A mutációk egy adott szervezet nukleotidszekvenciájának állandó változásai. Kialakulhatnak a DNS-replikáció hibái vagy külső mutagének miatt. A mutáció hatása lehet a sejtre nézve előnyös vagy káros. A sejtek azonban különböző típusú mechanizmusokat alkalmaznak a mutációk megelőzésére. A DNS-polimeráz, amely a DNS-replikációban részt vevő enzim, számos mechanizmussal rendelkezik a DNS-replikáció során fellépő hibák megelőzésére. A DNS-replikáció során a hibásan javított bázisokat lektorálással pótolják. Közvetlenül a DNS-replikáció után a fennmaradó hibás bázisokat a szálirányított hibás illesztésjavítással pótolják. Ezenkívül a külső tényezők által okozott mutációkat több mechanizmus, például az excíziós javítás, a kémiai visszafordítás és a kettősszál-törés javítás javítja. Ha a károsodás reverzibilis, a sejtet apoptózisnak vetik alá annak érdekében, hogy a hibás DNS ne öröklődjön az utódokra.

Főbb tárgyalt területek

1. Mi a mutáció
– Definíció, típusok, okok
2. Hogyan akadályozza meg a DNS-polimeráz a mutációkat
– Korrektúra, Strand-irányított Mismatch-javítás

Kulcsfogalmak: DNS-polimeráz, Strand-Directed Mismatch Repair, Mut Proteins, Mutation, Proofreading

Mi a mutáció

A mutáció a genom nukleotidszekvenciájának tartós és öröklődő változását jelenti. Mutációk keletkezhetnek a DNS-replikáció hibái vagy külső tényezők, úgynevezett mutagének következtében. A mutációk három formája a pontmutációk, a frameshiftmutációk és a kromoszómális mutációk.

Pontmutációk

A pontmutációk egyetlen nukleotid kicserélődését jelentik. A pontmutációk három típusa a missense, a nonsense és a silent mutációk. A missense mutáció a gén egyetlen kodonját változtatja meg, megváltoztatva a polipeptidláncban lévő aminosavat. A nonszensz mutációk megváltoztatják ugyan a kodonszekvenciát, de nem változtatják meg az aminosav-szekvenciát. A csendes mutációk egyetlen kodont módosítanak egy másik kodonná, amely ugyanazt az aminosavat képviseli. A pontmutációkat a DNS-replikáció hibái és mutagének okozzák. A pontmutációk különböző típusait az 1. ábra mutatja.

Frameshift Mutations

Frameshift mutations are insertions or deletions of single or several nucleotides from the genome. A beillesztések, deléciók és duplikációk a frameshift mutációk három típusa. A beillesztések egy vagy több nukleotid hozzáadását jelentik a szekvenciához, míg a deléciók több nukleotid eltávolítását jelentik a szekvenciából. A duplikációk több nukleotid ismétlődését jelentik. Frameshift mutációkat a DNS-replikáció hibái és mutagének is okozhatnak.

Kromoszómális mutációk

A kromoszómális mutációk a kromoszómák szegmenseinek elváltozásai. A kromoszómális mutációk típusai a transzlokációk, génduplikációk, kromoszómán belüli deléciók, inverziók és a heterozigozitásvesztés. A transzlokációk a kromoszómák részeinek nem homológ kromoszómák közötti cseréje. Génduplikáció esetén egy adott allél több példánya is megjelenhet, ami növeli a géndózist. A kromoszómaszegmensek eltávolításait kromoszómán belüli delécióknak nevezzük. Az inverziók megváltoztatják egy kromoszómaszegmens orientációját. Egy gén heterozigozitása elveszhet az egyik kromoszómán lévő allél delécióval vagy genetikai rekombinációval történő elvesztése miatt. A kromoszómális mutációkat elsősorban külső mutagének és a DNS mechanikai sérülései okozzák.

Hogyan akadályozza meg a DNS-polimeráz a mutációkat

A DNS-polimeráz az az enzim, amely a DNS-replikáció során a nukleotidbázisok hozzáadásáért felelős a növekvő szálhoz. Mivel a genom nukleotidszekvenciája határozza meg egy adott szervezet fejlődését és működését, a DNS-replikáció során létfontosságú a meglévő genom pontos másolatának szintézise. Általában a DNS-polimeráz nagy hűséget tart fenn a DNS-replikáció során, és 109 hozzáadott nukleotidra csak egyetlen hibásan illeszkedő nukleotidot épít be. Ezért, ha a standard komplementer bázispárokon kívül a nitrogénbázisok között is előfordul hibás párosítás, a DNS-polimeráz hozzáadja ezt a nukleotidot a növekvő lánchoz, ami gyakori mutációt eredményez. A DNS-replikáció hibáit két mechanizmus, az úgynevezett korrektúraolvasás és a szálirányított eltérésjavítás korrigálja.

