Mutaties zijn permanente veranderingen van de nucleotidesequentie van een bepaald organisme. Zij kunnen ontstaan door fouten bij de DNA-replicatie of door mutagenen van buitenaf. Het effect van een mutatie kan zowel gunstig als schadelijk zijn voor de cel. Er bestaan echter verschillende soorten mechanismen in de cellen om mutaties te voorkomen. DNA-polymerase, het enzym dat betrokken is bij de DNA-replicatie, is uitgerust met verschillende mechanismen om fouten tijdens de DNA-replicatie te voorkomen. Tijdens de DNA-replicatie worden de foutieve basen vervangen door proofreading. Onmiddellijk na de DNA-replicatie worden de resterende mispaired basen vervangen door streng-gerichte mismatch repair. Daarnaast worden de door externe factoren veroorzaakte mutaties gerepareerd door verschillende mechanismen, zoals excisieherstel, chemische omkering en dubbelstrengsbreukreparatie. Als de schade omkeerbaar is, ondergaat de cel apoptose om te voorkomen dat het defecte DNA aan het nageslacht wordt doorgegeven.

Kerngebieden die worden behandeld

1. Wat is een mutatie
– Definitie, Soorten, Oorzaken
2. Hoe voorkomt DNA Polymerase Mutaties
– Proofreading, Strand-Directed Mismatch Repair

Key Terms: DNA Polymerase, Strand-Directed Mismatch Repair, Mut Proteins, Mutatie, Proofreading

Wat is een mutatie

Een mutatie verwijst naar een permanente en erfelijke verandering in de nucleotidesequentie van het genoom. Mutaties kunnen ontstaan door fouten bij de DNA-replicatie of door externe factoren die mutagenen worden genoemd. De drie vormen van mutaties zijn puntmutaties, frameshiftmutaties en chromosomale mutaties.

Puntmutaties

Puntmutaties zijn enkelvoudige nucleotidevervangingen. De drie soorten puntmutaties zijn missense-, nonsense- en silent-mutaties. Missense mutaties veranderen een enkel codon van het gen, waardoor het aminozuur in de polypeptideketen verandert. Hoewel nonsense mutaties de codonsequentie veranderen, veranderen ze niet de aminozuursequentie. Stille mutaties veranderen een enkel codon in een ander codon dat hetzelfde aminozuur vertegenwoordigt. Puntmutaties worden veroorzaakt door fouten in de DNA-replicatie en door mutagenen. Verschillende soorten puntmutaties zijn weergegeven in figuur 1.

Frameshiftmutaties

Frameshiftmutaties zijn inserties of deleties van één of meer nucleotiden in het genoom. Inserties, deleties en duplicaties zijn de drie typen frameshiftmutaties. Inserties zijn de toevoeging van één of meer nucleotiden aan de sequentie, terwijl deleties de verwijdering van verscheidene nucleotiden uit de sequentie zijn. Duplicaties zijn het herhalen van verscheidene nucleotiden. Frameshiftmutaties worden ook veroorzaakt door fouten in de DNA-replicatie en door mutagenen.

Chromosomale mutaties

Chromosomale mutaties zijn veranderingen van segmenten van chromosomen. De soorten chromosomale mutaties zijn translocaties, genverdubbelingen, intra-chromosomale deleties, inversies, en verlies van heterozygositeit. Translocaties zijn de uitwisselingen van delen van chromosomen tussen niet-homologe chromosomen. Bij genduplicatie kunnen meerdere kopieën van een bepaald allel verschijnen, waardoor de gendosering toeneemt. De verwijdering van segmenten van chromosomen staan bekend als intra-chromosomale deleties. Inversies veranderen de oriëntatie van een chromosoomsegment. Heterozygositeit van een gen kan verloren gaan door het verlies van een allel in één chromosoom door deletie of genetische recombinatie. Chromosomale mutaties worden voornamelijk veroorzaakt door mutagenen van buitenaf en door mechanische beschadiging van het DNA.

Hoe voorkomt DNA-polymerase mutaties

DNA-polymerase is het enzym dat verantwoordelijk is voor de toevoeging van nucleotidebasen aan de groeiende streng tijdens de DNA-replicatie. Aangezien de nucleotidevolgorde van een genoom bepalend is voor de ontwikkeling en het functioneren van een bepaald organisme, is het van vitaal belang dat tijdens de DNA-replicatie een exacte kopie van het bestaande genoom wordt gesynthetiseerd. In het algemeen behoudt DNA-polymerase een hoge getrouwheid tijdens de DNA-replicatie, waarbij slechts één verkeerd gematchte nucleotide per 109 toegevoegde nucleotiden wordt opgenomen. Als er dus naast de standaard complementaire basenparen een misparing optreedt tussen stikstofbasen, voegt DNA-polymerase die nucleotide toe aan de groeiende keten, waardoor een frequente mutatie ontstaat. De fouten van de DNA replicatie worden gecorrigeerd door twee mechanismen die bekend staan als proofreading en strand-directed mismatch repair.

