Terselip dalam struktur double-helix nya, DNA berisi cetak biru kimia yang membimbing semua proses yang terjadi di dalam sel dan sangat penting bagi kehidupan. Oleh karena itu, memperbaiki kerusakan dan menjaga integritas DNA adalah salah satu prioritas tertinggi sel.

Para peneliti di Vanderbilt University, Pennsylvania State University dan University of Pittsburgh telah menemukan cara fundamental baru yang DNA-enzim perbaikan mendeteksi dan memperbaiki kerusakan dasar kimia yang membentuk huruf dalam kode genetik. Penemuan ini dilaporkan dalam publikasi online lanjutan dari jurnal Nature Oktober 3.

"Ada kepercayaan umum bahwa DNA adalah 'rock solid' - sangat stabil," kata Brandt Eichman, profesor ilmu biologi di Vanderbilt, yang memimpin proyek tersebut. "Actually DNA is highly reactive." "Sebenarnya DNA sangat reaktif."

Pada hari baik sekitar satu juta pangkalan di DNA dalam sel manusia yang rusak. Lesi ini disebabkan oleh kombinasi aktivitas kimia normal dalam sel dan paparan radiasi dan racun yang berasal dari sumber-sumber lingkungan, termasuk asap rokok, makanan panggang dan limbah industri.

"Memahami interaksi protein-DNA pada tingkat atom adalah penting karena menyediakan titik awal yang jelas untuk merancang obat-obatan yang meningkatkan atau mengganggu interaksi ini dengan cara yang sangat spesifik," kata Eichman. "Jadi itu bisa mengarah pada pengobatan ditingkatkan untuk berbagai penyakit, termasuk kanker."

Mendeteksi mekanisme yang baru ditemukan dan perbaikan bentuk umum dari kerusakan DNA yang disebut alkilasi. Sejumlah racun lingkungan dan obat kemoterapi adalah alkilasi agen yang dapat menyerang DNA.

Ketika basis DNA menjadi dialkilasi, membentuk lesi yang mendistorsi bentuk molekul yang cukup untuk mencegah replikasi sukses. Jika lesi terjadi dalam gen, gen bisa berhenti berfungsi. Untuk membuat keadaan menjadi lebih buruk, ada puluhan jenis basa DNA dialkilasi, masing-masing memiliki efek yang berbeda pada replikasi.

Salah satu metode untuk memperbaiki kerusakan tersebut bahwa semua organisme telah berevolusi disebut basis perbaikan eksisi. Dalam BER, enzim khusus yang dikenal sebagai DNA glycosylases perjalanan menuruni molekul DNA memindai lesi ini. Ketika mereka menemukan satu, mereka melanggar ikatan pasangan basa dan sandal keluar dasar cacat dari helix ganda DNA. Enzim berisi saku berbentuk khusus yang memegang dasar cacat di tempat sementara memisahkan tanpa merusak tulang punggung. Hal ini meninggalkan celah (disebut "situs abasic") dalam DNA yang diperbaiki oleh satu set enzim.

Sel manusia mengandung glycosylase tunggal, bernama AAG, bahwa perbaikan dialkilasi basa. Ini adalah khusus untuk mendeteksi dan menghapus "ethenoadenine" dasar, yang telah berubah bentuk dengan mengkombinasikan dengan sangat reaktif, lipid teroksidasi di dalam tubuh. Namun, AAG juga menangani bentuk lain dari kerusakan akylation. Banyak bakteri, bagaimanapun, telah beberapa jenis glycosylases yang menangani berbagai jenis kerusakan.

"Sulit untuk mengetahui bagaimana glycosylases mengenali berbagai jenis kerusakan alkilasi dari belajar AAG karena mengakui begitu banyak," kata Eichman. "Jadi kita telah mempelajari glycosylases bakteri untuk mendapatkan wawasan tambahan ke dalam proses deteksi dan perbaikan."

