DNA Hasarı ve Onarımı: Hata Yapan DNA Parçaları Nasıl Tamir Edilir?

Her hücre bölünmesinden önce DNA kendini eşlemektedir. Bu eşleme her zaman kusursuz olmamaktadır. Bazen mutasyonlar gerçekleşebilir. Mutasyonların ezici çoğunun canlıya herhangi bir etkisi yoktur (bunlara "nötr mutasyon" denmektedir). Geri kalanların bir kısmı faydalı, diğerleri ise zararlı etkiye sahiptir (bunlara "ani etkili mutasyon" denmektedir). İşte bu zararlı mutasyonlar vakitlice düzeltilemezse, ya hücre apoptoza gider ya da kanser hücresine dönüşür. Çoğu DNA hasarı geçicidir; çünkü bu hatalar eşlenme sırasında hemen düzeltilirler. Bu yazımızda, bu düzeltmenin nasıl yapıldığına bakacağız.

Ancak öncesinde, DNA'da bu hataların/mutasyonların ilk etapta neden var olduğunu öğrenmekte fayda vardır.

DNA Neden Hata Yapar?

DNA mutasyonlarının özünde 2 nedeni vardır: İlki, eşlenme sırasında meydana gelen çok küçük olasılıktaki hatalardır. İkincisi ise çevresel faktörlerdir. Çevresel faktörler arasında beslenme, kimyasal maddeler ve Güneş'ten gelen yüksek enerjili morötesi (UV) ışınlar gibi unsurlar sayılabilir. Örneğin UV ışınlara fazla maruz kalmak, DNA'da timin dimeri adında bir hata oluşturur. "Timin dimeri" veya "timin ikilisi", bir çeşit "pirimidin ikilisi" örneğidir ve DNA’nın bir zincirindeki bitişik iki timin bazının birbirine kovalent bağlanmış halidir. Timin dimerleri DNA’da yapısal değişiklik oluştururlar. Timin dimerin olduğu yerde replikasyon durur ve ilerleyemez. Bu hata genellikle eksizyon tamir enzimleri ile düzeltilmeye çalışılır; eğer düzeltilemezse hücre ya ölür ya da kanser hücresine dönüşür.

shutterstock

Kimi zamansa bu hatalar daha ufak zararlara neden olurlar: Örneğin DNA'daki bu timin dimeri hatası, eksizyon tamir enzimin mutasyona uğraması sonucu Xeroderma Pigmentosum (XP) adındaki kalıtsal otozomal resesif bir hastalığa neden olabilir. Bu hastalar, Güneş altına çıkamazlar. Bu hastalığa sahip insanlarda pigmentasyon değişiklikleri, erken cilt yaşlanması ve cilt tümörleri gerçekleşebilir.

Costamedic

Bunun haricinde DNA eşlenmesi sırasında en sık olan rastlanan hatalar depürinasyon ve deaminasyondur. Bu hataların hemen tamir edilmeleri gerekir. Siz bu cümleyi okurken bile bir trilyon (10¹²) pürin bazı (adenin ve guanin) DNA eşlenmesi sırasında sürekli olarak kaybolmaktadır. İşte bu sürece depürinasyon denmektedir. Bu hatada DNA’nın çift sarmal yapısına bir zarar vermediğinden yapısal bir değişiklik oluşturmaz; fakat lezyonlara yol açabilmektedir. Deaminasyon ise sitozin bazından bir amino grubu çıkartılarak sitozinin urasile dönüşümü işlemidir. Aynı şekilde DNA’da yapısal bir değişikliğe yol açmaz. Bu iki durum gerçekleştiğinde hemen DNA eksizyon tamir enzimleri tarafından düzeltilmeye çalışılır.

Essential Cell Biology

DNA Hataları Nasıl Düzeltilir?

DNA hatalarını düzeltmek için çeşitli mekanizmalar vardır. Bunlar arasında şunları sayabiliriz:

• Baz eksizyon tamiri (BER),
• Nükleotit eksizyon tamiri (NER)
• Yanlış eşleme tamiri (İng: "mismatch repair" veya kısaca "MMR")
• Homolog rekombinasyon (HR)
• Homolog olmayan uç birleştirme (NHEJ).

Tamamlayıcı İplik Düzeltmeleri

DNA'nın tek ipliğinde gerçekleşen hatalar, tamamlayıcı iplik yardımıyla düzeltilebilmektedir. Bunun 3 farklı yolu vardır. Gelin bunlara bir bakış atalım.

