Mekanisme perbaikan DNA memperbaiki kerusakan pada materi genetik yang disebabkan oleh agen lingkungan, kesalahan replikasi, dan proses metabolisme normal. Tanpa sistem ini, laju mutasi akan ribuan kali lebih tinggi, dan ketidakstabilan genom akan menyebabkan kanker dan penyakit lainnya.
Jenis Kerusakan DNA
Kerusakan DNA berasal dari berbagai sumber. Kerusakan endogen termasuk depurinasi, di mana ikatan glikosidik antara basa dan deoksiribosa dihidrolisis, terjadi ribuan kali per sel per hari. Deaminasi mengubah sitosin menjadi urasil, dan kerusakan oksidatif dari spesies oksigen reaktif menghasilkan 8-oksoguanin dan basa termodifikasi lainnya. Kerusakan eksogen termasuk sinar ultraviolet yang menyebabkan dimer pirimidin siklobutana, radiasi pengion yang menyebabkan patahan untai tunggal dan ganda, serta agen kimia seperti agen pengalkilasi dan hidrokarbon aromatik polisiklik.
Perbaikan Eksisi Basa
Perbaikan eksisi basa memperbaiki lesi kecil yang tidak mendistorsi heliks seperti basa teroksidasi atau teralkilasi. DNA glikosilase mengenali dan menghilangkan basa yang rusak dengan membelah ikatan glikosidik, menciptakan situs abasik. AP endonuklease kemudian memotong tulang punggung di situs apurinik atau apirimidinik. DNA polimerase beta mengisi celah nukleotida tunggal, dan DNA ligase menutup celah. Proses ini dimulai oleh glikosilase spesifik-kerusakan, memberikan spesifisitas untuk berbagai jenis kerusakan basa. OGG1 mengenali 8-oksoguanin, dan UNG mengenali urasil dalam DNA.
Perbaikan Eksisi Nukleotida
Perbaikan eksisi nukleotida menghilangkan lesi besar yang mendistorsi heliks seperti dimer pirimidin dan adult kimia. Pada manusia, protein XPC mendeteksi distorsi, dan TFIIH membuka DNA di sekitar lesi. XPG dan XPF-ERCC1 membuat irisan di sisi 3-prime dan 5-prime dari lesi, menghilangkan oligonukleotida sepanjang 24 hingga 32 nukleotida. DNA polimerase delta atau epsilon mengisi celah, dan DNA ligase menutup celah. Defek pada protein NER menyebabkan xeroderma pigmentosum, gangguan genetik yang ditandai dengan sensitivitas ekstrem terhadap sinar matahari dan peningkatan risiko kanker kulit seribu kali lipat.
Perbaikan Ketidakcocokan
Perbaikan ketidakcocokan memperbaiki kesalahan replikasi DNA yang lolos dari koreksi bacaan, termasuk basa yang salah tergabung dan putaran insersi-delesi dari selip polimerase. Pada E. coli, MutS mengenali ketidakcocokan, MutL merekrut mesin perbaikan, dan MutH membuat takik pada untai yang baru disintesis di situs GATC hemimetilasi. Sistem eukariotik lebih kompleks, dengan beberapa homolog MutS dan MutL. MSH2-MSH6 mengenali ketidakcocokan basa dan putaran kecil, sementara MSH2-MSH3 mengenali putaran yang lebih besar. Defek pada perbaikan ketidakcocokan menyebabkan ketidakstabilan mikrosatelit dan bertanggung jawab atas sindrom Lynch, juga dikenal sebagai kanker kolorektal non-poliposis herediter.
Perbaikan Patahan Untai Ganda
Patahan untai ganda adalah jenis kerusakan DNA yang paling berbahaya, mampu menyebabkan penataan ulang kromosom dan kematian sel. Dua jalur utama memperbaiki DSB. Rekombinasi non-homolog langsung menyambungkan ujung yang patah tanpa memerlukan homologi sekuens. Jalur perbaikan ini dimanfaatkan oleh CRISPR-Cas9 untuk pengeditan genom. Heterodimer Ku70-Ku80 mengikat ujung yang patah dan merekrut DNA-PKcs, yang menyatukan ujung-ujung tersebut. Artemis memproses ujung yang rusak, dan DNA ligase IV menutup patahan. NHEJ rentan kesalahan dan dapat memperkenalkan delesi atau insersi kecil. NHEJ beroperasi di seluruh siklus sel dan merupakan jalur perbaikan DSB dominan pada sel mamalia.
Rekombinasi homolog menggunakan kromatid saudara sebagai templat untuk perbaikan yang akurat. Kompleks MRN mendeteksi DSB dan memulai reseksi ujung 5-prime, menghasilkan ekor untai tunggal 3-prime. RPA melapisi DNA untai tunggal, dan BRCA2 memuat RAD51 ke ekor, membentuk filamen nukleoprotein yang menginvasi DNA dupleks homolog. Sintesis DNA memanjang untai yang menginvasi, dan DNA yang diperbaiki diselesaikan dengan pembelahan persimpangan Holliday. HR terbatas pada fase S dan G2 ketika kromatid saudara tersedia. Defek pada gen HR, termasuk BRCA1 dan BRCA2, mempredisposisi kanker payudara dan ovarium.
Titik Periksa Kerusakan DNA
Titik periksa siklus sel mengoordinasikan perbaikan DNA dengan perkembangan siklus sel. Kinase ATM dan ATR adalah pengatur utama respons kerusakan DNA. ATM diaktifkan terutama oleh patahan untai ganda, sementara ATR merespons stres replikasi dan DNA untai tunggal. Kinase ini memfosforilasi CHK1 dan CHK2, yang kemudian memfosforilasi fosfatase CDC25 dan p53, menyebabkan penghentian siklus sel. Aktivasi p53 menginduksi ekspresi p21, yang menghambat kinase yang bergantung pada siklin dan menghentikan siklus sel, memberikan waktu untuk perbaikan atau memicu apoptosis jika kerusakan luas.
