Mutationer är permanenta förändringar av nukleotidsekvensen i en viss organism. De kan uppstå på grund av fel vid DNA-replikation eller externa mutagena ämnen. Effekten av en mutation kan vara antingen fördelaktig eller skadlig för cellen. Celler genomgår dock olika typer av mekanismer för att förhindra mutationer. DNA-polymeras, som är det enzym som deltar i DNA-replikationen, är utrustat med flera mekanismer för att förhindra fel under DNA-replikationen. Under DNA-replikationen ersätts de felaktiga baserna genom proofreading. Omedelbart efter DNA-replikationen ersätts de återstående felaktiga baserna med hjälp av strängriktad reparation av missanpassningar. Dessutom repareras de mutationer som orsakas av externa faktorer med hjälp av flera mekanismer, t.ex. excisionsreparation, kemisk reversering och reparation av dubbelsträngsbrott. Om skadan är reversibel utsätts cellen för apoptos för att undvika att det felaktiga DNA:t förs vidare till avkomman.

Nyckelområden

1. Vad är en mutation
– Definition, typer, orsaker
2. Hur förhindrar DNA-polymeras mutationer
– Proofreading, strängstyrd reparation av missanpassningar

Nyckelbegrepp: DNA-polymeras, Strand-Directed Mismatch Repair, Mut Proteins, Mutation, Proofreading

Vad är en mutation

En mutation avser en permanent och ärftlig förändring av nukleotidsekvensen i arvsmassan. Mutationer kan uppstå på grund av fel i DNA-replikationen eller externa faktorer som kallas mutagena ämnen. De tre formerna av mutationer är punktmutationer, ramförskjutningsmutationer och kromosomala mutationer.

Punktmutationer

Punktmutationer är enstaka nukleotisubstitutioner. De tre typerna av punktmutationer är missense-, nonsense- och silentmutationer. Missense-mutation förändrar ett enda kodon i genen, vilket förändrar aminosyran i polypeptidkedjan. Även om nonsense-mutationer ändrar kodonsekvensen ändrar de inte aminosyrasekvensen. Tysta mutationer ändrar en enda kodon till en annan kodon som representerar samma aminosyra. Punktmutationer orsakas av fel i DNA-replikationen och av mutagena ämnen. Olika typer av punktmutationer visas i figur 1.

Frameshift-mutationer

Frameshift-mutationer är inlagringar eller borttagningar av enstaka eller flera nukleotider från genomet. Insertioner, deletioner och duplikationer är de tre typerna av frameshiftmutationer. Insertioner är tillägg av en eller flera nukleotider till sekvensen medan deletioner är borttagande av flera nukleotider från sekvensen. Duplikationer innebär att flera nukleotider upprepas. Frameshiftmutationer orsakas också av fel i DNA-replikationen och av mutagena ämnen.

Kromosomala mutationer

Kromosomala mutationer är förändringar av segment av kromosomer. De olika typerna av kromosomala mutationer är translokationer, genduplikationer, intrakromosomala deletioner, inversioner och förlust av heterozygositet. Translokationer är utbyten av delar av kromosomer mellan icke-homologa kromosomer. Vid genduplikation kan flera kopior av en viss allel förekomma, vilket ökar gendosen. Borttagning av delar av kromosomer kallas intrakromosomala deletioner. Inversioner ändrar orienteringen av ett kromosomsegment. Heterozygositeten hos en gen kan gå förlorad på grund av förlust av en allel i en kromosom genom deletion eller genetisk rekombination. Kromosomala mutationer orsakas huvudsakligen av externa mutagena ämnen och på grund av mekaniska skador på DNA.

Hur förhindrar DNA-polymeras mutationer

DNA-polymeras är det enzym som ansvarar för att lägga till nukleotidbaser till den växande strängen under DNA-replikation. Eftersom nukleotidsekvensen i ett genom bestämmer en viss organisms utveckling och funktion är det viktigt att syntetisera den exakta kopian av det befintliga genomet under DNA-replikationen. Generellt sett upprätthåller DNA-polymeraset en hög tillförlitlighet under DNA-replikationen och införlivar endast en enda felmatchad nukleotid per 109 tillsatta nukleotider. Om en felparning sker mellan kvävebaser utöver de vanliga komplementära basparen, lägger DNA-polymeraset därför till denna nukleotid till den växande kedjan, vilket ger upphov till en frekvent mutation. Felen vid DNA-replikation korrigeras genom två mekanismer som kallas proofreading och strängriktad mismatchreparation.

