Gen Rusak Dan Protein Orak-Arik: Bagaimana Radiasi Menyebabkan Kerusakan Biologis

Jika dekade sci-fi murahan dan budaya pop telah mengajari kita sesuatu, radiasi adalah hal yang buruk secara universal yang selalu menyebabkan mutasi genetik yang memberi kita segalanya mulai dari Godzilla hingga Blinky the Three-Eyed Fish. Ada inti kebenaran di sana, tentu saja. Kita hanya perlu melihat gambar-gambar tentang apa yang terjadi pada korban selamat Hiroshima atau responden pertama di Chernobyl untuk melihat contoh ekstrim dari apa yang dapat dilakukan radiasi terhadap jaringan hidup.

Tetapi seperti yang biasanya terjadi, melihat lebih dekat pada contoh yang sedikit lebih jauh dari yang ekstrem dapat menjadi pelajaran, dan beri tahu kami lebih banyak tentang bagaimana radiasi, baik pengion maupun non-pengion, dapat menyebabkan kerusakan pada struktur dan proses biokimia. Melakukan hal itu mengungkapkan bahwa, sementara DNA pasti di garis bidik untuk kerusakan oleh radiasi, itu bukan satu-satunya target – protein, karbohidrat, dan bahkan lipid yang membentuk membran di dalam sel tunduk pada kerusakan radiasi, baik secara langsung maupun tidak langsung. Dan mekanisme yang mendasari semua ini akhirnya mengungkapkan banyak hal tentang bagaimana kehidupan berevolusi, serta menarik dengan sendirinya.

Proposal Radikal

Anehnya, target utama radiasi pengion di dalam sel bukanlah salah satu tersangka yang biasa seperti DNA atau protein, tetapi sesuatu yang sangat tidak terduga: air. Masuk akal jika Anda memikirkannya; rata-rata, 70% dari setiap sel terdiri dari molekul air, jadi sejauh ini merupakan target terbesar dalam hal volume. Air menyerap sebagian besar energi yang ditransfer ke sel melalui radiasi, baik dalam bentuk foton—sinar gamma, sinar-X, sinar kosmik, dan sinar ultraviolet—atau partikel—sinar alfa dan sinar beta, neutron yang mempercepat, dll. bahwa transfer energi ini menginduksi molekul air dapat bertanggung jawab atas efek biologis yang dramatis.

\bf H_{2}O \xrightarrow{\it \text{hv}} H_{2}O^{+} + e^{-}

Ketika molekul air terkena peristiwa pengion, ia meninggalkan spesies bermuatan positif dan elektron bebas. Keduanya cukup reaktif, dan memicu rangkaian reaksi yang dapat mengakibatkan produksi radikal bebas, yang pada dasarnya adalah molekul yang memiliki elektron tidak berpasangan. Radikal bebas primer yang dihasilkan dari ionisasi air adalah radikal hidroksil, yang merupakan satu hidrogen dan oksigen dari molekul air asli, dengan elektron tidak berpasangan pada oksigen. Radikal hidroksil dan produk terkait dari peristiwa pengion dikenal secara kolektif sebagai spesies oksigen reaktif, atau ROS.

Berkat elektron tak berpasangan itu, radikal hidroksil sangat reaktif sehingga dijamin bereaksi dengan sesuatu yang berdiameter hanya dua molekul air dari peristiwa ionisasi, memang jarak yang sangat kecil. Itu berita yang sangat buruk, karena yang benar-benar diinginkan hidroksil adalah untuk terhubung dengan proton sehingga bisa menjadi air biasa lagi, dan tidak peduli dari mana ia mendapatkan proton itu. Itu bisa berarti malapetaka untuk sesuatu seperti DNA, yang terutama terdiri dari gula deoksiribosa lima karbon; ketika radikal hidroksil menarik proton dari gula ini, ia meninggalkan lesi pada tulang punggung heliks ganda DNA yang membuatnya rentan terhadap kerusakan.

Tidak peduli apa targetnya, kerusakan biologis yang diakibatkan oleh stres oksidatif akibat radiasi disebut kerusakan tidak langsung, karena energi radiasi asli ditransfer melalui perantara radikal bebas. Diperkirakan 70% sampai 80% kerusakan radiasi adalah kerusakan tidak langsung, yang lagi-lagi masuk akal karena jumlah air dalam sel.

