای عمل پلیمریزاسیونبیماری های نورولوژیکی بدلیل عملکرد غلط SSBR:
بدلیل وجود موارد متعدد شکست در تک رشته DNA درCNS، به نظر می رسد که CNS به شدت وابسته به SSBR چه در مرحله ی تکثیر در حین تکوین نورونی و چه در مرحله ی بلوغ CNS می باشد.

AOA1) Ataxia oculomotor apraxia):
در میان گروه های هتروژنی اتوزمی مغلوب ، Cerebellar Ataxia( ناهماهنگی عضلانی مخچه ای ) یک زیر گروه مجزا است که تا حدودی مربوط به پرش های عضلانی چشمی (coulometer apraxia) می باشد که درآن فرد در کنترل حرکت چشم ناتوان است و پرش چشم دارد.
این بیماری به دلیل جهش در ژن آسپاتاکسین (APTX)واقع در جایگاه ۹٫P21.1 می باشد که وظیفه ان حذف AMP از انتهای DNA شکسته شده است تا مانعی برای عمل لیگاند وجود نداشته باشد.
(AMP را از انتهای DNA 5 ‘ برداشته و آن را به ۵’p تبدیل می کند)

۱SCAN) Spinocerebellar ataxia with neuropathy) :
بیماری اتوزومی مغلوب می باشد که در آن پرش عضلانی گسترده و پیشرونده، dysarthria (مشکل در تکلم) و آتروفی پیشرونده عضلانی در انگشتان دست و پا داریم.
این بیماری به دلیل وقوع جهش در ژن TDP1 صورت می گیرد. این ژن پروتئینی راکد می کند که درگیر تعمیر کمپلکس TOPI-DNA متوقف شده است (از طریق کاتالیز پیوند فسفودی استری بین زیرواحد تیروزین TOPI , DNA 3^’OH .
جالب است بدانیم این دوبیماری فاقد نشانه های غیر نورولوژیکی مثل نقص در سیستم ایمنی و سرطان هستند (نشانه هایی که اکثراً در نقص های سیستم ترمیم شکست دو رشته دیده می شود) . این مسئله شاید به دلیل این باشد که حتماً فقط سیستم عصبی است که به شکست های تک رشته حساس می باشد و ترمیم SSBR در روند حیات آن نقش مهمی دارد. مستعد بودن نورون ها به آسیب های SSB نسبت به سلول های تقسیم شونده و عدم وجود افزایش ناپایداری ژنومی و سرطان در AOA9 و SCAN1 احتمالاً به دلیل وجود راهای آلترناتیو دیگر در سلول های تقسیم شونده است.
در سلول های تکثیری فقدان SSBR، SSB ها به DSB ها تبدیل می شوند و با برخورد با چنگال همانند سازی در حین مرحله ی S چرخه سلولی طبق روش های HR و NHEJ تعمیر می شوند.

میزان درست و مناسب DSBR سبب تعمیر شکست های SSB در سلول های تقسیم شونده می شود. اما در صورتی که سلول تکثیری نباشد. (مثل نورون های بالغ) در صورت وقوع SSB وفقدان SSBR، مکانیسم تعمیری جایگزین وجود ندارد و سلول از بین می رود.

تاثیر زمان وقوع اسیب سیستم عصبی بر روی فنوتیپ مربوط به بیماری

تاثیر زمان وقوع اسیب سیستم عصبی بر روی فنوتیپ مربوط به بیماری

BER)Base Excision Repair) :

