Πώς προλαμβάνει η πολυμεράση DNA τις μεταλλάξεις

Οι μεταλλάξεις είναι μόνιμες αλλαγές της νουκλεοτιδικής αλληλουχίας ενός συγκεκριμένου οργανισμού. Μπορεί να προκύψουν λόγω σφαλμάτων αντιγραφής DNA ή εξωτερικών μεταλλαξιγόνων. Η επίδραση μιας μετάλλαξης μπορεί να είναι είτε ευεργετική είτε επιβλαβής για το κύτταρο. Ωστόσο, τα κύτταρα υφίστανται διάφορους τύπους μηχανισμών για την πρόληψη μεταλλάξεων. Η DNA πολυμεράση, που είναι το ένζυμο που εμπλέκεται στην αντιγραφή του DNA, είναι εξοπλισμένη με διάφορους μηχανισμούς για την πρόληψη σφαλμάτων κατά την αντιγραφή του DNA. Κατά τη διάρκεια της αντιγραφής του DNA, οι λανθασμένες βάσεις αντικαθίστανται από διόρθωση . Αμέσως μετά την αντιγραφή του DNA, οι υπόλοιπες βάσεις που έχουν υποστεί κακή ζεύξη αντικαθίστανται από επιδιόρθωση ασυμφωνίας κατευθυνόμενη από κλώνους . Επιπλέον, οι μεταλλάξεις που προκαλούνται από εξωτερικούς παράγοντες επιδιορθώνονται με διάφορους μηχανισμούς όπως η επισκευή εκτομής, η χημική αναστροφή και η επιδιόρθωση θραύσης διπλού κλώνου. Εάν η βλάβη είναι αναστρέψιμη, το κύτταρο υποβάλλεται σε απόπτωση προκειμένου να αποφευχθεί η μετάδοση του ελαττωματικού DNA στους απογόνους.

Βασικές περιοχές που καλύπτονται

1. Τι είναι η μετάλλαξη
      – Ορισμός, Τύποι, Αιτίες
2. Πώς προλαμβάνει η πολυμεράση DNA τις μεταλλάξεις
     – Διόρθωση, Επιδιόρθωση ασυμφωνίας κατευθυνόμενης σε σκέλη

Βασικοί όροι:πολυμεράση DNA, επιδιόρθωση ασυμφωνίας κατευθυνόμενης αλυσίδας, πρωτεΐνες Mut, μετάλλαξη, διόρθωση

Τι είναι η μετάλλαξη

Μια μετάλλαξη αναφέρεται σε μόνιμη και κληρονομική αλλαγή στην αλληλουχία νουκλεοτιδίων του γονιδιώματος. Οι μεταλλάξεις μπορεί να προκύψουν λόγω σφαλμάτων αντιγραφής του DNA ή εξωτερικών παραγόντων γνωστών ως μεταλλαξιγόνων. Οι τρεις μορφές μεταλλάξεων είναι σημειακές μεταλλάξεις, μεταλλάξεις μετατόπισης πλαισίου και χρωμοσωμικές μεταλλάξεις.

Μεταλλάξεις σημείων

Οι σημειακές μεταλλάξεις είναι υποκαταστάσεις ενός νουκλεοτιδίου. Οι τρεις τύποι σημειακών μεταλλάξεων είναι οι λανθασμένες, οι ανοησίες και οι σιωπηλές μεταλλάξεις. Μετάλλαξη Missense αλλοιώνει ένα μόνο κωδικόνιο του γονιδίου, αλλοιώνοντας το αμινοξύ στην πολυπεπτιδική αλυσίδα. Αν και ανόητες μεταλλάξεις αλλάζουν την αλληλουχία κωδικονίων, δεν αλλάζουν την αλληλουχία αμινοξέων. Σιωπηλές μεταλλάξεις αλλάζει ένα μοναδικό κωδικόνιο σε άλλο κωδικόνιο που αντιπροσωπεύει το ίδιο αμινοξύ. Οι σημειακές μεταλλάξεις προκαλούνται από σφάλματα στην αντιγραφή του DNA και από μεταλλαξιογόνους παράγοντες. Διαφορετικοί τύποι σημειακών μεταλλάξεων φαίνονται στην εικόνα 1 .

