Jak naprawiany jest DNA?

Reakcje chemiczne, jakie zachodzą w każdej komórce ciała człowieka, zaprogramowane są przez jego DNA. Instrukcje, zapisane w sekwencji cząsteczek tworzących podwójną helisę, mówią komórkom, kiedy wytwarzać określone związki chemiczne, kiedy się dzielić, a kiedy zaprzestać podziałów. Uszkodzenie DNA pociąga za sobą zarówno rozwój takich chorób jak nowotwory, jak i zwyczajne starzenie się. Utrzymanie integralności informacji zapisanych w DNA jest więc sprawą decydującą dla funkcjonowania każdej żywej istoty.

Niestety, niezwykłe znaczenie DNA wywołało pewne pogłoski o kruchości tej cząsteczki. DNA przedstawiany jest jako bierna ofiara sił środowiska – każda z nich może zniszczyć komórkę, a być może i cały organizm, którego związek ten jest częścią. Lecz jak okazuje się po chwili namysłu nad istotą ewolucji, wyjątkowe znaczenie nie musi się wiązać z podatnością na ciosy. Organizmy, których komórki rozwinęły środki do naprawy uszkodzeń DNA, mają oczywistą przewagę w zdolności przetrwania nad tymi, które tego nie zrobiły, tak więc nie jest niespodzianką informacja, że komórki ludzkie są zdolne do dokonywania takich napraw.

Co jednak jest zaskakujące, to częstość występowania takich uszkodzeń w DNA w codziennym życiu. Pod koniec lat 80. naukowcy, stosując niezmiernie czułe testy chemiczne, wywnioskowali, że każda komórka ciała doznaje średnio dziennie około 10000 „zamachów” na swój DNA. Niektóre z tych uszkodzeń są następstwem wpływów środowiska zewnętrznego, lecz większość z nich to uszkodzenia chemiczne wywołane produktami ubocznymi zwyczajnej przemiany materii w komórce. Jednym z głównych winowajców jest na przykład klasa związków chemicznych znanych jako utleniacze, wytwarzanych w zwykłym „spalaniu” węglowodanów w celu produkcji energii w komórce (brokuły i warzywa pokrewne zawierają anty-utleniacze, co jest jednym z powodów, dla których są uwzględniane w dietach przeciwrakowych). Tak więc zwyczajna komórka żyje „na ostrzu noża”, gdzie ciągle pojawiają się stale naprawiane uszkodzenia.

Naukowcy wyodrębnili dwie szerokie klasy uszkodzeń DNA, z których każda ma własny mechanizm naprawczy. Pierwszy z nich – „naprawa błędnego sparowania” – ma do czynienia głównie z błędami występującymi wtedy, gdy DNA kopiowany jest podczas podziału komórki. Jeśli wyobrazimy sobie cząsteczkę DNA jako skręconą drabinę, kopiuje ona samą siebie przez przecięcie szczebli, a następnie uzupełnianie przez każdą połowę brakującej części z materiału komórkowego. Pewien rodzaj przestawienia występuje, gdy jedna połówka drabiny przemieści się w stosunku do drugiej podczas odbudowy, pozostawiając pętlę nie uzupełnionych połówek szczebli sterczących po bokach DNA. Inny rodzaj niedopasowania dotyczy budowy nowej połówki szczebli ze złego materiału.

W czasie naprawy błędnego „sparowania” jakieś pół tuzina genów wytwarza białka rozpoznające błąd i wycinające odpowiedni odcinek wzdłuż podwójnej helisy. Niewielka liczba innych białek nadzoruje rekonstrukcję brakującego segmentu. Bez tych białek źle skopiowany DNA nie może być skorygowany i błędy raz popełnione zostaną przeniesione do przyszłych pokoleń komórek. Wiemy dzisiaj, że defekt w jednym z genów wytwarzających białka naprawcze jest przyczyną bardzo powszechnego u ludzi rodzaju nowotworu jelita grubego.

Bardziej złożony rodzaj procesu naprawczego – „naprawa przez wycięcie nukleotydu” – zajmuje się uszkodzeniami DNA spowodowanymi takimi czynnikami, jak związki chemiczne, zarówno z wnętrza, jak i z zewnątrz organizmu, a także promieniowanie, nie wyłączając promieniowania ultrafioletowego Słońca. Wyobraźmy sobie ten proces jako „majstra od wszystkiego”, który naprawia dowolny rodzaj uszkodzeń, na jaki natrafi. Jego podstawowe działanie jest podobne do naprawy błędu „sparowania” – defekt DNA jest wykrywany, „szczeble” DNA są rozcinane, strona z uszkodzeniami zostaje wycięta i, na koniec, uzupełniany jest nie uszkodzony odcinek, co „leczy” cząsteczkę. Proces ten stosowany jest do przeprowadzania bardzo różnorodnych napraw. Naukowcy ciągle jeszcze szukają uszkodzeń DNA innych niż całkowite przerwanie odcinka, jakie nie byłyby w ten sposób naprawiane. Niewiele jednak wiemy o szczegółach mechanizmu naprawy przez wycięcie nukleotydu, oprócz faktu, że on istnieje.

Nasza wiedza o tym, w jaki sposób komórki naprawiają DNA, na pewno w nadchodzących latach szybko się pogłębi. Przyniesie to skutek w dwóch dziedzinach. W medycynie zostanie zidentyfikowanych więcej chorób powodowanych błędami w tym mechanizmie i testy diagnostyczne (a być może nawet leczenie) staną się częścią sztuki lekarza rodzinnego. W polityce społecznej zrozumienie mechanizmu naprawy DNA będzie miało głównie wpływ na debaty związane z ochroną środowiska. Aż do teraz, ilekroć próbowaliśmy oszacować ryzyko narażenia się na działanie chemikaliów lub promieniowania, zakładaliśmy, iż nie ma minimalnej bezpiecznej dawki – że nawet niewielkie promieniowanie może spowodować uszkodzenie komórek. Przy braku informacji o tym, w jaki sposób komórki dają sobie radę z uszkodzeniami, jest to model, zgodnie z którym powinna postępować osoba ostrożna, lecz w oczywisty sposób przecenia on rzeczywiste ryzyko. Zrozumienie złożonych mechanizmów naprawczych DNA pozwoli nam określić poziom narażenia się na czynniki zewnętrzne, poniżej którego zwykłe mechanizmy naprawcze będą w stanie uporać się z uszkodzeniem. Uzupełnienie naszych oszacowań ryzyka o taką informację może spowodować znaczące rozluźnienie norm postępowania w wielu dziedzinach.