Poškození DNA je změna v chemické struktuře DNA, jako je přerušení vlákna DNA, báze chybějící na páteři DNA nebo chemicky změněná báze, jako je 8-OHdG. Poškození DNA, ke kterému dochází přirozeně, může být důsledkem metabolických nebo hydrolytických procesů. Metabolismus uvolňuje sloučeniny, které poškozují DNA, včetně reaktivních druhů kyslíku, reaktivních druhů dusíku, reaktivních druhů karbonylů, produktů peroxidace lipidů a alkylačních činidel, mimo jiné, zatímco hydrolýza štěpí chemické vazby v DNA. Přirozeně se vyskytující poškození DNA vznikají asi 10 000 až 100 000 krát denně na savčí buňku.
Poškození DNA se výrazně liší od mutace, i když v obou případech jde o typ chyby v DNA. Poškození DNA je abnormální chemická struktura v DNA, zatímco mutace je změna pořadí párů standardních bází.
Poškození a mutace DNA mají různé biologické důsledky. Zatímco většina poškození DNA může projít opravou DNA, taková oprava není 100% účinná. Neopravená poškození DNA se hromadí v nereplikujících se buňkách, jako jsou buňky v mozku nebo svalech dospělých savců, a mohou způsobit stárnutí. (Viz také teorie poškození DNA stárnutím.) V replikujících se buňkách, jako jsou buňky lemující tlusté střevo, dochází k chybám při replikaci dřívějších poškození vzorového řetězce DNA nebo při opravě poškození DNA. Tyto chyby mohou vést ke vzniku mutací nebo epigenetických změn. Oba tyto typy změn mohou být replikovány a přeneseny na další generace buněk. Tyto změny mohou změnit funkci genu nebo regulaci genové exprese a případně přispět k progresi rakoviny.
Poškození DNA jsou hlavním problémem pro život
Jedním z náznaků, že poškození DNA je velkým problémem pro život, je, že procesy opravy DNA, aby se vyrovnaly s všudypřítomně se vyskytujícími poškozeními DNA, byly nalezeny u všech buněčných organismů, u kterých byla oprava DNA zkoumána. Například u bakterií byla u mnoha druhů bakterií nalezena regulační síť zaměřená na opravu poškození DNA (nazývaná reakce SOS u Escherichia coli). E. coli RecA, klíčový enzym v dráze odezvy SOS, je definujícím členem všudypřítomné třídy proteinů výměny řetězce DNA, které jsou nezbytné pro homologickou rekombinaci, dráhy, která udržuje genomovou integritu opravou porušené DNA. Geny homologní k RecA a dalším centrálním genům v dráze odezvy SOS se nacházejí téměř ve všech dosud sekvenovaných bakteriálních genomech, pokrývajících velké množství fyl, což naznačuje jak starověký původ, tak rozšířený výskyt rekombinantní opravy poškození DNA. Eukaryotické rekombinanty, které jsou homology RecA, jsou rozšířeny také v eukaryotických organismech. Například u štěpných kvasinek a lidí podporují homology RecA duplex-duplex výměnu DNA-vláken potřebnou pro opravu mnoha typů DNA lézí.
Další známkou toho, že poškození DNA je velkým problémem pro život, je skutečnost, že buňky investují velké částky do procesů opravy DNA. Jak upozornil Hoeijmakers, oprava pouze jednoho dvouvláknového zlomu by mohla vyžadovat více než 10 000 molekul ATP, které se používají při signalizaci přítomnosti poškození, vzniku opravných ohnisek a vzniku (u lidí) nukleofilamentu RAD51 (meziprodukt v homologní rekombinantní opravě). (RAD51 je homolog bakteriální RecA.)
Frekvence poškození endogenní DNA
Níže uvedený seznam ukazuje některé frekvence, se kterými vznikají nové přirozeně se vyskytující poškození DNA za den, v důsledku endogenních buněčných procesů.
