Transcript DNA mutation and repair mechanism

อ.ดร. นพมาศ โลกคาลือ
สาขาวิชาพันธุศาสตร์
สายวิชาวิทยาศาสตร์ ชีวภาพ
คณะศิลปศาสตร์ และวิทยาศาสตร์
การซ่ อมแซม DNA (DNA repair)
 เป็ นกลไกหลักการป้องกันตัวเองของเซลล์ จากความเสียหายเนื่องจาก
สิ่งแวดล้ อม
 พบในสิ่งมีชีวติ ทุกชนิดที่ศกึ ษา จาก bacteria, yeast, Drosophila, fish,
amphibians, rodents and humans
 เป็ นกระบวนที่ลดการตายของเซลล์ หรื อลดความเสียหาย จากการเกิด mutation
ความผิดพลาดจาก DNA replication การคงอยู่ของดีเอ็นเอส่ วนที่เสียหาย และ
ความไม่ เสถียรของ genome
 ความผิดปกติเหล่ านีส้ ามารถก่ อให้ เกิดมะเร็งและความชราในสิ่งมีชีวติ
ความสาคัญของการซ่ อมแซม DNA
 DNA เป็ นแหล่ งสะสมข้ อมูลทางพันธุกรรม
 เป็ นต้ นแบบหรื อพิมพ์ เขียวของการทางานของเซลล์
 ความเสียหายของดีเอ็นเอแทบทุกชนิดมักก่ อโทษ ดังนัน้ จึงควรมีกลไกลดความ
เสียหายอย่ างน้ อยให้ อยู่ในระดับที่ร่างกายทนได้
 ความสาคัญของการซ่ อมแซมดูได้ จาก
 เป็ นชีวโมเลกุลชนิดเดียวที่มีการซ่ อมแซม เพราะส่ วนอื่นๆ มักเป็ นการสร้ างใหม่ ทดแทน
 ยีนที่เกี่ยวข้ องกับการซ่ อมแซมมีมากกว่ า 100 แม้ ในสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กมาก
ชนิดของการซ่ อมแซมดีเอ็นเอ
 Direct repair
 Photoreactivation
 Adaptive/inducible repair
 Excision of damaged region, followed by precise replacement
 Base excision repair (BER)
 Nucleotide excision repair (NER)
 Mismatch repair (MMR)
 Double-strand break repair
 Homologous recombination repair (HRR)
 Non-homologous end joining repair (NHEF)
 Damage by pass
 SOS repair
การซ่ อมแซม DNA (DNA repair)

Direct repair: เอนไซม์ สามารถจับกับโครงสร้ างดีเอ็นเอที่ผิดปกติ และ
เปลี่ยนโครงสร้ างดังกล่ าวเป็ นโครงสร้ างดีเอ็นเอที่ปกติถูกต้ องได้ โดยตรง
เช่ น
Photoreactivation  ซ่ อมแซม pyrimidine dimer ด้ วยเอนไซม์
photolyase เนื่องจากมีแสงสว่ างตามธรรมชาติเป็ นตัวกระตุ้น พบใน
ยีสต์ เช่ น Saccharomyces cerevisiae และพืชทั่วๆ ไป
2. Adaptive/inducible repair  เอนไซม์ alkyltransferase นาหมู่ alkyl ที่ถูก
เติมในเบส จากสารเคมีในกลุ่ม nitrogen mustard และ ethyl
methanesulfonate ออกไปยังกรดอะมิโน cysteine ซึ่งเป็ น side chain
ของเอนไซม์ alkyltransferase
1.
Thymine dimer
สาเหตุเกิดจากรังสี UV
Direct repair
photoreactivation
CPD photolyase มี 2 chromophores ที่ทาหน้ าที่ดูดกลืนพลังงานแสง
FADH ให้ พลังงานในการแยก dimer
Methyl-tetrahydrofolate (MTHF) หรื อ 8-hydroxy-5-deazaflavin (8-HDF)
ทาหน้ าที่รวมแสงในตอนแรก ก่ อนส่ งผ่ านพลังงานให้ FADH
* CPD = a cyclobutane pyrimidine dimer