Lubang Di Tulang

Makromolekul biologis juga dapat menimbulkan kerusakan langsung dari radiasi, dan tergantung pada targetnya, hasilnya bisa menjadi bencana besar. Hal ini dapat mengakibatkan banyak jenis kerusakan yang sama yang disebabkan oleh reaksi stres oksidatif, kecuali tanpa batasan yang dipaksakan oleh peluang sempit yang harus dilakukan oleh radikal hidroksil. Terlebih lagi, karena cara DNA dikemas dalam sel — setiap sel dalam tubuh Anda memiliki lebih dari satu meter DNA; untuk mengemas semuanya, itu melilit protein yang disebut histon – kemungkinan insiden foton radiasi pengion dapat menyebabkan lebih dari satu lesi pada bentangan kecil DNA. Hal ini diperparah oleh struktur DNA yang sebenarnya — terlepas dari kartun yang disederhanakan, DNA bukanlah tangga, melainkan heliks ganda dengan untaian berlawanan yang sebenarnya sangat dekat satu sama lain — yang membuat kemungkinan besar radiasi langsung akan menghasilkan istirahat untai ganda dalam DNA. Basis yang mengandung informasi di dalam heliks ganda juga terkena kerusakan radiasi langsung.

Sementara DNA mendapat banyak perhatian, itu bukan satu-satunya target potensial untuk kerusakan langsung dari radiasi, juga bukan yang paling penting. Protein juga dapat mengalami kerusakan, terkadang terlihat demikian. Eksperimen baru-baru ini benar-benar menunjukkan jejak fisik sinar-X berenergi tinggi saat mereka melewati sampel tulang, muncul sebagai serangkaian lubang kecil di mana radiasi menghancurkan kolagen, protein berserat keras yang ditemukan di jaringan struktural. Kerusakan yang disebabkan oleh sinar-X diperkirakan telah diperkuat sampai taraf tertentu oleh kristal mineral kalsium dan fosfor dalam tulang, mengakibatkan kerusakan di luar jalur asli radiasi. Meskipun protein non-struktural, seperti enzim, tidak dipelajari di sini, dapat diasumsikan bahwa mereka akan mengalami jenis kerusakan yang sama dari radiasi langsung, dengan kemungkinan amplifikasi yang sama.

Kerusakan radiasi langsung pada sepotong tulang ikan. Sampel di sebelah kanan mengalami demineralisasi, sehingga lubang yang lebih besar di sebelah kiri menunjukkan kristal kalsium dan fosfor yang ada di tulang utuh entah bagaimana memperkuat kerusakan. Sumber: Sauer, K., Zizak, I., Forien, JB. et al. Kerusakan radiasi primer pada tulang berkembang melalui penghancuran kolagen oleh fotoelektron dan penyerapan diri emisi sekunder. Nat Komun 13, 7829 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-34247-z

Diikat Oleh Cahaya

Bukan hanya radiasi pengion yang menyebabkan kerusakan langsung pada makromolekul biologis. Seperti yang diketahui oleh siapa pun yang pernah mengalami sengatan matahari, sinar ultraviolet juga dapat menyebabkan banyak kerusakan. Sementara DNA sebenarnya cukup efisien dalam melindungi diri dari kerusakan UV – sebagian besar energi dalam UV hanya diubah menjadi panas oleh DNA – beberapa UV lolos ke basis pengkodean informasi di dalam heliks ganda. Di sini ia dapat membentuk apa yang dikenal sebagai dimer pirimidin, di mana basa pirimidin yang berdekatan – timin (T) dan sitosin (C) – menjadi terikat bersama secara kovalen. Ini terjadi ketika cahaya dalam kisaran UV-B menyerang ikatan rangkap karbon-karbon dalam struktur cincin basa pirimidin. Hasilnya adalah dua basa yang berdekatan bergabung bersama melalui cincin empat karbon, yang disebut cincin siklobutana:

Dimer timin terbentuk ketika dua basa “T” yang berdekatan diikat bersama oleh sinar UV-B. Hal ini membuat tulang punggung gula-fosfat dari bagian DNA tersebut tertekuk.

