1. Quang tái hoạt hóa

Sửa chữa trực tiếp bằng quang tái hoạt hóa (photoreactivation) ít khi gặp, nó bao gồm sự phục hồi hoặc loại bỏ đơn giản các sai hỏng và quá trình này xảy ra ở ngoài sáng. Quang tái hoạt hóa của các pyrimidine dimers, trong đó tạo cơ hội cho các liên kết cộng hóa trị được phục hồi nhờ enzyme phụ thuộc ánh sáng (light-dependent enzyme), là một ví dụ điển hình (Hình 7.2). Hệ thống sửa chữa này phổ biến trong tự nhiên, và đặc biệt quan trọng ở thực vật. Trong E. coli, nó phụ thuộc vào sản phẩm của một gen đơn (phr) mã hóa cho một enzyme được gọi là photolyase.

Sau khi xử lý tia tử ngoại gây đột biến, nếu đưa ra ánh sáng thì phần lớn sai hỏng được phục hồi. Hiện tượng này được gọi là quang tái hoạt hóa. Năng lượng của ánh sáng khả kiến (từ 300 đến 600 nm) hoạt hóa photolyase (gen phr ở E. coli) cắt các vòng cyclobutyl pyrimidine dimer (thường là thymine dimer).

Enzyme này hoạt động trong các tế bào ở nhiều loài khác nhau. Vào ban ngày, các sinh vật thường chịu tác động của ánh sáng, nên cơ chế quang tái hoạt hóa (quang phục hồi) có vai trò quan trọng trong sửa sai DNA.

2. Sửa chữa ghép đôi lệch

Sửa chữa ghép đôi lệch (mismatch-repair) giữa các sợi DNA là một trong những mục tiêu chính của hệ thống sửa sai. Sửa chữa ghép đôi lệch được tiến hành khi phát hiện trên DNA các base nằm cạnh nhau mà không bắt cặp thích hợp. Các ghép đôi lệch tăng lên trong suốt quá trình tái bản được sửa chữa bằng cách phân biệt giữa các sợi cũ và mới và được ưu tiên sửa chữa trình tự của các sợi được tổng hợp mới (Hình 7.3). Ghép đôi lệch được tạo ra bởi các biến đổi base, là một kết quả của sự khử amine (deamination).

Ghép đôi lệch thường được sửa sai bằng phương thức sửa chữa cắt bỏ, được khởi đầu bằng một enzyme nhận biết một base sai hỏng thực sự hoặc có sự thay đổi chiều hướng không gian (spatial path) của DNA.

Sự nhận biết và sửa chữa các sai lệch do bắt cặp base sai trên DNA được phát hiện ở E. coli, nấm men và tế bào động vật có vú. Ở vi khuẩn E. coli, có ba hệ thống enzyme khác nhau được sử dụng để sửa chữa các sai lệch bằng cách:

- Loại bỏ chỗ sai trong tái bản (errors in replication).

- Loại bỏ ghép đôi lệch bên trong các đoạn trung gian của tái tổ hợp (mismatch within recombinant intermediates).

- Loại bỏ thymine của cặp GT trong trường hợp 5-methylcytosine bị mất nhóm amine (NH2) thành thymine.

3. Sửa chữa cắt bỏ

Có hai loại hệ thống sửa chữa cắt bỏ, đó là:

- Hệ thống sửa chữa cắt bỏ base (base excision repair) loại bỏ trực tiếp base sai hỏng và thay thế nó trong DNA. Ví dụ điển hình là enzyme DNA uracil glycolase, loại các uracil không được bắt cặp (mispaired) với các guanine.

- Hệ thống sửa chữa cắt bỏ nucleotide (nucleotide excision repair) cắt bỏ một trình tự bao gồm các base sai hỏng; sau đó một đoạn DNA mới được tổng hợp để thay thế các nguyên liệu bị cắt bỏ. Các hệ thống này phổ biến ở hầu hết sinh vật.

