Hur förhindrar DNA-polymeras mutationer

Mutationer är permanenta förändringar av nukleotidsekvensen hos en viss organism. De kan uppstå på grund av fel i DNA-replikation eller externa mutagener. Effekten av en mutation kan vara antingen fördelaktig eller skadlig för cellen. Cellerna genomgår emellertid olika typer av mekanismer för att förhindra mutationer. DNA-polymeras, vilket är enzymet involverat i DNA-replikation, är utrustad med flera mekanismer för att förebygga fel under DNA-replikation. Under DNA-replikation ersätts de felaktiga baserna med korrekturläsning. Omedelbart efter DNA-replikation ersätts de återstående felaktiga baserna med string-directed mismatch reparation. Dessutom repareras de mutationer som orsakas av yttre faktorer genom flera mekanismer såsom excisionsreparation, kemisk reversering och dubbelsträngbrytningsreparation. Om skadan är reversibel utsätts cellen för apoptos för att undvika att passera det felaktiga DNAet till avkomman.

Viktiga områden som omfattas

1. Vad är en mutation
      - Definition, Typer, Orsaker
2. Hur förhindrar DNA-polymeras mutationer
     - Proofreading, Strand-Directed Mismatch Repair

Viktiga termer: DNA-polymeras, Strand-Directed Mismatch Repair, Mut Proteiner, Mutation, Proofreading

Vad är en mutation

En mutation hänför sig till en permanent och en ärftlig förändring i genomets nukleotidsekvens. Mutationer kan uppstå på grund av fel av DNA-replikation eller yttre faktorer som är kända som mutagener. De tre formerna av mutationer är punktmutationer, framväxlingsmutationer och kromosomala mutationer.

Punktmutationer

Punktmutationer är enkla nukleotidsubstitutioner. De tre typerna av punktmutationer är missense, nonsens och tysta mutationer. Missens mutation ändrar en enda kodon av genen, förändrar aminosyran i polypeptidkedjan. Fastän nonsensmutationer ändra kodonsekvensen, ändrar de inte aminosyrasekvensen. Tysta mutationer ändra ett enda kodon till ett annat kodon som representerar samma aminosyra. Punktmutationer orsakas av fel i DNA-replikation och mutagener. Olika typer av punktmutationer visas i Figur 1.

Figur 1: Punktmutationer

Frameshift Mutations

Frameshift mutationer är insertioner eller deletioner av en eller flera nukleotider från genomet. Infogningar, raderingar och dupliceringar är de tre typerna av framväxlingsmutationer. Insättningar är tillsatsen av en eller flera nukleotider till sekvensen medan deletioner är avlägsnandet av flera nukleotider från sekvensen. dubbel är upprepningen av flera nukleotider. Frameshift mutationer orsakas också av fel i DNA-replikationen och mutagener.

Kromosomala mutationer

Kromosomala mutationer är förändringar av segment av kromosomer. De typer kromosomala mutationerna är translokationer, gendubbleringar, intra-kromosomala deletioner, inversioner och förlust av heterozygositet. Translokationer är utbyten av delar av kromosomer mellan icke-homologa kromosomer. Vid gendubblering kan flera kopior av en viss allel förekomma, vilket ökar gendoseringen. Avlägsnandet av segment av kromosomer är kända som intra-kromosomala deletioner. Inversioner ändrar orienteringen av ett kromosomsegment. Heterozygositet hos en gen kan gå vilse på grund av förlusten av en allel i en kromosom genom deletion eller genetisk rekombination. Kromosomala mutationer orsakas huvudsakligen av externa mutagener och på grund av mekaniska skador på DNA.

Hur förhindrar DNA-polymeras mutationer

DNA-polymeras är enzymet som är ansvarigt för tillsatsen av nukleotidbaser till den växande strängen under DNA-replikation. Eftersom nukleotidsekvensen för ett genom bestämmer utvecklingen och funktionen hos en viss organism är det viktigt att syntetisera den exakta repliken av det befintliga genomet under DNA-replikation. I allmänhet upprätthåller DNA-polymeras högtrohet under DNA-replikation, varvid endast enskild mismatcherad nukleotid inkorporeras per 10⁹ tillsatta nukleotider. Om därför en felupplösning sker mellan kvävebaserna utöver de standardkomplementära basparen, tillsätter DNA-polymeras den nukleotiden till odlingskedjan, vilket alstrar en frekvent mutation. Felen i DNA-replikation korrigeras av två mekanismer som är kända som korrekturläsning och strängstyrd felparametrering.

