DNA-reparation: hur celler upptäcker och reparerar DNA-skador

Med DNA-reparation avses de processer genom vilka en cell identifierar och korrigerar skador på sina DNA-molekyler.

I celler skadar normala metaboliska aktiviteter och miljöfaktorer som UV-ljus och strålning DNA. Det finns så många som en miljon molekylära skador per cell och dag. Många av dessa skador orsakar strukturella skador på DNA-molekylen och kan förändra eller eliminera cellens förmåga att transkribera den berörda genen. Andra skador orsakar potentiellt skadliga mutationer i cellens arvsmassa, vilket påverkar överlevnaden hos dess dotterceller efter delning. DNA-reparationsprocessen måste vara ständigt aktiv så att den snabbt kan reagera på eventuella skador i DNA-strukturen.

Hur snabbt DNA-reparationen sker beror på många faktorer, bland annat celltypen, cellens ålder och den extracellulära miljön. En cell som har ackumulerat mycket DNA-skador, eller en cell som inte längre reparerar skadorna på ett effektivt sätt, kan hamna i ett av tre tillstånd:

Tre möjliga utfall när reparationen misslyckas

Permanent cellstopp (senescens) – cellen slutar dela sig men förblir metabolt aktiv. Detta är ett skydd mot spridning av mutationer men bidrar till åldrandeförändringar i vävnaden.
Programmerad celldöd (apoptos) – vid allvarliga, irreparabla skador aktiveras apoptos så att skadade celler tas bort och inte sprids vidare.
Okontrollerad proliferation och tumörbildning – om felaktigt reparerade eller icke reparerade mutationer påverkar DNA:s kontrollmekanismer för celltillväxt kan det leda till cancer.

Typer av DNA-skador

DNA kan skadas på många olika sätt. Vanliga exempel:

Basmodifieringar (t.ex. deaminering, oxidering) som förändrar enskilda nukleotider.
Enkelsträngsbrott (SSB) där ena tråden skadas.
Dubbelsträngsbrott (DSB) där båda strängarna i DNA bryts — särskilt farligt för cellen.
Bulky addukter och pyrimidindimerer orsakade av UV-ljus som stör basparningen.
Interstrand-crosslinks som sammanbinder de två DNA-strängarna och blockerar replikation och transkription.

Huvudsakliga reparationsmekanismer

Flera specialiserade vägar reparerar olika sorters skador. De viktigaste är:

Base excision repair (BER) – tar bort små basmodifieringar (t.ex. oxiderade eller deaminerade baser) med hjälp av DNA-glykosylaser, AP-endonukleaser, DNA-polymeras och ligas.
Nucleotide excision repair (NER) – avlägsnar större distorsioner i DNA-helixen, som UV-inducerade pyrimidindimerer, genom att klippa ut en kort enkelsträngssektion och fylla igen den.
Mismatch repair (MMR) – korrigerar felparningar och insättnings-/deletionsfel som uppstår vid DNA-replikation (proteiner som MSH- och MLH-komplexen är centrala).
Non-homologous end joining (NHEJ) – en snabb men ibland felbenägen metod för att sammanfoga dubbelsträngsbrott utan mall; viktiga komponenter är Ku70/Ku80 och DNA-PK.
Homolog rekombination (HR) – en mer felfri reparation av dubbelsträngsbrott som använder systerkromatiden som mall; kräver proteiner som BRCA1, BRCA2 och RAD51.

Upptäckt och signalering (DNA damage response, DDR)

Celler har sensorer och signalvägar som upptäcker DNA-skador och koordinerar reparation:

Sensorproteiner känner igen skador och rekryterar reparationskomplex.
Stora kinaser som ATM och ATR aktiveras vid DSB respektive single-strand DNA och initierar fosforyleringskaskader som reglerar reparationsproteiner och cellcykelkontroller.
Cellen kan tillfälligt stoppa cellcykeln i faser som G1/S eller G2/M för att ge tid åt reparation innan replikerings- eller delningssteg fortsätter.
Märkning av skadeställen med signalmolekyler (t.ex. γ-H2AX) hjälper till att lokalisera och organisera reparationsmaskineriet.

Konsekvenser av otillräcklig reparation

När DNA-reparation är defekt eller överväldigad kan följande inträffa:

Ackumulering av mutationer som ökar risken för cancer.
Genomisk instabilitet, kromosomförändringar och translokationer.
Ärftliga sjukdomar med defekter i reparationsgener, t.ex. xeroderma pigmentosum (defekt NER), ataxi-telangiektasi (ATM-brist) eller ärftliga BRCA-mutationer (defekt HR), vilka ger ökad cancerrisk eller känslighet för strålning.
Bidrag till åldrandeprocesser genom ökande cellsenescens och försämrad vävnadsfunktion.

Klinisk betydelse och användning

Kunskap om DNA-reparation utnyttjas i medicin och forskning:

Cancerterapier: strålning och vissa cytostatika orsakar DNA-skador för att döda snabbt delande cancerceller. Tumörceller med reparationsbrister kan vara särskilt känsliga.
Målstyrda läkemedel: PARP-hämmare utnyttjar syntetisk lethality i tumörer med BRCA‑mutationer — genom att blockera BER förstärks skadan i celler som redan är svaga i HR.
Diagnostik: mutationer i reparationsgener används som biomarkörer för behandlingsval och prognos.
Forskningsverktyg: metoder som γ-H2AX-immunofluorescens, comet-assay och sekvensering hjälper till att mäta DNA-skador och reparationsaktivitet. CRISPR används för att modellera reparationsdefekter i celler och djur.