1.
2.
 พบเอนไซม์ CPD photolyase ใน bacteria, fungi, plants and many
vertebrates แต่ ไม่ พบในสัตว์ มีรก
 เอนไซม์ 6-4 photolyase (which repair 6-4PPs) ในแมลง reptiles และ
amphibians แต่ ไม่ พบใน E. coli, yeast หรื อ mammals
Adaptive/inducible repair
 โปรตีนหลายชนิดสามารถจดจาตาแหน่ งเบสที่เกิดการดัดแปลงได้ โดยทั่วไปเป็ น
เบสที่ถกู เติมหมู่ methyl แล้ วย้ ายหมู่ดดั แปลงนีจ้ าก ดีเอ็นเอมาให้ กับตัวเอง
 มีผลทาให้ โปรตีนนีไ้ ม่ อาจทางานในหน้ าที่เอนไซม์ ได้ ต่อไป
 เอนไซม์ เป็ นแบบที่เหนี่ยวนาได้ และเป็ น negative regulators
 ดังนัน้ หากได้ รับสารที่มีสมบัตดิ ดั แปลงเบส จะมีการสังเคราะห์ มากขึน้ และส่ งผล
ให้ เกิดการปรั บตัวของสิ่งมีชีวติ
ตัวอย่ างเอนไซม์ ท่ เี กี่ยวข้ องกับ Adaptive/inducible repair
 เอนไซม์ DNA-alkyltransferase
 ช่ วยซ่ อมแซมความเสียหายที่ O6-alkyl guanine ซึ่งย้ ายหมู่ methyl บนดีเอ็น
เอมาให้ cysteine ในเอนไซม์ ให้ เป็ น O6-alkylguanine-DNA
alkyltransferase
 ขนาดของหมู่ alkyl ที่จับโดยเอนไซม์ นีม้ ักมีขนาดเล็ก methyl ถึง benzyl
 พบเอนไซม์ ท่ ีคล้ ายคลึงกัน (homologues) ในสิ่งมีชีวติ ทุกชนิด
 เมื่อมีการย้ ายหมู่ alkyl ให้ เอนไซม์ แล้ ว เอนไซม์ จะถูก inactivate การ
ซ่ อมแซมดีเอ็นเอจึงต้ องมีการสังเคราะห์ เอนไซม์ ใหม่
 ใน E. coli และอาจรวมสิ่งมีชีวติ ชนิดอื่น ระบบซ่ อมแซมโดยเอนไซม์ แบบนี ้
มีการกระตุ้นการลอกรหัสยีนที่กาหนดเอนไซม์ ดังกล่ าว
 ในมนุษย์ หากยีนกาหนดโปรตีนที่เกี่ยวกับการซ่ อมแซม ถูกห้ ามการทางาน
ส่ งผลให้ อัตรา mutation เพิ่มมากขึน้ และคนจะมีความไวต่ อการเป็ นมะเร็ง
การซ่ อมแซม DNA (DNA repair)

1.
2.
3.
4.

Base excision repair (BER): ใช้ วธิ ีการจดจาเบสที่ผิดโดยตัดทิง้ โดยอาศัย
เอนไซม์ ดังนี ้
DNA-N-glycosylases
AP endonuclease
DNA polymerase
DNA ligase
ซ่ อมแซมดีเอ็นเอที่เกิดจาก spontaneous mutation หรื อ การกลายพันธุ์จาก
chemical mutagens
Base excision repair
(BER)
การซ่ อมแซม DNA (DNA repair)

1.
2.
3.