یکی از ضروری ترین مکانیسم ها برای تعمیر DNA های دارای آسیب اکسیداتیو این نوع از تعمیر می باشد. BER برای حذف باز آسیب دیده که می تواند از طریق جفت شدن اشتباهی باز های الی و یا در حین همانند سازی ، در رشته شکست ایجاد شود بسیار حائز اهمیت است.
در BER ابتدا توسط آنزیم DNA گیلوزیلاز باز اشتباه برداشته شده و جایگاه AP ایجاد می شود که این جایگاه توسط APE حذف شده و یک شکست در رشته DNA ایجاد می شود که انتهای ۳′ OH و ۵′ dRP دارد.
Polβ ناحیه ۵′ dRP را شکسته و به صورت همزمان نوکلئوتید مناسب را اضافه می کند در نهایت gap ایجاد شده توسط LIG3/9XRCC پر می شود(BER patch-short).
اگر Polβ قادر به شکستن ۵′ dRP نباشد، pol δ⁄ε جایگزین Polβ می شود که در این صورت ۲ تا ۸ نوکلئوتید به واسطه ی این انزیم پلیمراز ایجاد شده و وارد ناحیه gap می شود. در طی عمل pol δ⁄ε یک ساختار flap 5′ مانند (آویزان) در رشته DNA ایجاد شده که توسط FEN1 و PCNA حذف می شود. حال nick بین ۲ رشته توسط LIG1 پر می شود.
* به صورت آلترناتیو، تعمیر باز اکسید شده می تواند توسط NEIL گلیکولاز آغاز شود که در نهایت چون عمل دوگانه دارد علاوه بر گلیکولازی بودن کار APE را هم انجام داده و در دو طرف رشته قطع شده ۵′ P و ۳′ ایجاد می کند. ناحیه ۳′ P توسط PNKP به ۳′ OH تبدیل شده حال Polβ عمل پلیمرازی خود را انجام می دهد.

(BER)Base Excision Repair :

وابستگی BER به سطح تکثیری سلول :
در سلول های تکثیری و تمایز نیافته سیستم تعمیری BER بسیار قوی و فعال عمل می کند. دراین مقطع از عمر سلول هر سه آنزیم DNA پلیمراز فعال بوده و در کنار Polβ، pol δ⁄ε نیز عملکرد دارند پس در این مقطع سیستم BER درست و کامل عمل می کند.
در سطح نورونی (سلول های تکثیر شونده) سیستم BER کاملاً وابسته به DNAPolβ می باشد (چه در Short patch و چه در long patch) در هر دو حالت از یک پلیمراز استفاده می کند و عملکرد pol δ⁄ε به شدت کاهش می یابد. این واقعیت نورون ها را به شدت در معرض آسیب های اکسیداتیوی که باید توسط long و patch BER و با pol δ⁄ε تعمیر می شدند قرار می دهد. (دقت Polβ نسبت به ۲ پلیمراز دیگر کمتر است و بهمین دلیل امکان اشتباه بیشتری وجود دارد.)

تفاوت سیستم تعمیری BER در دو حالت سلول تقسیم شونده و تقسیم نشونده

تفاوت سیستم تعمیری BER در دو حالت سلول تقسیم شونده و تقسیم نشونده

نقص در BER و بیماری های Neurodegenerative و aging :
همراه با کمبود آنزیم های آنتی اکسیدانی در مغز و افزایش آسیب های اکسیداتیو در DNA این حقیقت شکل می گیرد که سیستم های تعمیری BER از مهمترین مسیرهای ترمیمی موجود در مغز و CNS هستند و نقص در آنها از اصلی دلایل بیماری های Neurodegenerative است.
کاهش در میزان ترمیم DNA با مقایسه ی بافت های پیر( ۲۴ ماه) نسبت به بافت های جوان (۴ ماه) در موش از طریق اندازه گیری فعالیت BER به وضوح نشان داده شد. با بررسی بافت های مغز، کبد، نخاع و بیضه کاهش آشکار فعالیت سیستم BER (75-50 درصد) در موش ۲۴ ماهه نشان داده شده، به علاوه، مشخص شد که کاهش میزان فعالیت BER با گذشت زمان ارتباط تنگاتنگی با کاهش سطح فعالیت آنزیمی Polβ و همچنین کاهش سطح رونویسی و پروتئینی این انزیم پلیمرازی دارد.
در موش های سن دار فعالیت آنزیم APE، مهمترین آنزیم مسئول در ایجاد برش در تنه DNA درنواحی کورتکس قدامی و جداری، مخچه، ساقه مغزی، مغز میانی و هیپوتالاموس در مقایسه با موش های جوان کاهش پیدا می کند. زمانی که فعالیت APE با گذر زمان تغییر می کند، با بررسی های انجام شده معلوم شد که هیچگونه تغییری در سطح پروتئینی APE، Poiβ یا LIG3 در نواحی قوامی ایجاد نمی شود.این مسئله خاطر نشان می سازد که کاهش سطح فعالیت انزیم APE بدلیل تغییرات پس از ترجمه از جمله تغییرات اپی ژنتیکی (مثل استیلاسیون و فسفوریلاسیون) ایجاد می شود.

