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13.8: Réparation des mésappariements
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Mismatch Repair
 
TRANSCRIPTION

13.8: Mismatch Repair

13.8: Réparation des mésappariements

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.

Aperçu

Les organismes sont capables de détecter et de fixer les inadéquations des nucléotides qui se produisent lors de la réplication de l’ADN. Ce processus sophistiqué nécessite d’identifier le nouveau brin et de remplacer les bases erronées par des nucléotides corrects. La réparation de l’inadéquation est coordonnée par de nombreuses protéines dans les procaryotes et les eucaryotes.

La famille des protéines Mutator joue un rôle clé dans la réparation de l’inadéquation de l’ADN

Le génome humain possède plus de 3 milliards de paires de base d’ADN par cellule. Avant la division cellulaire, cette grande quantité d’informations génétiques doit être reproduite. Malgré la capacité de relecture de la polymérase de l’ADN, une erreur de copie se produit environ tous les 1 million de paires de base. Un type d’erreur est l’inadéquation des nucléotides, par exemple, l’appariement de A avec G ou T avec C. De tels décalages sont détectés et réparés par la famille de protéines Mutator. Ces protéines ont d’abord été décrites dans la bactérie Escherichia coli (E. coli), mais les homologations apparaissent partout dans les procaryotes et les eucaryotes.

Muttor S (MutS) initie la réparation d’inadéquation (ROR) en identifiant et en se liant à l’inadéquation. Par la suite, MutL identifie quel brin est la nouvelle copie. Seul le nouveau brin nécessite une correction alors que le brin de modèle doit rester intact. Comment la machinerie moléculaire peut-elle identifier le brin nouvellement synthétisé de l’ADN?

Les brins nouvellement synthétisés d’ADN diffèrent de leur modèle

Dans de nombreux organismes, les bases de cytosine et d’adénine du nouveau brin reçoivent un groupe méthylique quelque temps après la réplication. Par conséquent, les protéines Mut identifient de nouveaux brins en reconnaissant des séquences qui n’ont pas encore été méthylées. En outre, le brin nouvellement synthétisé dans les eucaryotes est plus susceptible d’avoir de petites pauses, également appelés entailles d’ADN. Les protéines ROR peuvent ainsi identifier le brin entaillé et le cibler pour réparation.

Après identification du nouveau brin, les enzymes de nucléase coupent la région affectée et excisent les nucléotides incorrects. Ensuite, la polymérase de l’ADN remplit les nucléotides corrects et la ligase d’ADN scelle l’épine dorsale sucre-phosphate de l’ADN, complétant ainsi le processus de réparation de décalage.

Les défauts du mécanisme de réparation de l’inadéquation peuvent causer le cancer

L’homologue humain de MutS est appelé Mutator S homologue 2 (MSH2). Si la fonction MSH2 est compromise, les mutations ponctuelles et les mutations du trame de trame dans tout le génome ne sont pas correctement réparées. En conséquence, les humains portant une seule copie d’un tel MSH2 compromis ont une plus grande probabilité de développer un cancer.

Les mutations non réparées alimentent l’adaptation

Serait-il préférable si ROR n’a jamais manqué un décalage? Même de faibles taux de mutation peuvent causer un problème pour un organisme. Cependant, les mutations contribuent également à la variation génétique dans une population. Par exemple, un système de réparation de l’inadéquation permissive dans une bactérie peut, par hasard, conduire à la mutation d’un gène qui confère une résistance aux antibiotiques, augmentant ainsi les chances de survie et de reproduction bactériennes lorsqu’ils sont exposés aux antibiotiques. C’est une excellente nouvelle pour la population bactérienne, mais de mauvaises nouvelles pour les humains qui dépendent des antibiotiques pour lutter contre les maladies infectieuses.

En fait, les souches de Staphylococcus aureus bénéficient de plus en plus de multirésistance, ce qui signifie que peu ou pas d’antibiotiques peuvent empêcher la propagation de cette bactérie chez un patient. Les infections par des bactéries multirésistantes sont associées à un taux de mortalité élevé chez l’homme. L’utilisation généralisée d’antibiotiques dans la production animale et l’administration d’antibiotiques mal raccourcies contribuent à l’émergence de bactéries multirésistantes.


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