Hoe voorkomt DNA-polymerase mutaties

Mutaties zijn permanente veranderingen van de nucleotidesequentie van een bepaald organisme. Ze kunnen ontstaan ​​door de fouten van DNA-replicatie of externe mutagenen. Het effect van een mutatie kan zowel gunstig als schadelijk zijn voor de cel. Cellen ondergaan echter verschillende soorten mechanismen om mutaties te voorkomen. DNA-polymerase, het enzym dat betrokken is bij DNA-replicatie, is uitgerust met verschillende mechanismen om fouten tijdens DNA-replicatie te voorkomen. Tijdens de DNA-replicatie worden de verkeerde bases vervangen door correctie. Onmiddellijk na DNA-replicatie worden de overblijvende misgelopen bases vervangen door strand-gerichte mismatch reparatie. Bovendien worden de mutaties veroorzaakt door externe factoren gerepareerd door verschillende mechanismen zoals excisieherstel, chemische omkering en dubbelstrengige breukherstel. Als de schade omkeerbaar is, wordt de cel onderworpen aan apoptose om te voorkomen dat het defecte DNA aan het nageslacht wordt doorgegeven.

Key Areas Covered

1. Wat is een mutatie
      - Definitie, typen, oorzaken
2. Hoe voorkomt DNA-polymerase mutaties
     - Proofreading, Strand-Directed Mismatch Repair

Sleutelbegrippen: DNA-polymerase, Strand-Directed Mismatch Repair, Mut Proteins, Mutation, Proofreading

Wat is een mutatie

Een mutatie verwijst naar een permanente en een erfelijke verandering in de nucleotidesequentie van het genoom. Mutaties kunnen optreden als gevolg van de fouten van DNA-replicatie of externe factoren die mutagene stoffen worden genoemd. De drie vormen van mutaties zijn puntmutaties, raamwerkverschuivingsmutaties en chromosomale mutaties.

Punt mutaties

Puntmutaties zijn substituties met enkele nucleotiden. De drie soorten puntmutaties zijn missense, onzinnige en stille mutaties. Missense-mutatie verandert een enkel codon van het gen, waardoor het aminozuur in de polypeptideketen verandert. hoewel nonsense mutaties de codonsequentie veranderen, ze veranderen de aminozuursequentie niet. Stille mutaties verander een enkel codon in een ander codon dat hetzelfde aminozuur vertegenwoordigt. Puntmutaties worden veroorzaakt door fouten in de DNA-replicatie en door mutagenen. Verschillende soorten puntmutaties worden getoond in Figuur 1.

Figuur 1: Puntmutaties

Frameshift-mutaties

Frameshift-mutaties zijn inserties of deleties van enkele of meerdere nucleotiden van het genoom. Inserties, deleties en duplicaties zijn de drie typen van frameshift-mutaties. inserties zijn de toevoeging van een of meerdere nucleotiden aan de sequentie terwijl verwijderingen zijn de verwijdering van verschillende nucleotiden uit de sequentie. duplicaties zijn het herhalen van verschillende nucleotiden. Frameshift-mutaties worden ook veroorzaakt door fouten in de DNA-replicatie en door mutagenen.

Chromosomale mutaties

Chromosomale mutaties zijn wijzigingen van segmenten van chromosomen. De typen chromosomale mutaties zijn translocaties, genduplicaties, intra-chromosomale deleties, inversies en verlies van heterozygositeit. Translocaties zijn de uitwisselingen van delen van chromosomen tussen niet-homologe chromosomen. Bij genduplicatie kunnen meerdere kopieën van een bepaald allel verschijnen, waardoor de gendosering toeneemt. De verwijderingen van segmenten van chromosomen staan ​​bekend als intra-chromosomale deleties. Inversies veranderen de oriëntatie van een chromosomensegment. Heterozygositeit van een gen kan verloren gaan door het verlies van een allel in één chromosoom door deletie of genetische recombinatie. Chromosomale mutaties worden voornamelijk veroorzaakt door externe mutagenen en door mechanische schade aan DNA.

Hoe voorkomt DNA-polymerase mutaties

DNA-polymerase is het enzym dat verantwoordelijk is voor de toevoeging van nucleotide-basen aan de groeiende streng tijdens DNA-replicatie. Omdat de nucleotidesequentie van een genoom de ontwikkeling en het functioneren van een bepaald organisme bepaalt, is het essentieel om de exacte replica van het bestaande genoom tijdens DNA-replicatie te synthetiseren. In het algemeen handhaaft DNA-polymerase hoge betrouwbaarheid tijdens DNA-replicatie, waarbij slechts één verkeerd gepaarde nucleotide per 10 wordt opgenomen⁹ toegevoegde nucleotiden. Daarom, als er een verkeerde koppeling optreedt tussen stikstofhoudende basen naast de standaard complementaire basenparen, voegt DNA-polymerase dat nucleotide aan de groeiende keten toe, waardoor een frequente mutatie wordt geproduceerd. De fouten van DNA-replicatie worden gecorrigeerd door twee mechanismen die bekend staan ​​als proeflezen en strenggerichte foutmatch-reparatie.

