Czynniki powodujące zmiany struktury DNA

Molekuła DNA pod wpływem wewnętrznych napięć torsyjnych może ulegać zmianom związanym z lokalnym rozluźnianiem lub kondensacją struktury helisy. Tego typu napięcia mogą powstawać w wyników naturalnych procesów takich jak: replikacja, transkrypcja czy naprawa DNA. Helisa DNA może być również modyfikowana w procesach mutacji na skutek:

60

tranzycji, transwersji, insercji lub delecji zasad azotowych wewnątrz nici. Podczas tego typu procesów następuje zmiana sekwencji, konformacji jak i również długości helisy.

Na zmiany struktury DNA wpływają również warunki zewnętrzne, które można podzielić na czynniki fizyczne, chemiczne oraz biologiczne. Czynniki te oddziaływują bezpośrednio z DNA i mogą powodować modyfikacje w strukturze nukleotydów i zmiany w sekwencji zasad azotowych [223].

Czynniki fizyczne powodujące zmiany w strukturze DNA to między innymi promieniowanie X, α, β, γ, UV oraz hipertermia. Promieniowanie jonizujące powoduje zrywanie wiązań wodorowych, a w konsekwencji pękanie DNA oraz niszczenie zasad azotowych i łańcuchów cukrowo – fosforanowych. Uszkodzenia te następują poprzez wybijanie elektronów z cząsteczek kwasów nukleinowych. W następstwie tego występuje jonizacja i nagromadzenie reaktywnych form wolnych rodników inicjujących reakcje wolnorodnikowe uszkadzające DNA. Szacuje się, że po zadziałaniu na komórki promieniowaniem γ o wielkości dawki 1Gy dochodzi do powstania ok. 600 - 1000 pęknięć w ssDNA, 26-40 przerw w dsDNA i 250 uszkodzeń tyminy [224].

Kolejny rodzaj promieniowania wpływającego bezpośrednio na strukturę DNA to promieniowanie UV. Posiada ono znacznie niższą energię w stosunku do promieniowania jonizującego, jednak jest ono efektywnie pochłaniane przez cząsteczki materiału genetycznego.

Po ekspozycji DNA na promienie UV następuje tworzenie się dimerów pirymidynowych C-C i C-T oraz dimerów T-T pomiędzy atomami C5 i C6 jednej reszty pirymidynowej a atomami węgla drugiej pirymidyny. W wyniku tych działań powstaje pierścień cyklobutanowy, który powoduje odkształcenia w łańcuchu cukrowo-fosforanowym. W konsekwencji prowadzi to do delecji powstałego dimeru oraz lokalnego pękania i rozwijania się cząsteczki dsDNA.

Ostatnim fizycznym czynnikiem, powodującym zmiany w DNA jest wysoka temperatura. Lokalne nagrzewanie cząsteczek DNA powoduje zrywanie wiązań wodorowych pomiędzy zasadami azotowymi i w konsekwencji denaturację podwójnej nici DNA.

Hipertermia jest szeroko stosowana w terapiach przeciwnowotworowych poprawiając znacząco efekty działania radio- i chemioterapii. Synergiczne działanie tych terapii opiera się na mechanizmach hamowania mechanizmów naprawczych cząsteczek DNA powstałych po uszkodzeniach popromiennych. Wysoka temperatura wpływa również na indukcję degradacji białek towarzyszących, co wiąże się z hamowaniem naprawy DNA opartej na rekombinacji homologicznej pęknięć w dsDNA [225].

Czynniki chemiczne powodujące zmiany strukturalne wewnątrz cząsteczek DNA to związki chemiczne takie jak: kwasy, zasady, aminy (np.: hydroksyamina), analogi zasad

61

azotowych, związki alkilujące, barwniki akrydynowe, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne, a także reaktywne formy tlenu [226].

Przykładem kwasu powodującego mutacje w DNA jest kwas azotowy (III). Jego działanie polega na dezaminacji zasad azotowych. W wyniku dezaminacji powstają następujące zmiany: cytozyna - uracyl, guanina - ksantyna i adenina - hipoksantyna.

Do przedstawicieli związków alkilujących można zaliczyć między innymi dietylowe i etylometylowe sulfoniany, metylosulfoniany, etylonitrozomocznik i diepoksybutan.

Obecność w tych związkach grup metylowych powoduje alkilację zasad azotowych.

Największą podatnością na alkilację charakteryzują się kolejno: atom azotu N7 guaniny, atom N1 guaniny, N1 i N3 adeniny oraz N3 cytozyny. Pod wpływem działania tych związków obserwowane są liczne tranzycje i transwersje w obrębie nici DNA [227].

Kolejnym czynnikiem chemicznym są analogi zasad azotowych, czyli substancje strukturalnie podobne do zasad występujących w DNA, np. 2-aminopuryna i 5-bromouracyl.

Dzięki temu podobieństwu mogą być zamiennie wbudowywane w procesie replikacji do struktury DNA. W konsekwencji powodują mutacje na skutek niewłaściwego parowania zasad.

Duże znaczenie wśród czynników chemicznych mają również barwniki akrydynowe, które wnikają pomiędzy pary zasad azotowych w DNA powodując ich rozsunięcie. Do tej grupy możemy zaliczyć między innymi: oranż akrydyny, proflawinę oraz akryflawinę. Innego typu interkalującym barwnikiem jest bromek etydyny składający się z czterech pierścieni, stosowany powszechnie do wybarwiania DNA. Interkalacja tego typu barwników wywołuje deformacje w matrycy DNA, co prowadzi do błędów w replikacji a w rezultacie delecji lub insercji pojedynczych par nukleotydów.

Z kolei wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne takie jak benzopiren czy benzoantracen powodują tworzenie się adduktów z DNA. Związki te zaliczane są do promutagenów, czyli substancji ulegających przekształceniom metabolicznym w organizmie w aktywne formy – mutageny. Addukty z DNA tworzą także niektóre heterocykliczne aminy aromatyczne powstające podczas pirolizy aminokwasów.

Nie można zapomnieć również o dużym wpływie wolnych rodników obecnych w organizmie na zmiany w strukturze DNA. Główną formą rodnika powodującą uszkodzenia oksydacyjne cząsteczek DNA jest rodnik hydroksylowy. Jego elektrofilowy charakter powoduje dwa typy zmian: reakcję addycji z wiązaniami π zasad azotowych oraz dehydratację cząsteczek deoksyrybozy. Dodatkowo, generowanie reaktywnych rodników tlenowych może doprowadzić do powstawania wiązań poprzecznych między DNA a białkami towarzyszącymi.

62

Rodnik hydroksylowy może również reagować z pierścieniami deoksyrybozy, powodując oderwanie atomów wodoru związanych z cząsteczka cukru [228].

Zmiany w obrębie struktury DNA mogą wykazywać również niektóre leki takie jak:

cytostatyki, antybiotyki czy leki psychotropowe. Pod wpływem tych substancji następuje zerwanie wiązań wodorowych, pękanie zasad, zmiany konformacji oraz innego typu mutacje strukturalne.

Oprócz wymienionych powyżej czynników chemicznych i fizycznych na strukturę DNA mogą mieć również wpływ czynniki biologiczne. Czynnikami tego typu są najczęściej wirusy, wiroidy, bakterie i transpozony, których materiał genetyczny może zostać wbudowany w cząsteczkę kwasu nukleinowego w wyniku procesów transfekcji i transdukcji [229].