Sự toàn vẹn của phân tử ADN chứa thông tin di truyền có ý nghĩa sống còn đối với tế bào cũng như đối với toàn cơ thể, nên nó phải được ổn định rất lớn qua các thế hệ. Bởi vậy, sau khi được phát sinh bằng rất nhiều nguyên nhân (tia tử ngoại có trong ánh sáng mặt trời, các chất hóa học ở môi trường xung quanh, sự rối loạn trong trao đổi chất của tế bào), đột biến có thể được sửa chữa nhờ hàng loạt các cơ chế sửa sai của tế bào.
Ví dụ: Khi tế bào bị chiếu tia tử ngoại (UV), trên phân tử ADN trong tế bào có thể hình thành các dimer pyrimidin. Đó là các cấu trúc hình thành khi hai thymin hoặc hai cytosin ở trên cùng một sợi ADN gắn với nhau. Các dimer làm sai lêch ADN đến mức các purin trên sợi đối diện không thể kết cặp được. Nếu không loại bỏ được các dimer này thì các tế bào có thể bị chết; hoặc khi ADN tái bản, các nucleotit đính vào vị trí đối diện sẽ bị sai, dẫn đến đột biến gen. Tế bào có thể loại bỏ các dimer bằng một trong ba cơ chế: quang phục hoạt, sửa chữa bằng cắt bỏ hay sửa chữa sau tái bản.
4.6.4.1. Sửa chữa bằng quang phục hoạt
Quang phục hoạt là quá trình loại bỏ các dimer pyrimidin do tia tử ngoại trực tiếp gây nên, nhờ tác động của ánh sáng.
Dưới tác động của ánh sáng chiếu vào, tế bào tạo ra enzym photolyase. Nhờ được hoạt hóa bởi photon ánh có bước sóng 320-370nm, enzym này có tác dụng đơn phân hoá các dimer pyrimidin, làm cho cấu trúc của phân tử ADN được phục hồi trở lại. Enzym photolyase đã được phát hiện thấy ở nhiều vi sinh vật, thực vật và động vật bậc cao, tức nó phổ cập ở nhiều đối tượng sinh vật.
Hình 4.10: Quang phục hoạt đối với dimer thymin nhờ enzym photolyase 4.6.4.2. Sửa chữa bằng cắt bỏ
Kiểu sửa chữa này liên quan tới sự cắt bỏ những dimer trên ADN, gồm nhiều giai đoạn và có sự tham gia của nhiều loại enzym, với các diễn biến như sau:
- Đầu tiên có một loại enzym là UF- endonuclease nhận biết vị trí của dimer ở đầu 5' và cắt đứt sợi đơn ADN ở vị trí này, làm cho đầu 5' của dimer rời ra.
- Sau đó ADN polymerase I thực hiện hoạt tính exonuclease cắt bỏ đoạn ADN có chứa dimer theo chiều 5'→ 3'. Tiếp theo, cũng nhờ xúc tác của enzym này mà một đoạn sợi đơn mới được tổng hợp theo chiều 5'→ 3' trên cơ sở khuôn mẫu của sợi nguyên đối diện để lấp chỗ trống.
- Khe hở giữa sợi đơn cũ và đoạn sợi tổng hợp mới được gắn liền nhờ sự tham gia của enzym ligase.
Hình 4.11. Mô hình diến tả kiểu sửa chữa bằng cắt bỏ
Kiểu sửa chữa này phổ biến ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn. Khác với quang phục hoạt, đối tượng sửa chữa ở đây có thể là các dimer pyrimidin hoặc các dạng hỏng khác do bức xạ tia cực tím hoặc bức xạ ion hoá,... gây nên.
Ở người đã phát hiện ra một loại bệnh di truyền - bệnh da sừng sắc tố mẫn cảm với tác động của ánh sáng mặt trời, thường dẫn tới sự phát sinh ung thư da. Ở những bệnh nhân này có sự cố đối với quá trình sửa chữa ADN do bất hoạt hóa gen quy định tổng hợp enzym UF- endonuclease.
4.6.4.3. Sửa chữa sau tái bản
- Phân tử ADN mang dimer (gồm hai sợi đơn được kí hiệu là A và A', A' là sợi mang dimer) vẫn xảy ra tái bản, tuy có tốc độ tái bản chậm hơn so với ADN bình thường. Kết quả hình thành một sợi đơn mới nguyên vẹn (A1) và một sợi đơn mới (A1') bị trống một đoạn đối diện vị trí dimer trên sợi đơn gốc (sợi A').
- Đoạn trống trên sợi đơn mới A1' lập tức được lấp đầy bằng một đoạn tương ứng được chuyển từ sợi đơn gốc không mang dimer (sợi A) theo cơ chế tái tổ hợp. Kết quả lại tạo ra một đoạn trống tương ứng trên sợi đơn gốc không mang dimer (sợi A).
- Một đoạn sợi đơn được tổng hợp theo khuôn mẫu của sợi đơn mới nguyên vẹn (sợi A1) để lấp đoạn trống này, đoạn mạch sợi đơn này được hàn với sợi đơn gốc không mang dimer (sợi A).
Sự tổng hợp sửa chữa ADN xảy ra nhờ tái tổ hợp là cơ chế tránh dùng sợi có mang chấn hỏng (dimer) làm khuôn, nên còn được gọi là sửa chữa nhờ tái tổ hợp.
Ngoài ra, còn phát hiện thấy một kiểu sửa chữa sau tái bản khác xảy ra chậm, đó là kiểu sửa chữa cấp cứu "SOS": sau tái bản một thời gian khoảng một số giờ, sự sửa chữa ADN được tiến hành với sự tham gia của một hệ thống nhiều enzym, các enzym này chỉ được tạo ra trong tế bào bị tác động bởi yếu tố gây đột biến. Ở đây,
hợp sửa chữa “cấp cứu” phải dựa trên sợi khuôn mang chấn hỏng, nên sự lắp ráp các nucleotit hay bị nhầm lẫn, làm cho đoạn ADN được sửa chữa thường có tần số sai lệch cao về thành phần nucleotit. Bởi vậy, kiểu sửa chữa này còn có tên là sửa chữa có xu hướng sai.