correctie

Proofreading verwijst naar een eerste mechanisme voor het corrigeren van de verkeerd parende basenparen van de groeiende DNA-streng en het wordt uitgevoerd door DNA-polymerase. DNA-polymerase voert in twee stappen proeflezen uit. De eerste proeflezing vindt plaats net voor de toevoeging van een nieuw nucleotide aan de groeiende keten. De affiniteit van correcte nucleotiden voor DNA-polymerase is vele malen hoger dan die van de incorrecte nucleotiden. Het enzym zou echter een conformatieverandering moeten ondergaan net nadat het binnenkomende nucleotide via waterstofbruggen aan het sjabloon bindt, maar vóór de verbondsbinding van het nucleotide aan de groeiende streng door de werking van DNA-polymerase. De verkeerd gepaarde nucleotiden zijn geneigd om te dissociëren van de matrijs tijdens de conformationele verandering van de DNA-polymerase. Daarom laat de stap DNA-polymerase toe om het nucleotide 'dubbel te controleren' voordat het permanent aan de groeiende streng wordt toegevoegd. Het proofreaderingsmechanisme van DNA-polymerase is weergegeven in Figuur 2.

Figuur 2: Proeflezen

De tweede proefleesstap staat bekend als exonucleolytische proeflezen. Het treedt op onmiddellijk na de opname van een verkeerd gepaarde nucleotide aan de groeiende streng in een zeldzaam geval. DNA-polymerase is niet in staat om het tweede nucleotide naast het verkeerd gepaarde nucleotide toe te voegen. Een afzonderlijke katalytische site van het DNA-polymerase bekend als 3 'tot 5' proeflezen exonuclease verteert de verkeerd gepaarde nucleotiden uit de groeiende keten.

Strand-Directed Mismatch Repair

Ondanks correctiemechanismen kan DNA-polymerase nog steeds incorrecte nucleotiden opnemen in de groeiende streng tijdens DNA-replicatie. De replicatiefouten die zijn ontsnapt uit het proeflezen, worden verwijderd door de strenggerichte foutmatch-reparatie. Dit systeem detecteert distorsiepotentiaal in de DNA-helix die te wijten is aan niet-overeenkomende basenparen. Het reparatiesysteem moet echter de verkeerde base van de bestaande base identificeren voordat de verkeerde combinatie wordt vervangen. Over het algemeen, E coli is afhankelijk van het DNA-methylatiesysteem om de oude DNA-streng in de dubbele helix te herkennen, omdat de nieuw gesynthetiseerde streng mogelijk niet snel DNA-methylering ondergaat. In E coli, de A-rest van de GATC is gemethyleerd. De betrouwbaarheid van de DNA-replicatie wordt verhoogd met een extra factor van 10² als gevolg van de werking van strenggericht reparatiesysteem voor verkeerde paring. De DNA-mismatchreparatieroutes in eukaryoten, bacteriën en E coli worden getoond in figuur 3.

Figuur 3: Herstel van DNA-mismatch in eukaryoten, bacteriën en E. coli

In de strenggerichte mismatch-reparatie bewegen drie complexe eiwitten door de nieuw gesynthetiseerde DNA-streng. Het eerste eiwit dat bekend staat als MutS detecteert en bindt zich aan de vervormingen in de dubbele DNA-helix. Het tweede eiwit dat bekend staat als MutL detecteert en bindt aan het MutS, het aantrekken van het derde eiwit dat bekend staat als MutH dat de ongemethyleerde of de nieuw gesynthetiseerde streng onderscheidt. Na binding snijdt de mutH de niet-gemethyleerde DNA-streng onmiddellijk stroomopwaarts van de G-rest in de GATC-sequentie. Een exonuclease is verantwoordelijk voor de afbraak van streng stroomafwaarts van de mismatch. Dit systeem breekt echter regio's kleiner dan 10 nucleotiden af ​​die gemakkelijk opnieuw gesynthetiseerd worden door DNA-polymerase 1. De Mut-eiwitten van eukaryoten zijn homoloog met die van E coli.

Conclusie

Mutaties zijn permanente wijzigingen van de nucleotidesequentie van het genoom die kan ontstaan ​​door de fouten in DNA-replicatie of door het effect van externe mutagenen. De fouten van de DNA-replicatie kunnen worden gecorrigeerd door twee mechanismen die bekend staan ​​als proeflezen en strenggerichte fout-paringsreparatie. Proofreading wordt uitgevoerd door DNA-polymerase zelf tijdens de DNA-synthese. De strenggerichte mismatchreparatie wordt uitgevoerd door Mut-eiwitten net na de DNA-replicatie. Deze reparatiemechanismen zijn echter betrokken bij het handhaven van de integriteit van het genoom.

Referentie:

1. Alberts, Bruce. "DNA-replicatie-mechanismen." Moleculaire biologie van de cel. 4e editie., U.S. National Library of Medicine, 1 januari 1970, Hier beschikbaar.
2. Bruin, Terence A. "Mutatie, reparatie en recombinatie." Genomen. 2e editie., U.S. National Library of Medicine, 1 januari 1970, Hier beschikbaar.

Afbeelding met dank aan:

1. "Verschillende soorten mutaties" door Jonsta247 - Dit bestand is afgeleid van: Point mutations-en.png (GFDL) via Commons Wikimedia
2. "DNA-polymerase" door I, Madprime (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia
3. "DNA mismatch repair" door Kenji Fukui - (CC BY 3.0) via Commons Wikimedia