Εικόνα 1:Σημειακές μεταλλάξεις

Μεταλλάξεις Frameshift

Οι μεταλλάξεις Frameshift είναι εισαγωγές ή διαγραφές μεμονωμένων ή περισσότερων νουκλεοτιδίων από το γονιδίωμα. Οι εισαγωγές, οι διαγραφές και οι αντιγραφές είναι οι τρεις τύποι μεταλλάξεων μετατόπισης πλαισίου. Εισαγωγές είναι η προσθήκη ενός ή περισσότερων νουκλεοτιδίων στην αλληλουχία ενώ διαγραφές είναι η αφαίρεση πολλών νουκλεοτιδίων από την αλληλουχία. Αντιγραφές είναι η επανάληψη πολλών νουκλεοτιδίων. Οι μεταλλάξεις μετατόπισης πλαισίου προκαλούνται επίσης από σφάλματα στην αντιγραφή του DNA και από μεταλλαξιογόνους παράγοντες.

Χρωματοσωμικές μεταλλάξεις

Οι χρωμοσωμικές μεταλλάξεις είναι αλλοιώσεις τμημάτων χρωμοσωμάτων. Οι τύποι χρωμοσωμικών μεταλλάξεων είναι μετατοπίσεις, διπλασιασμοί γονιδίων, ενδοχρωμοσωμικές διαγραφές, αναστροφές και απώλεια ετεροζυγωτίας. Οι μετατοπίσεις είναι οι ανταλλαγές τμημάτων των χρωμοσωμάτων μεταξύ μη ομόλογων χρωμοσωμάτων. Στον διπλασιασμό γονιδίων, μπορεί να εμφανιστούν πολλαπλά αντίγραφα ενός συγκεκριμένου αλληλόμορφου, αυξάνοντας τη δόση του γονιδίου. Οι αφαιρέσεις τμημάτων των χρωμοσωμάτων είναι γνωστές ως ενδοχρωμοσωμικές διαγραφές. Οι αναστροφές αλλάζουν τον προσανατολισμό ενός τμήματος χρωμοσώματος. Η ετεροζυγωτία ενός γονιδίου μπορεί να χαθεί λόγω της απώλειας ενός αλληλόμορφου σε ένα χρωμόσωμα με διαγραφή ή γενετικό ανασυνδυασμό. Οι χρωμοσωμικές μεταλλάξεις προκαλούνται κυρίως από εξωτερικούς μεταλλαξιογόνους παράγοντες και λόγω μηχανικών βλαβών στο DNA.

Πώς η πολυμεράση DNA αποτρέπει τις μεταλλάξεις

Η πολυμεράση DNA είναι το ένζυμο που είναι υπεύθυνο για την προσθήκη νουκλεοτιδικών βάσεων στον αναπτυσσόμενο κλώνο κατά την αντιγραφή του DNA. Εφόσον η αλληλουχία νουκλεοτιδίων ενός γονιδιώματος καθορίζει την ανάπτυξη και τη λειτουργία ενός συγκεκριμένου οργανισμού, είναι ζωτικής σημασίας να συντεθεί το ακριβές αντίγραφο του υπάρχοντος γονιδιώματος κατά την αντιγραφή του DNA. Γενικά, η DNA πολυμεράση διατηρεί υψηλή πιστότητα κατά την αντιγραφή του DNA, ενσωματώνοντας μόνο ένα λανθασμένο νουκλεοτίδιο ανά 10 προστιθέμενα νουκλεοτίδια. Επομένως, εάν παρουσιαστεί λάθος σύζευξη μεταξύ αζωτούχων βάσεων εκτός από τα τυπικά συμπληρωματικά ζεύγη βάσεων, η πολυμεράση DNA προσθέτει αυτό το νουκλεοτίδιο στην αναπτυσσόμενη αλυσίδα, προκαλώντας μια συχνή μετάλλαξη. Τα σφάλματα αντιγραφής του DNA διορθώνονται με δύο μηχανισμούς γνωστούς ως διόρθωση και επιδιόρθωση ασυμφωνίας κατευθυνόμενης αλυσίδας.