3.1. Cắt bỏ base

Việc loại bỏ chỗ sai được thực hiện nhờ một hoặc vài enzyme N-glycosylase. N-glycosylase nhận biết base biến đổi hay mất gốc amine hoặc biến dạng cấu trúc xoắn do sai lệch tạo ra và thủy phân liên kết N-glycosylic giữa base với đường với pentose. Lỗ hổng vừa được tạo ra do cắt bỏ được DNA polymerase làm đầy lại dựa vào khuôn mẫu bổ sung đối diện và ligase nối liền chúng

3.2. Cắt bỏ nucleotide

Việc cắt bỏ một vùng có nhiều thymine dimer (do UV) hoặc vùng liên kết chéo giữa các sợi, được thực hiện nhờ incision nuclease (nuclease tạo khấc trên DNA) như phức hợp Uvr ABC của E. coli, phức hợp này cắt các đoạn 12-13 nucleotide từ một sợi DNA. Sự thủy phân được thực hiện ở liên kết phosphodiester thứ tám ở đầu 5’ đến chỗ hỏng và ở phía 3’ là liên kết thứ tư hay năm.

Cấu trúc sợi kép bổ sung cho nhau của DNA cho phép, nếu thông tin bị mất do cắt bỏ sai hỏng trên một sợi có thể chép lại được nhờ dựa vào sợi đơn bổ sung kia. Tuy nhiên, một số sai hỏng liên quan cùng lúc cả hai sợi cũng có thể được sửa chữa nhờ vào một đoạn nucleotide tương đồng tồn tại đâu đó trong genome. Sự mất đoạn hay xen đoạn nucleotide, hay liên kết chéo giữa các sợi DNA có thể được phục hồi nhờ sự thay thế đoạn tương ứng bằng tái tổ hợp. Thậm chí sự đứt đôi cả hai sợi cùng chỗ, được coi là nặng nhất trong các sai hỏng, có thể được gắn liền lại nhờ ligase hay tái tổ hợp (Hình 7.5).

4. Đọc sửa đối với các base bắt cặp sai

Cơ chế đọc sửa đối với các base bắt cặp sai (proofreading for base-pair matching) được thực hiện trong tái bản DNA. Sự bắt cặp cẩn thận của DNA polymerase đảm bảo cho sự chính xác của tái bản. Trước khi thực hiện phản ứng polymer hóa nối với nucleotide, nucleotide triphosphate mới phải bắt cặp với base bổ sung trên sợi khuôn mẫu. Nếu sự bắt cặp sai xảy ra, DNA polymerase sẽ loại bỏ nucleotide bắt cặp sai.

5. Các hệ thống sửa chữa tái tổ hợp

Các vị trí có sự sai hỏng, xảy ra trong một phân tử con (daughter molecule), sẽ được phục hồi nhờ sự tái tổ hợp để thu được một bản sao khác của trình tự từ một nguồn không bị sai hỏng. Bản sao này sau đó được dùng để sửa chữa lỗ hổng (gap) trên sợi bị hỏng.

Khi DNA polymerase gặp thymine dimer hay một số sai lệch khác trên sợi DNA khuôn mẫu, có hai khả năng xảy ra:

- Polymerase lấp dần lỗ hổng bằng tái bản không theo khuôn mẫu do tái tổ hợp và vượt qua chỗ sai.

- Polymerase dừng lại và huy động khoảng 1.000 nucleotide phía dưới (downstream); chỗ trống gián đoạn được lấp đầy với sợi bổ sung từ sợi đôi chị em (sister duplex) do tái tổ hợp.

Trong cả hai trường hợp, chỗ sai lệch vẫn còn và được cắt bỏ sau đó bởi sửa sai trực tiếp hay cắt bỏ.

6. Hệ thống SOS

Hệ thống SOS (chứa khoảng 30 gen không liên kết và thường bị ức chế bởi protein LexA) sẽ hoạt động khi tế bào bị các tác nhân gây đột biến tạo nhiều sai hỏng trên DNA. Trong trường hợp DNA bị hỏng ngừng tái bản, phản ứng SOS sẽ phục hồi tái bản bằng phương thức tái bản “error-prone”.

Ở vi khuẩn E. coli người ta đã quan sát thấy sự phá hủy DNA làm mở ra khoảng 20 gen của hệ thống SOS, được kiểm soát âm bởi chất ức chế LexA (LexA repressor).

Trong trường hợp có nhiều sai hỏng cần cấp cứu, LexA bị kích thích, thay đổi cấu hình, tự cắt và mất hoạt tính ức chế. Lúc đó các gen của hệ thống SOS được mở ra. Nếu quá trình sửa sai thực hiện không kịp thì tế bào phải chấp nhận hoặc bị đột biến hoặc chết.

Protein RecA khởi động hệ thống SOS như sau:

- Hộp SOS là trình tự DNA (operator) dài khoảng 20 bp được nhận biết bởi protein của chất ức chế LexA.

