Mutace jsou trvalé změny sekvence nukleotidů určitého organismu. Mohou vznikat v důsledku chyb při replikaci DNA nebo v důsledku vnějších mutagenů. Účinek mutace může být pro buňku buď prospěšný, nebo škodlivý. Buňky však podstupují různé typy mechanismů, aby mutacím zabránily. DNA polymeráza, což je enzym podílející se na replikaci DNA, je vybavena několika mechanismy, které zabraňují chybám při replikaci DNA. Během replikace DNA jsou chybně spárované báze nahrazovány korekturou. Bezprostředně po replikaci DNA jsou zbývající chybně spárované báze nahrazeny řetězcem řízenou opravou chyb. Kromě toho jsou mutace způsobené vnějšími faktory opravovány několika mechanismy, jako je excizní oprava, chemická reverze a oprava dvouřetězcových zlomů. Pokud je poškození vratné, buňka podléhá apoptóze, aby se zabránilo předání vadné DNA potomkům.

Klíčové oblasti, kterými se zabýváme

1. Co je to mutace
– definice, typy, příčiny
2. Jak DNA polymeráza zabraňuje mutacím
– korektura, oprava neshod v řetězci

Klíčové pojmy: DNA Polymeráza, Strand-Directed Mismatch Repair, Mut Proteins, Mutation, Proofreading

Co je mutace

Mutací se rozumí trvalá a dědičná změna v sekvenci nukleotidů genomu. Mutace mohou vznikat v důsledku chyb replikace DNA nebo v důsledku vnějších faktorů známých jako mutageny. Existují tři formy mutací: bodové mutace, mutace s posunem rámce a chromozomální mutace.

Bodové mutace

Bodové mutace jsou záměny jednotlivých nukleotidů. Tři typy bodových mutací jsou missense, nonsense a tiché mutace. Missense mutace mění jediný kodon genu a mění tak aminokyselinu v polypeptidovém řetězci. Nesmyslné mutace sice mění sekvenci kodonů, ale nemění sekvenci aminokyselin. Tiché mutace mění jeden kodon na jiný kodon, který představuje stejnou aminokyselinu. Bodové mutace jsou způsobeny chybami při replikaci DNA a mutageny. Různé typy bodových mutací jsou znázorněny na obrázku 1.

Frameshift mutace

Frameshift mutace jsou vložení nebo odstranění jednoho nebo několika nukleotidů z genomu. Inzerce, delece a duplikace jsou tři typy frameshift mutací. Inzerce jsou přidání jednoho nebo několika nukleotidů do sekvence, zatímco delece jsou odstranění několika nukleotidů ze sekvence. Duplikace jsou opakováním několika nukleotidů. Frameshift mutace jsou také způsobeny chybami v replikaci DNA a mutageny.

Chromozomální mutace

Chromozomální mutace jsou změny segmentů chromozomů. Mezi typy chromozomálních mutací patří translokace, genové duplikace, intrachromozomální delece, inverze a ztráta heterozygotnosti. Translokace jsou záměny částí chromozomů mezi nehomologními chromozomy. Při genové duplikaci se může objevit více kopií určité alely, což zvyšuje dávku genu. Odstranění úseků chromozomů se nazývá intrachromozomální delece. Inverze mění orientaci chromozomového segmentu. Heterozygotnost genu může být ztracena v důsledku ztráty alely v jednom chromozomu delecí nebo genetickou rekombinací. Chromozomální mutace jsou způsobeny především vnějšími mutageny a v důsledku mechanického poškození DNA.

Jak DNA polymeráza zabraňuje mutacím

DNA polymeráza je enzym zodpovědný za přidávání nukleotidových bází do rostoucího vlákna během replikace DNA. Vzhledem k tomu, že sekvence nukleotidů v genomu určuje vývoj a fungování konkrétního organismu, je při replikaci DNA nezbytné syntetizovat přesnou repliku stávajícího genomu. Obecně platí, že polymeráza DNA zachovává během replikace DNA vysokou věrnost a na 109 přidaných nukleotidů začlení pouze jeden neshodný nukleotid. Pokud tedy dojde k chybnému spárování mezi dusíkatými bázemi kromě standardních komplementárních párů bází, DNA polymeráza přidá tento nukleotid do rostoucího řetězce, čímž vznikne častá mutace. Chyby při replikaci DNA se opravují dvěma mechanismy známými jako proofreading a řetězcem řízená oprava chyb.

