ان أهم آليات إصلاح الـ DNA الرئيسية هي:

(1) آلية الاصلاح الاستئصالية Excision Repair

إن هنالك مسلكين أساسيين لإصلاح الـ DNA، تتم باستخدام إنزيمات مختلفة تعمل على أنواع مختلفة من الآلافات .وفي كلتيهما، يتم قص الأذى، ثم يتم استعادة تسلسل الـ DNA الأصلي بواسطة إنزيم DNA polymerase والتي تستخدم الشريط الغير متضرر كقالب لها، ويلحم الكسر المتبقي بالشريط بواسطة إنزيم DNA ligase (شكل 1).

يختلف المسلكان عن بعضهما بطريقة إزالة الضرر من الـ DNA. يدعى المسلك الأول بالـ base excision repair والذي يتضمن مجموعة من الإنزيمات تدعى بـ DNA glycosylases .وكمثال للآلية العامة للـ excision repair، هو إزالة السايتوسين منزوع الأمين deaminated cytosine بواسطة إنزيم uracil DNA glycosylase المبين في الشكل (A) 1 .كيف يمكن للقاعدة المبدلة من أن تكتشف ضمن سياق الحلزون المزدوج ؟ يكمن الجواب في قدرة الإنزيم على الحركة الاهتزازية العنيفة flipping-out التي تشبه الشقلبة في الهواء حول النيوكليوتيدة المتبدّلة من الحلزون المزدوج، والتي تسمح للإنزيم بأن يجس كل وجوه الضرر للقاعدة النتروجينية. يعتقد بأن إنزيم DNA glycosylase ينتقل على طول الـ DNA مستخدماً الشقلبة والاهتزاز حول القواعد ليقيم حالة كل زوج قاعدي وحالما يتم التعرف على القاعدة المتضررة، يخلق إنزيم DNA glycosylase سكر رايبوزي منقوص الأوكسجين مفتقداً لقاعدته النتروجينية. وهذا يولد ما يعرف بالسن المفقود missing tooth والذي يتم تمييزه من قبل إنزيم يدعى بالـ AP endonuclease، والذي يقطع العمود الفقري المتألف من الفوسفات ثنائية الأستر بمساعدة إنزيمات phosphodiesterase ، ثم يزال الضرر بواسطة إنزيم DNA polymerase ويصلح باستخدام إنزيم DNA ligase (شكلA 1).

وهنالك مسلك إصلاح رئيسي ثاني يدعى بـ nucleotide excision repair. هذه الآلية يمكن لها أن تصلح الضرر المتسبب من أي تغيير كبير في تركيب حلزون الـ DNA. إن هكذا "أضرار ضخمة" تتضمن تلك التي خلقت بواسطة التفاعل التساهمي بين مزدوجات البريميدين كما في ( T-T,T-C, and C-C ) والمتسببة بواسطة ضوء الشمس (التعرض للأشعة فوق البنفسجية). بهذا المسلك، يفحص معقد متعدد الإنزيم الكبير الـ DNA التشوه الحاصل في حلزون الـ DNA المزدوج، بدلاً من تغيير قاعدة نتروجينية معينة. وحالما توجد منطقة الضرر الضخمة، يشق عمود الـ DNA الفقري المتكون من الفوسفات ثنائية الأستر في كلا جانبي التشوه، و يسحب متعدد النيوكليوتيدات المحتوي على الأذى بعيداً من حلزون الـ DNA المزدوج بواسطة إنزيم DNA helicase تصلح الفجوة الكبيرة الناتجة في حلزون الـ DNA المزدوج بعد ذلك بواسطة إنزيم DNA polymeraseوإنزيم DNA ligase ( شكل 1 B) .

شكل (1) آلية الإصلاح الاستئصالية (a) آلية الإصلاح القاعدة base excision repair ) ) ، (b) آلية اصلاح النيوكليوتيدة excision repair)  nucleotide  ) ( تصميم المؤلف ) .

