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13.8: 틀린 짝 복구
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Biology

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Mismatch Repair
 
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13.8: Mismatch Repair

13.8: 틀린 짝 복구

Overview

Organisms are capable of detecting and fixing nucleotide mismatches that occur during DNA replication. This sophisticated process requires identifying the new strand and replacing the erroneous bases with correct nucleotides. Mismatch repair is coordinated by many proteins in both prokaryotes and eukaryotes.

The Mutator Protein Family Plays a Key Role in DNA Mismatch Repair

The human genome has more than 3 billion base pairs of DNA per cell. Prior to cell division, that vast amount of genetic information needs to be replicated. Despite the proofreading ability of the DNA polymerase, a copying error occurs approximately every 1 million base pairs. One type of error is the mismatch of nucleotides, for example, the pairing of A with G or T with C. Such mismatches are detected and repaired by the Mutator protein family. These proteins were first described in the bacteria Escherichia coli (E. coli), but homologs appear throughout prokaryotes and eukaryotes.

Mutator S (MutS) initiates the mismatch repair (MMR) by identifying and binding to the mismatch. Subsequently, MutL identifies which strand is the new copy. Only the new strand requires fixing while the template strand needs to remain intact. How can the molecular machinery identify the newly synthesized strand of DNA?

Newly Synthesized Strands of DNA Differ from Their Template Strand

In many organisms, cytosine and adenine bases of the new strand receive a methyl group some time after replication. Therefore, Mut proteins identify new strands by recognizing sequences which have not yet been methylated. Additionally, the newly synthesized strand in eukaryotes is more likely to have small breaks, also called DNA nicks. The MMR proteins can thus identify the nicked strand and target it for repair.

After identification of the new strand, nuclease enzymes cut the affected region and excise the incorrect nucleotides. Next, DNA polymerase fills in the correct nucleotides and DNA ligase seals the sugar-phosphate backbone of the DNA, thereby completing the mismatch repair process.

Defects in the Mismatch Repair Mechanism Can Cause Cancer

The human homolog of MutS is called Mutator S homolog 2 (MSH2). If MSH2 function is compromised, point mutations and frameshift mutations throughout the genome are not properly repaired. In consequence, humans carrying a single copy of such a compromised MSH2 have a higher likelihood of developing cancer.

Unrepaired Mutations Fuel Adaptation

Would it be best if MMR never missed a mismatch? Even low mutation rates can cause a problem for an organism. However, mutations also contribute to genetic variation in a population. For instance, a permissive mismatch repair system in a bacterium can, by chance, lead to the mutation of a gene that confers antibiotic resistance, thereby increasing the chances of bacterial survival and reproduction when exposed to antibiotics. This is great news for the bacterial population, but bad news for humans that rely on antibiotics to combat infectious diseases.

In fact, Staphylococcus aureus strains increasingly gain multidrug-resistance, meaning that few or no antibiotics can prevent the spread of this bacterium in a patient. Infections with multidrug-resistant bacteria are associated with a high mortality rate in humans. The widespread usage of antibiotics in livestock production and inappropriately shortened administration of antibiotics contribute to the emergence of multidrug-resistant bacteria.

개요

유기체는 DNA 복제 중에 발생하는 뉴클레오티드 불일치를 감지하고 고칠 수 있습니다. 이 정교한 프로세스는 새로운 가닥을 식별하고 잘못된 기지를 올바른 뉴클레오티드로 교체해야 합니다. 불일치 복구는 프로카요테와 진핵생물 모두에서 많은 단백질에 의해 조정됩니다.

돌연변이 단백질 가족은 DNA 불일치 복구에서 중요한 역할을 합니다.

인간 게놈은 세포 당 DNA의 30억 개 이상의 기본 쌍을 가지고 있습니다. 세포 분열의 앞에, 그 방대한 양의 유전 정보를 복제할 필요가 있습니다. DNA 폴리머라제의 교정 능력에도 불구하고 복사 오류는 약 1백만 개의 기본 쌍마다 발생합니다. 한 가지 유형의 오류는 뉴클레오티드의 불일치, 예를 들어, C와 G 또는 T의 페어링이다. 이러한 불일치는 돌연변이 단백질 가족에 의해 감지되고 수리됩니다. 이러한 단백질은 먼저 세균에 기재된 대장균(대장균)이었지만, 상동성은 원핵생물과 진핵생물 전체에 나타난다.E. coli

뮤터 S(MutS)는 불일치를 식별하고 바인딩하여 불일치 복구(MMR)를 시작합니다. 그런 다음 MutL은 새 복사본인 가닥을 식별합니다. 템플릿 가닥은 그대로 유지되어야 하는 동안 새 가닥만 수정해야 합니다. 분자 기계는 어떻게 DNA의 새로 합성 된 가닥을 식별 할 수 있습니까?

DNA의 새로 합성 된 가닥은 템플릿 가닥과 다릅니다.

많은 유기체에서, 새로운 가닥의 사이토신및 아데닌 기지는 복제 후에 얼마 동안 메틸 군을 수신한다. 따라서, Mut 단백질은 아직 메틸화되지 않은 서열을 인식하여 새로운 가닥을 식별합니다. 추가적으로, 진핵생물에 있는 새로 합성된 가닥은 DNA 닉에게 불린 작은 휴식이 있기 위하여 확률이 높습니다. MMR 단백질은 이렇게 닉 가닥을 식별하고 수리를 위해 그것을 표적으로 할 수 있습니다.

새로운 가닥을 식별한 후, 뉴클레아제 효소는 영향을받는 부위를 절단하고 잘못된 뉴클레오티드를 소비합니다. 다음으로, DNA 폴리머라제는 올바른 뉴클레오티드및 DNA 리개효소를 DNA의 당-인산염 중추를 밀봉하여 불일치 복구 과정을 완료한다.

불일치 수리 메커니즘의 결함은 암을 일으킬 수 있습니다.

MutS의 인간 동종학을 돌연변이S S 형질로그2(MSH2)라고 합니다. MSH2 기능이 손상된 경우 게놈 전체의 포인트 돌연변이 및 프레임 시프트 돌연변이가 제대로 복구되지 않습니다. 결과적으로, 이러한 손상된 MSH2의 단일 사본을 운반하는 인간은 암 발병 가능성이 높습니다.

수리되지 않은 돌연변이 연료 적응

MMR이 불일치를 놓치지 않았다면 가장 좋을까요? 낮은 돌연변이 율조차도 유기체에 문제를 일으킬 수 있습니다. 그러나, 돌연변이는 또한 인구에 있는 유전 변이에 기여합니다. 예를 들어, 박테리아의 허용 불일치 수리 시스템은 우연히 항생제 내성을 부여하는 유전자의 돌연변이로 이어질 수 있으며, 항생제에 노출될 때 세균 생존 및 번식의 가능성을 높일 수 있습니다. 이것은 세균성 인구를 위한 좋은 소식입니다, 그러나 전염병을 싸우기 위하여 항생제에 의지하는 인간을 위한 나쁜 소식.

사실, 황색포도상구균균은 점점 다약 저항을 얻습니다, 몇몇 또는 어떤 항생제가 환자에 있는 이 박테리아의 퍼짐을 방지할 수 있다는 것을 의미합니다. 다제 내성 박테리아를 가진 감염은 인간에 있는 높은 사망률과 연관됩니다. 가축 생산에 항생제의 광범위 한 사용 및 항생제의 부적절하게 단축 된 관리 다 약물 저항 하는 박테리아의 출현에 기여.


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