ناپایداری تکرارهای سه نوکلئوتیدی( TNR ):
گسترش تکرارهای سه نوکلئوتیدی دلیل ایجاد حداقل سی بیماری Neurodegenerative و Neuromuscular ارثی هستند.
تکرارهای ناپایدار پلی مورف هستند و در محدوده ی نرمال (تعدادتکرار نرمال) در افراد سالم هم دیده می شوند. اما تعداد بالاتر از threshold length مربوط به بیماری های متعدد بوده و به صورت فنوتیپ های مختلف ظاهر می شود.
ناپایداری ژنتیکی در حین هر دو نوع تقسیم میتوزی و میوزی و در سطوح مختلف چرخه سلولی رخ می دهد . گسترش TNR در حین همانند سازی DNA رخ می دهد، از طرفی تحقیقات نشان می دهداین نوع ناپایداری می تواند حاصل استرس های اکسیداتیو باشد که باید یا سیستم های ترمیمی بر طرف گردد.
انواع مختلف بیماری های متعدد مربوط به گسترش تکرارها anticipation را نشان می دهند که در آن در نسل بعد بیماری از لحاظ زمانی زودتر از نسل قبل شروع شود. از جهت دیگر ناپایداری سوماتیکی ایجاد شده بدلیل این افزایش ها در اثر گذر زمان در راستای زیاد کردن اندازه ی تکرارها به صورت وابسته به نوع بافت در ارتباط با پیشرفت نشانه های بیماری هستند.
* سیستم ترمیمی BER به عنوان اصلی ترین سیستم ترمیمی در حذف آسیب های ناشی از بازهای اکسید شده در ایجاد ناپایداری های تکرار سه نوکلئوئیدی از طریق ایجاد شکست در DNA تک رشته در حین تعمیر باز اکسیداتیو در ناحیه ی تکرار سه نوکلئوتیدی دخالت دارند.
گسترش تکرار سه نوکلئوتیدی به طور مستقیم در ارتباط با حذف بازهای اکسید شده بوسیلهOGG1 که شروع کننده ی عمل ترمیمی BER در ناحیه آسیب دیده است می باشد. در حقیقت در کنار OGG1، بقیه آنزیم ها و کوفاکتورهای درگیر در مسیر LP-BER از جمله Polβ و FEN1 و HMGB1 نیز می توانند در ایجادگسترش تکرارها دخالت داشته باشند. کاهش کارآیی و توانایی BER در حین گذر زمان منجربه جمع شدن آسیب های اکسیداتیو و ایجاد شکست های تک رشته در ژنوم و درنهایت القای گسترش TNR سوماتیکی وابسته به سن (age-dependent) می شود.

گسترش TNR فقط می تواند به واسطه ی مسیر LP-BER در حین عمل Polβ القا شود. در این مسیر FEN با شکست flap ایجاد شده انتهای۵^’ ناحیه پائین دست TNR hairpin سبب ایجاد شکاف قابل اتصال می شود که در نهایت سبب محکم کردن ساختار سنجاق سری می گردد.

نقش BER در ناپایداریTNR :
زمانی ۸-oxoG در درون ناحیه TNR مثل تکرارهای CAG رخ می دهد ، ۸-oxoG توسط OGG9 حذف شده و ناحیه AP ایجاد شده شروع کننده مسیر BER می باشد. سپس APE1 درانتهای ۵′ ناحیه AP برش ایجاد کرده و به اندازه یک نوکلئوتید شکاف با ۵′ قند فسفات را درون ناحیه CAG بوجود می آورد. پس از ایجاد شکست تک رشته بلافاصله ساختار سنجاق سری شامل تکرارهای CAG در جلوی شکاف چند نوکلئوتیدی ایجاد شده که باید با Polβ پر شود، ایجاد می گردد. این Flap سنجاق سری مانع از عملکرد طبیعی FEN برای برش تک رشته می شود و به جای آن عملکرد جایگزین FEN را فعال کرده که سبب شکست قند اکسید شده در انتهای ۵′ ناحیه Flap سنجاق سری می شود. این شکست ناحیه ۵′ را مناسب برای اتصال میکند. ناحیه ی سنجاق سری دارای تکرارهای CAG ، به ژنوم DNA متصل می شود.