Proofreading

Proofreading verwijst naar een initieel mechanisme van het corrigeren van de foutieve basenparen van de groeiende DNA streng, en het wordt uitgevoerd door DNA polymerase. DNA-polymerase voert de proofreading in twee stappen uit. De eerste proofreading vindt plaats vlak vóór de toevoeging van een nieuwe nucleotide aan de groeiende keten. De affiniteit van correcte nucleotiden voor DNA-polymerase is vele malen groter dan die van de incorrecte nucleotiden. Het enzym moet echter een conformatieverandering ondergaan juist nadat de inkomende nucleotide zich via waterstofbruggen aan de sjabloon bindt, maar vóór de binding van de nucleotide aan de groeiende streng door de werking van DNA-polymerase. De onjuist aan een base gekoppelde nucleotiden zijn geneigd los te komen van de sjabloon tijdens de conformatieverandering van het DNA-polymerase. Vandaar dat deze stap het DNA-polymerase in staat stelt de nucleotide te “dubbel-checken” alvorens deze permanent aan de groeiende streng toe te voegen. Het proofreading-mechanisme van DNA-polymerase is weergegeven in figuur 2.

De tweede proofreading-stap staat bekend als exonucleolytische proofreading. Deze treedt op onmiddellijk na de incorporatie van een mismatched nucleotide aan de groeiende streng in een zeldzaam geval. DNA-polymerase is niet in staat om de tweede nucleotide naast de verkeerd gematchte nucleotide toe te voegen. Een aparte katalytische plaats van het DNA-polymerase, bekend als 3′ tot 5′ proofreading exonuclease, verteert de verkeerd gematchte nucleotiden van de groeiende keten.

Strand-Directed Mismatch Repair

Ondanks proofreading-mechanismen kan het DNA-polymerase tijdens de DNA-replicatie nog steeds onjuiste nucleotiden aan de groeiende streng toevoegen. De replicatiefouten die aan proofreading zijn ontsnapt, worden verwijderd door de streng-gerichte mismatch-reparatie. Dit systeem detecteert de mogelijke vervorming in de DNA-helix die te wijten is aan verkeerd gematchte basenparen. Het reparatiesysteem moet echter de onjuiste base identificeren ten opzichte van de bestaande base alvorens de mismatch te vervangen. In het algemeen is E. coli afhankelijk van het DNA-methyleringssysteem om de oude DNA-streng in de dubbele helix te herkennen, aangezien de nieuw-gesynthetiseerde streng mogelijk niet snel DNA-methylering ondergaat. In E.coli wordt het A-residu van het GATC gemethyleerd. De getrouwheid van de DNA replicatie wordt verhoogd met een extra factor 102 door de werking van het streng-gerichte mismatch repair systeem. De DNA-herstelsystemen in eukaryoten, bacteriën en E. coli worden getoond in figuur 3.

In de streng-gerichte mismatch repair bewegen drie complexe eiwitten zich door de nieuw-synthetiseerde DNA-streng. Het eerste eiwit, MutS genaamd, detecteert en bindt zich aan de vervormingen in de dubbele helix van het DNA. Het tweede eiwit, MutL genaamd, detecteert en bindt aan MutS, waardoor het derde eiwit, MutH genaamd, onderscheid maakt tussen de ongemethyleerde en de nieuw-gesynthetiseerde streng. Na binding knipt MutH de ongemethyleerde DNA-streng onmiddellijk stroomopwaarts tot aan het G-residu in de GATC-sequentie. Een exonuclease is verantwoordelijk voor de afbraak van de streng stroomafwaarts van de mismatch. Dit systeem breekt echter regio’s af van minder dan 10 nucleotiden die gemakkelijk opnieuw worden gesynthetiseerd door DNA-polymerase 1. De Mut-eiwitten van eukaryoten zijn homoloog aan die van E. coli.

Conclusie

Mutaties zijn permanente veranderingen van de nucleotidesequentie van het genoom die kunnen ontstaan door fouten in de DNA-replicatie of door het effect van externe mutagentia. De fouten in de DNA replicatie kunnen worden gecorrigeerd door twee mechanismen die bekend staan als proofreading en streng-gerichte mismatch repair. Proofreading wordt uitgevoerd door DNA-polymerase zelf tijdens de DNA-synthese. De strenggerichte mismatch repair wordt uitgevoerd door Mut-eiwitten net na de DNA-replicatie. Deze herstelmechanismen zijn echter betrokken bij de instandhouding van de integriteit van het genoom.

Referentie:

1. Alberts, Bruce. “DNA Replication Mechanisms.” Molecular Biology of the Cell. 4e editie, U.S. National Library of Medicine, 1 jan. 1970, hier beschikbaar.
2. Brown, Terence A. “Mutation, Repair and Recombination.” Genomes. 2nd edition, U.S. National Library of Medicine, 1 jan. 1970, hier beschikbaar.

Image Courtesy:

1. “Verschillende soorten mutaties” Door Jonsta247 – Dit bestand is afgeleid van:Puntmutaties-en.png (GFDL) via Commons Wikimedia
2. “DNA-polymerase” Door I, Madprime (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia
3. “DNA-mismatchreparatie” Door Kenji Fukui – (CC BY 3.0) via Commons Wikimedia