Mutationer er permanente ændringer af nukleotidsekvensen i en bestemt organisme. De kan opstå som følge af fejl ved DNA-replikation eller eksterne mutagener. Virkningen af en mutation kan være enten gavnlig eller skadelig for cellen. Celler gennemgår dog forskellige typer mekanismer for at forhindre mutationer. DNA-polymerase, som er det enzym, der er involveret i DNA-replikation, er udstyret med flere mekanismer til at forhindre fejl under DNA-replikation. Under DNA-replikationen erstattes de fejlreparerede baser ved hjælp af proofreading. Umiddelbart efter DNA-replikationen udskiftes de resterende fejlreparerede baser ved hjælp af strengstyret mismatch-reparation. Desuden repareres mutationer forårsaget af eksterne faktorer ved hjælp af flere mekanismer såsom excisionsreparation, kemisk omvendelse og reparation af dobbeltstrengsbrud. Hvis skaden er reversibel, udsættes cellen for apoptose for at undgå at videregive det defekte DNA til afkommet.

Nøgleområder

1. Hvad er en mutation
– Definition, typer, årsager
2. Hvordan forebygger DNA-polymerase mutationer
– Proofreading, Strand-Directed Mismatch Repair

Nøglebegreber: DNA-polymerase, Strand-Directed Mismatch Repair, Mut Proteins, Mutation, Proofreading

Hvad er en mutation

En mutation henviser til en permanent og arvelig ændring i genomets nukleotidsekvens. Mutationer kan opstå som følge af fejl ved DNA-replikation eller eksterne faktorer, der kaldes mutagener. De tre former for mutationer er punktmutationer, frameshift-mutationer og kromosomale mutationer.

Punktmutationer

Punktmutationer er enkelte nukleotid-substitutioner. De tre typer af punktmutationer er missense-, nonsense- og silent-mutationer. Missense-mutationer ændrer et enkelt kodon i genet, hvilket ændrer aminosyren i polypeptidkæden. Selv om nonsense-mutationer ændrer kodonsekvensen, ændrer de ikke aminosyresekvensen. Silentmutationer ændrer et enkelt kodon til et andet kodon, der repræsenterer den samme aminosyre. Punktmutationer forårsages af fejl i DNA-replikationen og af mutagener. Forskellige typer punktmutationer er vist i figur 1.

Frameshift-mutationer

Frameshift-mutationer er indsættelser eller sletninger af enkelte eller flere nukleotider fra genomet. Insertioner, deletioner og duplikationer er de tre typer af frameshift-mutationer. Insertioner er tilføjelse af et eller flere nukleotider til sekvensen, mens deletioner er fjernelse af flere nukleotider fra sekvensen. Duplikationer er en gentagelse af flere nukleotider. Frameshift-mutationer skyldes også fejl i DNA-replikationen og mutagener.

Kromosomale mutationer

Kromosomale mutationer er ændringer af segmenter af kromosomer. De forskellige typer kromosomale mutationer er translokationer, genduplikationer, intrakromosomale deletioner, inversioner og tab af heterozygotitet. Translokationer er udvekslinger af dele af kromosomer mellem ikke-homologe kromosomer. Ved genduplikation kan der forekomme flere kopier af en bestemt allel, hvilket øger gendoseringen. Fjernelse af segmenter af kromosomer er kendt som intrakromosomale deletioner. Inversioner ændrer orienteringen af et kromosomsegment. Heterozygositet for et gen kan gå tabt som følge af tab af en allel på et kromosom ved deletion eller genetisk rekombination. Kromosomale mutationer skyldes hovedsagelig eksterne mutagener og mekaniske skader på DNA.

Hvordan forhindrer DNA-polymerase mutationer

DNA-polymerase er det enzym, der er ansvarlig for tilføjelsen af nukleotidbaser til den voksende streng under DNA-replikation. Da nukleotidsekvensen i et genom er afgørende for en bestemt organismes udvikling og funktion, er det afgørende at syntetisere den nøjagtige kopi af det eksisterende genom under DNA-replikationen. Generelt opretholder DNA-polymerasen en høj nøjagtighed under DNA-replikationen, idet den kun inkorporerer et enkelt fejlmatchet nukleotid pr. 109 tilføjede nukleotider. Hvis der derfor opstår en fejlparring mellem nitrogenbaser ud over de standard komplementære basepar, tilføjer DNA-polymerase den pågældende nukleotid til den voksende kæde, hvilket giver en hyppig mutation. Fejlene ved DNA-replikation korrigeres ved hjælp af to mekanismer, der er kendt som proofreading og strandrettet mismatch-reparation.

