13.8: Naprawa niezgodności

Przegląd

Organizmy są w stanie wykryć i naprawić niedopasowania nukleotydów, które występują podczas replikacji DNA. Ten wyrafinowany proces wymaga identyfikacji nowej nici i zastąpienia błędnych zasad prawidłowymi nukleotydami. Naprawa niedopasowań jest koordynowana przez wiele białek zarówno u prokariotów, jak i eukariontów.

Rodzina białek mutatorów odgrywa kluczową rolę w naprawie niedopasowań DNA

Ludzki genom zawiera ponad 3 miliardy par zasad DNA na komórkę. Przed podziałem komórki tak ogromna ilość informacji genetycznej musi zostać zreplikowana. Pomimo zdolności polimerazy DNA do korekty, błąd kopiowania występuje w przybliżeniu co 1 milion par zasad. Jednym z rodzajów błędów jest niedopasowanie nukleotydów, na przykład parowanie A z G lub T z C. Takie niedopasowania są wykrywane i naprawiane przez rodzinę białek Mutator. Białka te zostały po raz pierwszy opisane w bakteriach Escherichia coli (E. coli), ale homologi pojawiają się u prokariotów i eukariontów.

Mutator S (MutS) inicjuje naprawę niedopasowania (MMR) poprzez identyfikację niedopasowania i powiązanie z nim. Następnie MutL identyfikuje, która nić jest nową kopią. Tylko nowe pasmo wymaga zamocowania, natomiast pasmo szablonowe musi pozostać nienaruszone. W jaki sposób maszyneria molekularna może zidentyfikować nowo zsyntetyzowaną nić DNA?

Nowo zsyntetyzowane nici DNA różnią się od nici wzorcowej

W wielu organizmach zasady cytozynowe i adeninowe nowej nici otrzymują grupę metylową jakiś czas po replikacji. Dlatego białka Mut identyfikują nowe nici, rozpoznając sekwencje, które nie zostały jeszcze zmetylowane. Ponadto nowo zsyntetyzowana nić u eukariontów częściej ma małe pęknięcia, zwane również nacięciami DNA. Białka MMR mogą zatem zidentyfikować naciętą nić i skierować ją do naprawy.

Po zidentyfikowaniu nowej nici enzymy nukleazy przecinają dotknięty region i wycinają nieprawidłowe nukleotydy. Następnie polimeraza DNA wypełnia prawidłowe nukleotydy, a ligaza DNA uszczelnia szkielet cukrowo-fosforanowy DNA, kończąc w ten sposób proces naprawy niedopasowań.

Wady mechanizmu naprawy niedopasowania mogą powodować raka

Ludzki homolog MutS nazywany jest homologiem Mutatora S 2 (MSH2). Jeśli funkcja MSH2 zostanie naruszona, mutacje punktowe i mutacje przesunięcia ramki odczytu w całym genomie nie zostaną odpowiednio naprawione. W rezultacie u ludzi noszących pojedynczą kopię takiego uszkodzonego MSH2 istnieje większe prawdopodobieństwo zachorowania na raka.

Nienaprawione mutacje napędzają adaptację

Czy byłoby najlepiej, gdyby MMR nigdy nie przegapiło niedopasowania? Nawet niskie wskaźniki mutacji mogą powodować problemy dla organizmu. Jednak mutacje przyczyniają się również do zmienności genetycznej w populacji. Na przykład permisywny system naprawy niedopasowań w bakterii może przez przypadek doprowadzić do mutacji genu nadającego oporność na antybiotyki, zwiększając w ten sposób szanse na przeżycie i rozmnażanie się bakterii pod wpływem antybiotyków. To świetna wiadomość dla populacji bakterii, ale zła wiadomość dla ludzi, którzy polegają na antybiotykach w walce z chorobami zakaźnymi.

W rzeczywistości szczepy Staphylococcus aureus w coraz większym stopniu uzyskują oporność wielolekową, co oznacza, że niewiele antybiotyków lub żaden z nich nie jest w stanie zapobiec rozprzestrzenianiu się tej bakterii u pacjenta. Zakażenia bakteriami wielolekoopornymi wiążą się z wysoką śmiertelnością u ludzi. Powszechne stosowanie antybiotyków w produkcji zwierzęcej i niewłaściwie skrócone ich podawanie przyczyniają się do powstawania bakterii wielolekoopornych.

Po korekcie błędy w replikacji DNA, takie jak parowanie adeniny z cytozyną, mogą utrzymywać się i być może zostać naprawione za pomocą mechanizmu zwanego naprawą niedopasowania.

W tym procesie nieprawidłowo sparowane zasady są identyfikowane ze względu na ich nieprawidłową strukturę przez białko naprawcze niedopasowania, takie jak MutS. Inne białka naprawiające niedopasowanie, takie jak MutL, identyfikują następnie nową nić, tak że nić z błędem jest naprawiana, podczas gdy nić matrycowa pozostaje niezmieniona.

Sposób, w jaki nowa nić jest identyfikowana, zależy od organizmu. U E. coli specyficzne sekwencje DNA są metylowane, dodaje się do nich grupę metylową, jakiś czas po zsyntetyzowaniu DNA. Białka naprawcze niedopasowania E. coli wykrywają sekwencje, które nie zostały jeszcze zmetylowane, identyfikując nową nić.

U eukariontów nowe pasmo jest bardziej prawdopodobne, że będzie miało nacięcia, małe przerwy niż szablon. Białka naprawcze niedopasowania eukariotycznego identyfikują naciętą nić i kierują ją do naprawy.

Po zidentyfikowaniu nowej nici obszar z powietrzem jest wycinany przez enzymy egzonuuazy, które usuwają nukleotydy.  Na koniec polimeraza DNA dodaje odpowiednie nukleotydy, a ligaza DNA uszczelnia luki na krawędziach, naprawiając błąd.