إصلاح الحمض النووي

يمكن تقسيم تلف الحمض النووي إلى نوعين رئيسيين:

1. الضرر الداخلي مثل الهجوم بواسطة أنواع الأكسجين التفاعلية الناتجة عن نواتج التمثيل الغذائي الطبيعية (الطفرة التلقائية)، وخاصة عملية نزع الأمين التأكسدي
   1. يشمل أيضًا أخطاء النسخ
2. الضرر الخارجي الناجم عن عوامل خارجية مثل
   1. الأشعة فوق البنفسجية ( 200-400 نانومتر ) من الشمس أو مصادر الضوء الاصطناعية الأخرى
   2. ترددات إشعاعية أخرى، بما في ذلك الأشعة السينية وأشعة جاما ، وجسيمات مثل الإلكترونات والنيوترونات أو جسيمات ألفا.
   3. التحلل المائي أو التفكك الحراري
   4. بعض السموم النباتية
   5. المواد الكيميائية المطفرة المصنعة ، وخاصة المركبات العطرية التي تعمل كعوامل متداخلة مع الحمض النووي.
   6. الفيروسات ^{[ 11 ]}

قد يؤدي تضاعف الحمض النووي التالف قبل انقسام الخلية إلى إدخال قواعد خاطئة مقابل القواعد التالفة. تحمل الخلايا الوليدة التي ترث هذه القواعد الخاطئة طفرات لا يمكن استعادة تسلسل الحمض النووي الأصلي منها (باستثناء حالات نادرة من الطفرة العكسية ، على سبيل المثال، من خلال تحويل الجينات ).

توجد عدة أنواع من تلف الحمض النووي نتيجة للعمليات الخلوية الداخلية:

1. أكسدة القواعد [مثل 8-أوكسو-7،8-ثنائي هيدروغوانين (8-أوكسو جي)] وتوليد انقطاعات في سلسلة الحمض النووي من أنواع الأكسجين التفاعلية،
2. ألكلة القواعد (عادةً ما تكون مثيلة )، مثل تكوين 7-ميثيل غوانوزين ، و1-ميثيل أدينين، و6-O-ميثيل غوانين
3. تحلل القواعد، مثل نزع الأمين ، ونزع البيورين ، ونزع البيريميدين.
4. "تكوين نواتج الإضافة الضخمة" (على سبيل المثال، ناتج إضافة بنزو[أ]بيرين ديول إيبوكسيد-dG، ناتج إضافة أريستولاكتام I-dA)
5. عدم تطابق القواعد، بسبب أخطاء في تضاعف الحمض النووي ، حيث يتم ربط قاعدة الحمض النووي الخاطئة في مكانها في سلسلة الحمض النووي المتشكلة حديثًا، أو يتم تخطي قاعدة الحمض النووي أو إدخالها عن طريق الخطأ.
6. تلف أحادي الإضافة ناتج عن تغيير في قاعدة نيتروجينية واحدة من الحمض النووي
7. ضرر الإضافة

تتخذ الأضرار الناجمة عن العوامل الخارجية أشكالاً عديدة، منها على سبيل المثال:

1. يؤدي امتصاص الحمض النووي للأشعة فوق البنفسجية مباشرةً إلى تفاعلات كيميائية ضوئية، مما ينتج عنه تكوين ثنائيات البيريميدين ، والتأين الضوئي ، مما يسبب تلفًا تأكسديًا. ^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}
2. يُنتج ضوء الأشعة فوق البنفسجية من النوع A في الغالب جذوراً حرة . ويُطلق على الضرر الناتج عن الجذور الحرة اسم تلف الحمض النووي غير المباشر .
3. يُسبب الإشعاع المؤين، مثل ذلك الناتج عن التحلل الإشعاعي أو الأشعة الكونية ، انقطاعات في سلاسل الحمض النووي. وقد يُؤدي الإشعاع المؤين متوسط ​​الشدة إلى تلف لا يُمكن إصلاحه في الحمض النووي (مما يُؤدي إلى أخطاء في التضاعف والنسخ اللازمة لتكوّن الأورام، أو قد يُحفز التفاعلات الفيروسية)، مما يُؤدي إلى الشيخوخة المبكرة والسرطان.
4. يؤدي الاضطراب الحراري عند درجات حرارة مرتفعة إلى زيادة معدل فقدان قواعد البيورين من هيكل الحمض النووي (DNA) وانقطاعات السلسلة المفردة. على سبيل المثال، يُلاحظ فقدان قواعد البيورين بالتحلل المائي في البكتيريا المحبة للحرارة ، التي تنمو في الينابيع الساخنة عند درجات حرارة تتراوح بين 40 و80  درجة مئوية. ^{[ 16 ] [ 17 ]} يُعد معدل فقدان قواعد البيورين (300 من بقايا البيورين لكل جينوم لكل جيل) مرتفعًا جدًا في هذه الأنواع بحيث لا يمكن إصلاحه بواسطة آليات الإصلاح الطبيعية، وبالتالي لا يمكن استبعاد احتمال وجود استجابة تكيفية .
5. تُنتج المواد الكيميائية الصناعية مثل كلوريد الفينيل وبيروكسيد الهيدروجين ، والمواد الكيميائية البيئية مثل الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات الموجودة في الدخان والسخام والقطران، مجموعة متنوعة من نواتج إضافة الحمض النووي - الإيثانوات، والقواعد المؤكسدة، والفوسفودايسترات الألكيلية، والربط المتقاطع للحمض النووي ، على سبيل المثال لا الحصر.

يُعدّ التلف الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية، والألكلة/المثيلة، والتلف الناتج عن الأشعة السينية، والتلف التأكسدي أمثلة على التلف المُستحث. أما التلف التلقائي فيشمل فقدان قاعدة، وإزالة الأمين، وتجعد حلقة السكر ، والتحول التوتوميري. ويمكن الكشف عن تلف الحمض النووي (التلقائي) الناتج عن المؤكسدات الداخلية من خلال انخفاض مستوى فسفرة الهيستون H2AX في الخلايا غير المعالجة. ^{[ 18 ]}

في الخلايا حقيقية النواة ، يوجد الحمض النووي (DNA) في موقعين خلويين  : داخل النواة وداخل الميتوكوندريا . يوجد الحمض النووي النووي (nDNA) على شكل كروماتين خلال المراحل غير التضاعفية من دورة الخلية ، ويتكثف إلى تراكيب متجمعة تُعرف بالكروموسومات أثناء انقسام الخلية . في كلتا الحالتين، يكون الحمض النووي مضغوطًا للغاية وملتفًا حول بروتينات شبيهة بالخرز تُسمى الهستونات . عندما تحتاج الخلية إلى التعبير عن المعلومات الوراثية المشفرة في حمضها النووي النووي، يتم فك المنطقة الكروموسومية المطلوبة، ويتم التعبير عن الجينات الموجودة فيها، ثم تتكثف المنطقة مرة أخرى إلى شكلها الأصلي. أما الحمض النووي للميتوكوندريا (mtDNA) فيوجد داخل عضيات الميتوكوندريا ، ويوجد في نسخ متعددة، ويرتبط أيضًا ارتباطًا وثيقًا بعدد من البروتينات لتكوين مُركب يُعرف بالنوكليوئيد. داخل الميتوكوندريا، تُنتج أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS)، أو الجذور الحرة ، وهي نواتج ثانوية للإنتاج المستمر للأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) عبر الفسفرة التأكسدية ، بيئةً شديدة التأكسد معروفة بتسببها في تلف الحمض النووي للميتوكوندريا (mtDNA). يُعد إنزيم ديسموتاز الفائق الأكسيد ، الموجود في كلٍ من الميتوكوندريا وسيتوبلازم الخلايا حقيقية النواة، إنزيمًا بالغ الأهمية في مواجهة سمية هذه الأنواع .

الشيخوخة الخلوية ، وهي عملية لا رجعة فيها تتوقف فيها الخلية عن الانقسام ، هي استجابة وقائية لتقصير نهايات الكروموسومات، المعروفة باسم التيلوميرات . التيلوميرات هي مناطق طويلة من الحمض النووي غير المشفر المتكرر تُغطي الكروموسومات وتخضع لتدهور جزئي في كل مرة تنقسم فيها الخلية (انظر حد هايفليك ). ^{[ 19 ]} في المقابل، السكون حالة قابلة للعكس من خمول الخلية لا ترتبط بتلف الجينوم (انظر دورة الخلية ). قد تُشكل الشيخوخة الخلوية بديلاً وظيفياً للاستماتة في الحالات التي يتطلب فيها الكائن الحي وجود الخلية لأسباب مكانية، ^{[ 20 ]} والتي تُعد آلية "ملاذ أخير" لمنع الخلية ذات الحمض النووي التالف من التكاثر بشكل غير مناسب في غياب إشارات الخلية المحفزة للنمو . يمكن أن يؤدي الانقسام الخلوي غير المنظم إلى تكوين ورم (انظر السرطان )، وهو ما قد يكون قاتلاً للكائن الحي. لذلك، يُعتبر تحفيز الشيخوخة الخلوية وموت الخلايا المبرمج جزءًا من استراتيجية الحماية من السرطان. ^{[ 21 ]}

من المهم التمييز بين تلف الحمض النووي والطفرة، وهما النوعان الرئيسيان من الأخطاء التي تصيب الحمض النووي. يختلف تلف الحمض النووي عن الطفرة اختلافًا جوهريًا. يؤدي التلف إلى تشوهات فيزيائية في الحمض النووي، مثل انقطاعات في السلسلة المفردة والمزدوجة، وبقايا 8-هيدروكسي ديوكسي غوانوزين ، ومركبات الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات. يمكن للإنزيمات التعرف على تلف الحمض النووي، وبالتالي يمكن إصلاحه بشكل صحيح إذا توفرت معلومات زائدة، مثل التسلسل غير التالف في سلسلة الحمض النووي المكملة أو في كروموسوم متماثل، لنسخها. إذا احتفظت الخلية بتلف في الحمض النووي، فقد يُمنع نسخ الجين، وبالتالي ستُمنع ترجمته إلى بروتين. قد تُمنع عملية التضاعف أيضًا أو قد تموت الخلية.

على عكس تلف الحمض النووي، تُعرَّف الطفرة بأنها تغيير في تسلسل قواعد الحمض النووي. لا تستطيع الإنزيمات التعرف على الطفرة بمجرد وجود التغيير في كلا شريطي الحمض النووي، وبالتالي لا يمكن إصلاحها. على المستوى الخلوي، قد تُسبب الطفرات تغييرات في وظيفة البروتين وتنظيمه. تتضاعف الطفرات عند انقسام الخلية. في مجموعة من الخلايا، يزداد أو ينقص تواتر الخلايا الطافرة تبعًا لتأثير الطفرة على قدرة الخلية على البقاء والتكاثر.

