Le mutazioni sono cambiamenti permanenti della sequenza nucleotidica di un particolare organismo. Possono sorgere a causa di errori di replicazione del DNA o di agenti mutageni esterni. L’effetto di una mutazione può essere benefico o deleterio per la cellula. Tuttavia, le cellule si sottopongono a vari tipi di meccanismi per prevenire le mutazioni. La DNA polimerasi, che è l’enzima coinvolto nella replicazione del DNA, è dotata di diversi meccanismi per prevenire gli errori durante la replicazione del DNA. Durante la replicazione del DNA, le basi sbagliate vengono sostituite dalla correzione di bozze. Immediatamente dopo la replicazione del DNA, le restanti basi danneggiate vengono sostituite dalla riparazione dei mismatch diretta al filamento. Inoltre, le mutazioni causate da fattori esterni sono riparate da diversi meccanismi come la riparazione per escissione, l’inversione chimica e la riparazione della rottura del doppio filamento. Se il danno è reversibile, la cellula è sottoposta ad apoptosi per evitare di passare il DNA difettoso alla prole.

Aree chiave trattate

1. Cos’è una mutazione
– Definizione, tipi, cause
2. Come la DNA polimerasi previene le mutazioni
– Correzione, Riparazione Mismatch diretta dal filo

Termini chiave: DNA Polymerase, Strand-Directed Mismatch Repair, Mut Proteins, Mutation, Proofreading

Cos’è una mutazione

Una mutazione si riferisce ad un cambiamento permanente ed ereditabile nella sequenza nucleotidica del genoma. Le mutazioni possono verificarsi a causa di errori di replicazione del DNA o di fattori esterni noti come mutageni. Le tre forme di mutazioni sono mutazioni puntiformi, mutazioni frameshift e mutazioni cromosomiche.

Mutazioni puntiformi

Le mutazioni puntiformi sono sostituzioni di singoli nucleotidi. I tre tipi di mutazioni puntiformi sono missenso, nonsenso e mutazioni silenziose. La mutazione missense altera un singolo codone del gene, alterando l’amminoacido nella catena polipeptidica. Anche se le mutazioni nonsense alterano la sequenza del codone, non alterano la sequenza degli aminoacidi. Le mutazioni silenziose alterano un singolo codone in un altro codone che rappresenta lo stesso amminoacido. Le mutazioni puntiformi sono causate da errori nella replicazione del DNA e da agenti mutageni. Diversi tipi di mutazioni puntiformi sono mostrati nella figura 1.

Mutazioni Frameshift

Le mutazioni Frameshift sono inserzioni o delezioni di uno o più nucleotidi dal genoma. Inserzioni, delezioni e duplicazioni sono i tre tipi di mutazioni frameshift. Gli inserimenti sono l’aggiunta di uno o più nucleotidi alla sequenza, mentre le cancellazioni sono la rimozione di diversi nucleotidi dalla sequenza. Le duplicazioni sono la ripetizione di diversi nucleotidi. Le mutazioni frameshift sono anche causate da errori nella replicazione del DNA e da agenti mutageni.

Mutazioni cromosomiche

Le mutazioni cromosomiche sono alterazioni di segmenti di cromosomi. I tipi di mutazioni cromosomiche sono traslocazioni, duplicazioni di geni, delezioni intracromosomiche, inversioni e perdita di eterozigosi. Le traslocazioni sono gli scambi di parti di cromosomi tra cromosomi non omologhi. Nella duplicazione genica, possono apparire copie multiple di un particolare allele, aumentando il dosaggio del gene. Le rimozioni di segmenti di cromosomi sono note come delezioni intracromosomiche. Le inversioni cambiano l’orientamento di un segmento cromosomico. L’eterozigosi di un gene può essere persa a causa della perdita di un allele in un cromosoma per delezione o ricombinazione genetica. Le mutazioni cromosomiche sono principalmente causate da mutageni esterni e da danni meccanici al DNA.

Come la DNA polimerasi previene le mutazioni

La DNA polimerasi è l’enzima responsabile dell’aggiunta di basi nucleotidiche al filamento in crescita durante la replicazione del DNA. Poiché la sequenza nucleotidica di un genoma determina lo sviluppo e il funzionamento di un particolare organismo, è vitale sintetizzare la replica esatta del genoma esistente durante la replicazione del DNA. Generalmente, la DNA polimerasi mantiene un’alta fedeltà durante la replicazione del DNA, incorporando solo un singolo nucleotide non corrispondente su 109 nucleotidi aggiunti. Pertanto, se si verifica un errore di accoppiamento tra basi azotate oltre alle coppie di basi complementari standard, la DNA polimerasi aggiunge quel nucleotide alla catena in crescita, producendo una mutazione frequente. Gli errori di replicazione del DNA sono corretti da due meccanismi conosciuti come proofreading e strand-directed mismatch repair.

