Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

13.8: Yanlış Eşleşme Tamiri
TABLE OF
CONTENTS

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: Yanlış Eşleşme Tamiri

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.

Genel bakış

Organizmalar DNA replikasyonu sırasında oluşan nükleotid uyuşmazlıklarını tespit etme ve düzeltme yeteneğine sahiptirler. Bu karmaşık süreç, yeni iplikçik lerin tanımlanmasını ve hatalı bazların doğru nükleotitlerle değiştirilmesini gerektirir. Uyumsuzluk onarımı hem prokaryotlarda hem de ökaryotlarda birçok protein tarafından koordine edilir.

Mutasyonprotein Ailesi DNA Uyuşmazlığı Onarımında Önemli Bir Rol Oynuyor

İnsan genomu hücre başına 3 milyardan fazla baz çifti DNA'ya sahiptir. Hücre bölünmesinden önce, bu büyük miktarda ki genetik bilginin çoğaltılması gerekir. DNA polimerazın ispat lama yeteneğine rağmen, yaklaşık her 1 milyon baz çiftinde bir kopyalama hatası oluşur. Bir hata türü nükleotidlerin uyumsuzluğudur, örneğin, A'nın G veya T ile C ile eşleşmesi. Bu tür uyuşmazlıklar Mutator protein ailesi tarafından tespit edilir ve onarılır. Bu proteinler ilk olarak Escherichia coli (E. coli)bakterilerinde tanımlanmıştır, ancak homologlar prokaryotlar ve ökaryotlar arasında görünür.

Mutator S (MutS) uyuşmazlığı tanımlayarak ve uyumsuzluk için bağlama tarafından uyumsuzluk onarım (MMR) başlatır. Daha sonra, MutL hangi ipliği yeni kopya olarak tanımlar. Şablon iplikçiğinin bozulmadan kalması gerekirken yalnızca yeni iplikçik sabitleme gerektirir. Moleküler makineler yeni sentezlenen DNA iplikçiğini nasıl tanımlayabilir?

DNA'nın Yeni Sentezlenen İplikleri Şablon İpliklerinden Farklıdır

Birçok organizmada, yeni iplikçiğin sitozin ve adenin bazları replikasyondan bir süre sonra metil grubu alırlar. Bu nedenle Mut proteinleri henüz metillenmiş olmayan dizileri tanıyarak yeni iplikçikleri tanımlarlar. Ayrıca ökaryotlarda yeni sentezlenen iplikçik, DNA çentikleri olarak da adlandırılan küçük kırılmalara sahip olma olasılığı daha yüksektir. MMR proteinleri böylece çentikli iplikçik belirlemek ve onarım için hedef.

Yeni iplikçik tespit inden sonra, nükleaz enzimleri etkilenen bölgeyi keser ve yanlış nükleotitleri boşaltırlar. Daha sonra, DNA polimeraz doğru nükleotitleri doldurur ve DNA ligaz DNA'nın şeker-fosfat omurgasını mühürler ve bu da uyumsuzluk onarım işlemini tamamlar.

Uyumsuzluk Onarım Mekanizmasındaki Bozukluklar Kansere Neden Olabilir

MutS'ın insan homologu Mutator S homolog 2 (MSH2) olarak adlandırılır. MSH2 fonksiyonu tehlikeye girerse, genom daki nokta mutasyonları ve frameshift mutasyonları düzgün bir şekilde onarılamaz. Sonuç olarak, böyle bir tehlikeye MSH2 tek bir kopyasını taşıyan insanlar kansere yakalanma olasılığı daha yüksektir.

Onarılmamış Mutasyonlar Yakıt Adaptasyonu

MMR bir uyumsuzluk cevapsız olsaydı en iyisi olur muydu? Düşük mutasyon oranları bile bir organizma için sorun yaratabilir. Ancak, mutasyonlar da bir popülasyonda genetik varyasyon katkıda bulunur. Örneğin, bir bakteride izin verilen bir uyumsuzluk onarım sistemi, şans eseri, antibiyotik direnci veren bir genin mutasyonuna yol açabilir, böylece antibiyotiklere maruz kaldığında bakteri sağkalım ve üreme şansını artırır. Bu bakteri nüfusu için harika bir haber, ama bulaşıcı hastalıklarla mücadele için antibiyotik güveniyor insanlar için kötü haber.

Aslında, Staphylococcus aureus suşları giderek çoklu ilaç direnci kazanmak, birkaç veya hiç antibiyotik bir hastada bu bakterinin yayılmasını önleyebilir anlamına gelir. Çoklu ilaca dirençli bakterilerin enfeksiyonları insanlarda yüksek mortalite oranı ile ilişkilidir. Çiftlik hayvanı üretiminde antibiyotiklerin yaygın kullanımı ve antibiyotiklerin uygunsuz şekilde kısalması, çok ilaca dirençli bakterilerin ortaya çıkmasına katkıda bulunmaktadır.


Suggested Reading

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

Waiting X
simple hit counter