7.7: Uszkodzenie DNA może zatrzymać cykl komórkowy

W odpowiedzi na uszkodzenie DNA komórki mogą wstrzymać cykl komórkowy, aby ocenić i naprawić pęknięcia. Jednakże komórka musi sprawdzać DNA na pewnych krytycznych etapach cyklu komórkowego. Jeśli cykl komórkowy zostanie zatrzymany przed replikacją DNA, komórki będą zawierać dwukrotnie większą ilość DNA. Z drugiej strony, jeśli komórki zatrzymają się po replikacji DNA, ale przed mitozą, będą zawierać czterokrotnie większą ilość DNA. Mając do dyspozycji szereg wyspecjalizowanych białek, komórki muszą wykorzystywać właściwe białka we właściwym czasie, aby zareagować na uszkodzenia w ściśle regulowanym cyklu komórkowym.

Stres replikacyjny wywołany uszkodzonym DNA inicjuje starannie zaplanowaną ścieżkę białek, które reagują na określony rodzaj uszkodzenia odpowiednim mechanizmem naprawczym. Na przykład promieniowanie jonizujące, które może powodować pęknięcia dwuniciowe w DNA, aktywuje białko ATM, które wprawia w ruch łańcuch interakcji molekularnych obejmujących mechanizmy naprawcze, takie jak łączenie niehomologicznych końców, naprawa homologiczna i ścieżka naprawy przez wycinanie nukleotydów. Kinazy takie jak ATM i ATR odpowiadają na bloki replikacji w dwóch odrębnych procesach, które działają w różnych skalach czasowych: (i) stosunkowo szybkie modyfikacje potranslacyjne, takie jak fosforylacja dalszych kinaz, ostatecznie prowadzące do hamowania fosfatazy CDC25 cyklu komórkowego wymaganej do aktywacji CDK (ii ) wolniejsze regulacje transkrypcji, z których najlepiej zbadana jest rola p53.

Białko p53 jest czynnikiem transkrypcyjnym, który może regulować ekspresję białek odgrywających kluczową rolę w zatrzymaniu cyklu komórkowego, apoptozie lub starzeniu się. W zdrowych komórkach p53 utrzymuje się w niskich stężeniach. Po wykryciu pęknięć dwuniciowych ATM aktywuje p53 poprzez fosforylację. Prowadzi to do ekspresji inhibitora CDK p21 i proapoptotycznych białek BAX i PUMA. p21 zatrzymuje cykl komórkowy poprzez hamowanie kompleksów cyklina-CDK, które fosforylują białka pośredniczące w przejściu fazowym G1 do S. Dlatego p53 ma kluczowe znaczenie dla mechanizmu punktu kontrolnego G1/S. W komórkach, w których p53 jest zmutowany lub nie występuje, podział komórek nie może być już regulowany, a taki niekontrolowany podział komórek powoduje powstawanie nowotworów złośliwych. Dodatkowo p53 może bezpośrednio aktywować szlaki naprawy, takie jak NER, poprzez regulację czynników, które pośredniczą w naprawie przez wycinanie nukleotydów i indukują syntezę dNTP.

At various checkpoints during the cell cycle, multiple enzymes probe the DNA for damage. To maintain the integrity of the genome, only intact, undamaged DNA is allowed to pass through this cycle, and on to the next generation. If DNA damage is detected, the cell cycle pauses until this is repaired. 

During DNA replication in the G1 phase, helicase unwinds the DNA, and DNA polymerase synthesizes a new strand from the template - creating a Y-shaped structure called a replication fork. Damaged DNA stalls the replication fork, causing it to become unstable, and the helicase and polymerase to uncouple from the DNA. 

To prevent the damaged single-stranded DNA from reannealing, replication protein A or RPA, coats the single-stranded DNA at the stalled replication fork. This complex is then detected by the ATR protein, also known as ataxia telangiectasia or Rad-3 related protein.

If the damaged DNA is not a single mutation but a full double strand break, a protein complex called MRN is recruited at the site, which bridges the two damaged ends of the DNA and provides a platform for binding of the ataxia-telangiectasia mutated, or ATM protein. 

Both ATM and ATR are kinases, which means they catalyze the transfer of phosphate groups from phosphate-donating molecules such as NTPs, to specific substrates.

ATR and ATM phosphorylate the downstream kinases Chk1 and Chk2, respectively. Chk1 and Chk2 phosphorylate CDC25, which prevents it from accepting further phosphates from CDK1. CDK1 is the regulator of the cell cycle, and as long as it remains inactive, this prevents the cell from progressing to the S phase.

Another target of ATR and ATM phosphorylation is the transcription activator protein p53. Phosphorylated p53 can directly bind to DNA, which stimulates another gene to produce a protein called p21. p21 inhibits the cell division-stimulating protein cdk2, preventing the cell from progressing to the next stage of cell division.