(2) آلية إصلاح النيوكليوتيدة المغلوطة Mismatch Repair

قبل أن نتكلم عن هذه الآلية لابد لنا من تسليط الضوء من جديد على إنزيم DNA polymerase III بوصفه مثال نموذجي للإنزيم الذي يستطيع أن يصحح الخطأ بسبب امتلاكه الفعالية exonuclease activity   3'-5' والموجودة في وحدة ε الثانوية . بما أن تخصص إضافة النيوكليوتيدة بواسطة إنزيم DNA polymerase قد تحدد بواسطة قاعدة Watson-Crick ، إلا أن لهذا المبدأ نسبة من الخطأ، حيث تغرس قاعدة مغلوطة (كما في الأدنين بدلاً من الكوانين) أحياناً خلال تضاعف الـ DNA. وفي الحقيقة، تنتج وحدة α الثانوية المسؤولة عن البلمرة في إنزيم E. coli DNA polymerase III حوالي قاعدة خاطئة من مجموع مئة ألف خلال تضاف الـ DNA. ولكن معدل الطفرات في الخلايا البكتيرية هو أقل بكثير، ويبلغ حوالي خطأ واحد من مجموع 10⁹ نيوكليوتيدة. إن زيادة الكفاءة تدل في البداية على وظيفة تصحيح الخطأ proofreading function في إنزيمات E. coli DNA polymerases. وفي إنزيم polymerase III DNA، تكمن هذه الوظيفة في وحدة ε الثانوية في إنزيم البوليمريز الصميمي core polymerase وعندما تندمج نيوكليوتيدة خاطئة خلال تضاعف الـ DNA، يتوقف إنزيم البوليمريز مؤقتاً ، ثم ينقل النهاية 3' لسلسة الـ DNA النامية إلى الموقع الهاضم 3'-5' exonuclease activity  حيث تزال القاعدة المزدوجة بشكل خاطئ. وبعدها تنقل النهاية 3' إلى الخلف إلى موقع البلمرة polymerizing site  ) 5'-3'شكل 2)، حيث يتم إضافة النيوكليوتيدات بشكل متتالي أثناء البلمرة .

شكل (2) : عملية التصحيح بواسطة إنزيم الـ DNA polymerase يكون إنزيم DNA polymerase معقداً مع الـ DNA القالب في الصورة المبلمرة (اليسار) والصورة المصححة (اليمين)، حيث يشير E إلى الموقع الحفزي الذي يمتلك الفعالية الهاضمة للأحماض النووية Exonucleolytic site ، بينما يشير P إلى الموقع الحفزي الذي يمتلك الفعالية المبلمرة للأحماض النووية Polynucleolytic site (تصميم المؤلف) .

على الرغم من القدرة الفائقة لإنزيم DNA polymerase III في عمليات التدقيق إلا أنه يحدث أحياناً ان تفلت منه قاعدة ما قد انحشرت بشكل خاطئ والتي إذا لم تعالج بطريقة ما يؤدي ذلك الى حدوث الطفرة. وهنا يستدعى نظام الـ mismatch repair والذي هو أبسط الأنظمة الإصلاحية والتي تقوم وبفعالية بإزالة هكذا انحشار مغلوط واستبداله بالنيوكليوتيدة الصحيحة ولكي تقوم الخلية بذلك، يجب أن تعرف أي الشريطين القديم وأيهما الجديد، وذلك من خلال قدرتها على التمييز بين الشريط الذي يمتلك المعلومات الصحيحة (الشريط القديم أو الأب) عن ذلك الآخر ذو المعلومات المغلوطة (الشريط الجديد) من خلال وجود مجموعة مثيل في الشريط القديم. لذا يقوم النظام بإزالة القواعد المغلوطة في منطقة صغيرة من الشريط الجديد الذي لم تضاف له مجموعة مثيل بعد ويستبدلها بأخرى جديدة غير مغلوطة من خلال ملئ الفجوة الناتجة بواسطة الإنزيمات المتخصصة وهي DNA polymerase I و DNA ligase . ولهذا تدعى هذه العملية بإصلاح القاعدة المغلوطة المتوسط من قبل المثيل methyl-directed mismatch repair.

