13.2:

13.2: Ошибки копирования генома

JoVE Core
Molecular Biology

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Core Molecular Biology

Genome Copying Errors

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Previous Video

13.1: Evolutionary Relationships through Genome Comparisons

Next Video

13.3: Phylogenetic Trees

4,127 Views

•

02:46 min

•

April 07, 2021

Overview

Репликация ДНК — это хорошо развитый процесс, который копирует миллионы пар оснований с высокой точностью во время каждого деления клетки. Иногда к дочерним прядям может быть добавлена неправильная основа или длинный участок неправильных оснований. Если ошибки не контролировать, клетки могут накопить несколько мутаций, которые могут поставить под угрозу их выживание. Таким образом, ошибки копирования проверяются и исправляются на трех уровнях.

Корректура – ферменты ДНК-полимеразы, например, вводят 1 неправильный нуклеотид на 100 000 оснований. Эти ошибки обнаруживаются и исправляются во время самой репликации ДНК ферментами ДНК-полимеразы. Эти ферменты обладают 3’→5′ экзонуклеазной активностью, которая вырезает неправильное основание из дочерней цепи и заменяет его правильным нуклеотидом.
Репарация несоответствий – ферменты репарации ДНК восстанавливают неправильные основания или точечные мутации в ДНК после репликации, но до митоза.
Пути репарации повреждений ДНК – ДНК также подвержена физическим или химическим повреждениям, вызванным мутагенами. Механизмы восстановления повреждений ДНК действуют на протяжении всего клеточного цикла и могут восстанавливать точечные мутации и крупномасштабные перестройки генома. Если повреждение ДНК серьезное, путь репарации будет блокировать прогрессию клеточного цикла и инициирует апоптоз.

В дополнение к ошибкам во время репликации ДНК, мутации также могут быть вызваны мобильными генетическими элементами, называемыми транспозонами. Они представляют собой небольшие повторяющиеся элементы ДНК, которые могут перепрыгивать с одного места на другое на цепи ДНК и нарушать функции генов в месте их вставки. Они также могут вызывать инверсии, дупликацию генов или создавать новые гены. Транспозоны бывают двух основных типов: ДНК-транспозоны, которые транспонируются непосредственно как ДНК, и РНК или ретротранспозоны, которые транспонируются через промежуточный РНК. Некоторые из этих транспозонов приводят к дупликации сайта-мишени во время их вставки в новый участок хромосомы. Такие дупликации в целевом участке могут привести к дупликации генов, что может нанести вред функции клетки.

Transcript

Каждый раз, когда человеческая клетка делится, ферменты ДНК-полимеразы с высокой точностью копируют более 3 миллиардов пар оснований, чтобы передать их дочерним клеткам.

Однако из-за огромного объема дублируемой информации ДНК-полимераза иногда допускает ошибки при копировании. Например, к вновь синтезированной цепи может быть добавлено неправильное основание, такое как цитозин вместо тимина.

В некоторых случаях такие изменения могут быть вредными, например, однонуклеотидное изменение с GAG на GTG в гене бета-гемоглобина, которое вызывает серповидные эритроциты. Это снижает кислородонесущую способность эритроцитов, что приводит к серповидноклеточной анемии.

Дополнительные основания также могут быть добавлены или удалены из генов. Такие мутации в совокупности называются инделами. При муковисцидозе одно основание, добавленное или удаленное в гене CFTR, может сместить рамку считывания таким образом, что ген кодирует дефектный белок. Этот белок не может транспортировать ионы хлора из эпителиальных клеток легких, что приводит к накоплению густой, похожей на клей слизи, что увеличивает риск инфекции легких.

К счастью, такие ошибки копирования происходят с низкой частотой – около 1 ошибки на 100 000 баз.

Кроме того, большинство этих ошибок исправляются в процессе репликации корректурной активностью ферментов ДНК-полимеразы до того, как они могут быть переданы дочерним клеткам, или исправляются после репликации ферментами репарации ДНК. Тем не менее, в редких случаях ошибки могут ускользнуть от процесса ремонта и перейти к следующему поколению.

Тем не менее, не все мутации вредны для организма; большинство мутаций нейтральны, а некоторые могут дать преимущества для выживания.

Устойчивость к антибиотикам является одной из полезных черт, которая может возникнуть в результате мутации.

Например, антибиотик фторхинолон связывается с бактериальным ферментом, называемым ДНК-гиразой, и подавляет рост бактерий. Однако, когда гены, кодирующие фермент ДНК-гиразу, накапливают случайные замены оснований, это приводит к мутировавшей версии фермента. Антибиотик больше не может связываться с этим мутировавшим ферментом, что приводит к выживанию и росту бактерий даже в присутствии антибиотиков.