ОБЗОРЫ
УДК: 577.24
РЕПАРАЦИЯ ОБЪЕМНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ ДНК - ПРОИЗВОДНЫХ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ
© 2013 г. Л. В. Скосарева1'2, Н. А. Лебедева1, О. И. Лаврик1,2,3, Н. И. Речкунова1,2*
Геномная ДНК повреждается под действием различных факторов, оказывающих негативное влияние на организм человека, таких как повышенный уровень загрязнения окружающей среды, ультрафиолетовое и ионизирующее излучение, токсические вещества. Загрязнение воздуха продуктами неполного сгорания углеводородного топлива, а также отходы различных производств считаются основными источниками полициклических ароматических углеводородов — соединений, продукты метаболизма которых способны повреждать ДНК, образуя с ней объемные аддукты, что может привести к возникновению мутаций и некоторых форм рака. Эксцизионная репарация нуклеотидов — основной путь исправления таких повреждений в клетках эукариот. Эффективность вырезания поврежденных участков ДНК зависит от многих факторов, в том числе от структуры объемного заместителя и степени вносимой им дестабилизации в.двойную спираль ДНК. Наибольшую опасность для клетки представляют кластерные повреждения ДНК, для исправления которых необходима кооперация различных систем репарации ДНК. В обзоре рассмотрены особенности механизмов восстановления структуры ДНК с объемными повреждениями, как одиночными, так и в составе кластеров, на примере природного канцерогена бенз[а]пирена.
Ключевые слова: объемные повреждения ДНК, бенз[а]пирен, эксцизионная репарация нуклеотидов.
REPAIR OF BULKY DNA DAMAGES - DERIVATIVES OF POLYCYCLIC AROMATIC HYDROCARBONS by L. V. Skosareva1,2, N. A. Lebedeva1, O. I. Lavrik12 3, N. I. Rechkunova12 ^Institute of Chemical Biology and Fundamental Medicine, Siberian Division, Russian Academy of Sciences, Novosibirsk, 630090 Russia; *e-mail: nadyarec@niboch.nsc.ru; 2Novosibirsk State University, Novosibirsk, 630090 Russia; 3Altay State University, Barnaul, 656049 Russia). The genomic DNA is damaged under the influence of different environmental factors such as air pollutions, ultraviolet and ionizing radiation, and toxic substances that negatively impact on the humans. Air pollution by the products of incomplete combustion of hydrocarbon fuels and waste of various industries are main sources of polycyclic aromatic hydrocarbons. Some metabolites of these compounds can damage DNA through forming the bulky DNA adducts that potentially leads to mutagenesis and cancer. A nucleotide excision repair is the major pathway for the reparation of such DNA lesions in eukaryotic cells. The excision efficiency of bulky adducts depends on many factors including the structure of a substituent and degree of DNA double helix distortion induced by a lesion. The most danger for cell is clustered DNA lesions. To repair them the cooperation of different DNA repair systems is required in the process of damage recognition and removal. This review is focused on the features of repair mechanisms for DNA with bulky lesions appeared in the result of action of natural carcinogen ben-zo[a]pyrene as an example.
Keywords: bulky DNA lesions, benzo[a]pyrene, nucleotide excision repair.
Принятые сокращения: ПАУ — полициклические ароматические углеводороды; ЭРН — эксцизионная репарация нуклеотидов; ЭРО — эксцизионная репарация оснований; АР-сайт — апуриновый/апиримидиновый сайт; АРЕ1 (арипшс/аруп-т1(Ишс еш!опис1еа8е 1) — апуриновая/апиримидиновая эндонуклеаза 1; Б[а]Р — бенз[а]пирен; Б[с]РИ — бенз[с]фенан-трен; БРВЕ — бенз[а]пирен-7,8-диол-9,10-эпоксид; (!КР (деохуг1Ъо8ерИо8рИа1е) — дезоксирибозофосфатная группа; ХРС—КА023Б — фактор пигментной ксеродермы комплементационной группы С в комплексе с гомологом дрожжевого белка Ка(!23.
* Эл. почта: nadyarec@niboch.nsc.ru
1
■Новосибирский государственный университет, Новосибирск, 630090 3Алтайский государственный университет, Барнаул, 656049 Поступила в редакцию 20.03.2013 г. Принята к печати 22.04.2013 г.
DOI: 10.7868/S0026898413050182
731
3*
Неполное сгорание углеводородного топлива, а также отходы различных производственных предприятий представляют собой основные источники появления в окружающей среде полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) — обширного класса химических соединений, продукты метаболизма которых в организме человека способны образовывать ковалентные аддукты с ДНК. Наиболее известный представитель ПАУ — это бенз[я]пирен ^[я^), обладающий ярко выраженными цитоток-сическими, мутагенными и канцерогенными свойствами. После проникновения в организм млеко -питающих через кожу, органы дыхания, пищеварительный тракт и трансплацентарным путем Б[а]Р распределяется по печени, почкам и мочевому пузырю, при этом накапливаясь в этих органах. Печень содержит больше всего ферментов, которые необходимы для биоактивации Б[а]Р Кроме того, липофильная природа Б[а]Р способствует его распространению и накоплению в жировой ткани.