- Sai hỏng của DNA làm cho RecA khởi động phản ứng SOS, chứa các gen mã hóa cho nhiều enzyme sửa chữa.

- RecA hoạt hóa hoạt tính tự phân giải tự của LexA.

- LexA ngăn chặn hệ thống SOS, nhưng phản ứng tự phân giải của nó đã hoạt hóa các gen của hệ thống này.

6.1. Sửa chữa theo cơ chế “error-prone”

Phân tử DNA có thể bị sai hỏng nặng nề khi bị chiếu tia tử ngoại hoặc khi chịu tác động của các tác nhân gây ung thư (carcinogens). Lúc đó, không phải chỉ một sợi đơn DNA bị hỏng mà cả hai sợi đều bị đứt gãy và mất đi một số nucleotide. Thông tin di truyền của đoạn hỏng bị mất hoàn toàn nên không có sợi khuôn mẫu để sửa chữa theo các cơ chế thông thường. Trong trường hợp này, tế bào còn lại một giải pháp duy nhất để tăng khả năng sống sót đó là sửa chữa DNA một cách ngẫu nhiên với tỷ lệ sai sót (đột biến) cao nhưng dù sao vẫn duy trì được sự sống. Đây chính là cơ chế sửa chữa DNA “error-prone” (còn được xem như là sự phát sinh đột biến SOS). Như vậy, sửa chữa DNA theo cơ chế này cũng là một trong những nguyên nhân tạo nên tính đa dạng của DNA.

Khi phân tử DNA bị đột biến, một số protein đặc biệt sẽ làm nhiệm vụ dừng quá trình tổng hợp DNA để sửa chữa theo các cơ chế khác nhau. Bởi vì nếu tế bào tiếp tục phân chia (tức là DNA tiếp tục được nhân lên) thì tỷ lệ đột biến cao sẽ xuất hiện khiến số tế bào sống sót giảm xuống.

Một số trường hợp sai hỏng được sửa chữa bằng cơ chế error-prone:

- DNA kết hợp với các base không bổ sung trên sợi con (bắt cặp sai).

- DNA bị sai hỏng không được sửa chữa do DNA polymerase III bị giữ lại trong suốt quá trình tái bản.

DNA polymerase V (được mã hóa bởi gen umuD và umuC của E. coli), hoặc DNA polymerase IV (được mã hóa bởi gen dinB của E. coli) được cảm ứng trong hệ thống SOS, để tổng hợp một đoạn bổ sung cho sợi DNA bị hỏng. DNA polymerase V là một phức hợp chứa hai protein tiểu đơn vị UmuD’ và một protein tiểu đơn vị UmuC (Trong quá trình sửa chữa “error-prone”, protein RecA, hoạt động như một co-protease, gián tiếp tự xúc tác cắt protein UmuD thành một đoạn có hoạt tính, UmuD’). DNA polymerase IV và V là một phần của một họ lớn, bao gồm các DNA polymerase là những enzyme cần thiết trong sửa chữa DNA bị sai hỏng do chúng có hoạt tính polymerase.

Các protein tiểu đơn vị UmuD (thực tế là UmuD’) và UmuC có khả năng gắn các nucleotide vào sợi DNA bất chấp không tồn tại sợi khuôn mẫu. Như vậy, chúng có thể ức chế hoạt tính tự sửa exonuclease 3’5’ của DNA polymerase hoặc chính chúng là một loại DNA polymerase đặc biệt (DNA polymerase V). Khi đột biến xảy ra trên gen mã hóa cho UmuD và UmuC, các tế bào vi khuẩn sẽ sống sót ít hơn tế bào bình thường dưới tác dụng của tia tử ngoại. Một vài plasmid mang gen mucA và mucB, tương đồng với gen umuD và gen umuC, khi được đưa vào trong vi khuẩn sẽ làm tăng tính kháng với tia tử ngoại. Ngoài ra, khi cả hai sợi đơn DNA đều chịu đột biến nhưng nếu trong genome còn có ít nhất một bản sao giống hệt đoạn bị hỏng, lúc đó đoạn bị hỏng có thể được phục hồi nhờ cơ chế trao đổi chéo dùng bản sao làm khuôn mẫu.

6.2. Protein LexA

Hoạt tính của RecA gây ra sự phân giải sản phẩm protein của gen lexA. LexA là một protein nhỏ (22 kDa) khá ổn định trong các tế bào không bị xử lý, nơi nó có chức năng như một chất ức chế ở nhiều operon. Phản ứng phân giải là không thường xuyên; LexA có hoạt tính protease muộn được hoạt hóa bởi RecA. Khi RecA được hoạt hóa, nó sẽ gây ra phản ứng tự phân giải của LexA làm bất hoạt chức năng ức chế của LexA, và cảm ứng phối hợp tất cả operon mà nó được liên kết. Phương thức này được minh họa ở hình 7.7.