نقش BER در ناپایداریTNR

فرضیه شکل گیری شکاف قابل اتصال از طریق حالت های مختلف ردیف شدن ساختار ساقه حلقه در حین LP-BER :
براساس آزمایشات بیوشیمیایی متعدد نشان داده شده که شکست FEN همراه با سنتز رشته توسط Polβ یک ناحیه ی قابل اتصال بین دورشته ایجاد می کند. ایجاد این ناحیه با وجود حتی یک ۵٫Flap کوچک نیز امکان پذیر است. براین اساس یک مدل احتمالی معرفی می شود که در ان پس از برخورد Polβ با باز موجود در ساختار ساقه- حلقه ، Polβ متوقف می شود و دراین راستا در ساختار حد واسط ایجاد شده انواع اندازه های hairpin و چندین 〖nucleotide〗^ شکاف به وجود می آید. تصور براین است که رشته جدید سنتز شده در جایگاه می ماند (به صورت متصل به رشته الگو) ولی FEN بدلیل نبودن نوکلئوتید آزاد در انتهای ۵′ ساختار ساقه حلقه نمی تواند برشی ایجادکند(Flap ای وجود ندارد) پس برای ایجاد حالت Flap ساختار ساقه حلقه به سمت راست خود حرکت کرده و مخلوطی از ایزوفرم های متعددی از ساقه حلقه با اندازه های مختلف را ایجاد می کند. این ایزوفرم ها حداقل یک توالی سه تایی CAG را متصل به جایگاه ۵′ ساقه حلقه ایجاد کرده که به آن سایزهای مختلفی از Flap های CAG متصل می باشد(alternative Conformation) ؛ سپس FEN ناحیه Flap را برش زده و یک نوکلئوتید خالی در انتها در جایگاه شکاف ایجاد می کند که دارای شرایط مناسب برای عمل اتصال می باشد ،؛ حال عمل لیگاسیون رخ می دهد.
* لازم به ذکر است که گسترش از طریق این مکانیسم در بسیاری از تکرارهای سه تایی رخ می دهد.

فرضیه شکل گیری شکاف قابل اتصال از طریق حالت های مختلف ردیف شدن ساختار ساقه حلقه در حین LP-BER

عملکرد مکانیسم BER در ناپایداری های تکرارهای سه تایی در بافت های انتخاب شده :
بدلیل اینکه استوکیومتری پروتئین های مسیر BER در بافت های مختلف متفاوت است پس عملکرد سیستم ترمیمی BER وابسته به نوع بافت می باشد. نتیجه ی ترمیم تحت تاثیر استوکیومتری پروتئین های BER می باشد که مقدار و میزان فعالیت Pro های BER در استراتوم و مخچه با هم تفاوت فاحشی دارد.
اگر چه سطح Polβ بین این دو بافت یکسان است اما پروتئین های مربوط به مسیر LP-BER یعنی FEN1 و LIG1 در بافت مخچه بسیار فراوان تر از بافت استراتوم می باشد. به همین دلیل ترمیم کارآمد تکرارهای CAG در ناحیه ی استراتوم به دلیل کم بودن استوکیومتری Pro های FEN و LIG به نسبت مخچه کمتر بوده و منجربه شکل گیری ساختار حد واسط پایدار (ساقه – حلقه) می شود.
این فرضیه وجود دارد که فعالیت نیمه بهینه ی BER در استراتوم ارتباط تنگاتنگی با ناپایداری استراتومی در بیماران HD دارد. حال آنکه فعالیت بهینه و کارآمدBER در مخچه وقوع ناپایداری در این بافت را کاهش می دهد. (مانع از ایجاد ساختارهای ثانویه از تکرارهای سه تایی می شود).

عملکرد مکانیسم BER در ناپایداری های تکرارهای سه تایی در بافت های انتخاب شده

مسیر ترمیم DNA های میتوکندریایی:
مسیرهای ترمیمی عمل کننده در ترمیم DNA های هسته، در ترمیمDNA های میتوکندری نیز مشاهده شده اند، اگر چه که Pro های دخیل در این مکانیسم ها و مسیرها تا حدودی متفاوت است.
هر چه تجمع pro های تغییر یافته بیشتر شود تاثیر آن روی سیستم ترمیمی زیادتر می گردد. در مراحل بالاتر بیماری الزایمر تجمع الیگورهای امیلوئیدβ و tangle neurofibrillary ها (موجود در جسم سلولی) سبب سرکوب مسیرها ترمیم و القای مرگ سلول های عصبی می شوند.

انواع مسیر های ترمیمی در هسته و میتوکندری

انواع مسیر های ترمیمی در هسته و میتوکندری

print
Tags: , , , , , , , , , ,


دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

هجده − 10 =