Baz Eksizyon Tamiri

DNA'nın tek ipliğinde gerçekleşen hatalar tamamlayıcı iplik yardımıyla hemen düzeltilebilmektedir. Bunların en tipik örneği baz eksizyon tamiri (BER) olarak adlandırılır ve 3 adımda gerçekleşir:

1. Eksizyon (ya da kesip çıkarma)
2. Tekrar sentez
3. Ligasyon

İlk adımda DNA tamir enzimleri hatalı bölgeyi tespit eder ve nükleaz enzimiyle hatalı nükleotitler çıkartılır. DNA Polimeraz enzimi hatalı olan bazlar yerine doğrularını tekrardan koyar. Boşluklar doldurulduktan sonra DNA ligaz ile fosfodiester bağlarını kurar ve böylece hata düzeltilmiş olur replikasyon devam eder. Bu tür hatalar DNA’nın çift sarmal yapısını bozmadığı için yapısal bir değişikliğe yol açmamaktadır.

Nükleotit Eksizyon Tamiri

Diğer bir tamir mekanizması olan nükleotit eksizyon tamirinin (NER) en tipik örneği, timin dimeridir. Timin dimeri yapısal bir değişiklik oluşturduğundan buradaki hata komple çıkartılarak yeniden sentez yapılmaya çalışılır. Başlıca timin dimerine sebep olan şeyler hidrokarbonlar, sigara dumanı, katran ve dizel egzozudur.

Yanlış Eşleme Tamiri

Yanlış eşleme tamiri, DNA polimerazın proofreading yaparken kaçırdığı hataları düzeltme mekanizmasıdır. DNA polimerazın İngilizcedeki "proofreading" kelimesinden gelen "sağlamalı okuma" diye çevirebileceğimiz bir görevi vardır. DNA polimerazın DNA replikasyonundaki görevi, DNA’nın 5’ ucundan 3’ ucuna doğru nükleotit eklemesi yapmasıdır. Bunu yaparken aynı zamanda bazların doğru eklenip eklenmediğini de kontrol etmektedir.

DNA polimeraz, her 10⁷ nükleotitte bir hata yapmaktadır. Bu, çok küçük bir hata payıdır ve oluşan hatalar proofreading yoluyla düzeltilebilir. Ancak bu yöntemde de bir hata olması hâlinde, replikasyon sonunda yanlış eşleme tamiri (MMR) enzimleriyle tekrar bir kontrol ve hata düzeltilmesi yapılmaktadır. Bu sayede hataların yaklaşık %99'u düzeltilebilmektedir.

İnsanlarda yanlış eşleme tamiri kanser oluşumunu önlemede büyük önem taşımaktadır. Bazı tip kanserlere yatkınlık (özellikle kolon kanseri) yanlış eşleme tamiri proteinlerini kodlayan genlerdeki mutasyonlardan kaynaklanmaktadır.

İki İplikli Hata Düzeltmeleri

Peki, DNA’nın iki ipliği de hasar görürse bu durumda ne yapılır? Bu hatanın tamiri için iki yol vardır.

Homolog Olmayan Uç Birleştirme

İlki homolog olmayan uç birleştirme (NHEJ) olarak adlandırılmaktadır. Burada aslında tam anlamıyla bir tamir yapılmaz. Hasarlı kısımlar kesilerek atılır ve kalanlar birleştirilir. Sonuç olarak gen kayıpları ortaya çıkar. Bu mekanizmanın tek amacı anı kurtarmak denebilir çünkü eğer kesip uç birleştirme yapılmazsa eşlenme tamamıyla yanlış olur ve bu yanlış eşlenme her bölünmede bir sonraki hücreye aktarılır.

Homolog Rekombinasyon

Diğer taraftan homolog rekombinasyonda (HR) hatalı kromozomun homolog kromozomu tamamlayıcı görevi görerek hata düzeltilmeye çalışılır. Fakat, hücrenin bunu her zaman yapması mümkün değildir; sadece homolog kromozomlar birbirine yakınken yapılabilir. Hücre döngüsünün S evresi ve G1 evresinde homolog rekombinasyon gerçekleştirilebilir. Eğer DNA bu evrede değilse, homolog olmayan uç birleştirme yapmaya mecbur kalmaktadır.

Semantic scholar

Sonuç

Özetleyecek olursak, DNA eşlenmesinde gerek çevresel faktörler gerekse DNA tamir enzimlerini kodlayan genlerdeki mutasyonlar sebebiyle çeşitli hatalar meydana gelmektedir. Bu mutasyonların çoğu geçicidir; çünkü hemen tamir edilir. DNA eşlenmesindeki hata tamiri tek iplikteki hatalar için baz eksizyon tamiri, nükleotit eksizyon tamiri, yanlış eşleme tamiri ve iki iplikteki hatalar için homolog rekombinasyon ve homolog olmayan uç birleştirme mekanizmalarıyla önlenmeye çalışılmaktadır.

Her canlının nihai biyolojik gayesi hayatta kalmak ve üremektir. Mutasyon sayısını minimumda tutmak canlının daha kararlı olmasını sağladığı gibi, hayatta kalmasını kolaylaştırır ve üreyerek neslini devam ettirmesini sağlar. Evet, belki DNA replikasyonu sırasındaki hataları engelleyemeyiz; ama buna sebep olabilecek çevresel faktörlerden uzak durarak daha sağlıklı bir yaşam sürebiliriz.