6.9: Репарация неспаренных оснований

Обзор

Организмы способны обнаруживать и фиксировать несоответствия нуклеотида, которые возникают во время репликации ДНК. Этот сложный процесс требует выявления новой цепи и замены ошибочных оснований правильными нуклеотидами. "Ремонт" несоответствия координируется многими белками как в прокариотах, так и в эукариотах.

Семья мутаторных белков играет ключевую роль в ремонте несоответствия ДНК

Геном человека имеет более 3 миллиардов базовых пар ДНК на клетку. До деления клеток, что огромное количество генетической информации должна быть воспроизведена. Несмотря на способность корректирования полимеразы ДНК, ошибка копирования возникает примерно каждые 1 миллион базовых пар. Одним из типов ошибок является несоответствие нуклеотидов, например, сопряжение A с G или T с C. Такие несоответствия обнаруживаются и восстанавливаются семейством белков Mutator. Эти белки были впервые описаны в бактериях Escherichia coli (E. coli), но омологи появляются во всех прокариот и эукариот.

Mutator S (MutS) инициирует ремонт несоответствия (MMR), выявляя и связывая несоответствие. Впоследствии MutL определяет, какая цепь является новой копией. Только новая цепь требует фиксации, в то время как цепь шаблона должна оставаться нетронутой. Как молекулярная машина может определить недавно синтезированную цепь ДНК?

Недавно синтезированные пряди ДНК отличаются от их шаблона Strand

Во многих организмах цитозиновые и адениновые основы новой цепи получают метиловую группу через некоторое время после репликации. Таким образом, белки Mut идентифицируют новые нити, распознавая последовательности, которые еще не метилированы. Кроме того, недавно синтезированные цепи в эукариот, скорее всего, имеют небольшие перерывы, также называемые ДНК-ники. MmR белки могут таким образом определить заимствованную цепь и отметь ее для ремонта.

После идентификации новой цепи ферменты нуклеазы вырезают пораженный регион и удаляют неправильные нуклеотиды. Далее полимераза ДНК заполняет правильные нуклеотиды, а лигаза ДНК уплотняет сахарофосфатную основу ДНК, тем самым завершая процесс ремонта несоответствия.

Дефекты в механизме ремонта несоответствия могут вызвать рак

Человеческий омолог MutS называется Mutator S homolog 2 (MSH2). Если функция MSH2 скомпрометирована, точечные мутации и мутации кадров по всему геному не восстанавливаются должным образом. Вследствие этого, люди, несущие одну копию такого скомпрометированного MSH2 имеют более высокую вероятность развития рака.

Неотремонтированная адаптация топлива мутаций

Было бы лучше, если MMR никогда не пропускал несоответствие? Даже низкие показатели мутаций могут вызвать проблемы для организма. Тем не менее, мутации также способствуют генетическим изменениям в популяции. Например, разрешительное несоответствие системы ремонта в бактерии может, случайно, привести к мутации гена, который дает устойчивость к антибиотикам, тем самым увеличивая шансы на выживание бактерий и размножения при воздействии антибиотиков. Это хорошая новость для бактериальной популяции, но плохие новости для людей, которые полагаются на антибиотики для борьбы с инфекционными заболеваниями.

В самом деле, штаммы золотистого стафилококка все чаще получают множественной лекарственной устойчивости, а это означает, что мало или в отсутствие антибиотиков может предотвратить распространение этой бактерии у пациента. Инфекции с бактериями с множественной лекарственной устойчивостью связаны с высоким уровнем смертности среди людей. Широкое использование антибиотиков в животноводстве и ненадлежащее сокращение введения антибиотиков способствуют появлению бактерий с множественной лекарственной устойчивостью.

После коррекции, ошибки репликации ДНК, такие как спаривание аденина с цитозином, могут сохраняться. И могут быть устранены с помощью механизма, называемого исправление несоответствий. В этом процессе неправильно спаренные основания должны быть определены по их ненормальной структуре, с помощью белка восстановителя несоответствий.

Такого, как MutS. Другие белки-восстановители несоответствий, как MutL, затем определяют новую цепочку, так что цепочка с ошибкой будет отремонтирована, пока шаблонная цепочка остаётся без изменений. Как определяется новая цепочка, зависит от организма.

В E.coli специфические ДНК последовательности метилируются, получают добавленную метиловую группу, в некий момент после синтеза ДНК. Белки восстановители несоответствий E.coli обнаруживают последовательности, которые ещё не были метилированы, идентифицируя новую цепочку. В эукариотах новая цепочка, скорее всего имеет засечки, небольшие разрывы, а не шаблон.

Эукариотические белки восстановители идентифицируют порезанную цепочку и выполняют ее ремонт. После того, как новая цепочка идентифицирована, участок с ошибкой будет вырезан ферментом экзонуклеазой, которая удаляет нуклеотиды. Наконец, ДНК-полимеразы добавляют нужные нуклеотиды, И ДНК-лигаза заклеивает зазоры на кромках, устраняя ошибку.