ان اصلاح النيوكليوتيدة المغلوطة أو الـ mismatch repair هو قد يكون شكل متخصص من آلية الاصلاح الاستئصالية (excision repair) والتي تتعامل مع أي ازدواج قاعدي غير صحيح والحادث خلال عملية التضاعف بعد هربه من آلية التدقيق (proofreading) لإنزيمات التضاعف. وفي هذه الحالة، تتمثل القاعدة المغلوطة بالشريط البنوي (daughter strand). ولهذا السبب يمتلك هذا النظام وسيلة للتفريق بين الاشرطة الأبوية والأشرطة البنوية بعد عبور شوكة التضاعف لضمان ازالة القاعدة المغلوطة فقط من الشريط البنوي. وفي الكائنات بدائية النواة، تضاف مجاميع المثيل للأدنين في التسلسل GATC في كلا الشريطين. تتأخر ميثلة الأشرطة البنوية لعدة دقائق خلف شوكة التضاعف. وبهذه الطريقة ، يعد الـ DNA المتضاعف للتو جزيئة نصف مميثلة (hemimethylated) حيث تكون الأشرطة الأبوية مميثلة والأشرطة البنوية ليست مميثلة ، وبالتالي، يمكن التفريق بينها بسهولة. يمكن تمييز الزوج القاعدي المغلوط (كما في التسلسل GT أو (CA ليرتبط بمعقد بروتينات تعرف بـ MutS و MutL والتي ترتبط بعد ذلك بأنزيم MutH endonuclease والذي يقوم بقطع الشريط البنوي بشكل متخصص قرب الموقع GATC. يقوم الشق ببدء عملية استئصال المنطقة المحتوية على القواعد الخاطئة. أما آلية التفريق في الكائنات حقيقية النواة فما زالت غير معروفة على وجه التحديد.

(3) آلية إصلاح إعادة الارتباط أو ما بعد التضاعف Recombination (Post-Replication) Repair

هنالك طافرات بكترية حساسة بشكل غير اعتيادي للأشعة الفوق بنفسجية، على الرغم من امتلاكها آلية إصلاح فعالة من نوع excision repair. تتميز هذه البكتريا بفقدان الجين الذي يشفر عن الناتج البروتيني recA والذي يكون مسؤول - إضافة إلى بروتينات أخرى عن عملية إعادة الارتباط العمومية general recombination . ان هذا يشير الى أن آلية الـ excision repair هي ليست الآلية الوحيدة التي تتعامل مع الخلل الحاصل نتيجة التعرض للأشعة الفوق بنفسجية، ولكن هنالك آلية إصلاح أخرى والتي تتضمن عملية إعادة الارتباط المتماثل (شكل 3).

إن أشكال الـ DNA المتضررة التي تتداخل مع الازدواج القاعدي بين الأشرطة سوف تمنع التضاعف، وهذا يدل وبشكل جزئي على احتياجات إنزيم DNA polymerase للتضاعف  ، ولهذا السبب تتوقف شوكة التضاعف مؤقتاً.

وعلى أية حال، سوف يبدأ التضاعف من جديد بعد هذا التوقف المؤقت الناتج من الضرر الحاصل في تلك المنطقة من الـ DNA ، يؤدي هذا التضاعف إلى إحداث فجوة في الشريط المخلق حديثاً. لا يمكن إصلاح هذه المنطقة بواسطة الـ excision repair، لأنها تحتاج إلى وجود شريط سليم. ولهذا يمكن ملئ الفجوة باستخدام منطقة من الـ DNA من أزواج أخرى من الأشرطة الغير متضررة عن طريق عملية إعادة الارتباط، وهي عملية قطع ثم ربط الـ DNA .

ولو أن هذه العملية تعيد من تجانس الخلل بدلاً من اصطلاحه ولكنها تجعل من الشريط المتضرر والغير قابل للإصلاح شريطاً قابلاً للإصلاح بواسطة آلية الـ excision repair التقليدية حيث تملئ الفجوة في جزيئة الـ DNA الأخرى بواسطة إنزيم الـ   DNA polymerase I وانزيم DNA Ligase .