Dalším významným endogenním poškozením DNA je M1dG, zkratka pro (3-(2′-deoxy-beta-D-erythro-pentofuranosyl)-pyrimido[1,2-a]-purin-10(3H)-on). Vylučování M1dG močí (pravděpodobně odrážející míru výskytu) může být až tisíckrát nižší než u 8-oxodG. Důležitějším měřítkem však může být ustálený stav v DNA, odrážející jak rychlost výskytu, tak rychlost opravy DNA. Ustálený stav M1dG je vyšší než u 8-oxodG. To poukazuje na to, že některá poškození DNA vznikající v nízké míře mohou být obtížně opravitelná a zůstávají v DNA na vysoké úrovni ustáleného stavu. M1dG i 8-oxodG jsou mutagenní.
Úrovně poškození DNA v ustáleném stavu
Rovnováha poškození DNA v ustáleném stavu představuje rovnováhu mezi vznikem a opravou. Bylo popsáno více než 100 typů oxidativního poškození DNA a 8-oxodG představuje asi 5% oxidativního poškození DNA v ustáleném stavu. Helbock a kol. odhadli, že u mladých potkanů bylo 24 000 oxidativních adiktů DNA v ustáleném stavu na buňku a u starých potkanů 66 000 adiktů na buňku. To odráží hromadění poškození DNA s věkem. Hromadění poškození DNA s věkem je dále popsáno v teorii poškození DNA stárnutím.
Swenberg a kol. měřili průměrné množství vybraných endogenních poškození DNA v ustáleném stavu v savčích buňkách. Sedm nejčastějších poškození, která hodnotili, je uvedeno v Tabulce 1.
Nakamura a Swenberg vyhodnotili poškození specifických tkání potkana v ustáleném stavu a uvedli, že počet abasických míst se pohyboval od přibližně 50 000 na buňku v játrech, ledvinách a plicích až po přibližně 200 000 na buňku v mozku.
Důsledky přirozeně se vyskytujících poškození DNA
Diferencované somatické buňky dospělých savců se zpravidla replikují zřídka nebo vůbec. Takové buňky, včetně například mozkových neuronů a svalových myocytů, mají jen malou nebo žádnou buněčnou fluktuaci. Nekopírující se buňky zpravidla nevytvářejí mutace v důsledku chyb replikace způsobených poškozením DNA. Tyto nekopírující se buňky zpravidla nevyvolávají rakovinu, ale s časem hromadí poškození DNA, která pravděpodobně přispívají ke stárnutí (viz teorie poškození DNA stárnutím). V nekopírující se buňce může jednovláknové přerušení nebo jiný typ poškození transkribovaného řetězce DNA zablokovat transkripci katalyzovanou RNA polymerázou II. To by narušilo syntézu proteinu kódovaného genem, ve kterém k zablokování došlo.
Brasnjevic a kol. shrnuli důkazy, které ukazují, že jednovláknové zlomy se v mozku hromadí s věkem (ačkoliv se jejich hromadění v různých oblastech mozku lišilo) a že jednovláknové zlomy jsou nejčastějším poškozením DNA v ustáleném stavu v mozku. Jak bylo uvedeno výše, dalo by se očekávat, že tyto nahromaděné jednovláknové zlomy zablokují transkripci genů. V souladu s tím, jak bylo přezkoumáno Hetmanem a kol., bylo identifikováno 182 genů, u nichž bylo prokázáno, že mají sníženou transkripci v mozku jedinců starších 72 let, ve srovnání s transkripcí v mozku jedinců mladších 43 let. Když bylo ve svalu potkanů hodnoceno 40 konkrétních proteinů, většina proteinů vykazovala významný pokles během stárnutí od 18 měsíců (zralý potkan) do 30 měsíců (starý potkan) věku.
Ukázalo se, že další typ poškození DNA, dvouvláknové přerušení, způsobuje buněčnou smrt (ztrátu buněk) prostřednictvím apoptózy. Tento typ poškození DNA by se s věkem nehromadil, protože jakmile by se buňka ztratila prostřednictvím apoptózy, její dvouvláknové poškození by se ztratilo s ní.