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13.8: Reparación de discordancias
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Mismatch Repair
 
TRANSCRIPCIÓN

13.8: Mismatch Repair

13.8: Reparación de discordancias

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.

Visión general

Los organismos son capaces de detectar y corregir desenganches de nucleótidos que se producen durante la replicación del ADN. Este sofisticado proceso requiere identificar la nueva hebra y reemplazar las bases erróneas con nucleótidos correctos. La reparación de la discordancia está coordinada por muchas proteínas tanto en los prokaryotes como en los eucariotas.

La familia de proteínas mutadoras desempeña un papel clave en la reparación de la desajuste del ADN

El genoma humano tiene más de 3 mil millones de pares de bases de ADN por célula. Antes de la división celular, esa gran cantidad de información genética necesita ser replicada. A pesar de la capacidad de corrección de la polimerasa de ADN, se produce un error de copia aproximadamente cada 1 millón de pares de bases. Un tipo de error es la discordancia de nucleótidos, por ejemplo, el emparejamiento de A con G o T con C. Tales desajustes son detectados y reparados por la familia de proteínas Mutator. Estas proteínas fueron descritas por primera vez en la bacteria Escherichia coli (E. coli), pero los homólogos aparecen a lo largo de los prokaryotes y eucariotas.

Mutator S (MutS) inicia la reparación de discordancia (MMR) identificando y enlazando a la discordancia. Posteriormente, MutL identifica qué hela es la nueva copia. Sólo la nueva hebra requiere la fijación mientras que el hilo de la plantilla debe permanecer intacto. ¿Cómo puede la maquinaria molecular identificar la cadena recién sintetizada del ADN?

Las hebras de ADN recién sintetizadas difieren de su plantilla Strand

En muchos organismos, las bases de citosina y adenina de la nueva hebra reciben un grupo metilo algún tiempo después de la replicación. Por lo tanto, las proteínas Mut identifican nuevas hebras reconociendo secuencias que aún no han sido metiladas. Además, la cadena recién sintetizada en eucariotas es más probable que tenga pequeñas roturas, también llamadas nicks de ADN. De este modo, las proteínas MMR pueden identificar la hebra picada y apuntarla para su reparación.

Después de la identificación de la nueva hebra, las enzimas nucleasas cortan la región afectada e extirpan los nucleótidos incorrectos. A continuación, la polimerasa de ADN rellena los nucleótidos correctos y los sellos de ligasa de ADN la columna vertebral de azúcar-fosfato del ADN, completando así el proceso de reparación de discordancias.

Los defectos en el mecanismo de reparación de la discordancia pueden causar cáncer

El homólogo humano de MutS se llama Mutator S homólogo 2 (MSH2). Si la función MSH2 se ve comprometida, las mutaciones puntuales y las mutaciones del cambio de trama en todo el genoma no se reparan correctamente. En consecuencia, los seres humanos que llevan una sola copia de un MSH2 tan comprometido tienen una mayor probabilidad de desarrollar cáncer.

Adaptación de combustible de mutaciones no reparadas

¿Sería mejor que MMR nunca se perdiera un desajuste? Incluso las tasas de mutación bajas pueden causar un problema para un organismo. Sin embargo, las mutaciones también contribuyen a la variación genética en una población. Por ejemplo, un sistema permisivo de reparación de discordancias en una bacteria puede, por casualidad, conducir a la mutación de un gen que confiere resistencia a los antibióticos, aumentando así las posibilidades de supervivencia y reproducción bacteriana cuando se expone a antibióticos. Esta es una gran noticia para la población bacteriana, pero malas noticias para los seres humanos que dependen de antibióticos para combatir las enfermedades infecciosas.

De hecho, Staphylococcus aureus cepas cada vez más ganan resistencia a múltiples fármacos, lo que significa que pocos o ningún antibiótico puede prevenir la propagación de esta bacteria en un paciente. Las infecciones con bacterias multirresistentes se asocian con una alta tasa de mortalidad en humanos. El uso generalizado de antibióticos en la producción ganadera y la administración inadecuadamente acortada de antibióticos contribuyen a la aparición de bacterias multirresistentes.


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