على الرغم من اختلافهما بشكل واضح عن بعضهما البعض، إلا أن تلف الحمض النووي والطفرة مرتبطان لأن تلف الحمض النووي غالباً ما يتسبب في أخطاء في تخليق الحمض النووي أثناء التضاعف أو الإصلاح؛ وهذه الأخطاء هي مصدر رئيسي للطفرة.

بالنظر إلى خصائص تلف الحمض النووي والطفرات هذه، يتضح أن تلف الحمض النووي يمثل مشكلة خاصة في الخلايا غير المنقسمة أو بطيئة الانقسام، حيث يميل التلف غير المُصلح إلى التراكم بمرور الوقت. من ناحية أخرى، في الخلايا سريعة الانقسام، يميل تلف الحمض النووي غير المُصلح الذي لا يؤدي إلى موت الخلية عن طريق منع التضاعف إلى التسبب في أخطاء التضاعف وبالتالي الطفرات. الغالبية العظمى من الطفرات غير المحايدة في تأثيرها ضارة ببقاء الخلية. لذا، في مجموعة من الخلايا التي تُكوّن نسيجًا مع خلايا متكاثرة، تميل الخلايا الطافرة إلى الاختفاء. مع ذلك، تميل الطفرات النادرة التي تُوفر ميزة للبقاء إلى التوسع النسيلي على حساب الخلايا المجاورة في النسيج. هذه الميزة للخلية ضارة بالكائن الحي ككل لأن هذه الخلايا الطافرة قد تُؤدي إلى السرطان. بالتالي، يُعد تلف الحمض النووي في الخلايا سريعة الانقسام، نظرًا لأنه يُؤدي إلى الطفرات، سببًا رئيسيًا للسرطان. في المقابل، يُرجح أن يكون تلف الحمض النووي في الخلايا بطيئة الانقسام سببًا رئيسيًا للشيخوخة. ^{[ 22 ]}

من المعروف أن الخلايا قادرة على إصلاح ثلاثة أنواع من تلف الحمض النووي (DNA) عن طريق عكسه كيميائيًا. لا تتطلب هذه الآليات قالبًا، إذ أن أنواع التلف التي تعالجها لا يمكن أن تحدث إلا في قاعدة واحدة من القواعد الأربع. وتختص آليات الانعكاس المباشر هذه بنوع التلف الحاصل، ولا تتضمن كسرًا في هيكل الفوسفودايستر .

1. يؤدي تكوّن ثنائيات البيريميدين عند التعرض للأشعة فوق البنفسجية إلى رابطة تساهمية غير طبيعية بين قواعد البيريميدين المتجاورة. تعمل عملية إعادة التنشيط الضوئي على عكس هذا الضرر مباشرةً بواسطة إنزيم الفوتولياز ، الذي يعتمد تنشيطه بشكلٍ أساسي على الطاقة الممتصة من الضوء الأزرق/فوق البنفسجي ( طول موجي 300-500  نانومتر ) لتعزيز التفاعل التحفيزي. ^{[ 23 ]} إنزيم الفوتولياز، وهو إنزيم قديم موجود في البكتيريا والفطريات ومعظم الحيوانات ، لم يعد يعمل في البشر، ^{[ 24 ]} الذين يستخدمون بدلاً من ذلك إصلاح استئصال النيوكليوتيدات لإصلاح الضرر الناتج عن التعرض للأشعة فوق البنفسجية.
2. يُعكس نوع آخر من التلف، وهو مثيلة قواعد الجوانين، مباشرةً بواسطة إنزيم ميثيل جوانين ميثيل ترانسفيراز (MGMT)، والذي يُطلق على نظيره البكتيري اسم ogt . تُعد هذه العملية مكلفة لأن كل جزيء من MGMT يُستخدم مرة واحدة فقط؛ أي أن التفاعل ستوكيومتري وليس تحفيزيًا . ^{[ 25 ]} يُعرف الاستجابة العامة لعوامل المثيلة في البكتيريا بالاستجابة التكيفية ، وهي تُكسب البكتيريا مستوى من المقاومة لعوامل الألكلة عند التعرض المستمر لها، وذلك عن طريق زيادة تنظيم إنزيمات إصلاح الألكلة. ^{[ 26 ]}
3. النوع الثالث من تلف الحمض النووي الذي تقوم الخلايا بعكسه هو مثيلة معينة لقواعد السيتوزين والأدينين.

عندما يكون أحد شريطي اللولب المزدوج معيبًا، يمكن استخدام الشريط الآخر كقالب لتوجيه عملية إصلاح الشريط التالف. ولإصلاح التلف الذي يصيب أحد جزيئي الحمض النووي المزدوجين، توجد عدة آليات لإصلاح الاستئصال ، تعمل على إزالة النيوكليوتيد التالف واستبداله بنيوكليوتيد سليم مكمل له في شريط الحمض النووي السليم. ^{[ 25 ]}

1. إصلاح استئصال القاعدة (BER): تُصلح القواعد أو النيوكليوتيدات المفردة التالفة عادةً بإزالة القاعدة أو النيوكليوتيد المتضرر ثم إدخال القاعدة أو النيوكليوتيد الصحيح. في إصلاح استئصال القاعدة، يقوم إنزيم جليكوزيلاز ^{[ 27 ]} بإزالة القاعدة التالفة من الحمض النووي DNA عن طريق كسر الرابطة بين القاعدة والديوكسي ريبوز. تزيل هذه الإنزيمات قاعدة واحدة لتكوين موقع خالٍ من البيورين أو البيريميدين ( موقع AP ). ^{[ 27 ]} تقوم إنزيمات تُسمى إنزيمات AP الداخلية بقطع هيكل الحمض النووي DNA التالف عند موقع AP. ثم يقوم بوليميراز الحمض النووي DNA بإزالة المنطقة التالفة باستخدام نشاطه الإكسونوكليازي من 5' إلى 3'، ويُركّب السلسلة الجديدة بشكل صحيح باستخدام السلسلة المُكملة كقالب. ^{[ 27 ]} بعد ذلك، يتم إغلاق الفجوة بواسطة إنزيم ليغاز الحمض النووي DNA. ^{[ 28 ]}
2. إصلاح استئصال النيوكليوتيدات (NER): عادةً ما يتم إصلاح التلف الكبير الذي يُشوه بنية الحلزون، مثل ازدواج البيريميدين الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية، من خلال عملية ثلاثية المراحل. أولًا، يتم التعرف على التلف، ثم تُزال خيوط من الحمض النووي يتراوح طولها بين 12 و24 نيوكليوتيدًا من كلا طرفي موقع التلف بواسطة إنزيمات نووية داخلية ، ثم يُعاد تصنيع منطقة الحمض النووي المُزالة. ^{[ 29 ]} يُعد إصلاح استئصال النيوكليوتيدات آلية إصلاح محفوظة تطوريًا للغاية، وتُستخدم في جميع الخلايا حقيقية النواة وبدائية النواة تقريبًا. ^{[ 29 ]} في بدائيات النوى، تتوسط بروتينات Uvr عملية إصلاح استئصال النيوكليوتيدات . ^{[ 29 ]} أما في حقيقيات النوى، فتشارك العديد من البروتينات الأخرى، على الرغم من أن الاستراتيجية العامة تبقى نفسها. ^{[ 29 ]}
3. توجد أنظمة إصلاح عدم تطابق القواعد في جميع الخلايا تقريبًا لتصحيح الأخطاء التي لا تُصححها آليات التدقيق . تتكون هذه الأنظمة من بروتينين على الأقل. يكشف أحدهما عن عدم التطابق، بينما يستدعي الآخر إنزيمًا نوويًا داخليًا يقوم بقطع شريط الحمض النووي المُصنّع حديثًا بالقرب من منطقة التلف. في بكتيريا الإشريكية القولونية ، تُعدّ بروتينات Mut هي المسؤولة عن هذه الأنظمة: MutS وMutL وMutH. في معظم حقيقيات النوى، يُقابل MutS بروتين MSH، بينما يُقابل MutL بروتين MLH. يوجد MutH فقط في البكتيريا. يلي ذلك إزالة المنطقة التالفة بواسطة إنزيم نووي خارجي، ثم إعادة تصنيع الحمض النووي بواسطة بوليميراز الحمض النووي، وأخيرًا إغلاق القطع بواسطة ليغاز الحمض النووي. ^{[ 30 ]}

تُعدّ كسور الحمض النووي المزدوجة ، التي ينقطع فيها كلا الشريطين في اللولب المزدوج، خطيرةً للغاية على الخلية لأنها قد تؤدي إلى إعادة ترتيب الجينوم . في الواقع، عندما يترافق كسر الحمض النووي المزدوج مع رابطة متقاطعة تربط الشريطين عند النقطة نفسها، لا يمكن استخدام أيٍّ من الشريطين كقالب لآليات الإصلاح، وبالتالي لن تتمكن الخلية من إكمال الانقسام المتساوي عند انقسامها التالي، وستموت أو، في حالات نادرة، ستخضع لطفرة. ^{[ 31 ] [ 32 ]} توجد ثلاث آليات لإصلاح كسور الحمض النووي المزدوجة: الربط غير المتجانس للنهايات (NHEJ)، والربط المتجانس الجزئي للنهايات (MMEJ)، وإعادة التركيب المتجانس (HR): ^{[ 25 ] [ 33 ]}