Ketika bentuk dimer, itu memperkenalkan “ketegaran” konformasi di tulang punggung DNA, yang ditunjuk oleh “R – R” dalam diagram. Biasanya, timin (T) pada satu untai heliks ganda DNA berikatan dengan adenin (A) pada untai lainnya, tetapi pembentukan dimer meninggalkan residu A tersebut tidak tertandingi. Semuanya adalah situasi berantakan yang menghadirkan sejumlah tantangan bagi sel.

Pertama adalah masalah replikasi DNA. Biasanya, enzim yang disebut DNA polimerase berjalan di sepanjang untaian DNA, membuka ritsletingnya, dan membuat salinan yang tepat dari kedua untai tersebut. Ketegaran yang disebabkan oleh dimer timin mempersulit DNA polimerase untuk bergerak ke bawah untai, berpotensi memperlambat replikasi atau bahkan berhenti sepenuhnya pada lesi. Untungnya ada varian DNA polimerase yang telah berevolusi untuk menangani dimer timin; sayangnya, mereka cenderung sedikit rawan kesalahan, menjejali setiap basa lama dalam untai DNA yang sedang tumbuh daripada pasangan adenin yang seharusnya. Ini menghasilkan perubahan pada kode genetik pada untaian DNA baru, yang memang bisa menjadi hal yang sangat buruk.

Ada juga masalah dengan transkripsi, yang membuat templat messenger RNA (mRNA) yang digunakan untuk mengarahkan sintesis protein. Enzim yang mengarahkan ini disebut RNA polimerase, yang juga dapat terhenti pada ketegaran yang dihasilkan oleh dimer timin. Ini dapat mengakibatkan templat mRNA terpotong, dengan hasil yang berpotensi bencana jika akhirnya ditranskripsi menjadi protein dengan panjang parsial. Ada banyak hal yang bisa salah dengan sel berkat sedikit sinar UV.

Pasukan Perbaikan

Namun, ironisnya, fakta bahwa dimer timin dapat terbentuk dengan sangat mudah — beberapa perkiraan menyebutkan bahwa 50 hingga 100 dimer timin terbentuk setiap detik kulit manusia terpapar sinar matahari, tanning bed, atau bahkan sinar UV yang diperlukan untuk menyembuhkan cat kuku, tampaknya – mungkin tekanan evolusioner yang diperlukan untuk membangun mesin biokimia yang diperlukan untuk memperbaiki lesi ini. Sejumlah besar enzim perbaikan DNA, yang disebut photolyases, telah berevolusi untuk memperbaiki dimer timin dan kerusakan DNA akibat radiasi lainnya, terutama pada tumbuhan, yang jelas terus-menerus ditantang oleh sinar ultraviolet. Photolyases menarik karena mereka benar-benar bertenaga surya – mereka mengandung “kompleks antena” yang terdiri dari kofaktor yang dapat menyerap cahaya pada ujung biru spektrum dan pada gilirannya mentransfer elektron ke dimer untuk memecahnya.

Photolyases secara evolusioner kuno; mereka dapat ditemukan di hampir setiap organisme yang membentang kembali ke bakteri paling awal. Manusia dan sebagian besar mamalia lainnya telah mengembangkan jalur perbaikan tambahan, yang disebut perbaikan eksisi nukleotida, untuk menangani dimer timin; pada dasarnya, ia mengenali ketegaran tulang punggung dan secara enzimatis memotong bagian di kedua sisi dari untai DNA, yang segera diisi oleh tim enzim.

Sangat mudah untuk mengatakan bahwa tidak ada hal baik yang dapat dihasilkan dari radiasi pengion atau non-pengion yang bekerja pada jaringan biologis; hanya dengan melihat jejak yang tersisa di tulang oleh sinar-X tentu mendukung hal itu. Tapi kerusakan radiasi, terutama pada DNA, adalah pedang bermata dua. Ya, sebagian besar lesi yang tidak diperbaiki berpotensi menimbulkan masalah, hingga menyebabkan kanker yang mematikan. Tetapi kerusakan yang disebabkan oleh radiasi juga telah menjadi pendorong utama mutasi yang menggerakkan evolusi, dan dengan demikian cukup bertanggung jawab atas seperti apa kehidupan selama beberapa miliar tahun terakhir.