الشكل (3) الية اصلاح ما بعد التضاعف . بعدما يقف التضاعف في الموقع المتضرر (1) فان عملية إعادة البدء من جديد تترك فجوة في الشريط الجديد (2) ان هذا يمكن إصلاحه بواسطة تبادل ال DNA (3) سامحاً للمنطقة المتضررة الاصلية من ان يتم إصلاحها (4) والذي يتم بواسطة الية ال excision repair (تصميم المؤلف )

(4) آلية إصلاح استجابة سوس SOS Response Repair

وهي نوع من أنواع آليات الاستجابة الخلوية المعقدة، ويتم تنشيطها من قبل أنواع معينة من ضرر الـ DNA. وبما أن هذا النوع من الاصلاح يتم بغياب معلومات الشريط القالب الصحيحة، لذا تتكون العديد من الأخطاء، ولهذا السبب يوصف النظام بالآلية القابلة للخطأ ((error pron mechanism ، ولهذا السبب لا تعد هذه الآلية آلية اصلاح بالمعنى الدقيق. يتم تحفيز آلية استجابة SOS عن طريق ضرر الـ DNA الموقف لتضاعفه (كما في مزدوج الثايمين). تستخدم هذه الاستجابة الخلوية عند مواجهة مستويات ساحقة من ضرر الـ DNA والتي تمنع من التضاعف الطبيعي لتقوم بتحوير الـ DNA مؤقتا أو تقوم بإلغاء تخصص إنزيم DNA polymerase وبالنتيجة، تمكن هذه الطريقة من الاستجابة في الاستمرار في صنع شريط DNA جديد على الرغم من غياب الدقة اللازمة للتضاعف. إن آلية إصلاح SOS هي سبب الطفرات الناشئة من التشعيع بالأشعة الفوق بنفسجية.

تعد آلية اصلاح SOS في بكتريا القولون هي من أفضل الأمثلة المدروسة حول أليات الاصلاح الناجمة عن الاستجابة الطارئة للضرر الحاد في الـ DNA. يوجد في قلب نظام SOS هنالك جينين، وهما lexA و recA. وتحت الظروف الطبيعية يعمل بروتين lexA ككابح وذلك بارتباطه بما يقارب 17 جين والتي تشفر عن بروتينات تدخل في أنواع شتى من آليات إصلاح الـ DNA وتدعى هذه الجينات بمجموعها بالجينات المستحثة بالضرر (damage inducible genes (din (شكل 4 ) .

شكل (4) آلية كبح اوبرون SOS ( يدل مختصر din على damage inducible gene أي الجينات المستحثة بالضرر ) ( تصميم المؤلف ) .

وفي هذه البكتريا، يؤدي أي ايقاف في تضاعف الـ DNA بسبب ضرر الـ DNA الى تولد اشارة معينة، تقوم هذه الاشارة والتي هي عبارة عن زيادة في الـ DNA المفرد الشريط) بتنشيط بروتين recA في البداية، يقوم هذا البروتين بتحطيم بروتين lexA من خلال تسببه في شق بروتين (proteolytic leavage) فيه حيث إن تفاعل شق البروتين lexA ليس بالطبيعي تماماً : إن lexA بروتين لديه فعالية كامنة محللة للبروتين latent protease activity والتي سرعان ما تتنشط عند تعرضها لبروتين recA .وتقوم هذه الفعالية البروتينية بتحليل البروتين الذي ينتجها – أي - lexA  ذاتياً وهذا يعمل على تهديم الوظيفة الكابحة repressor function لبروتين lexA ، وهذا يحث كل البروتينات التي يرتبط معها البروتين lexA كما في الشكل (4). وهذا يؤدي إلى تعبير الجينات التي كانت مكبوحة من قبل بروتين lexA من قبل بروتين recA المنشط وبعد تحرر تلك البروتينات تقوم بزيادة معدل الطفرات مؤقتاً وذلك عن طريق زيادة عدد الأخطاء في نسخ تسلسلات الـ DNA .نتجت تلك الاخطاء بسبب انتاج انزيمات DNA polymerases ذات قابلية تدقيقية واطئة والتي يمكن لها أن تستخدم الـ DNA المتضرر كقالب لتخليق الـ DNA .