Kontrollolvasás

A kontrollolvasás a növekvő DNS-szálból a hibás bázispárok kijavításának kezdeti mechanizmusára utal, és a DNS-polimeráz végzi. A DNS-polimeráz két lépésben végzi a korrektúraolvasást. Az első korrekciós olvasás közvetlenül azelőtt történik, hogy egy új nukleotidot hozzáadnának a növekvő lánchoz. A helyes nukleotidok affinitása a DNS-polimerázhoz sokszor nagyobb, mint a helytelen nukleotidoké. Az enzimnek azonban konformációs változáson kell átesnie közvetlenül azután, hogy a bejövő nukleotid hidrogénkötések révén kötődik a templáthoz, de még azelőtt, hogy a nukleotid a DNS-polimeráz hatására a növekvő szálhoz kötődne. A hibás bázispárosodású nukleotidok a DNS-polimeráz konformációváltozása során hajlamosak disszociálni a templátról. Ezért ez a lépés lehetővé teszi a DNS-polimeráz számára, hogy “kétszeresen ellenőrizze” a nukleotidot, mielőtt véglegesen hozzáadná azt a növekvő szálhoz. A DNS-polimeráz lektorálási mechanizmusa a 2. ábrán látható.

A második lektorálási lépés az úgynevezett exonukleolitikus lektorálás. Ez közvetlenül a nem illeszkedő nukleotidnak a növekvő szálba való beépülése után következik be, ritka esetben. A DNS-polimeráz nem képes a második nukleotidot hozzáadni a nem illeszkedő nukleotid mellé. A DNS-polimeráz egy külön katalitikus helye, a 3′-5′ korrektúraolvasó exonukleáz emészti ki a hibásan összeillesztett nukleotidokat a növekvő láncból.

Strand-Direktált Mismatch-javítás

A DNS-polimeráz a DNS-replikáció során a korrektúraolvasási mechanizmusok ellenére is beépíthet hibás nukleotidokat a növekvő szálba. A korrektúraolvasás alól kikerült replikációs hibákat a szálirányított mismatch-javítással távolítják el. Ez a rendszer érzékeli a DNS-hélixben a hibásan illeszkedő bázispárok miatt fellépő torzulási potenciált. A javítórendszernek azonban a hibás bázist a meglévő bázisból kell azonosítania, mielőtt a hibás illeszkedést pótolná. Általában az E. coli a DNS-metilációs rendszertől függ, hogy felismerje a régi DNS-szálat a kettős spirálban, mivel az újonnan szintetizált szál nem biztos, hogy hamarosan DNS-metiláción megy keresztül. Az E.coliban a GATC A-maradékát metilálják. A DNS-replikáció hűsége további 102-szeresére nő a szálirányított mismatch-javító rendszer hatására. A DNS-eltérésjavítási utakat eukariótákban, baktériumokban és E. coliban a 3. ábra mutatja be.

A szálirányított eltérésjavításban három komplex fehérje mozog az újonnan szintetizált DNS-szálon. Az első, MutS néven ismert fehérje észleli a DNS-kettős spirál torzulásait, és kötődik hozzájuk. A második, MutL nevű fehérje észleli a MutS-t és kötődik hozzá, vonzza a harmadik, MutH nevű fehérjét, amely megkülönbözteti a metilálatlan vagy az újonnan szintetizált szálat. A kötődés után a MutH a metilálatlan DNS-szálat közvetlenül a GATC-szekvencia G-maradványa előtt vágja el. Egy exonukleáz felelős a hibás illeszkedéstől lefelé eső szál lebontásáért. Ez a rendszer azonban 10 nukleotidnál kisebb régiókat degradál, amelyeket a DNS-polimeráz 1 könnyen újraszintetizál. Az eukarióták Mut fehérjéi homológok az E. coli fehérjéivel.

Következtetés

A mutációk a genom nukleotidszekvenciájának tartós változásai, amelyek a DNS-replikáció hibái vagy külső mutagének hatására keletkezhetnek. A DNS-replikáció hibáit két mechanizmus, a korrektúraolvasás és a szálirányított hibás illesztési hibák javítása révén lehet kijavítani. A korrektúraolvasást maga a DNS-polimeráz végzi a DNS-szintézis során. A szálirányított eltérésjavítást a Mut fehérjék végzik közvetlenül a DNS-replikáció után. Ezek a javítási mechanizmusok azonban a genom integritásának fenntartásában vesznek részt.

Hivatkozás:

1. Alberts, Bruce. “DNS replikációs mechanizmusok”. A sejt molekuláris biológiája. 4. kiadás, U.S. National Library of Medicine, 1970. január 1., Elérhető itt.
2. Brown, Terence A. “Mutáció, javítás és rekombináció”. Genomes. 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

.