ДНК-аддукты Б[а]Р образуются чаще всего в организмах людей, работающих в угольной промышленности, и у жителей городов с неблагоприятной экологией. Кроме того, содержание Б[а]Р в некоторых пищевых продуктах, особенно в копченостях, табачном дыме, выхлопных газах, асфальте превышает установленную норму. Воздействие Б[а]Р приводит к развитию мутаций, изменению гормонального статуса, вызывает образование опухолей, иммунодепрес-сию, а также оказывает терратогенное влияние. Кроме генетических повреждений, вызванных действием Б[а]Р, выявлено и нарушение белок-белковых путей передачи сигналов [1, 2].
Из-за генотоксичности и способности образовывать ковалентные аддукты с ДНК производные Б[а]Р широко используются в качестве модели во многих исследованиях, направленных на изучение механизмов репарации объемных ДНК-ад-дуктов, возникающих под действием генотокси-кантов и трудно поддающихся репарации.
СТРУКТУРА ОБЪЕМНЫХ АДДУКТОВ ДНК С ПРОИЗВОДНЫМИ ПОЛИЦИКЛИЧЕСКИХ АРОМАТИЧЕСКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ
Гетероциклические амины, афлатоксины, ПАУ и ряд других соединений при попадании в организм подвергаются метаболической активации с образованием электрофильных производных, которые способны вступать в химические реакции с гетероциклическими основаниями ДНК. Экзоцик-лическая аминогруппа и ^-положение гуанина особенно чувствительны к атаке электрофиль-ного углерода таких соединений, и в этом случае преимущественно образуются С—М-связи. Независимо от позиции замещения, такой аддукт сильно нарушает комплементарное спаривание
оснований между цепями и, следовательно, структуру двойной спирали ДНК [3].
К ароматическим аминам относятся вещества, использующиеся в производстве анилиновых красителей и резиновой промышленности. Контакт с ними приводит к развитию рака мочевого пузыря у рабочих, занятых в указанных производствах. Один из представителей этой группы — 2-нафтиламин, химическая модификация которого происходит главным образом в печени.
ПАУ — большая группа соединений, состоящих из трех или более конденсированных ароматических колец, в которых определенные атомы углерода обобщены двумя или тремя кольцами. Кольца могут располагаться по прямой линии, под углом или в виде кластеров. Такие соединения встречаются в каменном угле, неочищенной нефти, бензине. Неполное сгорание органического материала, в том числе ископаемого топлива и табака, приводит к выделению таких веществ в окружающую среду [4]. К ПАУ относятся сотни соединений, которые привлекают к себе большое внимание, потому что многие из них канцерогенны, особенно те, которые содержат 4—6 ароматических колец. Известно, что эти соединения приобретают канцерогенную и мутагенную ативность только после того, как произойдет их активация, сопряженная с окислением [5, 6].
ПАУ стали первыми соединениями, канцеро-генность которых была доказана экспериментально в начале XX века, когда из каменноугольной смолы выделили бензантрацен, Б[а]Р, 7,12-диметилбензантрацен и другие соединения, содержащие конденсированные ароматические кольца. Гораздо раньше появились документальные свидетельства о корреляции между контактами людей с определенными веществами и развитием рака. Так, еще в 1775 г. сообщалось о том, что у трубочистов Лондона особенно часто встречается рак мошонки, и было сделано предположение, что это связано с их работой — постоянным контактом с каменноугольной смолой и сажей. Почти в то же время обнаружили взаимосвязь между употреблением нюхательного табака и раком носа, курением и раком губ или легких.
ПАУ поступают в организм человека в процессе дыхания, с приемом пищи и при контакте с кожей, затем они подвергаются химическим изменениям (в печени, почках, легких) и выделяются в желчь, мочу или грудное молоко (в меньшей степени запасаются в жировой ткани). Липо-фильность ПАУ позволяет им довольно быстро проникать в клеточные мембраны [7]. Дальнейший метаболизм превращает их в растворимые в воде соединения для последующего удаления из организма. Однако в процессе метаболизма ПАУ могут превращаться в токсичные или канцерогенные продукты. В результате химической акти-
Б[а]Р
О
Б[а]Р-7,8-эпоксид
НО
п-монооксигеназа
НО
ОН
+ДНК
ДНК
ДНК
НО,
НО"
ОН
падении (ВРБЕ-Л^-аА)
эпоксид-гидролаза
ОН Б[а]Р-7,8-дигидродиол
эпоксид-гидролаза
О
н2о
КН
А
N КН
НО
НО
ОН
Ж2-гуанин (BPDE-N2-dG)
Рис. 1. Метаболическая активация В[а]Р с образованием аддуктов с аденином или гуанином (BPDE- N -dA или BPDE-N2-dG соответственно).
вации ПАУ монооксигеназами, работающими при участии различных изоформ цитохрома Р45п, образуются эпоксиды, которые превращаются в диолы с помощью эпоксидгидролазы (рис. 1). Первичные или вторичные эпоксиды, обладая высокой реакционной способностью, ковал ент-но связываются с пуриновыми основаниями (особенно с гуанином) и формируют аддукты различной структуры [8]. В специальных исследованиях показано, что такие ДНК-аддукты блокируют репликативную активность ДНК-полимераз, способствуя повышению уровня повреждений ДНК [9].
Бенз[а]пирен — типичный пример объемного соединения, которое может участвовать в обмене веществ на разных стадиях, оказывая мутагенное действие на организм. Эт
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.