1. في آلية إصلاح الحمض النووي غير المتجانس (NHEJ)، يقوم إنزيم DNA Ligase IV ، وهو إنزيم متخصص في ربط الحمض النووي يشكل معقدًا مع العامل المساعد XRCC4 ، بربط طرفي الحمض النووي مباشرةً. ^{[ 34 ]} ولضمان دقة الإصلاح، تعتمد آلية NHEJ على تسلسلات متماثلة قصيرة تُسمى التماثلات الدقيقة، والموجودة على النهايات أحادية السلسلة للحمض النووي المراد ربطها. إذا كانت هذه النهايات متوافقة، يكون الإصلاح دقيقًا في الغالب. ^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]} كما يمكن لآلية NHEJ أن تُحدث طفرات أثناء عملية الإصلاح. إذ يُمكن أن يؤدي فقدان النيوكليوتيدات التالفة في موقع الكسر إلى حذف أجزاء من الحمض النووي، بينما يؤدي ربط النهايات غير المتطابقة إلى إدخالات أو انتقالات. وتكتسب آلية NHEJ أهمية خاصة قبل أن تُضاعف الخلية حمضها النووي، نظرًا لعدم وجود قالب متاح للإصلاح عن طريق إعادة التركيب المتماثل. وتوجد مسارات NHEJ "احتياطية" في حقيقيات النوى العليا . ^{[ 39 ]} بالإضافة إلى دورها كحارس للجينوم، فإن NHEJ مطلوب لربط فواصل الحمض النووي المزدوجة ذات الغطاء الدبوسي التي تحدث أثناء إعادة تركيب V(D)J ، وهي العملية التي تولد التنوع في مستقبلات الخلايا البائية والخلايا التائية في الجهاز المناعي للفقاريات . ^{[ 40 ]}
2. تبدأ عملية إصلاح الحمض النووي المتماثل (MMEJ) باستئصال نهايات قصيرة المدى بواسطة نوكلياز MRE11 على جانبي كسر الحمض النووي المزدوج للكشف عن مناطق التماثل الجزئي. ^{[ 41 ]} في خطوات لاحقة، ^{[ 42 ]} يُعد بوليميراز عديد (أدينوزين ثنائي الفوسفات-ريبوز) 1 (PARP1) ضروريًا، وقد يكون خطوة مبكرة في عملية MMEJ. يحدث اقتران لمناطق التماثل الجزئي، يليه استقطاب إنزيم نوكلياز داخلي متخصص في بنية الزوائد 1 (FEN1) لإزالة الزوائد المتدلية. يتبع ذلك استقطاب XRCC1 – LIG3 إلى موقع ربط نهايات الحمض النووي، مما يؤدي إلى حمض نووي سليم. دائمًا ما تترافق عملية MMEJ مع حذف، ولذلك تُعد MMEJ مسارًا طفريًا لإصلاح الحمض النووي. ^{[ 43 ]}
3. يتطلب إصلاح الحمض النووي المتماثل وجود تسلسل مطابق أو شبه مطابق لاستخدامه كقالب لإصلاح الكسر. وتتشابه الآلية الإنزيمية المسؤولة عن هذه العملية بشكل كبير مع الآلية المسؤولة عن العبور الكروموسومي أثناء الانقسام الاختزالي. يُتيح هذا المسار إصلاح الكروموسوم التالف باستخدام كروماتيد شقيق (متوفر في المرحلة G2 بعد تضاعف الحمض النووي) أو كروموسوم متماثل كقالب. أما كسور الحمض النووي المزدوجة الناتجة عن محاولة آلية التضاعف التخليق عبر كسر أحادي السلسلة أو آفة غير مُصلحة، فتؤدي إلى انهيار شوكة التضاعف ، وعادةً ما تُصلح عن طريق إعادة التركيب.

في نظام المختبر ، حدثت عملية إصلاح الحمض النووي المتماثل (MMEJ) في خلايا الثدييات بمستويات تتراوح بين 10-20% من عملية إصلاح الحمض النووي المتماثل (HR) عندما كانت آليات إصلاح الحمض النووي المتماثل (HR) وإصلاح الحمض النووي غير المتماثل (NHEJ) متاحة أيضًا. ^{[ 41 ]}

تتمتع بكتيريا Deinococcus radiodurans المحبة للظروف القاسية بقدرة مذهلة على النجاة من تلف الحمض النووي الناتج عن الإشعاع المؤين ومصادر أخرى. إذ يمكن لنسختين على الأقل من الجينوم، مع وجود فواصل عشوائية في الحمض النووي، أن تُشكّلا شظايا من الحمض النووي من خلال عملية التزاوج . ثم تُستخدم الشظايا المتداخلة جزئيًا لتخليق مناطق متماثلة عبر حلقة D متحركة تستمر في التمدد حتى يتم العثور على خيوط مكملّة. وفي الخطوة الأخيرة، يحدث عبور جيني عن طريق إعادة التركيب المتماثل المعتمد على بروتين RecA . ^{[ 44 ]}

تُحدث إنزيمات التوبويزوميراز كسورًا في كلٍّ من السلسلة المفردة والسلسلة المزدوجة أثناء تغيير حالة الالتفاف الفائق للحمض النووي ، وهو أمر شائع بشكل خاص في المناطق القريبة من شوكة التضاعف المفتوحة. لا تُعتبر هذه الكسور تلفًا للحمض النووي لأنها مرحلة وسيطة طبيعية في الآلية الكيميائية الحيوية لإنزيمات التوبويزوميراز، ويتم إصلاحها فورًا بواسطة الإنزيمات التي أحدثتها.

ينشأ نوع آخر من كسور الحمض النووي المزدوجة من مواقع الحمض النووي الحساسة للحرارة أو غير المستقرة حراريًا. لا تُعدّ هذه المواقع كسورًا أولية مزدوجة السلسلة، ولكنها تتحول إلى كسور مزدوجة السلسلة بعد تعريضها لدرجات حرارة مرتفعة. يمكن للإشعاع المؤين أن يُحدث شكلًا معقدًا للغاية من تلف الحمض النووي يُعرف بالتلف المتكتل، والذي يتكون من أنواع مختلفة من آفات الحمض النووي في مواقع متفرقة من حلزون الحمض النووي. من المحتمل أن تتحول بعض هذه الآفات المتقاربة إلى كسور مزدوجة السلسلة عند تعرضها لدرجات حرارة عالية. إلا أن الطبيعة الدقيقة لهذه الآفات وتفاعلاتها لا تزال غير معروفة. ^{[ 45 ]}

تُعدّ عملية تخليق الحمض النووي عبر الآفات (TLS) آليةً لتحمّل تلف الحمض النووي، تسمح لآلية تضاعف الحمض النووي بتكرار الحمض النووي بعد تجاوز الآفات، مثل ثنائيات الثايمين أو مواقع AP . ^{[ 46 ]} تتضمن هذه العملية استبدال بوليميرازات الحمض النووي العادية ببوليميرازات متخصصة لتخليق الحمض النووي عبر الآفات (مثل بوليميراز الحمض النووي IV أو V، من عائلة بوليميراز Y)، والتي غالبًا ما تتميز بمواقع نشطة أكبر تُسهّل إدخال القواعد النيتروجينية مقابل النيوكليوتيدات التالفة. يُعتقد أن عملية استبدال البوليميراز تتم بوساطة عوامل، من بينها التعديل ما بعد الترجمة لعامل استمرارية التضاعف PCNA . غالبًا ما تتميز بوليميرازات تخليق الحمض النووي عبر الآفات بدقة منخفضة (ميل كبير لإدخال قواعد خاطئة) على القوالب غير التالفة مقارنةً بالبوليميرازات العادية. مع ذلك، يتميز العديد منها بكفاءة عالية في إدخال القواعد الصحيحة مقابل أنواع محددة من التلف. على سبيل المثال، يُسهّل بوليميراز إيتا (Pol η) تجاوز الآفات الناتجة عن الأشعة فوق البنفسجية دون أخطاء ، بينما يُحدث بوليميراز يوتا (Pol ι) طفرات في هذه المواقع. من المعروف أن بوليميراز إيتا (Pol η) يُضيف الأدينين الأول عبر ثنائي الوحدات الضوئية T^T باستخدام اقتران قواعد واتسون-كريك ، بينما يُضاف الأدينين الثاني في هيئته المتزامنة (syn) باستخدام اقتران قواعد هوغستين . من منظور خلوي، قد يكون تحمل مخاطر حدوث طفرات نقطية أثناء تخليق الحمض النووي عبر الآفات أفضل من اللجوء إلى آليات إصلاح الحمض النووي الأكثر جذرية، والتي قد تُسبب تشوهات كروموسومية جسيمة أو موت الخلية. باختصار، تتضمن هذه العملية بوليميرازات متخصصة إما لتجاوز الآفات أو إصلاحها في مواقع توقف تضاعف الحمض النووي. على سبيل المثال، يستطيع بوليميراز إيتا البشري تجاوز آفات الحمض النووي المعقدة مثل الرابطة المتصالبة بين الجوانين والثايمين داخل السلسلة، G[8,5-Me]T، على الرغم من أنه قد يُسبب طفرات مُستهدفة وشبه مُستهدفة. ^{[ 47 ]} درست باروميتا رايشودري وأشيش باسو ^{[ 48 ]} سمية وطفرات نفس الآفة في بكتيريا الإشريكية القولونية عن طريق نسخ بلازميد معدل بـ G[8,5-Me]T في بكتيريا الإشريكية القولونية مع تعطيل محدد لبوليميراز الحمض النووي. كانت حيوية السلالة منخفضة للغاية في السلالة التي تفتقر إلى بوليميراز الحمض النووي II و IV و V، وهي بوليميرازات الحمض النووي الثلاثة المحفزة باستجابة SOS، مما يشير إلى أن تخليق الحمض النووي عبر الآفة يتم بشكل أساسي بواسطة هذه البوليميرازات المتخصصة. يوفر مستضد النواة للخلايا المتكاثرة (PCNA) منصة بديلة لهذه البوليميرازات. في الظروف الطبيعية، يرتبط PCNA بالبوليميرازات ويقوم بنسخ الحمض النووي. في موقع الآفةيُضاف اليوبيكويتين إلى بروتين PCNA، أو يُعدَّل، بواسطة بروتينات RAD6/ RAD18 لتوفير منصة للبوليميرازات المتخصصة لتجاوز التلف واستئناف تضاعف الحمض النووي. ^{[ 49 ] [ 50 ]} بعد تخليق الحمض النووي عبر التلف، يلزم التمديد. يمكن أن يُنفَّذ هذا التمديد بواسطة بوليميراز تضاعفي إذا كان تخليق الحمض النووي عبر التلف خاليًا من الأخطاء، كما هو الحال مع بوليميراز إيتا (Pol η)، ولكن إذا نتج عن تخليق الحمض النووي عبر التلف عدم تطابق، فسيلزم بوليميراز متخصص لتمديده؛ وهو بوليميراز زيتا (Pol ζ) . يتميز بوليميراز زيتا بقدرته على تمديد عدم التطابق الطرفي، بينما لا تستطيع البوليميرازات الأكثر تقدمًا القيام بذلك. لذلك، عند مواجهة تلف، ستتوقف شوكة التضاعف، وسيتحول بروتين PCNA من بوليميراز متقدم إلى بوليميراز تخليق الحمض النووي عبر التلف مثل بوليميراز يوتا (Pol ι) لإصلاح التلف، ثم قد يتحول بروتين PCNA إلى بوليميراز زيتا لتمديد عدم التطابق، وأخيرًا سيتحول بروتين PCNA إلى البوليميراز المتقدم لمواصلة التضاعف.