Nucleotide excision repair (NER): กาจัดลาดับนิวคลีโอไทด์ ท่ ีผิดปกติ
ออกไป ทาให้ เกิดช่ องว่ างที่บริเวณผิดปกติ จากนัน้ เติมเบสที่ถูกต้ อง
โดยใช้ สายดีเอ็นเอที่ถูกต้ องเป็ นแม่ แบบ โดยอาศัยเอนไซม์ ดังนี ้
UvrA, UvrB, UvrC และ UvrD
DNA polymerase
DNA ligase
NER เกิดขึน้ ทัง้ ในสิ่งมีชีวติ eukaryote และ prokaryote
ซ่ อมแซมดีเอ็นเอที่เป็ น thymine dimer, chemically modified bases,
missing bases และ cross-links
Nucleotide excision repair (NER)
Xeroderma pigmentosum (XP)
 mutation of 7 XP genes
(XP-A to XP-G)
Nucleotide excision repair
 Endonucleolytic ตัดที่ตาแหน่ งใกล้ dimer จากนัน้ polymerase จะตัดส่ วน
thymine dimer โดยใช้ ปฏิกริ ิยา 5’  3’ exonucleolytic activity และเอนไซม์ เดิม
(the polA gene product) นีจ้ ะทาการสังเคราะห์ ดีเอ็นเอไปพร้ อมๆ กันได้ สายใหม่
ที่ถกู ต้ อง
 ระบบนีแ้ ละ photoreactivation จะได้ ผลเมื่อการซ่ อมแซมเกิดก่ อน replication fork
จะเลื่อนมาถึง
 หากไม่ มีการซ่ อมแซม และการสังเคราะห์ ดเี อ็นเอเกิดขึน้ แล้ ว จะได้ ดเี อ็นเอสาย
เดียวเส้ นยาวตรงข้ ามตาแหน่ ง dimer
การซ่ อมแซม DNA (DNA repair)

1.
2.
3.

Mismatch repair: กาจัดเบสที่จับคู่กันผิดออกไป ทาให้ เกิดช่ องว่ างที่
บริเวณผิดปกติ จากนัน้ เติมเบสที่ถูกต้ อง โดยใช้ สายดีเอ็นเอที่ถูกต้ อง
เป็ นแม่ แบบ เกิดหลังจากมีการทางานของ 5’  3’ proofreading
ผิดพลาด กระบวนการซ่ อมแซมดีเอ็นเอดังกล่ าวอาศัยเอนไซม์ ดังนี ้
MutS, MutL, MutH และ MutU (mutation)
DNA polymerase
DNA ligase
เกิดขึน้ ทัง้ ในสิ่งมีชีวติ prokaryote และ eukaryote (ซับซ้ อนและมี
เอนไซม์ ท่ ีเกี่ยวข้ องมากกว่ า)  การกลายของยีน hMSH2 และ
hMLH1 มะเร็งลาไส้ (colon cancer)
Mismatch repair
Mismatch repair
 ใช้ ระบบเอนไซม์ หลายชนิดในการจดจาตาแหน่ งที่มีการจับคู่เบสผิด แล้ ว
ใส่ เบสที่ถูกต้ องให้
 ปั ญหาคือการที่จะทราบว่ าเบสใดไม่ ถูกต้ อง เนื่องจากต้ องตัดเบสที่ผิดทิง้ ไป
 E. coli ใช้ ระบบการเติมหมู่ methyl ให้ ดีเอ็นเอในการตัดสิน เนื่องจากใน
ระหว่ างการเกิด replication ดีเอ็นเอสายเก่ าได้ มีการเติมหมู่ methyl แล้ ว จึง
สามารถแยกแยะสายเก่ าและสายใหม่ จากกัน
 เริ่มจากเอนไซม์ endonucleolytic ตัดเบสที่ไม่ ถูกต้ องบนสายใหม่ ท่ ียังไม่ มี
การเติมหมู่ methyl และนิวคลีโอไทด์ อ่ ืนๆ ที่อยู่ระหว่ างตาแหน่ งที่มี
mutation และตาแหน่ งที่มีการเติมหมู่ methyl
 ตาแหน่ งที่ผิดนีไ้ ม่ จาเป็ นต้ องอยู่ใกล้ กับตาแหน่ งการเติมหมู่ methyl
การซ่ อมแซม DNA (DNA repair)



