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13.8: Reparo de Desajustes
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Mismatch Repair
 
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13.8: Mismatch Repair

13.8: Reparo de Desajustes

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.

Visão geral

Organismos são capazes de detectar e corrigir incompatibilidades de nucleotídeos que ocorrem durante a replicação do DNA. Este processo sofisticado requer identificar a nova vertente e substituir as bases errôneas por nucleotídeos corretos. O reparo incompatível é coordenado por muitas proteínas tanto em procariotes quanto em eucariotes.

A família da proteína mutator desempenha um papel fundamental no reparo de incompatibilidade de DNA

O genoma humano tem mais de 3 bilhões de pares de DNA por célula. Antes da divisão celular, essa grande quantidade de informações genéticas precisa ser replicada. Apesar da capacidade de revisão da polimerase de DNA, um erro de cópia ocorre aproximadamente a cada 1 milhão de pares de base. Um tipo de erro é a incompatibilidade de nucleotídeos, por exemplo, o pareamento de A com G ou T com C. Tais incompatibilidades são detectadas e reparadas pela família de proteínas Mutator. Essas proteínas foram descritas pela primeira vez na bactéria Escherichia coli (E. coli),mas os homólogos aparecem em procariotes e eucariotes.

O Mutator S (MutS) inicia o reparo de incompatibilidade (MMR) identificando e vinculando-se à incompatibilidade. Posteriormente, MutL identifica qual fio é a nova cópia. Apenas o novo fio requer fixação enquanto o fio do modelo precisa permanecer intacto. Como pode a máquina molecular identificar o fio recém-sintetizado do DNA?

Fios recém-sintetizados do DNA diferem de sua vertente de modelo

Em muitos organismos, as bases de citosina e adenina da nova cadeia recebem um grupo de metila algum tempo após a replicação. Portanto, as proteínas mudas identificam novos fios reconhecendo sequências que ainda não foram metiladas. Além disso, a vertente recém-sintetizada em eucariotes é mais provável que tenha pequenas quebras, também chamadas de cortes de DNA. As proteínas MMR podem, assim, identificar o fio cortado e direcioná-lo para reparo.

Após a identificação da nova vertente, enzimas nuclease cortam a região afetada e extiram os nucleotídeos incorretos. Em seguida, a polimerase de DNA preenche os nucleotídeos corretos e a ligase de DNA sela a espinha dorsal do dna, completando assim o processo de reparação de incompatibilidade.

Defeitos no mecanismo de reparação de incompatibilidade podem causar câncer

O homólogo humano de MutS é chamado de Mutator S homólogo 2 (MSH2). Se a função MSH2 estiver comprometida, mutações de ponto e mutações de mudança de quadro em todo o genoma não ão adequadamente reparadas. Em consequência, os seres humanos carregando uma única cópia de um MSH2 tão comprometido têm maior probabilidade de desenvolver câncer.

Adaptação de combustível de mutações não reparadas

Seria melhor se a RMM nunca perdesse uma incompatibilidade? Mesmo baixas taxas de mutação podem causar um problema para um organismo. No entanto, mutações também contribuem para a variação genética em uma população. Por exemplo, um sistema de reparação permissivo em uma bactéria pode, por acaso, levar à mutação de um gene que confere resistência a antibióticos, aumentando assim as chances de sobrevivência e reprodução bacteriana quando exposto a antibióticos. Esta é uma ótima notícia para a população bacteriana, mas más notícias para os seres humanos que dependem de antibióticos para combater doenças infecciosas.

De fato, as cepas de Staphylococcus aureus ganham cada vez mais resistência multidroga, o que significa que poucos ou nenhum antibiótico pode impedir a propagação desta bactéria em um paciente. Infecções com bactérias multirresistentes estão associadas a uma alta taxa de mortalidade em humanos. O uso generalizado de antibióticos na produção pecuária e a administração inadequadamente encurtada de antibióticos contribuem para o surgimento de bactérias multirresistentes.


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