يُشكّل تغليف الحمض النووي في حقيقيات النوى داخل الكروماتين حاجزًا أمام جميع العمليات القائمة على الحمض النووي والتي تتطلب استقطاب الإنزيمات إلى مواقع عملها. وللسماح بإصلاح الحمض النووي، يجب إعادة تشكيل الكروماتين . في حقيقيات النوى، تُعدّ مُركّبات إعادة تشكيل الكروماتين المعتمدة على الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) والإنزيمات المُعدّلة للهيستونات عاملين رئيسيين يُستخدمان لإنجاز عملية إعادة التشكيل هذه. ^{[ 52 ]}

يحدث استرخاء الكروماتين بسرعة في موقع تلف الحمض النووي. ^{[ 53 ] [ 54 ]} في إحدى الخطوات الأولى، يقوم بروتين كيناز المنشط بالإجهاد، كيناز c-Jun الطرفي N (JNK) ، بفسفرة SIRT6 على سيرين 10 استجابةً لكسور الحمض النووي المزدوجة أو غيرها من أضرار الحمض النووي. ^{[ 55 ]} يُسهّل هذا التعديل ما بعد الترجمة نقل SIRT6 إلى مواقع تلف الحمض النووي، وهو ضروري لاستقطاب بوليميراز بولي (أدينوزين ثنائي الفوسفات ريبوز) 1 (PARP1) بكفاءة إلى مواقع كسور الحمض النووي ولإصلاح كسور الحمض النووي المزدوجة بكفاءة. ^{[ 55 ]} يبدأ بروتين PARP1 بالظهور في مواقع تلف الحمض النووي في أقل من ثانية، مع تراكم نصف الحد الأقصى في غضون 1.6 ثانية بعد حدوث التلف. ^{[ 56 ]} يُصنّع PARP1 سلاسل بوليمرية من أدينوزين ثنائي الفوسفات ريبوز (بولي (أدينوزين ثنائي الفوسفات ريبوز) أو PAR) على نفسه. بعد ذلك، يرتبط مُعدِّل الكروماتين ALC1 بسرعةٍ بناتج عمل PARP1، وهو سلسلة ريبوز متعددة من ADP، ويصل ALC1 إلى موضع تلف الحمض النووي في غضون 10 ثوانٍ من حدوثه. ^{[ 54 ]} ويحدث حوالي نصف أقصى استرخاء للكروماتين، والذي يُعزى على الأرجح إلى عمل ALC1، في غضون 10 ثوانٍ. ^{[ 54 ]} وهذا بدوره يسمح باستقطاب إنزيم إصلاح الحمض النووي MRE11 ، لبدء عملية إصلاح الحمض النووي، في غضون 13 ثانية. ^{[ 56 ]}

يُعدّ γH2AX، وهو الشكل المُفسفر من H2AX، مُشاركًا أيضًا في المراحل المُبكرة المؤدية إلى فكّ تكثيف الكروماتين بعد حدوث كسور في سلسلتي الحمض النووي. يُشكّل مُتغير الهيستون H2AX حوالي 10% من هيستونات H2A في كروماتين الإنسان. ^{[ 57 ]} يُمكن الكشف عن γH2AX (H2AX المُفسفر على سيرين 139) في غضون 20 ثانية فقط من تشعيع الخلايا (مع تكوّن كسور في سلسلتي الحمض النووي)، ويحدث نصف الحد الأقصى لتراكم γH2AX في دقيقة واحدة. ^{[ 57 ]} يبلغ طول الكروماتين المُحتوي على γH2AX المُفسفر حوالي مليوني زوج قاعدي في موقع كسر سلسلتي الحمض النووي. ^{[ 57 ]} لا يُسبّب γH2AX، بحدّ ذاته، فكّ تكثيف الكروماتين، ولكن في غضون 30 ثانية من التشعيع، يُمكن الكشف عن بروتين RNF8 مُرتبطًا بـ γH2AX. ^{[ 58 ]} RNF8 يتوسط في فك تكثيف الكروماتين على نطاق واسع، من خلال تفاعله اللاحق مع CHD4 ، ^{[ 59 ]} وهو أحد مكونات مركب إعادة تشكيل النيوكليوسوم وإزالة الأسيتيل NuRD .

يوجد DDB2 في مُركّب ثنائي غير متجانس مع DDB1 . يرتبط هذا المُركّب بدوره مع بروتين يوبيكويتين ليغاز CUL4A ^{[ 60 ]} ومع PARP1 ^{[ 61 ]} . يرتبط هذا المُركّب الأكبر بسرعة بالتلف الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية داخل الكروماتين، حيث يكتمل نصف الارتباط الأقصى في غضون 40 ثانية ^{[ 60 ]} . يقوم بروتين PARP1، المرتبط بكل من DDB1 وDDB2، بتكوين سلسلة بولي-ADP ريبوز ( PARylates ) على DDB2، مما يجذب بروتين إعادة تشكيل الحمض النووي ALC1 ^{[ 61 ]} . يعمل ALC1 على إرخاء الكروماتين في موقع تلف الحمض النووي الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية. يسمح هذا الإرخاء لبروتينات أخرى في مسار إصلاح استئصال النيوكليوتيدات بالدخول إلى الكروماتين وإصلاح تلف ثنائي البيريميدين الحلقي الناتج عن الأشعة فوق البنفسجية .

بعد إعادة تشكيل الكروماتين السريعة ، تُفعَّل نقاط تفتيش دورة الخلية للسماح بإصلاح الحمض النووي قبل تقدم دورة الخلية. أولًا، يُفعَّل إنزيمان كيناز ، هما ATM و ATR، في غضون 5 أو 6 دقائق من تلف الحمض النووي. يتبع ذلك فسفرة بروتين نقطة تفتيش دورة الخلية Chk1 ، مما يبدأ وظيفته، بعد حوالي 10 دقائق من تلف الحمض النووي. ^{[ 62 ]}

عند تلف الحمض النووي ، يُفعّل نظام الاستجابة لتلف الحمض النووي (DDR) نقاط تفتيش دورة الخلية ، وهي مسارات لنقل الإشارات تُوقف تقدم دورة الخلية في الطور G1 والطور G2 والطور الاستوائي ، وتُبطئ معدل تقدم الطور S. يؤدي ذلك إلى توقف مؤقت في دورة الخلية ، مما يُتيح للخلية الوقت الكافي لإصلاح التلف قبل استئناف الانقسام. تحدث نقاط تفتيش تلف الحمض النووي عند حدود الطورين G1 / S و G2 / M . كما توجد نقطة تفتيش داخل الطور S نفسه.

يتم التحكم في تنشيط نقاط التفتيش بواسطة اثنين من الكينازات الرئيسية ، وهما كيناز الطفرة في رنح توسع الشعيرات (ATM) وكيناز رنح توسع الشعيرات المرتبط بـ Rad3 (ATR). يستجيب ATM لكسور الحمض النووي المزدوجة واضطرابات بنية الكروماتين، ^{[ 63 ]} بينما يستجيب ATR بشكل أساسي لشوكات التضاعف المتوقفة . تقوم هذه الكينازات بفسفرة الأهداف النهائية في سلسلة من إشارات نقل الإشارة ، مما يؤدي في النهاية إلى توقف دورة الخلية.

يمكن تصنيف بروتينات نقاط التفتيش إلى أربع مجموعات: بروتينات كيناز شبيهة بكيناز فوسفاتيديلينوسيتول 3 (PI3K) ، ومجموعة شبيهة بمستضد النواة للخلايا المتكاثرة (PCNA)، واثنين من كينازات السيرين/ثريونين (S/T) ومحولاتها. كما تم تحديد فئة من بروتينات وسيطة لنقاط التفتيش، تشمل BRCA1 و MDC1 و 53BP1 . ^{[ 64 ]} ويبدو أن هذه البروتينات ضرورية لنقل إشارة تنشيط نقطة التفتيش إلى البروتينات اللاحقة.

يُعدّ زوج من كينازات البروتين الكبيرة، ينتميان إلى المجموعة الأولى من كينازات البروتين الشبيهة بـ PI3K، عنصرًا أساسيًا في جميع استجابات نقاط التفتيش الناتجة عن تلف الحمض النووي: كيناز ATM ( المتحوّر في رنح توسع الشعيرات ) وكيناز ATR ( المرتبط برنح توسع الشعيرات وRad3 )، واللذان حُفظت تسلسلاتهما ووظائفهما جيدًا عبر التطور. تتطلب جميع استجابات تلف الحمض النووي إما ATM أو ATR لقدرتهما على الارتباط بالكروموسومات في موقع تلف الحمض النووي، إلى جانب بروتينات مساعدة تُشكّل منصات لتجميع مكونات استجابة تلف الحمض النووي ومعقدات إصلاح الحمض النووي.

يُعدّ البروتين p53 هدفًا هامًا لبروتيني ATM وATR ، إذ يُعدّ ضروريًا لتحفيز موت الخلايا المبرمج بعد تلف الحمض النووي. ^{[ 65 ]} ويتم تحفيز مثبط كينازات السيكلين المعتمدة على السيكلين p21 بواسطة آليات تعتمد على p53 وأخرى لا تعتمد عليه، ويمكنه إيقاف دورة الخلية عند نقاط التفتيش G1/S وG2/M عن طريق تعطيل معقدات السيكلين / كينازات السيكلين المعتمدة على السيكلين . ^{[ 66 ]}

استجابة SOS هي التغيرات في التعبير الجيني في بكتيريا الإشريكية القولونية وغيرها من البكتيريا استجابةً لتلف الحمض النووي الواسع النطاق. يُنظَّم نظام SOS بدائيات النوى بواسطة بروتينين رئيسيين: LexA و RecA . يُعدّ LexA ثنائي الوحدات المتماثلة مثبطًا نسخياً يرتبط بتسلسلات مُشغِّلة تُعرف عادةً باسم صناديق SOS. من المعروف أن LexA في الإشريكية القولونية يُنظِّم نسخ ما يقرب من 48 جينًا، بما في ذلك جيني lexA وrecA. ^{[ 67 ]} من المعروف أن استجابة SOS واسعة الانتشار في نطاق البكتيريا، ولكنها غائبة في الغالب في بعض شعب البكتيريا، مثل اللولبيات . ^{[ 68 ]} الإشارات الخلوية الأكثر شيوعًا التي تُفعِّل استجابة SOS هي مناطق الحمض النووي أحادي السلسلة (ssDNA)، الناجمة عن شوكات التضاعف المتوقفة أو كسور الحمض النووي ثنائي السلسلة، والتي تتم معالجتها بواسطة إنزيم فك الحمض النووي لفصل سلسلتي الحمض النووي. ^{[ 51 ]} في خطوة البدء، يرتبط بروتين RecA بالحمض النووي أحادي السلسلة (ssDNA) في تفاعل مدفوع بتحلل ATP، مُكَوِّنًا خيوط RecA–ssDNA. تُنشِّط خيوط RecA–ssDNA نشاط إنزيم LexA البروتيني الذاتي ، مما يؤدي في النهاية إلى انقسام ثنائي LexA وتحلله لاحقًا. يُحفِّز فقدان مثبط LexA نسخ جينات SOS، مما يسمح بمزيد من تحفيز الإشارة، وتثبيط انقسام الخلية، وزيادة مستويات البروتينات المسؤولة عن معالجة الضرر.