Homologous recombination repair (HRR): ซ่ อมแซมดีเอ็นเอที่เกิดการ
แตกหักของโครโมโซม (double-strand break; DSB) หรื อการเกิดช่ องว่ าง
(gab) ของสายดีเอ็นเอระหว่ าง DNA replication  recombination
repair (crossing over)
DSB  inversion, translocation, terminal or interstitial deficiencies
 phenotypic effects
การกลายเกิดจากการถูกกระตุ้นด้ วยรั งสี X หรื อรั งสีแกรมมา, chemical
mutagens หรื อยาที่ใช้ รักษาโรค (chemotherapy), free radicals
Homologous recombination
repair (HRR):
การซ่ อมแซม DNA (DNA repair)


1.
2.
3.
4.
5.
Non-homologous end joining repair (NHEJ): ซ่ อมแซมดีเอ็นเอที่เกิด
การแตกหักของโครโมโซม (double-strand break; DSB) หรื อการเกิด
ช่ องว่ าง (gab) ของสายดีเอ็นเอระหว่ าง DNA replication  ด้ านปลาย
ของดีเอ็นเอที่แตกหักสามารถเข้ ามาต่ อกันได้ ง่าย
เอนไซม์ ท่ ีเกี่ยวข้ อง ดังนี ้
End-binding proteins
Additional proteins  protein crossbridge
Proteins for end processing
DNA polymerase
DNA ligase
Non-homologous end joining
repair (NHEJ)
 DNA ที่กาลังถูกถอดรหัส (transcription) จะมีการซ่ อมแซมดีเอ็นเอที่มี
ประสิทธิภาพกว่ า DNA ที่ไม่ ได้ ถูกถอดรหัส
 DNA ที่กาลังถูกถอดรหัส จะเกาะตัวกันแบบหลวม (loosely pack) และง่ าย
ต่ อการถูกสารก่ อกลายพันธุ์เข้ าทาลาย
 DNA ที่กาลังถูกถอดรหัส  gene  มีความสาคัญต่ อการรอดชีวติ ของ
สิ่งมีชีวติ
 Nondividing cells (เช่ น เซลล์ ประสาท)  gene transcription > DNA
replication
การซ่ อมแซมดีเอ็นเอของยีนที่กาลังถอดรหัส
 E. coli  thymine dimer
 Nucleotide excision repair (NER)
 Transcription repair coupling factor (TRCF)  helicase  binding site
สาหรั บ เอนไซม์ UvrA
 Eukaryote  กลไกของ DNA repair and transcription ยังไม่ เป็ นที่กระจ่ าง
แต่ มีศกึ ษาการกลายของยีน CS-A และ CS-B ซึ่งให้ โปรตีนที่หน้ าที่เหมือน
TRCF ก่ อให้ เกิดโรค Cockayne syndrome (CS) ในคน
 Transcription factors  TFIIH  transcription and nucleotide excision
repair
DNA repair and transcription
Translesion DNA polymerases
 บริเวณดีเอ็นเอที่เสียหาย ไม่ ได้ รับการซ่ อมแซม  repair mechanism?
 Lesion replicating polymerase (active site with loose, flexible pocket  จับกับ
สายดีเอ็นเอที่มีโครงสร้ างผิดปกติได้ )  กระบวนการนีเ้ รี ยกว่ า translesion
synthesis (TLS)
 TLS  low fidelity  อัตราการกลายพันธุ์อยู่ในช่ วง
10-2-10-3
Translesion DNA polymerases
 TLS ใน E. coli  extreme condition (high doses of UV light และ
mutagens อื่นๆ) SOS response  replicate over damaged regions
 harmful  survive under condition for extreme environmental stress
 genetic variability within the bacterial population  resistant to the
harsh conditions
 ดังนัน้ SOS repair จึงเป็ นระบบซ่ อมแซมที่ก่อความเสียหาย