Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

13.8: Mismatch Reparatie
INHOUDSOPGAVE

JoVE Core
Biology

A subscription to JoVE is required to view this content. You will only be able to see the first 20 seconds.

Education
Mismatch Repair
 
TRANSCRIPT

13.8: Mismatch Repair

13.8: Mismatch Reparatie

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.

Overzicht

Organismen zijn in staat om nucleotide-mismatches die optreden tijdens DNA-replicatie te detecteren en op te lossen. Dit geavanceerde proces vereist het identificeren van de nieuwe streng en het vervangen van de foutieve basen door de juiste nucleotiden. Mismatch-reparatie wordt gecoördineerd door veel eiwitten in zowel prokaryoten als eukaryoten.

De mutator-eiwitfamilie speelt een sleutelrol bij het herstel van DNA-mismatch

Het menselijk genoom heeft meer dan 3 miljard basenparen DNA per cel. Voorafgaand aan de celdeling moet die enorme hoeveelheid genetische informatie worden gerepliceerd. Ondanks het proefleesvermogen van het DNA-polymerase, treedt er ongeveer elke 1 miljoen basenparen een kopieerfout op. Een type fout is de mismatch van nucleotiden, bijvoorbeeld de pairing van A met G of T met C. Dergelijke mismatches worden gedetecteerd en hersteld door de Mutator-eiwitfamilie. Deze eiwitten werden voor het eerst beschreven in de bacterie Escherichia coli ( E. coli ), maar homologen komen overal voorkaryoten en eukaryoten.

Mutator S (MutS) initieert de mismatch-reparatie (MMR) door de mismatch te identificeren en eraan te binden. Vervolgens identificeert MutL welke streng de nieuwe kopie is. Alleen de nieuwe streng moet worden gefixeerd, terwijl de sjabloonstreng intact moet blijven. Hoe kan de moleculaire machinerie de nieuw gesynthetiseerde DNA-streng identificeren?

Nieuw gesynthetiseerde DNA-strengen verschillen van hun sjabloonstreng

In veel organismen krijgen cytosine- en adeninebasen van de nieuwe streng enige tijd na replicatie een methylgroep. Daarom identificeren Mut-eiwitten nieuwe strengen door sequenties te herkennen die nog niet zijn gemethyleerd. Bovendien heeft de nieuw gesynthetiseerde streng in eukaryoten meer kans op kleine breuken, ook wel DNA-inkepingen genoemd. De MMR-eiwitten kunnen dus de gekerfde streng identificeren en erop richten voor reparatie.

Na identificatie van de nieuwe streng snijden nuclease-enzymen het getroffen gebied door en snijden de verkeerde nucleotiden uit. Vervolgens DNA-polymerase vult de juiste nucleotiden in en DNA-ligase sluit de suiker-fosfaat-ruggengraat van het DNA af, waardoor het herstelproces van mismatch wordt voltooid.

Defecten in het mismatch-reparatiemechanisme kunnen kanker veroorzaken

De menselijke homoloog van MutS wordt Mutator S-homoloog 2 (MSH2) genoemd. Als de MSH2-functie is aangetast, worden puntmutaties en frameshift-mutaties door het hele genoom niet goed gerepareerd. Als gevolg hiervan hebben mensen die een enkele kopie van zo'n gecompromitteerde MSH2 bij zich hebben, een grotere kans op het ontwikkelen van kanker.

Niet-gerepareerde mutaties zorgen voor aanpassing

Zou het het beste zijn als MMR nooit een mismatch zou missen? Zelfs lage mutatiesnelheden kunnen een probleem veroorzaken voor een organisme. Mutaties dragen echter ook bij aan genetische variatie in een populatie. Een tolerant mismatch-reparatiesysteem in een bacterie kan bijvoorbeeld bij toeval leiden tot de mutatie van een gen dat antibioticaresistentie verleent, waardoor de kans op overleving en reproductie van bacteriën bij blootstelling wordt vergroot.antibiotica. Dit is geweldig nieuws voor de bacteriepopulatie, maar slecht nieuws voor mensen die afhankelijk zijn van antibiotica om infectieziekten te bestrijden.

In feite winnen Staphylococcus aureus- stammen in toenemende mate resistentie tegen meerdere geneesmiddelen, wat betekent dat weinig of geen antibiotica de verspreiding van deze bacterie bij een patiënt kunnen voorkomen. Infecties met multiresistente bacteriën worden geassocieerd met een hoog sterftecijfer bij mensen. Het wijdverbreide gebruik van antibiotica in de veehouderij en de ten onrechte verkorte toediening van antibiotica dragen bij aan het ontstaan van multiresistente bacteriën.


Aanbevolen Lectuur

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter