Mutaatiot ovat pysyviä muutoksia tietyn organismin nukleotidisekvenssissä. Ne voivat syntyä DNA:n replikaatiovirheiden tai ulkoisten mutageenien vuoksi. Mutaation vaikutus voi olla solulle joko hyödyllinen tai haitallinen. Solut käyttävät kuitenkin erilaisia mekanismeja mutaatioiden estämiseksi. DNA-polymeraasilla, joka on DNA:n replikaatioon osallistuva entsyymi, on useita mekanismeja, joilla estetään virheet DNA:n replikaation aikana. DNA:n replikaation aikana virheelliset emäkset korvataan oikolukemalla. Välittömästi DNA:n replikaation jälkeen jäljelle jääneet virheelliset emäkset korvataan säikeen suuntautuneella virheenkorjauksella. Lisäksi ulkoisten tekijöiden aiheuttamat mutaatiot korjataan useilla mekanismeilla, kuten eksisiokorjauksella, kemiallisella käänteiskorjauksella ja kaksoisjuostekatkosten korjauksella. Jos vaurio on palautuva, solu altistuu apoptoosille, jotta virheellinen DNA ei siirtyisi jälkeläisille.

Keskeiset aihealueet

1. Mikä on mutaatio
– Määritelmä, tyypit, syyt
2. Miten DNA-polymeraasi ehkäisee mutaatioita
– Korjauslukutaito, säie-ohjattu mismatch-korjaus

Keskeiset termit: DNA-polymeraasi, Strand-Directed Mismatch Repair, Mut Proteins, Mutation, Proofreading

Mikä on mutaatio

Mutaatiolla tarkoitetaan pysyvää ja periytyvää muutosta perimän nukleotidijärjestyksessä. Mutaatiot voivat syntyä DNA:n replikaatiovirheiden tai mutageeneiksi kutsuttujen ulkoisten tekijöiden seurauksena. Mutaatioiden kolme muotoa ovat pistemutaatiot, frameshift-mutaatiot ja kromosomimutaatiot.

Pistemutaatiot

Pistemutaatiot ovat yksittäisten nukleotidien substituutioita. Kolme pistemutaatiotyyppiä ovat missense-, nonsense- ja silent-mutaatiot. Missense-mutaatio muuttaa geenin yhtä kodonia, jolloin polypeptidiketjun aminohappo muuttuu. Vaikka nonsense-mutaatiot muuttavat koodonijärjestystä, ne eivät muuta aminohapposekvenssiä. Hiljaiset mutaatiot muuttavat yksittäisen kodonin toiseksi kodoniksi, joka edustaa samaa aminohappoa. Pistemutaatioita aiheuttavat virheet DNA:n replikaatiossa ja mutageenit. Kuvassa 1 on esitetty erityyppisiä pistemutaatioita.

Frameshift-mutaatiot

Frameshift-mutaatiot ovat yksittäisten tai useiden nukleotidien lisäyksiä tai poistoja genomissa. Insertioita, deletioita ja duplikaatioita on kolme frameshift-mutaatiotyyppiä. Insertioilla tarkoitetaan yhden tai useamman nukleotidin lisäämistä sekvenssiin, kun taas deletioilla tarkoitetaan useamman nukleotidin poistamista sekvenssistä. Duplikaatiot ovat useiden nukleotidien toistumista. Frameshift-mutaatioita aiheuttavat myös virheet DNA:n replikaatiossa ja mutageenit.

Kromosomaaliset mutaatiot

Kromosomaaliset mutaatiot ovat kromosomien segmenttien muutoksia. Kromosomimutaatiotyyppejä ovat translokaatiot, geeniduplikaatiot, kromosomien sisäiset deleetiot, inversiot ja heterotsygoottiuden menetys. Translokaatiot ovat kromosomien osien vaihtumista ei-homologisten kromosomien välillä. Geeniduplikaatiossa voi esiintyä useita kopioita tietystä alleelista, jolloin geenin annos kasvaa. Kromosomien osien poistoja kutsutaan kromosomisisäisiksi deletioiksi. Inversiot muuttavat kromosomisegmentin orientaatiota. Geenin heterotsygoottius voi hävitä, kun yhdessä kromosomissa oleva alleeli häviää deletion tai geneettisen rekombinaation seurauksena. Kromosomimutaatioita aiheuttavat pääasiassa ulkoiset mutageenit ja DNA:n mekaaniset vauriot.

Miten DNA-polymeraasi ehkäisee mutaatioita

DNA-polymeraasi on entsyymi, joka vastaa nukleotidi-emästen lisäämisestä kasvavaan säikeeseen DNA:n replikaation aikana. Koska genomin nukleotidisekvenssi määrää tietyn organismin kehityksen ja toiminnan, on elintärkeää syntetisoida olemassa olevan genomin tarkka kopio DNA:n replikaation aikana. Yleensä DNA-polymeraasi säilyttää suuren uskollisuuden DNA:n replikaation aikana, sillä se sisällyttää vain yhden yhteensopimattoman nukleotidin 109 lisättyä nukleotidia kohti. Jos siis tavanomaisten komplementaaristen emäsparien lisäksi esiintyy virhepariutumista typpiemästen välillä, DNA-polymeraasi lisää kyseisen nukleotidin kasvavaan ketjuun, jolloin syntyy usein mutaatio. DNA:n replikaation virheet korjataan kahdella mekanismilla, joita kutsutaan oikolukemiseksi ja säikeen suuntautuneeksi mismatch-korjaukseksi.

Oikoluku

Oikolukemisella tarkoitetaan alkuperäistä mekanismia, jolla korjataan kasvavasta DNA-juosteesta väärin parittuneita emäspareja, ja sen suorittaa DNA-polymeraasi. DNA-polymeraasi suorittaa oikolukemisen kahdessa vaiheessa. Ensimmäinen oikoluku tapahtuu juuri ennen uuden nukleotidin lisäämistä kasvavaan ketjuun. Oikeiden nukleotidien affiniteetti DNA-polymeraasia kohtaan on moninkertainen virheellisiin nukleotideihin verrattuna. Entsyymin pitäisi kuitenkin kokea konformaatiomuutos juuri sen jälkeen, kun tuleva nukleotidi sitoutuu templaattiin vetysidosten avulla, mutta ennen kuin nukleotidi sitoutuu kasvavaan säikeeseen DNA-polymeraasin vaikutuksesta. Väärin emäsparitetut nukleotidit ovat alttiita dissosioitumaan templaatista DNA-polymeraasin konformaatiomuutoksen aikana. Näin ollen tämä vaihe antaa DNA-polymeraasille mahdollisuuden ”tuplatarkastaa” nukleotidin ennen kuin se lisätään pysyvästi kasvavaan säikeeseen. DNA-polymeraasin oikolukumekanismi on esitetty kuvassa 2.

Toisesta oikolukuvaiheesta käytetään nimitystä eksonukleolyyttinen oikoluku. Se tapahtuu heti sen jälkeen, kun epäsopiva nukleotidi on harvinaisessa tapauksessa sisällytetty kasvavaan säikeeseen. DNA-polymeraasi ei kykene lisäämään toista nukleotidia väärin sovitetun nukleotidin viereen. DNA-polymeraasin erillinen katalyyttinen kohta, joka tunnetaan nimellä 3′-5′-korjaava eksonukleaasi, sulattaa kasvavasta ketjusta virheelliset nukleotidit.

Strand-Directed Mismatch Repair

Korjaavista korjausmekanismeista huolimatta DNA-polymeraasi voi edelleen sisällyttää virheellisiä nukleotideja kasvavaan ketjuun DNA:n replikaation aikana. Kopiointivirheet, jotka ovat välttyneet oikolukemiselta, poistetaan säikeen suuntautuneella mismatch-korjauksella. Tämä järjestelmä havaitsee DNA-kierteessä olevan vääristyneistä emäspareista johtuvan vääristymispotentiaalin. Korjausjärjestelmän on kuitenkin tunnistettava virheellinen emäs olemassa olevasta emäksestä ennen epäsuhdan korvaamista. Yleensä E. coli on riippuvainen DNA-metylaatiojärjestelmästä tunnistamaan vanhan DNA-juosteen kaksoiskierteessä, koska vastasyntetisoitu juoste ei välttämättä käy läpi DNA-metylaatiota pian. E.colissa GATC:n A-jäännös metyloituu. DNA:n replikaation uskollisuus lisääntyy vielä 102-kertaiseksi säikeen suunnatun mismatch repair -järjestelmän toiminnan ansiosta. Eukaryoottien, bakteerien ja E. colin DNA-virheenkorjausreitit on esitetty kuvassa 3.

Säikeen suuntautuneessa virheenkorjauksessa kolme monimutkaista valkuaista liikkuu vastasyntetisoidun DNA- säikeen läpi. Ensimmäinen proteiini, joka tunnetaan nimellä MutS, havaitsee DNA:n kaksoiskierteessä olevat vääristymät ja sitoutuu niihin. Toinen proteiini nimeltä MutL havaitsee MutS:n ja sitoutuu siihen houkuttelemalla kolmannen proteiinin nimeltä MutH, joka erottaa toisistaan metyloimattoman tai vastasyntetisoidun säikeen. Sitouduttuaan MutH leikkaa metyloimattoman DNA-juosteen välittömästi GATC-sekvenssin G-jäännöksen yläpuolelta. Eksonukleaasi vastaa virheasettelun alapuolella olevan säikeen hajottamisesta. Tämä järjestelmä hajottaa kuitenkin alle 10 nukleotidin pituisia alueita, jotka DNA-polymeraasi 1 syntetisoi helposti uudelleen. Eukaryoottien mut-proteiinit ovat homologisia E. colin mut-proteiinien kanssa.

Johtopäätös

Mutaatiot ovat pysyviä muutoksia genomin nukleotidisekvenssissä, jotka voivat syntyä DNA:n replikaatiossa tapahtuvien virheiden tai ulkoisten mutageenien vaikutuksesta. DNA:n replikaatiovirheet voidaan korjata kahdella mekanismilla, joita kutsutaan oikolukemiseksi ja säikeen suuntautuneeksi mismatch repairiksi. DNA-polymeraasi suorittaa oikolukemisen itse DNA-synteesin aikana. Säikeen suuntautuvan epäsuhdan korjauksen suorittavat Mut-proteiinit heti DNA:n replikaation jälkeen. Nämä korjausmekanismit osallistuvat kuitenkin genomin eheyden ylläpitämiseen.

Viite:

1. Alberts, Bruce. ”DNA:n replikaatiomekanismit”. Molecular Biology of the Cell. 4th edition., U.S. National Library of Medicine, 1.1.1970, Saatavissa täältä.
2. Brown, Terence A. ”Mutaatio, korjaus ja rekombinaatio”. Genomes. 2nd edition., U.S. National Library of Medicine, 1 Jan. 1970, Available here.

Image Courtesy:

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

.