Itu adalah bagaimana mereka menemukan AlkD glycosylase bakteri dengan deteksi unik dan skema penghapusan. Semua glycosylases dikenal bekerja di dasarnya dengan cara yang sama: Mereka flip dasar cacat dan tahan dalam saku khusus sementara mereka cukai itu. AlkD, sebaliknya, pasukan baik dasar cacat dan dasar itu dipasangkan dengan untuk flip untuk bagian luar heliks ganda. Hal ini tampaknya bekerja karena enzim hanya beroperasi pada basis cacat yang telah memungut biaya kelebihan positif, membuat dasar tersebut sangat tidak stabil. Jika dibiarkan sendiri, dasar cacat akan terlepas spontan. Tapi AlkD mempercepat proses sekitar 100 kali. Eichman berspekulasi bahwa enzim juga mungkin masih berada di lokasi dan menarik enzim perbaikan tambahan ke situs.

AlkD memiliki struktur molekul yang jauh berbeda dari yang lain mengikat protein DNA yang dikenal atau enzim. Namun, struktur mungkin mirip dengan yang lain kelas enzim yang disebut DNA-dependent kinase. Ini adalah molekul yang sangat besar yang memiliki situs aktif kecil yang berperan dalam mengatur respon sel untuk kerusakan DNA. AlkD beberapa menggunakan struktur heliks batang seperti disebut mengulangi PANAS untuk mencengkeram DNA. struktur serupa telah ditemukan di bagian DNA-dependent kinase tanpa fungsi yang diketahui, meningkatkan kemungkinan bahwa mereka memainkan peranan, tambahan yang belum diakui dalam perbaikan DNA.

Mekanisme perbaikan baru juga mungkin terbukti menjadi kunci untuk memahami perbedaan dalam cara bahwa enzim perbaikan mengidentifikasi dan memperbaiki lesi beracun dan mutagenik. Itu penting karena lesi mutagenik bahwa mekanisme perbaikan miss akan disalin ke sel anak dan sebagainya dapat menyebar sedangkan efek buruk dari lesi beracun yang terbatas pada sel asli.

Memahami perbedaan-perbedaan ini bisa mengakibatkan agen kemoterapi lebih efektif, Eichman poin keluar. Obat ini adalah agen-agen alkylating kuat yang dirancang untuk menimbulkan lesi dalam DNA pasien kanker itu. Karena sel-sel kanker reproduksi lebih cepat dari sel normal tubuh, agen membunuh mereka secara istimewa. Namun, di samping untuk lesi beracun yang membunuh sel, agen juga menghasilkan lesi yang menyebabkan mutasi, yang dapat mengakibatkan komplikasi tambahan. Selain itu, khasiat obat ini adalah rendah karena mereka bekerja melawan mekanisme perbaikan tubuh. Kalau dimungkinkan merancang suatu obat kemoterapi yang dominan menciptakan lesi beracun, bagaimanapun, harus lebih efektif dan memiliki lebih sedikit efek samping yang berbahaya. Atau, jika kita memahami bagaimana glycosylases mengenali kerusakan alkilasi, maka dimungkinkan untuk merancang sebuah obat yang khusus menghambat perbaikan beracun, tetapi tidak lesi mutagenik.

Vanderbilt mahasiswa pascasarjana Emily H. Rubinson, AS Prakasha Gowda dan Thomas E. Spratt dari Pennsylvania State University College of Medicine dan Barry Emas dari University of Pittsburgh berkontribusi untuk studi, yang didukung oleh dana dari American Cancer Society, National Institutes of Kesehatan dan Departemen Energi AS.

Cerita Sumber:

Cerita di atas dicetak (dengan adaptasi editorial oleh staf harian Ilmu Pengetahuan) dari bahan-bahan yang disediakan oleh Universitas Vanderbilt . Artikel asli ditulis oleh David F. Salisbury.

Referensi jurnal:

1. Emily H. Rubinson, AS Prakasha Gowda, Thomas E. Spratt, Barry Gold, Brandt F. Eichman. An unprecedented nucleic acid capture mechanism for excision of DNA damage . Nature , 2010; DOI: 10.1038/nature09428