Proofreading

Proofreading označuje počáteční mechanismus opravy chybně spárovaných párů bází z rostoucího řetězce DNA a provádí ho DNA polymeráza. DNA polymeráza provádí proofreading ve dvou krocích. První proofreading probíhá těsně před přidáním nového nukleotidu do rostoucího řetězce. Afinita správných nukleotidů k DNA polymeráze je mnohonásobně vyšší než afinita nesprávných nukleotidů. Enzym by však měl projít konformační změnou těsně poté, co se přicházející nukleotid naváže na templát prostřednictvím vodíkových vazeb, ale ještě před smluvním navázáním nukleotidu na rostoucí řetězec působením DNA polymerázy. Nesprávně spárované nukleotidy jsou náchylné k disociaci od templátu během konformační změny DNA polymerázy. Proto tento krok umožňuje DNA polymeráze „překontrolovat“ nukleotid před jeho trvalým přidáním do rostoucího vlákna. Mechanismus proofreadingu polymerázy DNA je znázorněn na obrázku 2.

Druhý krok proofreadingu je znám jako exonukleolytický proofreading. Dochází k ní bezprostředně po začlenění neshodného nukleotidu do rostoucího vlákna ve vzácném případě. DNA polymeráza není schopna přidat druhý nukleotid vedle neshodného nukleotidu. Samostatné katalytické místo polymerázy DNA známé jako 3′ až 5′ korekturní exonukleáza odštěpuje chybně spárovaný nukleotid z rostoucího řetězce.

Oprava chybného řetězce řízená řetězcem

I přes mechanismy korektury může polymeráza DNA během replikace DNA stále začlenit chybné nukleotidy do rostoucího řetězce. Chyby při replikaci, které unikly korektuře, jsou odstraněny pomocí opravy chyb směrované do řetězce. Tento systém detekuje možnost narušení šroubovice DNA, které je způsobeno neshodnými páry bází. Opravný systém by však měl před nahrazením neshody identifikovat nesprávnou bázi od stávající báze. Obecně E. coli závisí na systému metylace DNA, který rozpozná staré vlákno DNA ve dvojité šroubovici, protože nově syntetizované vlákno nemusí brzy projít metylací DNA. V E.coli je metylován zbytek A GATC. Věrnost replikace DNA se zvyšuje o další faktor 102 v důsledku působení systému opravy neshod v řetězci. Cesty opravy neshod DNA u eukaryot, bakterií a E. coli jsou znázorněny na obrázku 3.

Při opravě neshod řízené řetězcem se tři složité proteiny pohybují po nově syntetizovaném řetězci DNA. První protein známý jako MutS detekuje a váže se na narušení dvojité šroubovice DNA. Druhý protein známý jako MutL detekuje a váže se na MutS, čímž přitahuje třetí protein známý jako MutH, který rozlišuje nemetylované nebo nově syntetizované vlákno. Po navázání MutH přeruší nemetylované vlákno DNA bezprostředně před zbytkem G v sekvenci GATC. Exonukleáza je zodpovědná za degradaci řetězce za neshodou. Tento systém však degraduje oblasti menší než 10 nukleotidů, které jsou snadno resyntetizovány DNA polymerázou 1. Mut proteiny eukaryot jsou homologní s proteiny E. coli.

Závěr

Mutace jsou trvalé změny nukleotidové sekvence genomu, které mohou vznikat v důsledku chyb při replikaci DNA nebo působením vnějších mutagenů. Chyby při replikaci DNA lze opravit dvěma mechanismy známými jako proofreading a řetězcem řízená oprava chyb. Korekci provádí sama DNA polymeráza během syntézy DNA. Vláknově řízená oprava neshod je prováděna proteiny Mut těsně po replikaci DNA. Tyto opravné mechanismy se však podílejí na zachování integrity genomu.

Odkaz:

1. Alberts, Bruce. „Mechanismy replikace DNA.“ Molekulární biologie buňky. Vydání 4. Národní lékařská knihovna USA, 1. ledna 1970, Dostupné zde.
2. Brown, Terence A. „Mutation, Repair and Recombination“ (Mutace, opravy a rekombinace). Genomy. 2nd edition., U.S. National Library of Medicine, 1. Jan. 1970, Available here.

Image Courtesy:

1. „Different Types of Mutations“ By Jonsta247 – This file was derived from:Point mutations-en.png (GFDL) via Commons Wikimedia
2. „DNA polymerase“ By I, Madprime (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia
3. „DNA mismatch repair“ By Kenji Fukui – (CC BY 3.0) via Commons Wikimedia

.