Proofreading

Proofreading si riferisce ad un meccanismo iniziale di correzione delle coppie di basi errate dal filamento di DNA in crescita, ed è effettuato dalla DNA polimerasi. La DNA polimerasi esegue la correzione in due fasi. La prima correzione avviene appena prima dell’aggiunta di un nuovo nucleotide alla catena in crescita. L’affinità dei nucleotidi corretti per la DNA polimerasi è molte volte superiore a quella dei nucleotidi scorretti. Tuttavia, l’enzima dovrebbe subire un cambiamento conformazionale subito dopo che il nucleotide in arrivo si lega al modello attraverso legami idrogeno ma, prima del legame convenzionale del nucleotide al filamento in crescita per azione della DNA polimerasi. I nucleotidi non correttamente accoppiati in base sono inclini a dissociarsi dal modello durante il cambiamento conformazionale della DNA polimerasi. Quindi, il passo permette alla DNA polimerasi di “ricontrollare” il nucleotide prima di aggiungerlo al filamento in crescita in modo permanente. Il meccanismo di correzione della DNA polimerasi è mostrato nella figura 2.

La seconda fase di correzione è conosciuta come correzione esonucleolitica. Si verifica immediatamente dopo l’incorporazione di un nucleotide spaiato al filamento in crescita in un raro caso. La DNA polimerasi non è in grado di aggiungere il secondo nucleotide accanto al nucleotide non corrispondente. Un sito catalitico separato della DNA polimerasi noto come esonucleasi di correzione da 3′ a 5′ digerisce i nucleotidi spaiati dalla catena in crescita.

Strand-Directed Mismatch Repair

Nonostante i meccanismi di correzione, la DNA polimerasi può ancora incorporare nucleotidi errati al filamento in crescita durante la replicazione del DNA. Gli errori di replicazione che sono sfuggiti al proofreading vengono rimossi dalla strand-directed mismatch repair. Questo sistema rileva il potenziale di distorsione nell’elica del DNA che è dovuto a coppie di basi non corrispondenti. Tuttavia, il sistema di riparazione deve identificare la base errata dalla base esistente prima di sostituire il mismatch. Generalmente, l’E. coli dipende dal sistema di metilazione del DNA per riconoscere il vecchio filamento di DNA nella doppia elica, poiché il filamento appena sintetizzato potrebbe non subire presto la metilazione del DNA. In E.coli, il residuo A del GATC è metilato. La fedeltà della replicazione del DNA è aumentata di un ulteriore fattore 102 grazie all’azione del sistema di riparazione dei mismatch diretto al filamento. Le vie di riparazione dei mismatch del DNA negli eucarioti, nei batteri e nell’E. coli sono mostrate nella figura 3.

Nella riparazione dei mismatch diretta al filo, tre proteine complesse si muovono attraverso il filo di DNA appena sintetizzato. La prima proteina nota come MutS rileva e si lega alle distorsioni nella doppia elica del DNA. La seconda proteina nota come MutL rileva e si lega a MutS, attirando la terza proteina nota come MutH che distingue il filamento non metilato o quello appena sintetizzato. Dopo il legame, la MutH taglia il filamento di DNA non metilato immediatamente a monte del residuo G nella sequenza GATC. Una esonucleasi è responsabile della degradazione del filamento a valle del mismatch. Tuttavia, questo sistema degrada regioni inferiori a 10 nucleotidi che sono facilmente risintetizzate dalla DNA polimerasi 1. Le proteine Mut degli eucarioti sono omologhe a quelle di E. coli.

Conclusione

Le mutazioni sono alterazioni permanenti della sequenza nucleotidica del genoma che possono verificarsi a causa di errori nella replicazione del DNA o per effetto di agenti mutageni esterni. Gli errori di replicazione del DNA possono essere corretti da due meccanismi noti come proofreading e strand-directed mismatch repair. Il proofreading è effettuato dalla DNA polimerasi stessa durante la sintesi del DNA. La riparazione dei disadattamenti diretta al filamento è effettuata dalle proteine Mut subito dopo la replicazione del DNA. Tuttavia, questi meccanismi di riparazione sono coinvolti nel mantenimento dell’integrità del genoma.

Riferimento:

1. Alberts, Bruce. “Meccanismi di replicazione del DNA”. Biologia molecolare della cellula. 4a edizione, U.S. National Library of Medicine, 1 gennaio 1970, disponibile qui.
2. Brown, Terence A. “Mutazione, riparazione e ricombinazione”. Genomi. 2a edizione, U.S. National Library of Medicine, 1 gennaio 1970, disponibile qui.

Image Courtesy:

1. “Diversi tipi di mutazioni” Di Jonsta247 – Questo file è stato derivato da:Point mutations-en.png (GFDL) via Commons Wikimedia
2. “DNA polymerase” Di I, Madprime (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia
3. “DNA mismatch repair” Di Kenji Fukui – (CC BY 3.0) via Commons Wikimedia