8-Oxo-2'-desoxyguanosin - 8-Oxo-2'-deoxyguanosine

8-Oxo-2'-desoxyguanosin
8-Oxo-2'-desoxyguanosin.svg
Namen
IUPAC-Name
2-Amino-9 - [(2 R , 4 S , 5 R ) -4-hydroxy-5- (hydroxymethyl) oxolan-2-yl] -3,7-dihydropurin-6,8-dion
Andere Namen
7,8-Dihydro-8-oxo-2'-desoxyguanosin; 7,8-Dihydro-8-oxodesoxyguanosin; 8-Hydroxy-2'-desoxyguanosin; 8-Hydroxydesoxyguanosin; 8-Oxo-2'-desoxyguanosin; 8-Oxo-7,8-dihydro-2'-desoxyguanosin; 8-Oxo-7,8-dihydrodesoxyguanosin; 8-Oxo-dG; 8-OH-dG
Identifikatoren
3D-Modell ( JSmol )
ChEBI
ChemSpider
UNII
  • InChI=1S/C10H13N5O5/c11-9-13-7-6(8(18)14-9)12-10(19)15(7)5-1-3(17)4(2-16)20- 5/h3-5,16-17H,1-2H2,(H,12,19)(H3,11,13,14,18)/t3-,4+,5+/m0/s1 prüfenJa
    Schlüssel: HCAJQHYUCKICQH-VPENINKCSA-N prüfenJa
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    Schlüssel: HCAJQHYUCKICQH-VPENINKCBS
  • C1[C@@H]([C@H](O[C@H]1N2C3=C(C(=O)N=C(N3)N)NC2=O)CO)O
  • C1[C@@H]([C@H](O[C@H]1n2c3c(c(=O)nc([nH]3)N)[nH]c2=O)CO)O
Eigenschaften
C 10 H 13 N 5 O 5
Molmasse 283,24 g/mol
Sofern nicht anders angegeben, beziehen sich die Daten auf Materialien im Standardzustand (bei 25 °C [77 °F], 100 kPa).
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Infobox-Referenzen

8-Oxo-2'-desoxyguanosin ( 8-oxo-dG ) ist ein oxidiertes Derivat von Desoxyguanosin . 8-Oxo-dG ist eines der Hauptprodukte der DNA-Oxidation . Die Konzentrationen von 8-oxo-dG innerhalb einer Zelle sind ein Maß für oxidativen Stress .

In DNA

Kolonepithel von einer Maus, die keine Kolontumorogenese durchmacht (A), und einer Maus, die einer Kolontumorogenese unterzogen wird (B). Zellkerne werden mit Hämatoxylin (für Nukleinsäure) dunkelblau gefärbt und für 8-Oxo-dG immungefärbt. Der Gehalt an 8-oxo-dG wurde in den Kernen von Kolonkryptzellen auf einer Skala von 0-4 bewertet. Mäuse, die sich keiner Tumorentstehung unterzogen, hatten Krypta 8-oxo-dG auf den Stufen 0 bis 2 (Tafel A zeigt Stufe 1), während Mäuse, die zu Dickdarmtumoren fortschreiten, 8-oxo-dG in den Dickdarmkrypten auf den Stufen 3 bis 4 aufwiesen (Tafel B zeigt Stufe 4) Die Tumorgenese wurde durch Zugabe von Desoxycholat zu der Mausdiät induziert, um einen Desoxycholatspiegel im Mäusekolon ähnlich dem Spiegel im Dickdarm von Menschen mit einer fettreichen Diät zu ergeben. Die Bilder wurden von Original-Mikrophotographien gemacht.

Steady-State-Niveaus von DNA-Schäden stellen das Gleichgewicht zwischen Bildung und Reparatur dar. Swenberget al. gemessenen durchschnittlichen Häufigkeiten von endogenen DNA-Schäden im Steady-State in Säugerzellen. Die häufigste oxidative DNA-Schädigung, die normalerweise in der DNA vorhanden ist, ist 8-oxo-dG, die mit einer durchschnittlichen Häufigkeit von 2.400 pro Zelle auftritt.

Wenn 8-Oxo-dG durch ein DNA-schädigendes Mittel induziert wird, wird es schnell repariert. Zum Beispiel war 8-oxo-dG in der Leber von Mäusen, die ionisierender Strahlung ausgesetzt waren, um das 10-fache erhöht, aber das überschüssige 8-oxo-dG wurde mit einer Halbwertszeit von 11 Minuten schnell entfernt.

