Фотохимические повреждения ДНК возникают под действием ультрафиолетового (УФ) излучения, преимущественно в диапазоне 200–320 нм, а также некоторых видимых длин волн при наличии фотосенсибилизаторов. Основными мишенями являются пуриновые и пиримидиновые основания, содержащие π-электронные системы, способные поглощать фотонную энергию. Поглощение фотона приводит к возбуждённым состояниям нуклеотидов, что способствует формированию реакционноспособных конфигураций, способных к ковалентному сшиванию соседних оснований.
1. Димеризация тимина (циклопиримидиновые димеры) Наиболее распространённый тип фотоповреждения — образование тиминовых димеров, особенно циклобутановых тимин-тиминовых димеров (CPD). Процесс включает переход электронов в возбужденное состояние, последующее образование ковалентных связей между C5–C6 соседних тиминов, что вызывает локальный изгиб и деформацию спирали ДНК. CPD нарушает комплементарное спаривание и блокирует репликацию и транскрипцию.
2. 6-4 фотопроизводные пиримидинов (6-4 PPs) Возникают при фотохимическом соединении C6 пиримидина с C4 соседнего пиримидина. Эти аддукты менее распространены, чем CPD, но обладают более выраженной структурной дестабилизирующей активностью. Они также служат мощными сигналами для клеточных механизмов репарации.
3. Фотопродукты, индуцированные фотосенсибилизаторами Некоторые органические и неорганические молекулы способны абсорбировать свет и передавать энергию ДНК, вызывая образование синглетного кислорода или радикалов. Эти активные формы кислорода индуцируют окислительные модификации оснований, разрывы цепей и ковалентные сшивки между цепями.
Повреждения ДНК приводят к:
Образование димеров происходит в фемтосекундной шкале, сразу после поглощения фотона. Вероятность образования зависит от длины волны, структуры ДНК, локальных последовательностей и наличия фотосенсибилизаторов. Показатели квантового выхода для CPD и 6-4 PPs различаются, что отражает разные механизмы перехода возбужденного состояния в химически активное состояние.
Фотохимические повреждения ДНК вызывают генетическую нестабильность, могут приводить к клеточной смерти (апоптозу) при накоплении повреждений или к канцерогенезу при ошибочной репарации. В клетках человека основным источником фотоповреждений является УФ-излучение солнечного спектра. Пигменты кожи, такие как меланин, частично поглощают УФ-энергию, уменьшая частоту димеризации.
Клетки используют несколько путей для исправления фотохимических повреждений:
Фотохимические повреждения ДНК являются фундаментальной проблемой в биологии рака, дерматологии и фотобиологии. Их изучение важно для разработки солнцезащитных средств, фототерапевтических подходов и антиканцерогенных стратегий. В биотехнологии они используются для индуцирования мутаций в микробах и растениях для селекции новых штаммов и сортов.