في بكتيريا الإشريكية القولونية ، تُعدّ صناديق SOS تسلسلاتٍ طولها 20 نيوكليوتيدًا تقع بالقرب من المحفزات، وتتميز ببنية متناظرة ودرجة عالية من حفظ التسلسل. أما في الأصناف والشعب الأخرى، فيختلف تسلسل صناديق SOS اختلافًا كبيرًا، من حيث الطول والتركيب، ولكنه يبقى دائمًا محفوظًا بدرجة عالية، ويُعدّ من أقوى الإشارات القصيرة في الجينوم. ^{[ 68 ]} يسمح المحتوى المعلوماتي العالي لصناديق SOS بالارتباط التفاضلي لبروتين LexA بالمحفزات المختلفة، ويُتيح تحديد توقيت استجابة SOS. تُحفَّز جينات إصلاح التلف في بداية استجابة SOS. أما بوليميرازات التلف العابرة المعرضة للخطأ، مثل UmuCD'2 (المعروف أيضًا باسم بوليميراز الحمض النووي الخامس)، فتُحفَّز لاحقًا كملاذ أخير. ^{[ 69 ]} بمجرد إصلاح تلف الحمض النووي أو تجاوزه باستخدام البوليميراز أو من خلال إعادة التركيب، تنخفض كمية الحمض النووي أحادي السلسلة في الخلايا، مما يقلل من كميات خيوط RecA ويقلل من نشاط انقسام LexA homodimer، والذي يرتبط بعد ذلك بصناديق SOS بالقرب من المحفزات ويعيد التعبير الجيني الطبيعي.

تُفعّل الخلايا حقيقية النواة المعرضة لعوامل تلف الحمض النووي مسارات دفاعية مهمة عن طريق تحفيز العديد من البروتينات المشاركة في إصلاح الحمض النووي، والتحكم في نقاط تفتيش دورة الخلية ، ونقل البروتينات وتحللها. تُعد هذه الاستجابة النسخية على مستوى الجينوم معقدة للغاية ومنظمة بدقة، مما يسمح باستجابة شاملة ومنسقة للتلف. يؤدي تعريض خميرة Saccharomyces cerevisiae لعوامل تلف الحمض النووي إلى ظهور أنماط نسخية متداخلة ولكنها متميزة. تشير أوجه التشابه مع استجابة الصدمة البيئية إلى وجود مسار استجابة عام للإجهاد على مستوى التنشيط النسخي. في المقابل، تستجيب أنواع الخلايا البشرية المختلفة للتلف بشكل مختلف، مما يشير إلى غياب استجابة شاملة مشتركة. قد يكمن التفسير المحتمل لهذا الاختلاف بين خلايا الخميرة والخلايا البشرية في عدم تجانس خلايا الثدييات . ففي الحيوان، تتوزع أنواع مختلفة من الخلايا بين أعضاء مختلفة طورت حساسية متفاوتة لتلف الحمض النووي. ^{[ 70 ]}

بشكل عام، تتضمن الاستجابة الشاملة لتلف الحمض النووي التعبير عن جينات متعددة مسؤولة عن إصلاح ما بعد التضاعف ، وإعادة التركيب المتماثل، وإصلاح استئصال النيوكليوتيدات، ونقطة تفتيش تلف الحمض النووي ، والتنشيط النسخي الشامل، والجينات التي تتحكم في تحلل الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA)، وغيرها الكثير. يُجبر تلف الخلية بشكل كبير على اتخاذ قرار مصيري: إما الخضوع للاستماتة والموت، أو البقاء على قيد الحياة مع جينوم مُعدَّل. يمكن أن تؤدي زيادة تحمل التلف إلى زيادة معدل البقاء على قيد الحياة، مما يسمح بتراكم أكبر للطفرات. يُعد كل من إنزيم Rev1 في الخميرة وبوليميراز η البشري من عائلة بوليميرازات الحمض النووي العابرة للآفات Y ، الموجودة أثناء الاستجابة الشاملة لتلف الحمض النووي، وهي مسؤولة عن زيادة الطفرات خلال هذه الاستجابة في حقيقيات النوى. ^{[ 51 ]}

غالبًا ما تُظهر الحيوانات التجريبية التي تعاني من عيوب جينية في إصلاح الحمض النووي انخفاضًا في متوسط ​​العمر وزيادة في معدل الإصابة بالسرطان. ^{[ 22 ]} على سبيل المثال، تُصاب الفئران التي تعاني من نقص في مسار NHEJ السائد وفي آليات صيانة التيلوميرات بسرطان الغدد الليمفاوية والعدوى بشكل متكرر، ونتيجة لذلك، يكون متوسط ​​عمرها أقصر من الفئران البرية. ^{[ 71 ]} وبالمثل، تُصاب الفئران التي تعاني من نقص في بروتين إصلاح ونسخ رئيسي يعمل على فك لولب الحمض النووي بأمراض الشيخوخة المبكرة وما يترتب على ذلك من قصر في متوسط ​​العمر. ^{[ 72 ]} ومع ذلك، لا يُحدث كل نقص في إصلاح الحمض النووي التأثيرات المتوقعة تمامًا؛ فقد أظهرت الفئران التي تعاني من نقص في مسار NER قصرًا في متوسط ​​العمر دون معدلات طفرات أعلى مقابلة. ^{[ 73 ]}

يبلغ متوسط ​​العمر الأقصى للفئران ، وجرذان الخلد العارية ، والبشر حوالي 3، و30 ، و129 عامًا على التوالي. ^{[ 74 ]} ومن بين هذه الأنواع، يُعد الفأر الأقصر عمرًا، إذ يُظهر تعبيرًا أقل لجينات إصلاح الحمض النووي، بما في ذلك الجينات الأساسية في العديد من مسارات إصلاح الحمض النووي، مقارنةً بالبشر وجرذان الخلد العارية. ^{[ 74 ]} علاوة على ذلك، فإن العديد من مسارات إصلاح الحمض النووي في البشر وجرذان الخلد العارية مُفعّلة بشكل أكبر مقارنةً بالفأر. تشير هذه الملاحظات إلى أن زيادة إصلاح الحمض النووي تُسهم في إطالة العمر . ^{[ 74 ]}

إذا تجاوز معدل تلف الحمض النووي قدرة الخلية على إصلاحه، فإن تراكم الأخطاء قد يُرهق الخلية ويؤدي إلى الشيخوخة المبكرة، أو موت الخلايا المبرمج، أو السرطان. وتؤدي الأمراض الوراثية المرتبطة بخلل في إصلاح الحمض النووي إلى الشيخوخة المبكرة، ^{[ 22 ]} وزيادة الحساسية للمواد المسرطنة، وبالتالي زيادة خطر الإصابة بالسرطان (انظر أدناه ). من ناحية أخرى، تُظهر الكائنات الحية ذات أنظمة إصلاح الحمض النووي المُحسّنة، مثل بكتيريا Deinococcus radiodurans ، وهي أكثر الكائنات الحية المعروفة مقاومة للإشعاع، مقاومة ملحوظة لتأثيرات النشاط الإشعاعي المُسببة لكسور الحمض النووي المزدوجة ، ويرجع ذلك على الأرجح إلى كفاءة إصلاح الحمض النووي المُحسّنة، وخاصةً آلية NHEJ. ^{[ 75 ]}

تم تحديد عدد من الجينات الفردية التي تؤثر على التباينات في متوسط ​​العمر ضمن مجموعة من الكائنات الحية. وتعتمد تأثيرات هذه الجينات بشكل كبير على البيئة، ولا سيما على النظام الغذائي للكائن الحي. ويؤدي تقييد السعرات الحرارية بشكل متكرر إلى إطالة العمر في مجموعة متنوعة من الكائنات الحية، على الأرجح عبر مسارات استشعار المغذيات وانخفاض معدل الأيض . ولا تزال الآليات الجزيئية التي يؤدي بها هذا التقييد إلى إطالة العمر غير واضحة (انظر ^{[ 76 ]} لمزيد من التفاصيل)؛ ومع ذلك، يتغير سلوك العديد من الجينات المعروفة بمشاركتها في إصلاح الحمض النووي في ظل ظروف تقييد السعرات الحرارية. وقد ثبت أن العديد من العوامل التي تم الإبلاغ عن امتلاكها خصائص مضادة للشيخوخة تُخفف من المستوى الأساسي لإشارات mTOR ، وهو دليل على انخفاض النشاط الأيضي ، وفي الوقت نفسه تُقلل من المستوى الأساسي لتلف الحمض النووي الناجم عن أنواع الأكسجين التفاعلية المتولدة داخليًا. ^{[ 77 ]}

على سبيل المثال، يمكن لزيادة جرعة جين SIR-2، الذي ينظم تغليف الحمض النووي في دودة Caenorhabditis elegans ، أن تُطيل العمر بشكل ملحوظ. ^{[ 78 ]} ومن المعروف أن نظير SIR-2 في الثدييات يحفز عوامل إصلاح الحمض النووي اللاحقة المشاركة في NHEJ، وهو نشاط يزداد بشكل خاص في ظل ظروف تقييد السعرات الحرارية. ^{[ 79 ]} وقد رُبط تقييد السعرات الحرارية ارتباطًا وثيقًا بمعدل إصلاح استئصال القاعدة في الحمض النووي النووي للقوارض، ^{[ 80 ]} على الرغم من عدم ملاحظة تأثيرات مماثلة في الحمض النووي للميتوكوندريا. ^{[ 81 ]}

يُضفي جين AGE-1 في دودة C. elegans ، وهو مُؤثر رئيسي في مسارات إصلاح الحمض النووي، عمرًا أطول بشكل ملحوظ في ظل ظروف التغذية الحرة، ولكنه يؤدي إلى انخفاض في القدرة التناسلية في ظل ظروف تقييد السعرات الحرارية. ^{[ 82 ]} تدعم هذه الملاحظة نظرية تعدد التأثيرات الجينية للأصول البيولوجية للشيخوخة ، والتي تشير إلى أن الجينات التي تُضفي ميزة بقاء كبيرة في المراحل المبكرة من الحياة سيتم اختيارها حتى لو كانت تحمل عيبًا مُقابلًا في المراحل المتأخرة من الحياة.

