Hvordan forhindrer DNA-polymerase mutasjoner

Mutasjoner er permanente forandringer av nukleotidsekvensen av en bestemt organisme. De kan oppstå på grunn av feilene i DNA-replikasjon eller eksterne mutagene. Effekten av en mutasjon kan være enten gunstig eller skadelig for cellen. Cellene gjennomgår imidlertid forskjellige typer mekanismer for å forhindre mutasjoner. DNA-polymerase, som er enzymet involvert i DNA-replikasjon, er utstyrt med flere mekanismer for å forhindre feil under DNA-replikasjon. Under DNA-replikasjon, erstattes de feilformede basene av korrekturlesing. Umiddelbart etter DNA-replikasjon, erstattes de gjenværende feilbaserte basene med strengstyrt feilparametre. I tillegg repareres mutasjoner forårsaket av eksterne faktorer ved hjelp av flere mekanismer som excision reparasjon, kjemisk reversering og dobbeltstrengspause reparasjon. Hvis skaden er reversibel, blir cellen underkastet apoptose for å unngå å overføre det defekte DNA til avkom.

Nøkkelområder dekket

1. Hva er en mutasjon
      - Definisjon, Typer, Årsaker
2. Hvordan forhindrer DNA-polymerase mutasjoner
     - Prooflesing, Strand-Directed Mismatch Repair

Nøkkelbetingelser: DNA Polymerase, Strand-Directed Mismatch Repair, Mut Proteiner, Mutasjon, Korrekturlesning

Hva er en mutasjon

En mutasjon refererer til en permanent og en arvelig forandring i nukleotidsekvensen av genomet. Mutasjoner kan oppstå på grunn av feilene i DNA-replikasjon eller eksterne faktorer kjent som mutagener. De tre mutasjonsformene er punktmutasjoner, fremdriftsmutasjoner og kromosomale mutasjoner.

Punktmutasjoner

Punktmutasjoner er enkeltnukleotidsubstitusjoner. De tre typene punktmutasjoner er missense, nonsens og stille mutasjoner. Missens mutasjon endrer en enkelt kodon av genet, endrer aminosyren i polypeptidkjeden. Selv om nonsensmutasjoner endre kodonsekvensen, de endrer ikke aminosyresekvensen. Stille mutasjoner endre en enkelt kodon til et annet kodon som representerer den samme aminosyren. Punktmutasjoner skyldes feil i DNA-replikasjon og mutagene. Ulike typer punktmutasjoner vises i Figur 1.

Figur 1: Punktmutasjoner

Frameshift Mutasjoner

Frameshift mutasjoner er innsetting eller deletjoner av enkelt eller flere nukleotider fra genomet. Innsettinger, slettinger og duplikasjoner er de tre typene framskiftemutasjoner. innsett~~POS=TRUNC er tilsetningen av en eller flere nukleotider til sekvensen mens slettinger er fjerning av flere nukleotider fra sekvensen. duplikasjoner er gjentakelsen av flere nukleotider. Frameshift mutasjoner er også forårsaket av feil i DNA replikasjon og mutagener.

Kromosomale mutasjoner

Kromosomale mutasjoner er endringer i segmenter av kromosomer. Typene kromosomale mutasjoner er translokasjoner, gen duplikasjoner, intra-kromosomale deletjoner, inversjoner og tap av heterozygositet. Translokasjoner er utveksling av deler av kromosomer mellom ikke-homologe kromosomer. Ved gen duplisering kan det forekomme flere kopier av en bestemt allel, noe som øker gendoseringen. Fjernelsen av segmenter av kromosomer er kjent som intra-kromosomale deletjoner. Inversjoner endrer orienteringen til et kromosomsegment. Heterozygositet av et gen kan gå tapt på grunn av tap av en allel i ett kromosom ved deletjon eller genetisk rekombination. Kromosomale mutasjoner skyldes hovedsakelig eksterne mutagene og på grunn av mekaniske skader på DNA.

Hvordan forhindrer DNA-polymerase mutasjoner

DNA-polymerase er enzymet som er ansvarlig for tilsetning av nukleotidbaser til den voksende streng under DNA-replikasjon. Siden nukleotidsekvensen til et genom bestemmer utviklingen og funksjonen til en bestemt organisme, er det viktig å syntetisere den eksakte kopien av det eksisterende genomet under DNA-replikasjon. Generelt opprettholder DNA-polymerase høy troskap under DNA-replikasjon, bare inkorporering av enkelt-mismatchet nukleotid per 10⁹ tilsatte nukleotider. Derfor, dersom en feilsøking forekommer mellom nitrogenbaser i tillegg til standardkomplementære basepar, legger DNA-polymerase det nukleotidet til vekstkjeden, som produserer en hyppig mutasjon. Feilene ved DNA-replikasjon korrigeres ved to mekanismer kjent som korrekturlesning og strengstyrt feilparametre.