Wie von Valavanidis et al. ein erhöhter 8-oxo-dG-Spiegel in einem Gewebe kann als Biomarker für oxidativen Stress dienen. Sie stellten auch fest, dass während der Karzinogenese häufig erhöhte 8-Oxo-dG-Spiegel gefunden werden.

In der in diesem Abschnitt gezeigten Abbildung weist das Dickdarmepithel einer Maus mit normaler Ernährung einen niedrigen 8-Oxo-dG-Spiegel in seinen Dickdarmkrypten auf (Bild A). Jedoch weist eine Maus, die wahrscheinlich eine Dickdarmtumorentstehung durchmacht (aufgrund von zu ihrer Nahrung hinzugefügtem Desoxycholat ), einen hohen 8-Oxo-dG-Spiegel in ihrem Dickdarmepithel auf (Bild B). Desoxycholat erhöht die intrazelluläre Produktion von reaktivem Sauerstoff, was zu erhöhtem oxidativem Stress führt, was zu Tumorentstehung und Karzinogenese führt. Von 22 Mäusen, die die mit Desoxycholat ergänzte Diät erhielten , entwickelten 20 (91%) nach 10 Monaten der Diät Dickdarmtumore, und die Tumoren bei 10 dieser Mäuse (45% der Mäuse) schlossen ein Adenokarzinom (Krebs) ein.

Im Alter

8-oxo-dG nimmt mit dem Alter in der DNA von Säugetiergeweben zu. 8-oxo-dG nimmt mit dem Alter sowohl in der mitochondrialen DNA als auch in der nuklearen DNA zu. Fragaet al. schätzten, dass in der Rattenniere von 54 reparierten Resten von 8-oxo-dG ein Rest unrepariert bleibt. (Siehe auch DNA-Schadenstheorie des Alterns .)

Bei der Karzinogenese

Erhöhter oxidativer Stress inaktiviert vorübergehend das Enzym OGG1 an Stellen mit 8-oxo-dG, das den Transkriptionsfaktor NFkB an die Promotor-DNA-Sequenzen von Entzündungsgenen rekrutiert und die Genexpression aktiviert, wodurch Mechanismen der angeborenen Immunität induziert werden, die zur Lungenkrebsentstehung beitragen.

Valavanidiset al. wies darauf hin, dass oxidative DNA-Schäden, wie 8-oxo-dG, wahrscheinlich durch zwei Mechanismen zur Karzinogenese beitragen. Der erste Mechanismus beinhaltet die Modulation der Genexpression, während der zweite die Induktion von Mutationen ist.

Epigenetische Veränderungen

Epigenetische Veränderungen, beispielsweise durch Methylierung von CpG-Inseln in einer Promotorregion eines Gens, können die Expression des Gens unterdrücken (siehe DNA-Methylierung ). Im Allgemeinen können epigenetische Veränderungen die Genexpression modulieren. Wie von Bernstein und Bernstein untersucht, kann die Reparatur verschiedener Arten von DNA-Schäden mit geringer Häufigkeit Überbleibsel der verschiedenen Reparaturprozesse hinterlassen und dadurch epigenetische Veränderungen verursachen. 8-Oxo-dG wird hauptsächlich durch Basenexzisionsreparatur (BER) repariert . Liet al. überprüfte Studien, die darauf hindeuteten, dass ein oder mehrere BER-Proteine ​​auch an epigenetischen Veränderungen beteiligt sind, die DNA-Methylierung, Demethylierung oder an Histonmodifikation gekoppelte Reaktionen beinhalten. Nishidaet al. untersuchten 8-Oxo-dG-Spiegel und bewerteten auch die Promotor-Methylierung von 11 Tumorsuppressorgenen (TSGs) in 128 Leberbiopsieproben. Diese Biopsien wurden Patienten mit chronischer Hepatitis C entnommen, einer Erkrankung, die oxidative Schäden in der Leber verursacht. Von 5 bewerteten Faktoren korrelierten nur erhöhte 8-Oxo-dG-Spiegel stark mit der Promotor-Methylierung von TSGs (p < 0,0001). Diese Promotor-Methylierung könnte die Expression dieser Tumorsuppressorgene reduziert haben und zur Karzinogenese beitragen .