تُعدّ العيوب في آلية إصلاح الحمض النووي مسؤولة عن العديد من الاضطرابات الوراثية، بما في ذلك:

• جفاف الجلد المصطبغ : فرط الحساسية لأشعة الشمس/الأشعة فوق البنفسجية، مما يؤدي إلى زيادة معدل الإصابة بسرطان الجلد والشيخوخة المبكرة
• متلازمة كوكيين : فرط الحساسية للأشعة فوق البنفسجية والمواد الكيميائية
• داء تريكوثيوديستروفي : بشرة حساسة، شعر وأظافر هشة

غالباً ما يصاحب الإعاقة الذهنية الاضطرابين الأخيرين، مما يشير إلى زيادة ضعف الخلايا العصبية النامية.

تشمل اضطرابات إصلاح الحمض النووي الأخرى ما يلي:

• متلازمة ويرنر : الشيخوخة المبكرة وتأخر النمو
• متلازمة بلوم : فرط الحساسية لأشعة الشمس، ارتفاع معدل الإصابة بالأورام الخبيثة (وخاصة سرطان الدم ).
• ترنح توسع الشعيرات الدموية : الحساسية للإشعاع المؤين وبعض العوامل الكيميائية

تُسمى جميع الأمراض المذكورة أعلاه غالبًا " الشيخوخة المبكرة القطاعية " (" أمراض الشيخوخة المتسارعة ") لأن المصابين بها يبدون كبارًا في السن ويعانون من أمراض مرتبطة بالشيخوخة في سن مبكرة بشكل غير طبيعي، بينما لا تظهر عليهم جميع أعراض الشيخوخة.

تشمل الأمراض الأخرى المرتبطة بانخفاض وظيفة إصلاح الحمض النووي فقر الدم فانكوني وسرطان الثدي الوراثي وسرطان القولون الوراثي .

أظهرت الدراسات أن استجابة تلف الحمض النووي تعمل كحاجز أمام التحول الخبيث للخلايا ما قبل السرطانية. ^{[ 89 ]} وقد أظهرت دراسات مبكرة ارتفاعًا في استجابة تلف الحمض النووي في نماذج زراعة الخلايا مع تنشيط الجينات الورمية ، ^{[ 90 ]} وفي أورام القولون الغدية ما قبل السرطانية. ^{[ 91 ]} تعمل آليات استجابة تلف الحمض النووي على تحفيز توقف دورة الخلية، ومحاولة إصلاح تلف الحمض النووي أو تعزيز موت الخلية/شيخوختها إذا لم يكن الإصلاح ممكنًا. يُلاحظ إجهاد التضاعف في الخلايا ما قبل السرطانية نتيجةً لزيادة إشارات التكاثر من الطفرات الورمية. يتميز إجهاد التضاعف بما يلي: زيادة بدء التضاعف/إطلاق المنشأ؛ زيادة النسخ وتصادمات معقدات النسخ والتضاعف؛ نقص النيوكليوتيدات؛ زيادة أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS). ^{[ 92 ]}

يؤدي إجهاد التضاعف، إلى جانب اختيار الطفرات المُعطِّلة في جينات الاستجابة لتلف الحمض النووي أثناء تطور الورم، ^{[ 93 ]} إلى تثبيط و/أو فقدان بعض آليات الاستجابة لتلف الحمض النووي، وبالتالي فقدان إصلاح الحمض النووي و/أو الشيخوخة/الموت الخلوي المبرمج. في نماذج الفئران التجريبية، لوحظ فقدان الشيخوخة الخلوية بوساطة استجابة تلف الحمض النووي بعد استخدام الحمض النووي الريبي القصير ذي الحلقة الدبوسية (shRNA) لتثبيط كيناز استجابة كسر الحمض النووي المزدوج في رنح توسع الشعيرات ( ATM )، مما أدى إلى زيادة حجم الورم وقدرته على الغزو. ^{[ 91 ]} يُعاني البشر الذين يولدون بعيوب وراثية في آليات إصلاح الحمض النووي (على سبيل المثال، متلازمة لي-فراوميني ) من خطر أعلى للإصابة بالسرطان. ^{[ 94 ]}

يختلف انتشار طفرات الاستجابة لتلف الحمض النووي باختلاف أنواع السرطان؛ فعلى سبيل المثال، يُلاحظ وجود طفرات في الجينات المشاركة في إعادة التركيب المتماثل في 30% من حالات سرطان الثدي الغازي. ^{[ 89 ]} في السرطان، يُلاحظ انخفاض في التعبير الجيني في جميع آليات الاستجابة لتلف الحمض النووي (إصلاح استئصال القاعدة (BER)، وإصلاح استئصال النوكليوتيدات (NER)، وإصلاح عدم تطابق الحمض النووي (MMR)، وإصلاح إعادة التركيب المتماثل (HR)، والربط غير المتماثل للنهايات (NHEJ)، وتخليق الحمض النووي عبر الآفات (TLS). ^{[ 95 ]} بالإضافة إلى الطفرات في جينات إصلاح تلف الحمض النووي، تنشأ طفرات أيضًا في الجينات المسؤولة عن إيقاف دورة الخلية لإتاحة وقت كافٍ لإصلاح الحمض النووي، وتشارك بعض الجينات في كل من إصلاح تلف الحمض النووي والتحكم في نقاط تفتيش دورة الخلية، على سبيل المثال ATM وكينيز نقطة التفتيش 2 (CHEK2) - وهو مثبط للأورام غالبًا ما يكون غائبًا أو منخفض التعبير في سرطان الرئة ذي الخلايا غير الصغيرة. ^{[ 96 ]}

الجينات المشاركة في مسارات الاستجابة لتلف الحمض النووي والتي غالباً ما تتعرض للطفرات في السرطان

	الموارد البشرية [ أ ]	NHEJ [ ب ]	SSA [ ج ]	FA [ d ]	BER [ e ]	NER [ f ]	MMR [ غرام ]
صراف آلي
ATR
باكسيب
أتمتة العمليات الروبوتية
BRCA1
BRCA2
RAD51
RFC
XRCC1
PCNA
PARP1
ERCC1
MSH3
↑ إعادة التركيب المتماثل ↑ ربط النهايات غير المتجانسة ↑ عملية التلدين أحادي السلسلة ↑ مسار فقر الدم فانكوني ↑ إصلاح استئصال القاعدة ↑ إصلاح استئصال النيوكليوتيدات ↑ إصلاح عدم التطابق

تقليدياً، يُنظر إلى السرطان على أنه مجموعة من الأمراض التي تنجم عن تشوهات جينية متفاقمة تشمل طفرات في جينات كابتة للأورام وجينات مسرطنة، بالإضافة إلى انحرافات كروموسومية. ومع ذلك، فقد بات من الواضح أن السرطان ينجم أيضاً عن تغيرات فوق جينية . ^{[ 97 ]}

تشير التغيرات فوق الجينية إلى تعديلات وظيفية مهمة في الجينوم لا تتضمن تغييرًا في تسلسل النيوكليوتيدات. ومن أمثلة هذه التعديلات: تغيرات في مثيلة الحمض النووي (فرط المثيلة ونقص المثيلة) وتعديل الهيستون ، ^{[ 98 ]} وتغيرات في بنية الكروموسومات (الناتجة عن التعبير غير المناسب لبروتينات مثل HMGA2 أو HMGA1 )، ^{[ 99 ]} والتغيرات التي تُحدثها الحموض النووية الميكروية . يُسهم كل من هذه التغيرات فوق الجينية في تنظيم التعبير الجيني دون تغيير تسلسل الحمض النووي الأساسي . عادةً ما تبقى هذه التغيرات عبر انقسامات الخلايا ، وتستمر لأجيال خلوية متعددة، ويمكن اعتبارها طفرات فوق جينية (مكافئة للطفرات).

على الرغم من وجود عدد كبير من التغيرات فوق الجينية في السرطانات، إلا أن التغيرات فوق الجينية في جينات إصلاح الحمض النووي، والتي تؤدي إلى انخفاض التعبير عن بروتينات إصلاح الحمض النووي، تبدو ذات أهمية خاصة. يُعتقد أن هذه التغيرات تحدث في المراحل المبكرة من تطور السرطان، وأنها سبب محتمل لعدم الاستقرار الجيني الذي يميز السرطانات. ^{[ 100 ] [ 101 ] [ 102 ]} بالإضافة إلى مثيلة المحفز المباشرة أو إسكات جينات الإصلاح المرتبط بالهيستون، يمكن أن تؤدي العيوب في مركبات إعادة تشكيل الكروماتين إلى إضعاف قدرة إصلاح الحمض النووي. على وجه الخصوص، ثبت أن مركبات SWI/SNF لإعادة تشكيل الكروماتين تشارك في إصلاح كسور الحمض النووي المزدوجة عن طريق تعزيز كل من إعادة التركيب المتماثل (HR) والربط غير المتماثل للنهايات (NHEJ). تُسهل هذه المركبات إصلاح الحمض النووي من خلال تنظيم إمكانية الوصول إلى الكروماتين في مواقع التلف، ومن خلال تمكين استقطاب عوامل الإصلاح الأساسية، بما في ذلك RAD51 وKU70 وKU80، إلى كسور الحمض النووي المزدوجة. توضح هذه الآليات القائمة على الكروماتين كيف يمكن أن يؤثر الخلل اللاجيني بشكل مباشر على مسارات إصلاح الحمض النووي الخلوي ويساهم في عدم استقرار الجينوم. ^{[ 103 ]}

يؤدي انخفاض التعبير عن جينات إصلاح الحمض النووي إلى قصور في إصلاح الحمض النووي. وعندما يكون إصلاح الحمض النووي قاصراً، تبقى أضرار الحمض النووي في الخلايا بمستوى أعلى من المعتاد، وتتسبب هذه الأضرار الزائدة في زيادة معدلات الطفرات أو التغيرات فوق الجينية. وتزداد معدلات الطفرات بشكل ملحوظ في الخلايا التي تعاني من خلل في إصلاح عدم تطابق الحمض النووي ^{[ 104 ] [ 105 ]} أو في إصلاح إعادة التركيب المتماثل (HRR) ^{[ 106 ]} . كما تزداد إعادة ترتيب الكروموسومات والاختلال الصبغي في الخلايا التي تعاني من خلل في إصلاح إعادة التركيب المتماثل ^{[ 107 ] .}