Διόρθωση

Η διόρθωση αναφέρεται σε έναν αρχικό μηχανισμό διόρθωσης των ζευγών βάσεων που παρουσιάζουν λάθος ζεύξη από τον αναπτυσσόμενο κλώνο DNA και πραγματοποιείται από την πολυμεράση DNA. Η πολυμεράση DNA πραγματοποιεί τη διόρθωση σε δύο στάδια. Η πρώτη διόρθωση γίνεται λίγο πριν την προσθήκη ενός νέου νουκλεοτιδίου στην αναπτυσσόμενη αλυσίδα. Η συγγένεια των σωστών νουκλεοτιδίων για την πολυμεράση του DNA είναι πολλές φορές υψηλότερη από αυτή των εσφαλμένων νουκλεοτιδίων. Ωστόσο, το ένζυμο θα πρέπει να υποστεί μια διαμορφωτική αλλαγή αμέσως μετά τη δέσμευση του εισερχόμενου νουκλεοτιδίου στο εκμαγείο μέσω δεσμών υδρογόνου, αλλά πριν από τη συνθήκη δέσμευσης του νουκλεοτιδίου στον αναπτυσσόμενο κλώνο με τη δράση της πολυμεράσης DNA. Τα νουκλεοτίδια με λανθασμένη ζεύξη βάσεων είναι επιρρεπή σε διάσταση από το εκμαγείο κατά τη διάρκεια της διαμορφωτικής αλλαγής της πολυμεράσης DNA. Ως εκ τούτου, το βήμα επιτρέπει στην πολυμεράση DNA να «διπλό έλεγχο» του νουκλεοτιδίου προτού το προσθέσει μόνιμα στον αναπτυσσόμενο κλώνο. Ο μηχανισμός διόρθωσης της DNA πολυμεράσης φαίνεται στο σχήμα 2 .

Εικόνα 2:Διόρθωση

Το δεύτερο βήμα διόρθωσης είναι γνωστό ως εξωνουκλεολυτική διόρθωση . Εμφανίζεται αμέσως μετά την ενσωμάτωση ενός αταίριαστου νουκλεοτιδίου στον αναπτυσσόμενο κλώνο σε μια σπάνια περίπτωση. Η DNA πολυμεράση δεν είναι ικανή να προσθέσει το δεύτερο νουκλεοτίδιο δίπλα στο αταίριαστο νουκλεοτίδιο. Μια ξεχωριστή καταλυτική θέση της πολυμεράσης DNA γνωστή ως 3' έως 5' διόρθωση εξωνουκλεάσης αφομοιώνει τα κακώς συζευγμένα νουκλεοτίδια από την αναπτυσσόμενη αλυσίδα.

Επισκευή ασυμφωνίας κατευθυνόμενης δέσμης

Παρά τους μηχανισμούς διόρθωσης, η DNA πολυμεράση μπορεί να εξακολουθεί να ενσωματώνει λανθασμένα νουκλεοτίδια στον αναπτυσσόμενο κλώνο κατά την αντιγραφή του DNA. Τα σφάλματα αναπαραγωγής που έχουν διαφύγει από τη διόρθωση αφαιρούνται από την επιδιόρθωση ασυμφωνίας κατευθυνόμενης σε κλώνους. Αυτό το σύστημα ανιχνεύει το δυναμικό παραμόρφωσης στην έλικα του DNA που οφείλεται σε αταίριαστα ζεύγη βάσεων. Ωστόσο, το σύστημα επισκευής θα πρέπει να εντοπίσει τη λανθασμένη βάση από την υπάρχουσα βάση πριν από την αντικατάσταση της αναντιστοιχίας. Γενικά, Ε. coli εξαρτάται από το σύστημα μεθυλίωσης DNA για την αναγνώριση του παλιού κλώνου DNA στη διπλή έλικα, καθώς ο νεοσυντιθέμενος κλώνος μπορεί να μην υποστεί σύντομα μεθυλίωση DNA. Στο E.coli , το υπόλειμμα Α του GATC μεθυλιώνεται. Η πιστότητα της αντιγραφής του DNA αυξάνεται κατά 10 επιπλέον συντελεστή λόγω της δράσης του συστήματος επιδιόρθωσης ασυμφωνίας κατευθυνόμενης αλυσίδας. Τα μονοπάτια επιδιόρθωσης ασυμφωνίας DNA σε ευκαρυώτες, βακτήρια και E. coli εμφανίζονται στην εικόνα 3 .