Proofreading

Proofreading hänvisar till en inledande mekanism för att korrigera de felparade basparen från den växande DNA-strängen, och den utförs av DNA-polymeras. DNA-polymeras utför proofreading i två steg. Den första korrekturläsningen sker strax innan en ny nukleotid läggs till den växande kedjan. De korrekta nukleotidernas affinitet för DNA-polymeras är många gånger högre än de felaktiga nukleotidernas affinitet. Enzymet bör dock genomgå en konformationsförändring strax efter det att den inkommande nukleoiden binds till mallen genom vätebindningar, men innan nukleoiden binds till den växande strängen genom DNA-polymerasets verkan. De felaktigt basparade nukleotiderna är benägna att dissociera från mallen under DNA-polymerasets konformationsförändring. Detta steg gör det därför möjligt för DNA-polymeraset att ”dubbelkontrollera” nukleotiden innan den permanent läggs till den växande strängen. DNA-polymerasets korrekturläsningsmekanism visas i figur 2.

Det andra korrekturläsningssteget kallas exonukleolytisk korrekturläsning. Det inträffar omedelbart efter inkorporeringen av en missanpassad nukleotid till den växande strängen i ett sällsynt fall. DNA-polymeras är oförmöget att lägga till den andra nukleotiden bredvid den felmatchade nukleotiden. En separat katalytisk plats i DNA-polymeraset som kallas 3′ till 5′ proofreading exonukleas smälter de felanpassade nukleotiderna från den växande kedjan.

Strand-Directed Mismatch Repair

Trots proofreading-mekanismerna kan DNA-polymeraset fortfarande inkorporera felaktiga nukleotider i den växande strängen under DNA-replikationen. De replikationsfel som har undgått korrekturläsning avlägsnas av den strängriktade mismatchreparationen. Detta system upptäcker förvrängningspotential i DNA-helixen som beror på felmatchade baspar. Reparationssystemet bör dock identifiera den felaktiga basen från den befintliga basen innan det ersätter felmatchningen. I allmänhet är E. coli beroende av DNA-metyleringssystemet för att känna igen den gamla DNA-strängen i dubbelhelixen, eftersom den nysyntetiserade strängen kanske inte kommer att genomgå DNA-metylering inom kort. I E.coli metyleras GATC:s A-rest. DNA-replikationens tillförlitlighet ökar med ytterligare en faktor 102 på grund av det strängstyrda systemet för reparation av missanpassningar. DNA-mismatchreparationsvägarna hos eukaryoter, bakterier och E. coli visas i figur 3.

I den strandsinriktade mismatchreparationen rör sig tre komplexa proteiner genom den nysyntetiserade DNA-strängen. Det första proteinet, känt som MutS, upptäcker och binder sig till förvrängningarna i DNA:s dubbelhelix. Det andra proteinet, MutL, upptäcker och binder sig till MutS och lockar det tredje proteinet, MutH, att skilja mellan den ometylerade och den nysyntetiserade strängen. Vid bindningen skär MutH av den ometylerade DNA-strängen omedelbart uppströms till G-resistensen i GATC-sekvensen. Ett exonukleas ansvarar för nedbrytningen av strängen nedströms till mismatchningen. Detta system bryter dock ned regioner som är mindre än 10 nukleotider och som lätt återskapas av DNA-polymeras 1. Mut-proteinerna hos eukaryoter är homologa med proteinerna hos E. coli.

Slutsats

Mutationer är permanenta förändringar av nukleotidsekvensen i arvsmassan som kan uppstå på grund av fel i DNA-replikationen eller på grund av effekten av externa mutagena ämnen. Fel i DNA-replikationen kan korrigeras med hjälp av två mekanismer som kallas proofreading och strängriktad reparation av missanpassningar. Proofreading utförs av själva DNA-polymeraset under DNA-syntesen. Den strängriktade reparationen av missanpassningar utförs av Mut-proteiner strax efter DNA-replikationen. Dessa reparationsmekanismer är dock involverade i upprätthållandet av genomets integritet.

Referens:

1. Alberts, Bruce. ”Mekanismer för DNA-replikation”. Cellens molekylärbiologi. 4:e upplagan, U.S. National Library of Medicine, 1 januari 1970, tillgänglig här.
2. Brown, Terence A. ”Mutation, reparation och rekombination”. Genomes. 2nd edition., U.S. National Library of Medicine, 1 jan. 1970, tillgänglig här.

Bild med tillstånd:

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