Mutațiile sunt modificări permanente ale secvenței de nucleotide a unui anumit organism. Ele pot apărea din cauza erorilor de replicare a ADN-ului sau a unor agenți mutageni externi. Efectul unei mutații poate fi fie benefic, fie dăunător pentru celulă. Cu toate acestea, celulele se supun la diferite tipuri de mecanisme pentru a preveni mutațiile. ADN polimeraza, care este enzima implicată în replicarea ADN, este dotată cu mai multe mecanisme pentru a preveni erorile din timpul replicării ADN. În timpul replicării ADN-ului, bazele cu erori sunt înlocuite prin proofreading. Imediat după replicarea ADN-ului, bazele nepotrivite rămase sunt înlocuite prin repararea nepotrivirii dirijată de șir. În plus, mutațiile cauzate de factori externi sunt reparate prin mai multe mecanisme, cum ar fi repararea prin excizie, inversarea chimică și repararea rupturii de dublu catenar. În cazul în care deteriorarea este reversibilă, celula este supusă apoptozei pentru a evita transmiterea ADN-ului defectuos la descendenți.

Domenii cheie abordate

1. Ce este o mutație
– Definiție, tipuri, cauze
2. Cum previne polimeraza ADN polimeraza mutațiile
– Proofreading, repararea greșelilor de potrivire dirijată a catenei

Termeni cheie: ADN polimeraza, repararea dezacordurilor dirijată de catenă, proteine mut, mutație, corecție

Ce este o mutație

O mutație se referă la o modificare permanentă și ereditară a secvenței de nucleotide din genom. Mutațiile pot apărea din cauza erorilor de replicare a ADN-ului sau a unor factori externi cunoscuți sub numele de mutageni. Cele trei forme de mutații sunt mutațiile punctiforme, mutațiile frameshift și mutațiile cromozomiale.

Mutații punctiforme

Mutațiile punctiforme sunt substituții de un singur nucleotid. Cele trei tipuri de mutații punctiforme sunt mutațiile de tip missense, nonsense și mutațiile silențioase. Mutația missense modifică un singur codon al genei, alterând aminoacidul din lanțul polipeptidic. Deși mutațiile nonsens modifică secvența de codoni, ele nu modifică secvența de aminoacizi. Mutațiile silențioase modifică un singur codon cu un alt codon care reprezintă același aminoacid. Mutațiile punctiforme sunt cauzate de erori în replicarea ADN-ului și de agenți mutageni. Diferite tipuri de mutații punctiforme sunt prezentate în figura 1.

Mutații de deplasare de ramă

Mutațiile de deplasare de ramă sunt inserții sau deleții de unul sau mai mulți nucleotide din genom. Inserțiile, delețiile și duplicațiile sunt cele trei tipuri de mutații frameshift. Inserțiile reprezintă adăugarea uneia sau mai multor nucleotide la secvență, în timp ce delețiile reprezintă eliminarea mai multor nucleotide din secvență. Duplicațiile reprezintă repetarea mai multor nucleotide. Mutațiile de frameshift sunt cauzate și de erori în replicarea ADN și de agenți mutageni.

Mutații cromozomiale

Mutațiile cromozomiale sunt modificări ale unor segmente de cromozomi. Tipurile de mutații cromozomiale sunt translocațiile, duplicările de gene, delețiile intra-cromozomiale, inversiunile și pierderile de heterozigozitate. Translocațiile sunt interschimbări de părți de cromozomi între cromozomi neomologi. În cazul duplicării genelor, pot apărea mai multe copii ale unei anumite alele, crescând dozajul genei. Eliminările de segmente de cromozomi sunt cunoscute sub numele de deleții intracromosomale. Inversiunile modifică orientarea unui segment cromozomial. Heterozigozitatea unei gene poate fi pierdută din cauza pierderii unei alele într-un cromozom prin deleție sau recombinare genetică. Mutațiile cromozomiale sunt cauzate în principal de agenți mutageni externi și din cauza deteriorării mecanice a ADN-ului.

Cum previne ADN polimeraza mutațiile

ADN polimeraza este enzima responsabilă de adăugarea bazelor nucleotidice la șirul în creștere în timpul replicării ADN-ului. Deoarece secvența de nucleotide a unui genom determină dezvoltarea și funcționarea unui anumit organism, este vital să se sintetizeze replica exactă a genomului existent în timpul replicării ADN-ului. În general, ADN polimeraza menține o fidelitate ridicată în timpul replicării ADN, încorporând doar o singură nucleotidă nepotrivită la 109 nucleotide adăugate. Prin urmare, dacă apare o nepotrivire între bazele azotate în plus față de perechile de baze complementare standard, ADN polimeraza adaugă nucleotidul respectiv la lanțul în creștere, producând o mutație frecventă. Erorile de replicare a ADN-ului sunt corectate prin două mecanisme cunoscute sub numele de proofreading și repararea nepotrivirii direcționată a catenei.