Mutagenese

Yasuiet al. untersuchten das Schicksal von 8-oxo-dG, wenn dieses oxidierte Derivat von Desoxyguanosin in das Thymidinkinase- Gen in einem Chromosom innerhalb menschlicher lymphoblastoider Zellen in Kultur eingefügt wurde . Sie inserierten 8-oxo-dG in etwa 800 Zellen und konnten die Produkte nachweisen, die nach der Insertion dieser veränderten Base auftraten, wie aus den nach dem Wachstum der Zellen produzierten Klonen bestimmt wurde. 8-Oxo-dG wurde in 86% der Klone zu G wiederhergestellt, was wahrscheinlich eine genaue Basenexzisionsreparatur oder Transläsionssynthese ohne Mutation widerspiegelt . Transversionen von G:C zu T:A traten bei 5,9% der Klone auf, Deletionen einzelner Basen bei 2,1% und Transversionen von G:C zu C:G bei 1,2%. Zusammen machten diese häufigeren Mutationen 9,2 % der 14 % der Mutationen aus, die an der Stelle der 8-oxo-dG-Insertion erzeugt wurden. Unter den anderen Mutationen in den 800 analysierten Klonen gab es auch 3 größere Deletionen der Größen 6, 33 und 135 Basenpaare. Somit kann 8-oxo-dG, wenn es nicht repariert wird, direkt häufige Mutationen verursachen, von denen einige zur Karzinogenese beitragen können .

In Erinnerungsbildung

Zwei Übersichtsartikel fassen die umfangreiche Evidenz, die größtenteils zwischen 1996 und 2011 veröffentlicht wurde, für die kritische und wesentliche Rolle von ROS bei der Gedächtnisbildung zusammen . Neuere zusätzliche Beweise deuten darauf hin, dass sowohl die Bildung als auch die Speicherung des Gedächtnisses von epigenetischen Modifikationen in Neuronen abhängen , einschließlich Veränderungen der neuronalen DNA-Methylierung . Die beiden Informationen zur Gedächtnisbildung scheinen 2016 durch die Arbeit von Zhou et al. verbunden zu sein, die zeigten, dass 8-oxo-dG, ein Hauptprodukt der ROS-Wechselwirkung mit DNA, eine zentrale Rolle bei der epigenetischen DNA-Demethylierung spielt .

Die Aktivierung der Transkription einiger Gene durch Transkriptionsfaktoren hängt von der Anwesenheit von 8-oxo-dG in den Promotorregionen und seiner Erkennung durch die DNA-Reparaturglykosylase OGG1 ab.

Wie von Duke et al. beschrieben, werden die Methylierung und Demethylierung von Neuronen-DNA durch neuronale Aktivität verändert. Aktive DNA-Methylierungen und -Demethylierungen sind für die synaptische Plastizität erforderlich , werden durch Erfahrungen modifiziert und werden für die Gedächtnisbildung und -erhaltung benötigt.

Bei Säugern zeigen DNA-Methyltransferasen (die Methylgruppen zu DNA-Basen hinzufügen ) eine starke Sequenzpräferenz für Cytosine innerhalb der bestimmten DNA-Sequenz Cytosin-Phosphat-Guanin ( CpG-Stellen ). Im Mausgehirn sind 4,2% aller Cytosine methyliert, hauptsächlich im Kontext von CpG-Stellen, wobei 5mCpG gebildet wird. Die meisten hypermethylierten 5mCpG-Stellen erhöhen die Repression assoziierter Gene. Wie von Zhou et al. gezeigt und unten dargestellt, ist die Oxidation des Guanins in der methylierten CpG-Stelle zu 5mCp-8-oxo-dG der erste Schritt bei der Demethylierung.

8-oxo-dG komplexiert mit OGG1 spielt wahrscheinlich eine wichtige Rolle bei der Erleichterung Tausender schneller Demethylierungen von methylierten Cytosinen in CpG-Stellen während der Gedächtnisbildung und weiterer Demethylierungen (über einen Zeitraum von Wochen) während der Gedächtniskonsolidierung . Wie 2016 von Halder et al. mit Mäusen und 2017 von Duke et al. bei Ratten, wenn bei den Nagetieren kontextuelle Angstkonditionierung angewendet wird, wodurch sich ein besonders starkes Langzeitgedächtnis ausbildet, kommt es innerhalb von Stunden zu Tausenden von Methylierungen und Demethylierungen in den Neuronen der Hippocampus-Hirnregion. Wie bei den Ratten gezeigt, sind 9,2 % der Gene in den Hippocampus- Neuronen der Ratte unterschiedlich methyliert. Bei Mäusen, die 4 Wochen nach der Konditionierung untersucht wurden, wurden die Methylierungen und Demethylierungen des Hippocampus rückgängig gemacht (der Hippocampus wird benötigt, um Erinnerungen zu bilden, aber Erinnerungen werden dort nicht gespeichert), während eine wesentliche differentielle CpG-Methylierung und -Demethylierung in kortikalen Neuronen während der Gedächtniserhaltung auftrat. Vier Wochen nach kontextueller Angstkonditionierung gab es 1.223 unterschiedlich methylierte Gene im vorderen cingulären Kortex von Mäusen. Bei Demethylierungen ist die Oxidation des Guanins in der CpG-Stelle zu 8-Oxo-dG ein wichtiger erster Schritt.