لا تؤدي المستويات المرتفعة من تلف الحمض النووي إلى زيادة الطفرات فحسب، بل تؤدي أيضًا إلى زيادة التغيرات فوق الجينية. أثناء إصلاح انقطاعات الحمض النووي المزدوجة، أو إصلاح أنواع أخرى من تلف الحمض النووي، يمكن أن تؤدي مواقع الإصلاح غير المُزالة بالكامل إلى إسكات الجينات فوق الجيني. ^{[ 108 ] [ 109 ]}

قد يؤدي نقص التعبير عن بروتينات إصلاح الحمض النووي نتيجة طفرة وراثية إلى زيادة خطر الإصابة بالسرطان. الأفراد الذين يعانون من خلل وراثي في ​​أي من جينات إصلاح الحمض النووي البالغ عددها 34 جينًا (انظر مقال اضطراب نقص إصلاح الحمض النووي ) معرضون لخطر متزايد للإصابة بالسرطان، حيث تصل نسبة الإصابة بالسرطان مدى الحياة في بعض الحالات إلى 100% (مثل طفرات جين p53). ^{[ 110 ]} مع ذلك، فإن هذه الطفرات الجرثومية (التي تسبب متلازمات سرطانية عالية النفاذية) لا تمثل سوى حوالي 1% من حالات السرطان. ^{[ 111 ]}

قد تنجم حالات نقص إنزيمات إصلاح الحمض النووي أحيانًا عن طفرة جسدية حديثة في جين إصلاح الحمض النووي، ولكنها غالبًا ما تنجم عن تغيرات فوق جينية تُقلل أو تُثبط التعبير عن جينات إصلاح الحمض النووي. على سبيل المثال، عند فحص 113 حالة من سرطان القولون والمستقيم بالتسلسل، وُجد أن أربع حالات فقط تحمل طفرة خاطئة في جين إصلاح الحمض النووي MGMT ، بينما أظهرت الغالبية انخفاضًا في التعبير عن MGMT نتيجةً لمثيلة منطقة المحفز لـ MGMT (وهو تغير فوق جيني). ^{[ 112 ]} ووجدت خمس دراسات مختلفة أن ما بين 40% و90% من سرطانات القولون والمستقيم تُظهر انخفاضًا في التعبير عن MGMT نتيجةً لمثيلة منطقة المحفز لـ MGMT. ^{[ 113 ] [ 114 ] [ 115 ] [ 116 ] [ 117 ]}

وبالمثل، من بين 119 حالة من سرطانات القولون والمستقيم التي تعاني من نقص في إصلاح عدم تطابق الحمض النووي، والتي تفتقر إلى التعبير عن جين إصلاح الحمض النووي PMS2 ، كان نقص PMS2 في 6 حالات ناتجًا عن طفرات في جين PMS2، بينما في 103 حالات كان نقص التعبير عن PMS2 ناتجًا عن تثبيط شريكه MLH1 بسبب مثيلة المحفز (بروتين PMS2 غير مستقر في غياب MLH1). ^{[ 118 ]} في الحالات العشر المتبقية، يُرجح أن يكون فقدان التعبير عن PMS2 ناتجًا عن فرط التعبير اللاجيني للـ microRNA ، miR-155 ، الذي يُثبط MLH1. ^{[ 119 ]}

في مثال آخر، وُجدت عيوب جينية في أنواع مختلفة من السرطانات (مثل سرطان الثدي، وسرطان المبيض، وسرطان القولون والمستقيم، وسرطان الرأس والعنق). يحدث نقصان أو ثلاثة في التعبير عن جينات ERCC1 أو XPF أو PMS2 في أغلب حالات سرطان القولون البالغ عددها 49 حالة والتي قيّمها فاسيستا وآخرون ^{[ 120 ] .}

يُبيّن الجدول في هذا القسم بعض العوامل الشائعة المُسببة لتلف الحمض النووي، وأمثلة على أنواع التلف التي تُسببها، والمسارات التي تُعالج هذه الأضرار. يُستخدم ما لا يقل عن 169 إنزيمًا إما بشكل مباشر في إصلاح الحمض النووي أو تُؤثر في عمليات إصلاحه. ^{[ 121 ]} من بين هذه الإنزيمات، يُستخدم 83 إنزيمًا بشكل مباشر في إصلاح أنواع تلف الحمض النووي الخمسة الموضحة في الجدول.

يُظهر المخطط بعضًا من الجينات الأكثر دراسةً والتي تُعدّ أساسيةً في عمليات الإصلاح هذه. تشير تسميات الجينات الموضحة باللون الأحمر أو الرمادي أو السماوي إلى الجينات التي غالبًا ما تخضع لتغيرات فوق جينية في أنواع مختلفة من السرطانات. تصف مقالات ويكيبيديا الخاصة بكل جين من الجينات المظللة باللون الأحمر أو الرمادي أو السماوي التغيرات فوق الجينية والسرطانات التي وُجدت فيها هذه الطفرات. كما توثق المقالات الاستعراضية ^{[ 122 ]} ومقالات المسح التجريبي الشاملة ^{[ 123 ] [ 124 ]} معظم أوجه القصور هذه في إصلاح الحمض النووي فوق الجيني في السرطانات.

غالباً ما تُخفَّض الجينات المظللة باللون الأحمر أو تُكبت بفعل آليات فوق جينية في أنواع مختلفة من السرطانات. وعندما يكون التعبير عن هذه الجينات منخفضاً أو معدوماً، قد تتراكم أضرار الحمض النووي. ويمكن أن تؤدي أخطاء التضاعف التي تتجاوز هذه الأضرار (انظر: تخليق الحمض النووي عبر الآفات ) إلى زيادة الطفرات، وفي نهاية المطاف، إلى الإصابة بالسرطان. ويبدو أن الكبت فوق الجيني لجينات إصلاح الحمض النووي في مسارات إصلاح الحمض النووي الدقيقة يُعدّ عاملاً أساسياً في التسرطن .

يُعدّ الجينان RAD51 و BRCA2 ، المظللان باللون الرمادي، ضروريين لإصلاح الحمض النووي المتماثل . وفي بعض أنواع السرطان، يُلاحظ فرط تعبيرهما أو نقص تعبيرهما. وكما هو موضح في مقالات ويكيبيديا حول RAD51 و BRCA2 ، فإن هذه السرطانات عادةً ما تعاني من نقص في جينات إصلاح الحمض النووي الأخرى. ومن المرجح أن يؤدي هذا النقص إلى زيادة تلف الحمض النووي غير المُصلح. وقد يعكس فرط تعبير RAD51 و BRCA2 في هذه السرطانات ضغوطًا انتقائية لتعويض فرط التعبير عن RAD51 أو BRCA2 وزيادة إصلاح الحمض النووي المتماثل، وذلك للتعامل جزئيًا على الأقل مع هذا التلف الزائد في الحمض النووي. أما في الحالات التي يكون فيها RAD51 أو BRCA2 ناقص التعبير، فإن ذلك سيؤدي بدوره إلى زيادة تلف الحمض النووي غير المُصلح. قد تؤدي أخطاء النسخ التي تتجاوز هذه الأضرار (انظر تخليق ما بعد الآفة ) إلى زيادة الطفرات والسرطان، بحيث يكون انخفاض التعبير عن RAD51 أو BRCA2 مسرطناً في حد ذاته.

الجينات المظللة باللون السماوي تقع ضمن مسار إصلاح الحمض النووي المعتمد على التماثل الجزئي (MMEJ)، وتزداد مستوياتها في السرطان. يُعدّ MMEJ مسارًا إضافيًا لإصلاح كسور الحمض النووي المزدوجة، ولكنه عرضة للأخطاء . في إصلاح MMEJ لكسور الحمض النووي المزدوجة، يكفي وجود تماثل يتراوح بين 5 و25 زوجًا من القواعد المتكاملة بين السلسلتين لمحاذاة السلسلتين، ولكن عادةً ما توجد نهايات غير متطابقة (أجزاء غير متطابقة). يقوم MMEJ بإزالة النيوكليوتيدات الزائدة (الأجزاء غير المتطابقة) عند نقاط اتصال السلسلتين، ثم يربط السلسلتين لتكوين حلزون DNA مزدوج سليم. يتضمن MMEJ دائمًا تقريبًا حذفًا صغيرًا على الأقل، مما يجعله مسارًا مُطفرًا. ^{[ 33 ]} يزداد التعبير عن FEN1 ، وهو إنزيم نوكلياز طرفي في مسار MMEJ، بشكل غير طبيعي نتيجة نقص مثيلة المحفز، ويُلاحظ فرط تعبيره في معظم سرطانات الثدي، ^{[ 125 ]} والبروستاتا، ^{[ 126 ]} والمعدة، ^{[ 127 ] [ 128 ]} والأورام الأرومية العصبية، ^{[ 129 ]} والبنكرياس، ^{[ 130 ]} والرئة. ^{[ 131 ]} كما يُلاحظ فرط تعبير PARP1 عند نقص مثيلة موقع ETS في منطقة المحفز ، مما يُسهم في تطور سرطان بطانة الرحم ^{[ 132 ]} وسرطان المبيض المصلي المصاحب لطفرة BRCA. ^{[ 133 ]} وتُلاحظ أيضًا فرط تعبير جينات أخرى في مسار MMEJ في عدد من السرطانات (انظر MMEJ للاطلاع على ملخص)، وهي موضحة باللون السماوي.

يؤدي اختلاف نشاط مسارات إصلاح الحمض النووي عبر مناطق مختلفة من الجينوم البشري إلى توزيع غير متساوٍ للطفرات داخل جينومات الأورام. ^{[ 134 ] [ 135 ]} وعلى وجه الخصوص، تُظهر المناطق الغنية بالجينات والمُتضاعفة مبكرًا في الجينوم البشري معدلات طفرات أقل من مناطق الكروماتين المغاير الفقيرة بالجينات والمُتضاعفة متأخرًا . إحدى الآليات الكامنة وراء ذلك تتضمن تعديل الهيستون H3K36me3 ، الذي يمكنه استقطاب بروتينات إصلاح عدم التطابق ، ^{[ 136 ]} مما يُقلل من معدلات الطفرات في المناطق المُوسومة بـ H3K36me3 . ^{[ 137 ]} آلية أخرى مهمة تتعلق بإصلاح استئصال النيوكليوتيدات ، الذي يمكن استقطابه بواسطة آلية النسخ، مما يُقلل من معدلات الطفرات الجسدية في الجينات النشطة ^{[ 135 ]} ومناطق الكروماتين المفتوحة الأخرى. ^{[ 138 ]}

في الحالة المستقرة (مع حدوث الأضرار الداخلية وإصلاحها)، يوجد حوالي 2400 جزيء غوانين متضرر بالأكسدة، يُشكّل 8-أوكسو-2'-ديوكسي غوانوزين (8-OHdG) في الحمض النووي للخلايا الثديية المتوسطة. ^{[ 139 ]} يُشكّل 8-OHdG حوالي 5% من الأضرار التأكسدية الشائعة في الحمض النووي. ^{[ 140 ]} لا تتوزع جزيئات الغوانين المؤكسدة عشوائيًا بين جميع جزيئات الغوانين في الحمض النووي، بل يوجد تفضيل تسلسلي للغوانين في موقع CpG مثيل (سيتوزين متبوعًا بغوانين على امتداد اتجاهه 5' → 3' ، حيث يكون السيتوزين مثيلًا (5-mCpG)). ^{[ 141 ]} يتميز موقع 5-mCpG بأقل جهد تأين لأكسدة الغوانين.

