SOS-popravljanje

Dedovanje genetske informacije je ključen proces za preživetje organizmov. Za njeno ohranitev ni potrebna le izjemna natančnost pri podvojevanju DNA, temveč tudi sposobnost, da se ta izogne napakam in zmanjša število mutacij. Celice so razvile številne popravljalne mehanizme, ki služijo temu, da je število napak v zaporedju DNA minimalno. Ko začnejo mutacije posegat v delovanje celičnega cikla in ovirajo njegovo napredovanje, pride do odziva SOS.

SOS-popravljanje

Termin SOS popravljanje je vpeljal Miroslav Radman. Predpostavil je, da gre za multigenski odziv, ki inducira popravilo poškodovane DNA. SOS odziv, kot že ime samo namiguje, omogoča celici preživetje v skrajni situaciji. Konceptualno temelji na dejstvu, da je boljše, da celica mutira, kot pa da zaradi nezmožnosti napredovanja v celičnem ciklu ostane v fazi podvojevanja DNA in umre. Pri SOS signalizaciji sodeluje več kot 40 genov, ki kodirajo za proteine ključne pri popravljanju, zaščiti, mutagenezi, podvojevanju in metabolizmu DNA. Najpomembnejša proteina sta LexA in RecA. LexA deluje kot represor transkripcije SOS genov ter zavira odziv. RecA pa deluje kot pozitivni regulator SOS odziva. Pojav SOS popravljanja je možno opaziti le pri bakterijah. Tudi pri ostalih organizmih so poznani proteini, ki so tako v aminokislinskem zaporedju kot po delovanju podobni bakterijskim SOS proteinom, vendar ti niso sistemsko organizirani kot celota, ki je potrebna, da pride do odziva.

LexA

LexA, 27 kDa velik protein, je homodimer vezan na regulatorno mesto, v bližini začetka transkripcije, dolgo 20 baznih parov imenovano operator. Operator predstavlja LexA škatlo, določeno pa je bilo tudi konsenzno zaporedje: 5'-CTGTN8ACAG-3' (pri E.Coli je to zaporedje 5 – 'TACTG(TA)5CAGTA-3'). LexA je sestavljen iz dveh domen. N-končne domene, ki s pomočjo motiva vijačnica-zavoj-vijačnica vsebuje DNA vezavno domeno, in C-končne domene, ki ima proteolitično funkcijo. Ena N-končna domena LexA dimera se poveže z levo stranjo operatorja, druga pa z desno. Lastnost LexA vezavnih mest so palindromne ponovitve, saj se na različnih mestih kjer se pojavljajo le malo razlikujejo. Bolj kot določeno zaporedje vezavnega mesta odstopa od konsenznega zaporedja, šibkeje se LexA veže. LexA se kljub temu, da je represor, med odzivom samim prepisuje. Deluje po principu negativne povratne zanke in se takoj ob koncu SOS odziva veže na operatorsko mesto ter s tem prepreči nastanek mutacij na nepoškodovani DNA.

Pomebno je, da so geni odziva SOS močno uravnavani in primarno niso poškodovani že sami. V primeru da so le ti mutirani, bi lahko polimeraza pod okriljem SOS odziva povzročila dodatne mutacije tudi na mestih kjer njeno delovanje sploh ne bi bilo potrebno, t.j. tam kjer ni poškodb DNA. Temu pojavu pravimo kronični SOS odziv.

RecA

Drugi pomemben protein in induktor SOS odziva - RecA. Ta ima več funkcij in je pomemben tudi pri podvojevanju DNA brez napak (angl. error-prone) ter homolognih rekombinacijah. RecA je 36 kDa velik protein, prisoten v skoraj vseh bakterijah in ohranjen v vseh organizmih, vključno s človeškim. S pomočjo proteina RecFOR se veže na enoverižno DNA (ssDNA),ki je nastala zaradi lezij (slednje preprečujejo nadaljevanje poti replikacijskim vilicam) in tvori nukleofilament. Nastali filament ima lahko dve vlogi. Prva je, da napade homologno zaporedje dvoverižne DNA (dsDNA) in v procesu homologne rekombinacije povzroči izmenjavo verig. Druga možnost pa je s ko-proteazno aktivnostjo posredovana avto-katalitična cepitev LexA in s tem indukcija odziv SOS.

Indukcija odziva SOS

Faktorji, ki inducirajo SOS - odziv so v glavnem UV sevanje in kemikalije, ki povzročajo prelome in mutacije DNA. Polimeraza III se na mestih, kjer pride do mutacij, ustavi in sinteza DNA je onemogočena, kar tudi ustavi celični cikel. Začne se kopičiti enoverižna DNA.

Molekule RecA se vežejo na enoverižno DNA in tvorijo nukleofilament, ki katalizira avto-proteolizo represorja LexA. Ta razpade na dva fragmenta in se odcepi iz operatorskega mesta, kar povzroči aktivacijo trankripcije okoli 40 SOS genov. Med njimi so urv geni (NER), LexA, RecA (homologna rekombinacija) in geni translezijskih polimeraz (pol II, pol IV, pol V).