Proofreading

Proofreading refererer til en indledende mekanisme til korrektion af de misparende basepar fra den voksende DNA-streng, og den udføres af DNA-polymerase. DNA-polymerase udfører proofreading i to trin. Den første korrekturlæsning finder sted lige før tilføjelsen af et nyt nukleotid til den voksende kæde. De korrekte nukleotiders affinitet for DNA-polymerase er mange gange højere end de forkerte nukleotiders affinitet. Enzymet bør imidlertid undergå en konformationsændring lige efter, at det indkommende nukleotid binder sig til skabelonen gennem hydrogenbindinger, men før nukleotidet binder sig til den voksende streng ved hjælp af DNA-polymerase. De ukorrekt baseparrede nukleotider er tilbøjelige til at dissocieres fra skabelonen under DNA-polymerasens konformationsændring. Derfor giver dette trin DNA-polymerasen mulighed for at “dobbelttjekke” nukleotidet, inden det permanent føjes til den voksende streng. DNA-polymerasens korrekturlæsningsmekanisme er vist i figur 2.

Det andet korrekturlæsningstrin er kendt som exonukleolytisk korrekturlæsning. Det sker umiddelbart efter inkorporeringen af et mismatchet nukleotid til den voksende streng i et sjældent tilfælde. DNA-polymerase er ikke i stand til at tilføje det andet nukleotid ved siden af det fejlmatchede nukleotid. Et separat katalytisk sted i DNA-polymerasen, kendt som 3′ til 5′ proofreading exonuklease, fordøjer de fejlparerede nukleotider fra den voksende kæde.

Strand-Directed Mismatch Repair

Trods proofreading-mekanismer kan DNA-polymerase stadig inkorporere ukorrekte nukleotider i den voksende streng under DNA-replikation. De replikationsfejl, der er undsluppet korrekturlæsning, fjernes ved hjælp af den strengstyrede mismatch-reparation. Dette system registrerer forvrængningspotentiale i DNA-helixen, som skyldes mismatchede basepar. Reparationssystemet skal dog identificere den forkerte base i forhold til den eksisterende base, før det erstatter mismatchen. Generelt er E. coli afhængig af DNA-methyleringssystemet til at genkende den gamle DNA-streng i dobbeltspiralen, da den ny-syntetiserede streng måske ikke snart undergår DNA-methylering. I E.coli er GATC’s A-rest methyleret. DNA-replikationens pålidelighed øges yderligere med en faktor 102 som følge af det strengstyrede mismatch-reparationssystem. DNA-mismatch-reparationsvejene i eukaryoter, bakterier og E. coli er vist i figur 3.

I den strengstyrede mismatch-reparation bevæger tre komplekse proteiner sig gennem den ny-syntetiserede DNA-streng. Det første protein, kendt som MutS, opdager og binder sig til forvridningerne i DNA-dobbeltspiralen. Det andet protein, kaldet MutL, registrerer og binder sig til MutS og tiltrækker det tredje protein, kaldet MutH, som skelner mellem den umethylerede og den nysyntetiserede streng. Ved bindingen skærer MutH den umethylerede DNA-streng over umiddelbart opstrøms til G-resten i GATC-sekvensen. En exonuklease er ansvarlig for nedbrydningen af strengen nedstrøms for mismatchen. Dette system nedbryder imidlertid regioner på under 10 nukleotider, som let kan re-syntetiseres af DNA-polymerase 1. Mut-proteinerne i eukaryoter er homologe med dem i E. coli.

Slutning

Mutationer er permanente ændringer af genomets nukleotidsekvens, der kan opstå som følge af fejl i DNA-replikationen eller som følge af virkningen af eksterne mutagener. Fejlene i DNA-replikationen kan korrigeres ved hjælp af to mekanismer, der er kendt som proofreading og strand-styret mismatch-reparation. Proofreading udføres af selve DNA-polymerasen under DNA-syntesen. Den strengstyrede mismatch-reparation udføres af Mut-proteiner lige efter DNA-replikationen. Disse reparationsmekanismer er imidlertid involveret i opretholdelsen af genomets integritet.

Reference:

1. Alberts, Bruce. “DNA-replikationsmekanismer.” Molecular Biology of the Cell. 4th edition., U.S. National Library of Medicine, 1 jan. 1970, tilgængelig her.
2. Brown, Terence A. “Mutation, Repair and Recombination.” Genomes. 2nd edition., U.S. National Library of Medicine, 1 Jan. 1970, Available here.

Image Courtesy:

1. “Different Types of Mutations” Af Jonsta247 – Denne fil er afledt af:Point mutations-en.png (GFDL) via Commons Wikimedia
2. “DNA polymerase” Af I, Madprime (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia
3. “DNA mismatch repair” Af Kenji Fukui – (CC BY 3.0) via Commons Wikimedia