Hur man skyddar DNA

Det finns praktiska sätt att minska DNA-skador och stödja cellers reparationsförmåga:

Skydda huden mot UV‑strålning (solskydd, undvik stark sol) för att motverka pyrimidindimerer.
Minska exponering för joniserande strålning och kemikalier när möjligt.
Lev hälsosamt: en balanserad kost, motion och undvikande av tobak minskar oxidativ stress som orsakar skador.
Forskning och medicinsk övervakning för personer med ärftliga reparationsdefekter möjliggör tidig upptäckt av maligniteter.

Sammanfattningsvis är DNA-reparation en kritisk, mångfacetterad uppsättning mekanismer som upprätthåller genomet och skyddar organismen mot mutationer, cancer och åldrande. Förståelsen av dessa processer ligger till grund för många kliniska framsteg och fortsatt forskning.

DNA-skador som resulterar i flera trasiga kromosomer.

Reparation av DNA

Hur snabbt DNA-reparationen sker beror på många faktorer, bland annat celltypen, cellens ålder och den extracellulära miljön. Många gener som ursprungligen visades påverka livslängden har visat sig vara involverade i reparation och skydd av DNA-skador.

Skador och mutation

DNA-skador och mutationer är fundamentalt olika.

Skador är fysiska avvikelser i DNA, t.ex. enkel- och dubbelsträngsbrott. DNA-skador kan kännas igen av enzymer och kan därför repareras. För reparation behövs den oskadade sekvensen i den komplementära DNA-strängen eller i en homolog kromosom. Om en cell behåller en DNA-skada kan transkriptionen av en gen förhindras, och därmed blockeras också översättningen till ett protein. Replikationen kan också blockeras eller så kan cellen dö.
En mutation är en förändring i DNA:s bassekvens. En mutation kan inte kännas igen av enzymer när basförändringen finns i båda DNA-strängarna, så en mutation kan inte repareras. På cellnivå kan mutationer orsaka förändringar i proteinernas funktion och reglering. Mutationer replikeras när cellen replikeras. I en cellpopulation kommer muterade celler att öka eller minska i frekvens i enlighet med mutationens effekter på cellens förmåga att överleva och reproducera sig.

Även om DNA-skador och mutationer skiljer sig från varandra är de besläktade eftersom DNA-skador ofta orsakar fel i DNA-syntesen under replikation eller reparation. DNA-skador i celler som ofta delar sig, eftersom de ger upphov till mutationer, är en framträdande orsak till cancer. Däremot är DNA-skador i celler som delar sig sällan sannolikt en framträdande orsak till åldrande.

2015 Nobelpriset för forskning

Nobelpriset i kemi 2015 gick till tre forskare som var och en upptäckte en del av DNA-reparationshistorien.

Tomas Lindahl FRS, som är svensk och arbetar i Storbritannien, upptäckte en mekanism som kallas basexcisionsreparation. Den motverkar nedbrytningen av DNA.
Den turkiskfödde Aziz Sancar, professor vid University of North Carolina, hittade en annan DNA-reparation som kallas nukleotid-excisionsreparation.
Amerikanen Paul Modrich vid Duke University i North Carolina visade hur cellerna korrigerar DNA-fel som uppstår vid celldelningen. Denna mekanism, som kallas mismatch repair, leder till att felfrekvensen minskar med 1 000 gånger när DNA replikeras.

Frågor och svar

F: Vad är DNA-reparation?

S: DNA-reparation är den process genom vilken en cell identifierar och korrigerar skador på sina DNA-molekyler som orsakats av normala metaboliska aktiviteter och miljöfaktorer, t.ex. UV-ljus och strålning.

F: Hur många molekylära skador kan uppstå per cell och dag?

S: Det finns så många som en miljon molekylära skador per cell och dag.

F: Vad kan strukturella skador på DNA-molekylen orsaka?

S: Strukturella skador på DNA-molekylen kan förändra eller eliminera cellens förmåga att transkribera den berörda genen.

F: Vad kan potentiellt skadliga mutationer som orsakas av DNA-skador påverka?

S: Potentiellt skadliga mutationer som induceras av DNA-skador kan påverka överlevnaden hos cellens dotterceller efter delningen.

F: Varför måste DNA-reparationsprocessen vara ständigt aktiv?

S: DNA-reparationsprocessen måste vara ständigt aktiv så att den snabbt kan reagera på eventuella skador i DNA-strukturen.

F: Vilka faktorer kan påverka hastigheten för DNA-reparation?

S: Många faktorer kan påverka DNA-reparationshastigheten, bland annat celltyp, cellens ålder och den extracellulära miljön.

F: Vad kan hända med en cell som har ackumulerat mycket DNA-skador eller en cell som inte längre reparerar skadorna effektivt?

S: En cell som har ackumulerat mycket DNA-skador eller som inte längre reparerar skadorna effektivt kan hamna i ett av tre tillstånd.