Mutacje są trwałymi zmianami sekwencji nukleotydów danego organizmu. Mogą one powstać w wyniku błędów replikacji DNA lub działania mutagenów zewnętrznych. Skutki mutacji mogą być zarówno korzystne, jak i niekorzystne dla komórki. Jednak komórki przechodzą różnego rodzaju mechanizmy zapobiegające mutacjom. Polimeraza DNA, która jest enzymem biorącym udział w replikacji DNA, wyposażona jest w kilka mechanizmów zapobiegających błędom podczas replikacji DNA. Podczas replikacji DNA błędnie sparowane zasady są zastępowane przez korektę (proofreading). Bezpośrednio po replikacji DNA, pozostałe błędnie sparowane zasady są zastępowane przez naprawę niedopasowania (ang. mismatch repair). Ponadto, mutacje spowodowane przez czynniki zewnętrzne są naprawiane za pomocą kilku mechanizmów, takich jak naprawa przez wycinanie, chemiczne odwracanie oraz naprawa pęknięć podwójnej nici. Jeśli uszkodzenie jest odwracalne, komórka jest poddawana apoptozie w celu uniknięcia przekazania wadliwego DNA potomstwu.

Pokryte kluczowe obszary

1. What is a Mutation
– Definition, Types, Causes
2. How Does DNA Polymerase Prevent Mutations
– Proofreading, Strand-Directed Mismatch Repair

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

What is a Mutation

Mutacja odnosi się do trwałej i dziedzicznej zmiany w sekwencji nukleotydów genomu. Mutacje mogą powstać z powodu błędów replikacji DNA lub czynników zewnętrznych znanych jako mutageny. Trzy formy mutacji to mutacje punktowe, mutacje z przesunięciem ramki i mutacje chromosomalne.

Mutacje punktowe

Mutacje punktowe są pojedynczymi substytucjami nukleotydów. Trzy typy mutacji punktowych to mutacje braku sensu, mutacje nonsensowne i mutacje ciche. Mutacja braku sensu zmienia pojedynczy kodon genu, zmieniając aminokwas w łańcuchu polipeptydowym. Choć mutacje nonsensowne zmieniają sekwencję kodonów, nie zmieniają sekwencji aminokwasów. Mutacje ciche zmieniają pojedynczy kodon na inny kodon, który reprezentuje ten sam aminokwas. Mutacje punktowe są powodowane przez błędy w replikacji DNA oraz przez mutageny. Różne rodzaje mutacji punktowych przedstawiono na rycinie 1.

Mutacje przesunięcia ramek

Mutacje przesunięcia ramek to insercje lub delecje pojedynczych lub kilku nukleotydów z genomu. Insercje, delecje i duplikacje to trzy rodzaje mutacji typu frameshift. Insercje są dodaniem jednego lub kilku nukleotydów do sekwencji, podczas gdy delecje są usunięciem kilku nukleotydów z sekwencji. Duplikacje to powtórzenie kilku nukleotydów. Mutacje typu Frameshift są również spowodowane przez błędy w replikacji DNA oraz przez mutageny.

Mutacje chromosomalne

Mutacje chromosomalne są zmianami segmentów chromosomów. Rodzaje mutacji chromosomalnych to translokacje, duplikacje genów, delecje wewnątrzchromosomalne, inwersje i utrata heterozygotyczności. Translokacje polegają na zamianie części chromosomów pomiędzy niehomologicznymi chromosomami. W duplikacji genów może pojawić się wiele kopii danego allelu, co zwiększa dawkę genu. Usuwanie fragmentów chromosomów nazywane jest delecją wewnątrzchromosomalną. Inwersje zmieniają orientację segmentu chromosomu. Heterozygotyczność genu może zostać utracona w wyniku utraty allelu w jednym chromosomie przez delecję lub rekombinację genetyczną. Mutacje chromosomalne są powodowane głównie przez mutageny zewnętrzne oraz w wyniku mechanicznych uszkodzeń DNA.

Jak polimeraza DNA zapobiega mutacjom

Polimeraza DNA jest enzymem odpowiedzialnym za dodawanie zasad nukleotydowych do rosnącej nici podczas replikacji DNA. Ponieważ sekwencja nukleotydów genomu determinuje rozwój i funkcjonowanie danego organizmu, niezwykle istotna jest synteza dokładnej repliki istniejącego genomu podczas replikacji DNA. Ogólnie rzecz biorąc, polimeraza DNA zachowuje wysoką wierność podczas replikacji DNA, włączając tylko jeden niedopasowany nukleotyd na 109 dodanych nukleotydów. Dlatego też, jeśli pomiędzy zasadami azotowymi, oprócz standardowych komplementarnych par zasad, wystąpi błąd w parowaniu, polimeraza DNA dodaje ten nukleotyd do rosnącego łańcucha, powodując częstą mutację. Błędy replikacji DNA są korygowane przez dwa mechanizmy znane jako korekta (proofreading) i naprawa niedopasowania (strand-directed mismatch repair).