يمتلك الغوانين المؤكسد قدرة على إحداث اختلالات في الاقتران، كما أنه مُطفر. ^{[ 143 ]} يُعد إنزيم أوكسوجوانين جليكوزيلاز (OGG1) الإنزيم الأساسي المسؤول عن استئصال الغوانين المؤكسد أثناء إصلاح الحمض النووي. يعثر OGG1 على 8-OHdG ويرتبط به في غضون ثوانٍ معدودة. ^{[ 144 ]} مع ذلك، لا يستأصل OGG1 جزيء 8-OHdG فورًا. في خلايا هيلا، يحدث نصف الحد الأقصى لإزالة 8-OHdG خلال 30 دقيقة، ^{[ 145 ]} وفي الفئران المُشعَّعة، تُزال جزيئات 8-OHdG المُستحثة في كبد الفأر بنصف عمر يبلغ 11 دقيقة. ^{[ 140 ]}

عندما يتواجد إنزيم OGG1 عند غوانين مؤكسد ضمن موقع CpG مثيل، فإنه يستقطب إنزيم TET1 إلى موضع تلف 8-OHdG (انظر الشكل). وهذا يسمح لإنزيم TET1 بإزالة مثيلة السيتوزين المثيل المجاور. ^{[ 146 ]} إزالة مثيلة السيتوزين هي تغيير فوق جيني. ^{[ 147 ]}

على سبيل المثال، عند معالجة خلايا ظهارة الثدي البشرية ببيروكسيد الهيدروجين ( _{H₂O₂ )} لمدة ست ساعات، ازداد مستوى 8-OHdG في الحمض النووي بمقدار 3.5 أضعاف تقريبًا، مما أدى إلى إزالة مثيلة حوالي 80% من 5-ميثيل سيتوزين في الجينوم. ^{[ 142 ]} تؤدي إزالة مثيلة مواقع CpG في مُحفِّز الجين بواسطة نشاط إنزيم TET إلى زيادة نسخ الجين إلى الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA). _[ ^{148 ] في} الخلايا المعالجة ببيروكسيد _{الهيدروجين} ، تم فحص جين واحد على وجه الخصوص، وهو BACE1 . ^{[ 142 ]} انخفض مستوى مثيلة جزيرة CpG الخاصة بجين BACE1 (وهو تغيير فوق جيني)، مما سمح بزيادة تعبير الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) الخاص بجين BACE1 بمقدار 6.5 أضعاف تقريبًا .

بينما يؤدي حضن الخلايا مع بيروكسيد الهيدروجين ( _{H₂O₂ )} لمدة ست ساعات إلى إزالة كبيرة لمجموعة الميثيل من مواقع 5-mCpG، يبدو أن فترات أقصر من الحضن مع بيروكسيد الهيدروجين _تُحفز تغيرات جينية أخرى. يؤدي تعريض الخلايا لبيروكسيد الهيدروجين _{لمدة 30 دقيقة إلى استقطاب بروتين إصلاح عدم التطابق MSH2-MSH6 ، وهو ثنائي غير متجانس ،} لإنزيم ناقل ميثيل الحمض النووي 1 (DNMT1) إلى مواقع بعض أنواع تلف الحمض النووي التأكسدي. ^{[ 149 ]} قد يُسبب هذا زيادة في مثيلة السيتوزينات (تغيرات جينية) في هذه المواقع.

قام جيانغ وآخرون ^{[ 150 ]} بمعالجة خلايا HEK 293 بعوامل مُسببة لتلف الحمض النووي التأكسدي، ( برومات البوتاسيوم (KBrO3) أو كرومات البوتاسيوم (K2CrO4)). حدث إصلاح استئصال القاعدة (BER) للتلف التأكسدي، حيث تموضع إنزيم إصلاح الحمض النووي بوليميراز بيتا على قواعد الغوانين المؤكسدة. يُعد بوليميراز بيتا البوليميراز البشري الرئيسي في إصلاح استئصال القاعدة قصير المدى لتلف الحمض النووي التأكسدي. كما وجد جيانغ وآخرون ^{[ 150 ]} أن بوليميراز بيتا استقطب بروتين ناقل ميثيل الحمض النووي DNMT3b إلى مواقع إصلاح استئصال القاعدة. ثم قاموا بتقييم نمط المَثْيَلَة على مستوى النوكليوتيد الواحد في منطقة صغيرة من الحمض النووي تشمل منطقة المحفز ومنطقة النسخ المبكر لجين BRCA1 . أدى تلف الحمض النووي التأكسدي الناتج عن البرومات إلى تعديل نمط مَثْيَلَة الحمض النووي (مُسببًا تغييرات فوق جينية) في مواقع CpG ضمن منطقة الحمض النووي المدروسة. في الخلايا غير المعالجة، احتوت مواقع CpG الموجودة عند -189، -134، -29، -19، +16، و+19 من جين BRCA1 على سيتوزينات مثيلة (حيث يُمثل الترقيم موقع بدء نسخ الحمض النووي الريبوزي الرسول ، وتشير الأرقام السالبة إلى النيوكليوتيدات في منطقة المحفز العلوي ). أدى التأكسد الناتج عن المعالجة بالبرومات إلى فقدان مثيلة السيتوزين عند -189، -134، +16، و+19، بينما أدى أيضًا إلى تكوين مثيلة جديدة عند مواقع CpG الموجودة عند -80، -55، -21، و+8 بعد السماح بإصلاح الحمض النووي.

تشير أربع دراسات على الأقل إلى استقطاب إنزيم ناقل ميثيل الحمض النووي 1 (DNMT1) إلى مواقع انقطاعات الحمض النووي المزدوجة. ^{[ 151 ] [ 152 ] [ 108 ] [ 153 ]} أثناء إصلاح انقطاع الحمض النووي المزدوج عن طريق إعادة التركيب المتماثل (HR)، يؤدي وجود DNMT1 إلى اختلاف مستويات السيتوزينات الميثيلية في سلسلتي الحمض النووي المُصلحتين. تصبح إحدى السلسلتين ميثيلية بشكل متكرر في حوالي 21 موقع CpG أسفل موقع الانقطاع. أما السلسلة الأخرى، فتفقد الميثيلية في حوالي ستة مواقع CpG كانت ميثيلية سابقًا أسفل موقع الانقطاع، بالإضافة إلى فقدانها الميثيلية في حوالي خمسة مواقع CpG كانت ميثيلية سابقًا أعلى موقع الانقطاع. عند تضاعف الكروموسوم، ينتج كروموسوم ابنة واحد مُمَثْيَل بشدة في المنطقة الواقعة أسفل موقع الكسر السابق، وآخر غير مُمَثْيَل في المنطقة الواقعة أعلى وأسفل موقع الكسر السابق. بالنسبة للجين الذي انكسر نتيجةً للكسر في الشريط المزدوج، يُعبِّر نصف الخلايا الناتجة عن هذا الجين بمستوى عالٍ، بينما يُثبَّط التعبير عنه في النصف الآخر. وعندما حُفظت مستنسخات هذه الخلايا لمدة ثلاث سنوات، استمرت أنماط المَثْيَلَة الجديدة طوال تلك الفترة. ^{[ 154 ]}

في الفئران التي خضعت لعملية إدخال إعادة تركيب موجهة بالتماثل بوساطة تقنية كريسبر في جينومها، لوحظ وجود عدد كبير من عمليات المثيلة المتزايدة لمواقع CpG داخل الإدخال المرتبط بكسر السلسلة المزدوجة. ^{[ 155 ]}

قد يؤدي إصلاح انقطاع الحمض النووي المزدوج بواسطة آلية الربط غير المتجانس للنهايات (NHEJ) إلى إزالة عدد قليل من مثيلات السيتوزين الموجودة مسبقًا في الحمض النووي (DNA) أسفل موقع الانقطاع المُصلح. ^{[ 152 ]} وأظهرت دراسة أخرى أجراها ألين وآخرون ^{[ 156 ]} أن إصلاح انقطاع الحمض النووي المزدوج بواسطة آلية NHEJ في الخلية قد يُنتج خلايا ذرية ذات تعبير مُثبَّط للجين الذي يحمل الانقطاع الأولي، وخلايا ذرية أخرى ذات تعبير عالٍ لهذا الجين نتيجةً لتغيرات فوق جينية مرتبطة بإصلاح NHEJ. ويُقدَّر معدل حدوث التغيرات فوق الجينية التي تُسبب تثبيط جين ما بعد إصلاح انقطاع الحمض النووي المزدوج بواسطة آلية NHEJ في ذلك الجين بنحو 0.9%. ^{[ 108 ]}

في بعض الأحيان، لا يُصلح تلف الحمض النووي، أو يُصلح بآلية عرضة للخطأ، مما يؤدي إلى تغيير في التسلسل الأصلي. عند حدوث ذلك، قد تنتقل الطفرات إلى جينومات نسل الخلية. إذا حدث هذا في خلية جرثومية ستنتج في النهاية مشيجًا ، فإن الطفرة لديها القدرة على الانتقال إلى نسل الكائن الحي. معدل التطور في نوع معين (أو في جين معين) هو دالة لمعدل الطفرات. ونتيجة لذلك، يؤثر معدل ودقة آليات إصلاح الحمض النووي على عملية التغير التطوري. ^{[ 159 ]} لا يؤثر حماية الحمض النووي من التلف وإصلاحه على معدل التكيف من خلال تنظيم الجينات وإعادة التركيب واختيار الأليلات. من ناحية أخرى، يؤثر إصلاح الحمض النووي من التلف وحمايته على معدل تراكم الطفرات غير القابلة للإصلاح، والمفيدة، والموسعة للشيفرة الوراثية، ويبطئ آلية التطور لتوسع جينوم الكائنات الحية ذات الوظائف الجديدة. إن التوتر بين قابلية التطور وإصلاح الطفرات والحماية منها يحتاج إلى مزيد من البحث.