Korrekturläsning

Korrekturläsning hänför sig till en initial mekanism för att korrigera felparingsbasparen från den växande DNA-strängen och den utförs av DNA-polymeras. DNA-polymeras utför korrekturläsning i två steg. Den första korrekturläsningen sker strax före tillsatsen av en ny nukleotid till odlingskedjan. Affiniteten för korrekta nukleotider för DNA-polymeras är många gånger högre än för de otillräckliga nukleotiderna. Emellertid bör enzymet genomgå en konformationsändring strax efter det att den inkommande nukleotiden binder till mallen genom vätebindningar men före bindning av nukleotiden till den växande strängen genom verkan av DNA-polymeras. De felaktigt basparade nukleotiderna är benägna att dissociera från mallen under konformationsändringen av DNA-polymeraset. Därför tillåter steget DNA-polymeras att "dubbelkontrollera" nukleotiden innan den tillsättes permanent till den växande strängen. Korrekturläsningsmekanismen för DNA-polymeras visas i figur 2.

Figur 2: Korrigering

Det andra korrekturläsningssteget är känt som exonukleolytisk korrekturläsning. Det inträffar omedelbart efter införlivandet av en otillbörlig nukleotid i den växande strängen i ett sällsynt fall. DNA-polymeras är oförmöget att tillsätta den andra nukleotiden bredvid den icke matchade nukleotiden. En separat katalytisk plats hos DNA-polymeraset känt som 3 'till 5' korrekturläsningsexonukleas digererar de felaktiga nukleotiderna från odlingskedjan.

Strand-Directed Mismatch Repair

Trots korrekturläsningsmekanismer kan DNA-polymeras fortfarande inkorporera felaktiga nukleotider till den växande strängen under DNA-replikation. De replikeringsfel som har undanröjts från korrekturläsning avlägsnas av den strängstyrda felparameteringen. Detta system detekterar distorsionspotentialen i DNA-helixen som beror på otillbörliga baspar. Däremot bör reparationssystemet identifiera den felaktiga basen från den befintliga basen innan du ersätter felpassningen. Rent generellt, E coli beror på DNA-metyleringssystem för att känna igen den gamla DNA-strängen i dubbelhelikixen, eftersom den nyligen syntetiserade strängen inte snart kommer att genomgå DNA-metylering. I E coli, En återstod av GATC är metylerad. Trojan av DNA-replikationen ökas med en ytterligare faktor av 10² på grund av åtgärden av strängstyrda felparametrar. DNA-mismatch reparationsvägarna i eukaryoter, bakterier och E coli visas i figur 3.

Figur 3: DNA-matchningsreparation i eukaryoter, bakterier och E. coli

I den strängstyrda mismatchreparationen rör tre komplexa proteiner genom den nyssyntetiserade DNA-strängen. Det första proteinet som kallas MutS detekterar och binder till snedvridningarna i DNA-dubbelhelixen. Det andra proteinet som är känt som MutL detekterar och binder till MutS, vilket lockar det tredje proteinet som är känt som MutH, som särskiljer den icke-metylerade eller den nyssyntetiserade strängen. Vid bindning skär MutH den obemetylerade DNA-strängen omedelbart uppströms till G-resten i GATC-sekvensen. Ett exonukleas är ansvarigt för nedbrytningen av strängen nedströms mot felmatchningen. Emellertid degraderar detta system regioner som är mindre än 10 nukleotider som lätt åter syntetiseras av DNA-polymeras 1. Mut-proteinerna av eukaryoter är homologa med E coli.

Slutsats

Mutationer är permanenta förändringar av nukleotidsekvensen för genomet som kan uppstå på grund av fel i DNA-replikation eller på grund av effekten av externa mutagener. Felen i DNA-replikering kan korrigeras av två mekanismer som är kända som korrekturläsning och strängstyrd felparametrering. Proofläsning utförs av DNA-polymeras själv under DNA-syntesen. Den strängstyrda mismatchreparationen utförs av Mut-proteiner strax efter DNA-replikationen. Dessa reparationsmekanismer är emellertid inblandade i upprätthållandet av genomets integritet.

Referens:

1. Alberts, Bruce. "DNA-replikationsmekanismer." Molekylärbiologi av cellen. 4: e upplagan., U.S. National Library of Medicine, 1 Jan. 1970, Tillgänglig här.
2. Brown, Terence A. "Mutation, Reparation och Recombination." Genomes. 2: a upplagan., U.S. National Library of Medicine, 1 Jan. 1970, Tillgänglig här.

Image Courtesy:

1. "Olika typer av mutationer" Av Jonsta247 - Den här filen härleddes från: Point mutations-en.png (GFDL) via Commons Wikimedia
2. "DNA-polymeras" Av jag, Madprime (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia
3. "DNA mismatch repair" Av Kenji Fukui - (CC BY 3.0) via Commons Wikimedia