Εικόνα 3:Επιδιόρθωση ασυμφωνίας DNA σε ευκαρυώτες, βακτήρια και E. coli

Στην επιδιόρθωση της ασυμφωνίας που κατευθύνεται σε κλώνους, τρεις σύνθετες πρωτεΐνες κινούνται μέσω του κλώνου DNA που πρόσφατα συντέθηκε. Η πρώτη πρωτεΐνη γνωστή ως MutS ανιχνεύει και συνδέεται με τις παραμορφώσεις στη διπλή έλικα του DNA. Η δεύτερη πρωτεΐνη γνωστή ως MutL ανιχνεύει και συνδέεται με το MutS, προσελκύοντας την τρίτη πρωτεΐνη γνωστή ως MutH που διακρίνει τον μη μεθυλιωμένο ή τον νεοσυντιθέμενο κλώνο. Κατά τη σύνδεση, το MutH κόβει τον μη μεθυλιωμένο κλώνο DNA αμέσως ανάντη προς το υπόλειμμα G στην αλληλουχία GATC. Μια εξωνουκλεάση είναι υπεύθυνη για την αποικοδόμηση του κλώνου κατάντη προς την αναντιστοιχία. Ωστόσο, αυτό το σύστημα αποικοδομεί περιοχές λιγότερες από 10 νουκλεοτίδια που επανασυντίθενται εύκολα από την DNA πολυμεράση 1. Οι πρωτεΐνες Mut των ευκαρυωτών είναι ομόλογες με αυτές του E. coli .

Συμπέρασμα

Οι μεταλλάξεις είναι μόνιμες αλλοιώσεις της νουκλεοτιδικής αλληλουχίας του γονιδιώματος που μπορεί να προκύψουν λόγω σφαλμάτων στην αντιγραφή του DNA ή λόγω της επίδρασης εξωτερικών μεταλλαξιγόνων. Τα σφάλματα αντιγραφής του DNA μπορούν να διορθωθούν με δύο μηχανισμούς γνωστούς ως διόρθωση και επιδιόρθωση ασυμφωνίας κατευθυνόμενης αλυσίδας. Η διόρθωση πραγματοποιείται από την ίδια την πολυμεράση του DNA κατά τη διάρκεια της σύνθεσης του DNA. Η επιδιόρθωση ασυμφωνίας κατευθυνόμενη από κλώνους πραγματοποιείται από τις πρωτεΐνες Mut αμέσως μετά την αντιγραφή του DNA. Ωστόσο, αυτοί οι μηχανισμοί επιδιόρθωσης εμπλέκονται στη διατήρηση της ακεραιότητας του γονιδιώματος.

Αναφορά:

1. Άλμπερτς, Μπρους. «Μηχανισμοί αντιγραφής DNA». Μοριακή Βιολογία του Κυττάρου. 4th edition., U.S. National Library of Medicine, 1 Ιανουαρίου 1970, Διαθέσιμο εδώ.
2. Brown, Terence A. «Mutation, Repair and Recombination». Γονιδιώματα. 2nd edition., U.S. National Library of Medicine, 1 Ιανουαρίου 1970, Διαθέσιμο εδώ.

Εικόνα Ευγενική προσφορά:

1. "Διαφορετικοί τύποι μεταλλάξεων" Από Jonsta247 – Αυτό το αρχείο προήλθε από:Point mutations-en.png (GFDL) μέσω Commons Wikimedia
2. "DNA polymerase" By I, Madprime (CC BY-SA 3.0) μέσω Commons Wikimedia
3. "Επισκευή ασυμφωνίας DNA" Από Kenji Fukui – (CC BY 3.0) μέσω Commons Wikimedia