Proofreading

Proofreading odnosi się do wstępnego mechanizmu korygowania błędnie sparowanych par zasad z rosnącej nici DNA i jest przeprowadzany przez polimerazę DNA. Polimeraza DNA przeprowadza korektę w dwóch etapach. Pierwsza korekta zachodzi tuż przed dodaniem nowego nukleotydu do rosnącego łańcucha. Powinowactwo prawidłowych nukleotydów do polimerazy DNA jest wielokrotnie wyższe niż nukleotydów nieprawidłowych. Enzym powinien jednak ulec zmianie konformacyjnej tuż po tym, jak nadchodzący nukleotyd zwiąże się z szablonem poprzez wiązania wodorowe, ale przed przymusowym związaniem nukleotydu z rosnącą nicią przez działanie polimerazy DNA. Nieprawidłowo sparowane nukleotydy są podatne na dysocjację z szablonu podczas zmiany konformacyjnej polimerazy DNA. Dlatego też etap ten pozwala polimerazie DNA na „podwójne sprawdzenie” nukleotydu przed jego trwałym dodaniem do rosnącej nici. Mechanizm korekty polimerazy DNA jest przedstawiony na rysunku 2.

Drugi etap korekty jest znany jako korekta egzonukleolityczna. Występuje on natychmiast po przyłączeniu niedopasowanego nukleotydu do rosnącej nici w rzadkich przypadkach. Polimeraza DNA jest niezdolna do dodania drugiego nukleotydu obok niedopasowanego nukleotydu. Oddzielne miejsce katalityczne polimerazy DNA znane jako egzonukleaza 3′ do 5′ proofreading trawi błędnie sparowane nukleotydy z rosnącego łańcucha.

Strand-Directed Mismatch Repair

Pomimo mechanizmów proofreading, polimeraza DNA może nadal włączać błędne nukleotydy do rosnącej nici podczas replikacji DNA. Błędy replikacyjne, które wymknęły się korekcji, usuwane są przez system naprawy niedopasowań (strand-directed mismatch repair). System ten wykrywa możliwości zniekształceń w helisie DNA, które wynikają z niedopasowanych par zasad. Jednakże system naprawczy powinien zidentyfikować nieprawidłową bazę z istniejącej bazy przed zastąpieniem niedopasowania. Generalnie, E. coli polega na systemie metylacji DNA, aby rozpoznać starą nić DNA w podwójnej helisie, ponieważ nowo syntetyzowana nić może nie ulec metylacji DNA w najbliższym czasie. W E.coli reszta A w GATC jest metylowana. Wierno¶ć replikacji DNA jest zwiększona o dodatkowy czynnik 102 dzięki działaniu systemu naprawy niedopasowania nici. Ścieżki naprawy niedopasowania DNA u eukariotów, bakterii i E. coli są pokazane na rysunku 3.

W naprawie niedopasowania ukierunkowanej na nić, trzy złożone białka poruszają się po nowo zsyntetyzowanej nici DNA. Pierwsze białko znane jako MutS wykrywa i wiąże się ze zniekształceniami w podwójnej helisie DNA. Drugie białko, znane jako MutL, wykrywa i wiąże się z MutS, przyciągając trzecie białko, znane jako MutH, które rozróżnia niezmetylowaną lub nowo zsyntetyzowaną nić. Po związaniu, MutH przecina niemetylowaną nić DNA bezpośrednio przed resztami G w sekwencji GATC. Za degradację nici poniżej niedopasowania odpowiedzialna jest egzonukleaza. System ten degraduje jednak regiony mniejsze niż 10 nukleotydów, które są łatwo resyntetyzowane przez polimerazę DNA 1. Białka Mut u eukariontów są homologiczne do białek Mut u E. coli.

Wniosek

Mutacje są trwałymi zmianami sekwencji nukleotydów genomu, które mogą powstać w wyniku błędów w replikacji DNA lub w wyniku działania zewnętrznych mutagenów. Błędy w replikacji DNA mog± być korygowane przez dwa mechanizmy: korektę (proofreading) i naprawę niedopasowań (mismatch repair). Korekta jest przeprowadzana przez samą polimerazę DNA podczas syntezy DNA. Naprawa niedopasowania jest przeprowadzana przez białka Mut tuż po replikacji DNA. Jednak te mechanizmy naprawcze są zaangażowane w utrzymanie integralności genomu.

Reference:

1. Alberts, Bruce. „DNA Replication Mechanisms.” Molecular Biology of the Cell. 4th edition., U.S. National Library of Medicine, 1 Jan. 1970, dostępne tutaj.
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” By Jonsta247 – Ten plik został zaczerpnięty z:Point mutations-pl.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

2.