Popravljanje DNA nastopi v treh osnovnih mehanizmih. S popravljanjem z izrezom nukleotida (NER), homologno rekombinacijo in translezijsko DNA sintezo (TLS).

Vsi geni SOS odziva niso izraženi istočasno, temveč se kot prvi inducirajo uvrA, uvrB in uvrD. Ti proteini skupaj z endonukleazo UvrC katalizirajo popravljanje z izrezom nukleotida (NER). Ta izključi poškodovane nukleotide iz dvoverižne DNA, nato pa DNA polimeraza I zapolni njihova mesta.

Pri homologni rekombinaciji (HR) je pomembno izražanje RecA. Ta privabi ostale pomembne proteine, kot so RecBCD in RecFOR, ki omogočajo popravo lezij na enoverižni DNA na mestu replikacijskih vilic.

Če škoda ni v celoti odpravljena z izrezom nukleotida in homologno rekombinacijo, pride do translezijske DNA sinteze. Ta mehanizem uporabljajo mutagene polimeraze Pol II, Pol IV in Pol V (v E. coli). Slednje celici omogočijo preživetje, saj imajo zmožnost podvojevanja na mestih kjer se pojavijo lezije. Od vrste lezije je odvisno katera polimeraza bo sodelovala pri SOS odzivu. Med prej naštetimi je polimeraza II edina, ki ima eksonukleazno aktivnost in je zelo natančna.

Sodelujoče polimeraze

POL II DNA polimerazo II kodira gen polB. Gre za zelo natančno polimerazo z 3’ → 5’ eksonukleazno aktivnostjo, ki služi kontrolnemu branju (angl. proofreading). V normalnih pogojih je je v celici zelo malo, ob SOS odzivu pa se njeno izražanje poveča za sedemkrat. Polimeraza II lahko podvojuje preko abazičnih mest, kar pomeni, da manjkata purinska ali pirimidinska baza. Povzroči pa lahko tudi ponovno podvojevanje DNA, potem ko je bilo podvojevanje brez napak (angl. error-free) ustavljeno.

POL IV DNA polimerazo IV kodira gen dinB. Ob SOS signalu se njeno izražanje desetkrat poveča iz 250 molekul na 2500. DNA lahko podvojuje brez napak (angl. error-free) ali pa nenatančno z napakami (angl. error-prone). Pomembna pri adaptivnih točkovnih mutacijah.

POL V in mutasom V nasprotju s polimerazo II in IV, ki sta neposredno kodirani in se pojavita v zgodnji stopnji odziva SOS, se polimeraza V pojavi v pozni stopnji. Je najmanj natančna. Nastane pod vpliom recA, ko se združita dimera UmuD’2 in UmuC v kompleks UmuD’2C, ki predstavlja polimerazo V.

Polimeraza V tvori aktivni kompleks UmuD'2C – RecA – ATP, imenovan mutasom. Podenota UmuC vsebuje DNA polimerazno aktivnost. Mutasom je tisiti, ki katalizira translezijsko sintezo pri različnih vrstah lezij. Nizka natančnost pri vstavljanju nukleotidov na mesto nasproti lezije dovoljuje, da so nukleotidi vstavljeni naključno. Tako bakterija brez funkcionalnega mutasoma ne more kopičiti mutacij pod vplivom UV svetlobe oz. drugih mutagenih sredstev. Potrebno je poudariti, da so tu mutacije ključne za preživetje, saj je v skrajnem primeru bolje, da celica na področju lezije mutira, kot pa da kar propade zaradi ne zmožnosti podvojevanja DNA. Seveda mora biti mutasom pod strogim nadzorom, da ne kopiči mutacij na ne poškodovanem delu DNA, t.j. tam kjer ni lezij.

Ko je napaka popravljena, kar v tem primeru pomeni zmožnost nadaljevanja podvajanja, pride do razpada RecA nukleofilamenta s hidrolizo ATP. Sledi vezava dimera LexA nazaj na operatorsko mesto in posledična inhibicija SOS genov.

Viri

[1]      Z. Baharoglu and D. Mazel, “SOS, the formidable strategy of bacteria against aggressions,” FEMS Microbiol. Rev., vol. 38, no. 6, pp. 1126–1145, 2014.

[2]      R. P. Fuchs and S. Fujii, “Translesion DNA synthesis and mutagenesis in prokaryotes,” Cold Spring Harb. Perspect. Biol., vol. 5, no. 12, 2013.

[3]      K. Schlacher, K. Leslie, C. Wyman, R. Woodgate, M. M. Cox, and M. F. Goodman, “DNA polymerase V and RecA protein, a minimal mutasome,” Mol. Cell, vol. 17, no. 4, pp. 561–572, 2005.

[4]      C. Janion, “Inducible SOS response system of DNA repair and mutagenesis in Escherichia coli.,” Int. J. Biol. Sci., vol. 4, no. 6, pp. 338–44, 2008.

[5]      B.E. Tropp: Principles of Molecular Biology, 1. izdaja. Burlington: Jones & Bartlett Learning, 2014.