 لم تنتهي القصة هنا، حيث إن SOS responses كظاهرة هو دائرة circuit تكمن أهميتها في قابليتها على العودة بسرعة إلى الحالة الطبيعية. فعندما تزال الإشارة الحاثة inducing signal، يفتقد بروتين recA قابليته على زعزعة بروتين lexA .وفي تلك اللحظة، يتم التعبير عن جين lexA بمستوى عالي، وعند غياب بروتين recA المنشط ، يتراكم بروتين lexA بشكله الغير مشقوق بسرعة ويقفل جينات SOS (شكل 5). إن هذا يفسّر لماذا يوصف نظام SOS بالمعكوس. وعلى الرغم من امكانية هكذا آلية اصلاح "قابلة للخطأ" في أن تكون مضرة للخلايا البكتيرية، لكنها مفيدة على المدى البعيد لأنتاجها عدد هائل من التغايرات الوراثية في البكتريا والتي تزيد من احتمالية زيادة قابلية الخلايا لطافرة الناتجة عن استجابة SOS للبقاء في البيئات القاسية.

الشكل (5) آلية تنشيط اوبرون SOS ( يدل مختصر din على damage inducible gene أي الجينات المستحثة بالضرر ) ( تصميم المؤلف ) .

(5) آلية الإصلاح المعتمدة على التنشيط الضوئي photoreactivation repair

لا يمكن أن يتم إصلاح تأثير الأشعة فوق البنفسجية على الـ DNA بآلية مفردة. فعندما تكوّن قواعد الـ pyrimidine المجاورة في شريط الـ DNA مزدوجات بكفاءة عالية بعد امتصاص الأشعة فوق البنفسجية تدعى بـ cyclobutane pyrimidine dimer (شكل 6) يوجد هنالك آلية أخرى لإصلاح هذا الضرر غير آلية الـ excision repair. يقتصر وجود هذه المزدوجات على قواعد البريميدين فقط، حيث تعد قواعد البيورين في غاية المقاومة للضرر المتسبب بالأشعة فوق البنفسجية .من الممكن أن تزال مزدوجات البيريميدين أو أشكال أخرى من ضرر الـ DNA بواسطة آلية الـ excision repair. وبهذا الشكل من الإصلاح، يزال الضرر من الـ DNA ويصلح.

الشكل (6) آلية إعادة التفعيل الضوئي photoreactivation mechanism المسؤولة عن اصلاح الخلل المتسبب عن التعرض للأشعة فوق البنفسجية ( تصميم المؤلف ) .

إن الـ excision repair هو نظام متعدد الخطوات، ولكن هنالك نظام يصلح هذا الخلل في خطوة واحدة، حيث من الممكن أن تصلح المزوجات بشكل مباشر وذلك بواسطة إعادة تفعيل إنزيمي ضوئي. إن مثال الخطوة الواحدة هو العكس المباشر direct reversal والذي من الممكن أن يتم بواسطة إنزيم الـ photolyase البكتيري، حيث ترتبط إنزيمات إعادة التنشيط الضوئي photoreactivation enzymes بالـ  DNA المحتوي على مزدوج البيريميدين pyrimidine dimer وتستخدم الضوء المرئي لشق المزدوج بدون كسر أي أصرة فوسفات ثنائية الأستر phosphodiester bond ، ليتم التخلص من المزدوج cyclobutane pyrimidine المتكون بين قاعدتي البيريميدين وترجع تلك القاعدتين المتجاورتين إلى الحال الذي كانتا عليه قبل تعرضهما للأشعة فوق البنفسجية، وبهذه الطريقة يتم إصلاح الضرر.

أما في البشر ، يرتبط عدم قابلية إصلاح خلل الـ DNA بمتلازمات وراثية نادرة، كما في (xeroderma pigmentosum (XP ، فأن الأشخاص المصابين به يمتلكون حساسية مفرطة لإشعاع الأشعة فوق البنفسجية ultraviolet radiation وذلك لأنهم غير قادرين على إصلاح منتجات ضوئية معينة للـ DNA ناتجة من الإشعاع، حيث تتكون مناطق متضررة تشبه النمش عند تعرض جلودهم إلى أشعة الشمس (انظر الشكل 7)، و هنالك زيادة تقدر بألف مرة للإصابة بسرطان الجلد skin cancer لهؤلاء الأشخاص مقارنة بالأشخاص الطبيعيين. إن هذا الخلل في الإصلاح ينتج في زيادة في معدل الطفرة وهذا يؤدي إلى زيادة في الاستعداد للإصابة بسرطانات معينة.