Proofreading

Proofreading se referă la un mecanism inițial de corectare a perechilor de baze nepotrivite din lanțul de ADN în creștere și este realizat de ADN polimeraza. ADN polimeraza realizează proofreading-ul în două etape. Primul proofreading are loc chiar înainte de adăugarea unei noi nucleotide la lanțul în creștere. Afinitatea nucleotidelor corecte pentru ADN polimeraza este de multe ori mai mare decât cea a nucleotidelor incorecte. Cu toate acestea, enzima ar trebui să sufere o schimbare de conformație imediat după ce nucleotidul nou intrat se leagă de șablon prin legături de hidrogen, dar, înainte de legarea convențională a nucleotidului la lanțul în creștere prin acțiunea ADN polimerazei. Nucleotidele împerecheate incorect sunt predispuse să se disocieze de șablon în timpul modificării conformaționale a ADN polimerazei. Prin urmare, această etapă permite ADN-polimerazei să „verifice de două ori” nucleotidul înainte de a-l adăuga definitiv la șirul în creștere. Mecanismul de proofreading al ADN polimerazei este prezentat în figura 2.

Cea de-a doua etapă de proofreading este cunoscută sub numele de proofreading exonucleolitic. Aceasta are loc imediat după încorporarea unei nucleotide nepotrivite în șirul în creștere, într-un caz rar. ADN polimeraza este incapabilă să adauge a doua nucleotidă lângă nucleotida nepotrivită. Un situs catalitic separat al ADN polimerazei, cunoscut sub numele de exonucleaza de corecție de la 3′ la 5′, digeră nucleotidele nepotrivite din lanțul în creștere.

Repararea nepotrivirii dirijată de fir

În ciuda mecanismelor de corecție, ADN polimeraza poate încorpora în continuare nucleotide incorecte în lanțul în creștere în timpul replicării ADN. Erorile de replicare care au scăpat de proofreading sunt îndepărtate prin repararea nepotrivirii direcționată de catenă. Acest sistem detectează potențialul de distorsionare a helixului de ADN care se datorează perechilor de baze nepotrivite. Cu toate acestea, sistemul de reparare trebuie să identifice baza incorectă față de baza existentă înainte de a înlocui nepotrivirea. În general, E. coli depinde de sistemul de metilare a ADN-ului pentru a recunoaște vechiul șir de ADN din dubla helixă, deoarece este posibil ca șirul nou-sintetizat să nu fie supus curând metilării ADN-ului. În E.coli, reziduul A al GATC este metilat. Fidelitatea replicării ADN-ului este crescută cu un factor suplimentar de 102 datorită acțiunii sistemului de reparare a nepotrivirilor de potrivire dirijate de șir. Căile de reparare a nepotrivirii ADN la eucariote, bacterii și E. coli sunt prezentate în figura 3.

În repararea nepotrivirii dirijată de catenă, trei proteine complexe se deplasează prin catena de ADN nou-sintetizată. Prima proteină, cunoscută sub numele de MutS, detectează și se leagă de distorsiunile din dublul helix de ADN. A doua proteină, cunoscută sub numele de MutL, detectează și se leagă de MutS, atrăgând a treia proteină, cunoscută sub numele de MutH, care face distincția între șirul nemetilat sau cel nou-sintetizat. În urma legării, MutH taie șirul de ADN nemetilat imediat în amonte de reziduul G din secvența GATC. O exonuclează este responsabilă de degradarea șirului din aval până la nepotrivire. Cu toate acestea, acest sistem degradează regiuni mai mici de 10 nucleotide care sunt ușor resintetizate de ADN polimeraza 1. Proteinele Mut de la eucariote sunt omoloage cu cea de la E. coli.

Concluzie

Mutațiile sunt modificări permanente ale secvenței nucleotidice a genomului care pot apărea din cauza erorilor de replicare a ADN-ului sau din cauza efectului unor mutageni externi. Erorile de replicare a ADN-ului pot fi corectate prin două mecanisme cunoscute sub numele de proofreading și repararea greșelilor de potrivire dirijată de șir. Proofreading-ul este realizat chiar de ADN polimeraza ADN în timpul sintezei ADN. Repararea nepotrivirii direcționate de catenă este efectuată de proteinele Mut imediat după replicarea ADN-ului. Cu toate acestea, aceste mecanisme de reparare sunt implicate în menținerea integrității genomului.

Referință:

1. Alberts, Bruce. „Mecanismele de replicare a ADN-ului”. Biologia moleculară a celulei. Ediția a 4-a., U.S. National Library of Medicine, 1 ian. 1970, Disponibil aici.
2. Brown, Terence A. „Mutația, repararea și recombinarea”. Genomuri. Ediția a 2-a., U.S. National Library of Medicine, 1 ian. 1970, Disponibil aici.

Imagine cu amabilitatea:

1. „Diferite tipuri de mutații” de Jonsta247 – Acest fișier a fost derivat din: Point mutations-en.png (GFDL) via Commons Wikimedia
2. „ADN polimeraza” de I, Madprime (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia
3. „Repararea nepotrivirii ADN” de Kenji Fukui – (CC BY 3.0) via Commons Wikimedia

.