korrekturlesing

Korrekturlesning refererer til en innledende mekanisme for å korrigere paraplyparene fra den voksende DNA-strengen, og den utføres av DNA-polymerase. DNA-polymerase utfører korrekturlesing i to trinn. Den første korrekturlesingen skjer like før tilsetning av et nytt nukleotid til vekstkjeden. Affiniteten til korrekte nukleotider for DNA-polymerase er mange ganger høyere enn for de ukorrekte nukleotidene. Imidlertid bør enzymet gjennomgå en konformasjonsendring like etter at det innkommende nukleotid binder seg til malen gjennom hydrogenbindinger, men før bindingsbindingen av nukleotidet til den voksende streng ved virkningen av DNA-polymerase. De ukorrekt baseparerte nukleotidene er tilbøyelige til å dissociere fra malen under konformasjonsendringen av DNA-polymerasen. Derfor tillater trinnet DNA-polymerase å "dobbeltsjekke" nukleotidet før det legges til den voksende streng permanent. Testlesemekanismen for DNA-polymerase er vist i figur 2.

Figur 2: Korrekturlesning

Det andre korrekturlesningstrinnet er kjent som eksonukleolytisk korrekturlesing. Det oppstår umiddelbart etter inkorporering av et feilparent nukleotid til den voksende streng i sjeldne tilfeller. DNA-polymerase er ikke i stand til å tilsette det andre nukleotid ved siden av det mismatchede nukleotid. Et separat katalytisk sted av DNA-polymerasen kjent som 3 'til 5' korrekturlesingseksonuklease fordøyer de fargede nukleotidene fra den voksende kjeden.

Strand-Directed Mismatch Repair

Til tross for korrekturlesningsmekanismer kan DNA-polymerase fortsatt inkorporere feil nukleotider til den voksende streng under DNA-replikasjon. Replikasjonsfeilene som har rømt fra korrekturlesning, fjernes av den strengstyrte feilparametre. Dette systemet oppdager forvrengningspotensialet i DNA-helixen som skyldes mismatchede basepar. Reparasjonssystemet bør imidlertid identifisere den ukorrekte basen fra eksisterende base før erstatning av feilen. Som regel, E coli Avhenger av DNA-metyleringssystem for å gjenkjenne den gamle DNA-strengen i dobbelthelixen, da den nylig syntetiserte strengen kanskje ikke undergår DNA-metylering snart. I E coli, En rest av GATC er metylert. Troskapen til DNA-replikasjonen økes med en ytterligere faktor på 10² på grunn av handlingen av strengstyrt feilparametre. DNA-mismatch reparasjonsveiene i eukaryoter, bakterier og E coli er vist i figur 3.

Figur 3: DNA-avregning Reparasjon i eukaryoter, bakterier og E. coli

I den strengstyrte feilparametreparasjonen beveger tre komplekse proteiner seg gjennom den nylig syntetiserte DNA-strengen. Det første proteinet kjent som MutS detekterer og binder til forvrengningene i DNA-dobbelthelixen. Det andre proteinet kjent som MutL detekterer og binder til MutS, tiltrekker det tredje proteinet kjent som MutH som skiller den ikke-metylerte eller den nylig syntetiserte strengen. Ved binding kutter MutH den ikke-metylerte DNA-strengen umiddelbart oppstrøms til G-resten i GATC-sekvensen. En exonuklease er ansvarlig for nedbrytningen av strengen nedstrøms til feilmatchingen. Imidlertid nedbryter dette systemet regioner mindre enn 10 nukleotider som lett re-syntetiseres av DNA-polymerase 1. Mut-proteiner av eukaryoter er homologe med den av E coli.

Konklusjon

Mutasjoner er permanente endringer av nukleotidsekvensen av genomet som kan oppstå på grunn av feilene i DNA-replikasjon eller på grunn av effekten av eksterne mutagene. Feilene ved DNA-replikasjon kan korrigeres av to mekanismer kjent som korrekturlesning og strengstyrt feilparametre. Prooflesing utføres av DNA-polymerase selv under DNA-syntesen. Den strengstyrte feilparametreparasjonen utføres av Mut-proteiner like etter DNA-replikasjonen. Imidlertid er disse reparasjonsmekanismer involvert i å opprettholde integriteten til genomet.

Henvisning:

1. Alberts, Bruce. "DNA-replikasjonsmekanismer." Molekylærbiologi av cellen. 4. utgave., U.S. National Library of Medicine, 1. januar 1970, Tilgjengelig her.
2. Brown, Terence A. "Mutasjon, Reparasjon og Rekombinering." Genomene. 2. utgave., U.S. National Library of Medicine, 1. januar 1970, Tilgjengelig her.

Bilde Courtesy:

1. "Ulike typer mutasjoner" Av Jonsta247 - Denne filen ble hentet fra: Point mutations-en.png (GFDL) via Commons Wikimedia
2. "DNA polymerase" Av I, Madprime (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia
3. "DNA mismatch repair" Av Kenji Fukui - (CC BY 3.0) via Commons Wikimedia