تحدث آلية الاصلاح المعتمدة على التنشيط الضوئي في اللبان بتردد واطئ لذا فعند تضرر كلا شريطي الـ DNA، فان احتمال ظهور عواقب وخيمة لذلك وارد جداً. لذلك لا بد من وجود آلية أخرى تعنى بإصلاح الضرر في كلا الشريطين.

شكل (7) أعراض المريض المصاب بمتلازمة (Google image) xeroderma pigmentosum

(6) إصلاح الكسور المزدوجة الشريطbreakage repair  double stranded :

فيما سبق تم مناقشة الكسور الحادثة في شريط واحد من أشرطة الـ DNA وكيفية إصلاحها. وفي كل الآليات السالفة الذكر يتم استخدام الشريط السليم في إصلاح الشريط المتضرر. ولكن، ماذا يحصل إذا تضرر كلا شريطي الـ DNA في وقت واحد كما في التعرض للأشعة المتأينة ionizing radiation ، وبعض النواتج الأيضية في الخلية؟ وإذا تركت هذه الأضرار غير مصلحة، فإنها سوف تؤدى بسرعة إلى تكسر الكروموسومات إلى قطع اصغر.

هنالك آليتين متميزتين لإصلاح هذا النوع من الضرر .أسهل آلية قابلة لفهم تعرف بربط النهايات غير المتماثلة nonhomologous end-joining، والتي بواسطتها تتراصف النهايات المكسورة ويعاد ربطها ببعضها بواسطة عمليات لحم الـ DNA DNA ligation)). وبشكل عام، يؤدي ذلك إلى فقدان نيوكليوتيدة أو أكثر في موقع الربط (شكل A 8). إن آلية ربط النهايات end joining mechanism، والتي يمكن تصورها كحل طارئ لإصلاح الكسور مزدوجة الشريط هي آلية حل شائعة في خلايا اللبائن. وهنالك نوع أكثر كفاءة في إصلاح الكسر المزدوج الشريط يستغل حقيقة إن الخلايا diploid تحتوي على نسختين من كل حلزون مزدوج. يدعى مسلك الإصلاح الثاني بربط النهايات المتماثل homologous end joining. وهنا تستدعى آليات إعادة الارتباط العامة general recombination mechanisms لتقوم بنقل معلومات التسلسل النيوكليوتيدي من حلزون الـ DNA المزدوج الصحيح إلى مكان كسر حلزون الـ DNA المزدوج المكسور (شكل 8 B )

الشكل (8) آلية لحم كسور الـ DNA مزدوجة الشريط ( تصميم المؤلف ) .

يحتاج هكذا نوع من التفاعل بروتينات إعادة ارتباط خاصة والتي تميز مناطق ذات تسلسلات DNA متطابقة بين الكروموسومات وتربطهما مع بعضهما . ثم تستخدم عملية تضاعف الكروموسوم غير المتضرر كقالب لنقل المعلومات الوراثية للكروموسوم المكسور مصلحة إياه دون أي تغيير في تسلسله .

مواضيع ذات صلة

مفصل هوليدي Holliday junction

دور بروتين Rec A في عملية إعادة الارتباط العام

السرطان .. تراكم للطفرات

اصلاح الدنا DNA REPAIR

Enhancers

The Structure of Promoters

تأثيرات المطفرات الكيميائية على التسلسل النيوكليوتيدي

أنواع الطفرات

شفرات الإشارة Signal codons

تنظيم التعبير الجيني عند مستوى ما بعد الاستنساخ في حقيقية النواة

تنظيم التعبير الجيني عند مستوى الاستنساخ في الكائنات حقيقية النواة

FUNCTIONAL CHROMATIN DOMAINS