Demethylierung an CpG-Stellen erfordert 8-oxo-dG

Initiierung der DNA-Demethylierung an einer CpG-Stelle . In erwachsenen somatischen Zellen tritt DNA-Methylierung typischerweise im Zusammenhang mit CpG-Dinukleotiden ( CpG-Stellen ) auf, wodurch 5-Methylcytosin- pG oder 5mCpG gebildet wird. Reaktive Sauerstoffspezies (ROS) können Guanin an der Dinukleotidstelle angreifen und 8-Hydroxy-2'-desoxyguanosin (8-OHdG) bilden, was zu einer 5mCp-8-OHdG Dinukleotidstelle führt. Die Basis Exzisionsreparatur Enzym OGG1 zielt 8-OHdG und bindet an die Läsion ohne sofortige Exzision. OGG1, das an einer 5mCp-8-OHdG-Stelle vorhanden ist, rekrutiert TET1 und TET1 oxidiert das 5mC neben dem 8-OHdG. Dies initiiert die Demethylierung von 5 mC.
Demethylierung von 5-Methylcytosin (5mC) in Neuronen-DNA. Wie im Jahr 2018 überprüft , wird 5mC in Gehirnneuronen durch die Zehn-Elf-Translokations-(TET)-Familie von Dioxygenasen ( TET1 , TET2 , TET3 ) oxidiert , um 5-Hydroxymethylcytosin (5hmC) zu erzeugen . In aufeinanderfolgenden Schritten hydroxylieren TET-Enzyme 5hmC weiter, um 5-Formylcytosin (5fC) und 5-Carboxylcytosin (5caC) zu erzeugen. Thymin-DNA-Glykosylase (TDG) erkennt die Zwischenbasen 5fC und 5caC und schneidet die glykosidische Bindung heraus, was zu einer apyrimidinischen Stelle ( AP-Stelle ) führt. In einem alternativen Weg der oxidativen Desaminierung kann 5hmC durch aktivitätsinduzierte Cytidin-Deaminase/Apolipoprotein B-mRNA-Editing-Komplex (AID/APOBEC) -Deaminasen oxidativ desaminiert werden , um 5-Hydroxymethyluracil (5hmU) zu bilden, oder 5mC kann in Thymin (Thy) umgewandelt werden. 5hmU kann durch TDG, einzelstrangselektive monofunktionelle Uracil-DNA-Glycosylase 1 ( SMUG1 ), Nei-Like DNA-Glycosylase 1 ( NEIL1 ) oder Methyl-CpG-Bindungsprotein 4 ( MBD4 ) gespalten werden . AP-Stellen und T:G-Fehlpaarungen werden dann durch Basenexzisionsreparatur (BER)-Enzyme repariert, um Cytosin (Cyt) zu ergeben.

TET1 ist ein Schlüsselenzym, das an der Demethylierung von 5mCpG beteiligt ist. TET1 kann jedoch nur auf 5mCpG wirken, wenn ein ROS zuerst auf das Guanin eingewirkt hat, um 8-Hydroxy-2'-desoxyguanosin (8-OHdG oder sein Tautomer 8-oxo-dG) zu bilden, was zu einem 5mCp-8- OHdG-Dinukleotid (siehe erste Abbildung in diesem Abschnitt). Nach der Bildung von 5mCp-8-OHdG, die Basis Exzisionsreparatur Enzym OGG1 bindet an die 8-OHdG Läsion ohne sofortige Exzision. Die Anhaftung von OGG1 an die 5mCp-8-OHdG-Stelle rekrutiert TET1 , wodurch TET1 die 5mC neben 8-OHdG oxidieren kann, wie in der ersten Abbildung in diesem Abschnitt gezeigt. Dadurch wird der in der zweiten Abbildung dieses Abschnitts gezeigte Demethylierungsweg eingeleitet.

Eine veränderte Proteinexpression in Neuronen, die durch 8-oxo-dG-abhängige Demethylierung von CpG-Stellen in Genpromotoren innerhalb der Neuronen-DNA kontrolliert wird, ist von zentraler Bedeutung für die Gedächtnisbildung.

Siehe auch

Verweise