Các gen đích của protein ức chế LexA có nhiều chức năng sửa chữa. Một số gen SOS này chỉ hoạt động ở các tế bào bị xử lý. Những gen khác hoạt động ở các tế bào không bị xử lý, nhưng mức độ biểu hiện được tăng lên nhờ sự phân giải của LexA. Sau khi phân giải LexA, gen có thể được biểu hiện từ promoter thứ hai giống như promoter đầu tiên.

Protein LexA ức chế các gen đích của nó bằng cách liên kết với một đoạn DNA dài 20 bp được gọi là hộp SOS, bao gồm một trình tự liên ứng (consensus sequence: 5’-CTGTN8ACAG-3’) với 8 vị trí bảo toàn tuyệt đối (N8). Giống như các operator khác, các hộp SOS xếp chồng lên các promoter tương ứng. Ở locus lexA, đối tượng của sự ức chế tự sinh, có hai hộp SOS ở cạnh nhau.

6.3. Protein RecA

Sự cuộn lại trực tiếp của protein RecA trong sửa chữa-tái tổ hợp chỉ là một trong những hoạt tính của nó. Nó có thể được hoạt hóa bởi các xử lý làm sai hỏng DNA hoặc ức chế sự tái bản trong E. coli. Điều này giúp nó khởi động một chuỗi phức tạp những thay đổi kiểu hình được gọi là phản ứng SOS, yếu tố cần thiết cho sự biểu hiện của nhiều gen mà các sản phẩm của chúng có các chức năng sửa chữa. Các hoạt tính kép này của protein RecA làm cho người ta không biết rõ sự thiếu hụt trong sửa chữa ở các tế bào đột biến recA là do mất chức năng trao đổi sợi DNA của RecA hay là do một vài chức năng khác mà sự cảm ứng của nó phụ thuộc vào hoạt tính protease.

Sự sai hỏng xuất hiện có thể do chiếu tia UV (hầu hết trong các trường hợp nghiên cứu) hoặc do các nhân tố liên kết chéo hoặc sự alkyl hóa (alkylation). Sự ức chế tái bản do một số phương thức như thiếu hụt (deprivation) thymine, bổ sung thêm thuốc, hoặc các đột biến trong một số gen dna, có cùng hiệu quả.

Đầu tiên là hoạt hóa RecA bằng xử lý sai hỏng. Chúng ta không biết nhiều về mối quan hệ giữa sự sai hỏng và sự thay đổi đột ngột trong hoạt tính RecA. Một biến động của các trường hợp sai hỏng có thể cảm ứng phản ứng SOS. Hiện nay, người ta thiên về ý kiến cho rằng RecA được hoạt hóa bởi một số chất trung gian trong chuyển hóa DNA.

Tín hiệu cảm ứng có thể chứa một phân tử nhỏ được phóng thích từ DNA; hoặc nó có thể là một vài cấu trúc được tạo thành trong chính DNA. Ở điều kiện in vitro, hoạt tính của RecA đòi hỏi sự có mặt của DNA sợi đơn và ATP. Vì thế, một vài tín hiệu có thể hiện diện ở vùng sợi đơn ở một vị trí sai hỏng. Sự tương tác của nó với RecA là nhanh: phản ứng SOS xảy ra trong một vài phút xử lý sai hỏng.

Tóm lại. RecA và LexA là các mục tiêu chung trong hộp SOS: RecA khởi động sự phân giải của LexA, nhân tố ức chế recA và chính nó. Vì thế, phản ứng SOS tạo ra sự khuếch đại của cả hai protein RecA và chất ức chế LexA. Kết quả là không còn mâu thuẫn như lúc đầu nữa.

Việc tăng mức độ biểu hiện của protein RecA cần thiết cho vai trò trực tiếp của nó trong các phương thức sửa chữa-tái tổ hợp. Về sự cảm ứng, nồng độ của RecA được tăng lên 50 lần so với nồng độ ban đầu của nó khoảng 1.200 phân tử/tế bào. Nồng độ cao ở các tế bào được cảm ứng có nghĩa là có đủ RecA để đảm bảo rằng tất cả protein LexA bị phân giải.