Wie verhindert DNA-Polymerase Mutationen?

Mutationen sind permanente Veränderungen der Nukleotidsequenz eines bestimmten Organismus. Sie können aufgrund von Fehlern der DNA-Replikation oder externen Mutagenen entstehen. Die Wirkung einer Mutation kann für die Zelle entweder vorteilhaft oder schädlich sein. Zellen unterliegen jedoch verschiedenen Arten von Mechanismen, um Mutationen zu verhindern. Die DNA-Polymerase, das an der DNA-Replikation beteiligte Enzym, ist mit mehreren Mechanismen ausgestattet, um Fehler bei der DNA-Replikation zu vermeiden. Während der DNA-Replikation werden die fehlpaarigen Basen durch ersetzt Korrekturlesen. Unmittelbar nach der DNA-Replikation werden die restlichen falschpaarigen Basen durch ersetzt stranggesteuerte Fehlpaarungsreparatur. Darüber hinaus werden die durch externe Faktoren verursachten Mutationen durch verschiedene Mechanismen wie Exzisionsreparatur, chemische Umkehrung und Doppelstrangreparatur repariert. Wenn der Schaden reversibel ist, wird die Zelle einer Apoptose unterzogen, um zu vermeiden, dass die fehlerhafte DNA an die Nachkommen weitergegeben wird.

Wichtige Bereiche

1. Was ist eine Mutation?
- Definition, Typen, Ursachen
2. Wie verhindert DNA-Polymerase Mutationen?
- Korrekturlesen, stranggesteuerter Fehlanpassungsreparatur

Schlüsselbegriffe: DNA-Polymerase, stranggesteuerte Fehlpaarungsreparatur, Mut-Proteine, Mutation, Korrekturlesen

Was ist eine Mutation?

Eine Mutation bezieht sich auf eine permanente und eine vererbbare Veränderung der Nukleotidsequenz des Genoms. Mutationen können aufgrund von Fehlern bei der DNA-Replikation oder aufgrund von externen Faktoren auftreten, die als Mutagene bezeichnet werden. Die drei Formen von Mutationen sind Punktmutationen, Frameshift-Mutationen und Chromosomenmutationen.

Punktmutationen

Punktmutationen sind einzelne Nukleotidsubstitutionen. Die drei Arten von Punktmutationen sind Missense-, Nonsense- und Silent-Mutationen. Missense-Mutation verändert ein einzelnes Codon des Gens und verändert die Aminosäure in der Polypeptidkette. Obwohl Unsinn Mutationen die Codonsequenz verändern, verändern sie nicht die Aminosäuresequenz. Stille Mutationen ein einzelnes Codon in ein anderes Codon umwandeln, das dieselbe Aminosäure darstellt. Punktmutationen werden durch Fehler in der DNA-Replikation und durch Mutagene verursacht. Verschiedene Arten von Punktmutationen sind in gezeigt Abbildung 1.

Abbildung 1: Punktmutationen

Frameshift-Mutationen

Frameshift-Mutationen sind Insertionen oder Deletionen einzelner oder mehrerer Nukleotide aus dem Genom. Einfügungen, Löschungen und Duplikationen sind die drei Arten von Frameshift-Mutationen. Einfügungen sind die Addition eines oder mehrerer Nukleotide an die Sequenz dabei Löschungen sind die Entfernung mehrerer Nukleotide aus der Sequenz. Vervielfältigungen sind die Wiederholung mehrerer Nukleotide. Frameshift-Mutationen werden auch durch Fehler in der DNA-Replikation und durch Mutagene verursacht.

Chromosomenmutationen

Chromosomenmutationen sind Veränderungen von Chromosomensegmenten. Die Arten chromosomaler Mutationen sind Translokationen, Genduplikationen, intrachromosomale Deletionen, Inversionen und Verlust von Heterozygosität. Translokationen sind der Austausch von Teilen von Chromosomen zwischen nicht homologen Chromosomen. Bei der Genduplikation können mehrere Kopien eines bestimmten Allels erscheinen, was die Gendosis erhöht. Die Entfernung von Chromosomensegmenten wird als intrachromosomale Deletionen bezeichnet. Inversionen verändern die Orientierung eines Chromosomensegments. Die Heterozygotie eines Gens kann durch den Verlust eines Allels in einem Chromosom durch Deletion oder genetische Rekombination verloren gehen. Chromosomenmutationen werden hauptsächlich durch äußere Mutagene und durch mechanische Schäden an der DNA verursacht.

Wie verhindert DNA-Polymerase Mutationen?

DNA-Polymerase ist das Enzym, das für die Addition von Nukleotidbasen an den wachsenden Strang während der DNA-Replikation verantwortlich ist. Da die Nukleotidsequenz eines Genoms die Entwicklung und Funktion eines bestimmten Organismus bestimmt, ist es unerlässlich, die exakte Replik des vorhandenen Genoms während der DNA-Replikation zu synthetisieren. Im Allgemeinen behält die DNA-Polymerase eine hohe Wiedergabetreue während der DNA-Replikation bei, wobei nur ein falsch gepaartes Nukleotid pro 10 eingebaut wird⁹ Nucleotide hinzugefügt. Wenn daher eine Fehlpaarung zwischen stickstoffhaltigen Basen zusätzlich zu den komplementären Standardbasenpaaren auftritt, fügt die DNA-Polymerase dieses Nukleotid der wachsenden Kette hinzu, wodurch eine häufige Mutation entsteht. Die Fehler der DNA-Replikation werden durch zwei Mechanismen korrigiert, die als Korrekturlesen und stranggesteuerte Fehlpaarungsreparatur bekannt sind.

Korrekturlesen

Korrekturlesen bezieht sich auf einen anfänglichen Mechanismus zum Korrigieren der falschpaarigen Basenpaare aus dem wachsenden DNA-Strang und wird von DNA-Polymerase ausgeführt. DNA-Polymerase führt das Korrekturlesen in zwei Schritten durch. Das erste Korrekturlesen findet unmittelbar vor dem Hinzufügen eines neuen Nukleotids zur wachsenden Kette statt. Die Affinität der richtigen Nukleotide für die DNA-Polymerase ist um ein Vielfaches höher als die der falschen Nukleotide. Das Enzym sollte jedoch eine Konformationsänderung erfahren, kurz nachdem das ankommende Nucleotid über Wasserstoffbrückenbindungen an das Templat bindet, jedoch vor der Bindung des Nucleotids an den wachsenden Strang durch die Wirkung der DNA-Polymerase. Die falsch basisch gepaarten Nukleotide neigen dazu, während der Konformationsänderung der DNA-Polymerase von der Matrize zu dissoziieren. In diesem Schritt kann die DNA-Polymerase das Nucleotid noch einmal überprüfen, bevor es permanent zum wachsenden Strang hinzugefügt wird. Der Korrekturmechanismus der DNA-Polymerase ist in gezeigt Figur 2.

Abbildung 2: Korrekturlesen

Der zweite Korrekturschritt ist bekannt als exonukleolytisches Korrekturlesen. In seltenen Fällen tritt es unmittelbar nach dem Einbau eines fehlgepaarten Nukleotids in den wachsenden Strang auf. DNA-Polymerase ist nicht in der Lage, das zweite Nukleotid neben dem fehlgepaarten Nukleotid hinzuzufügen. Eine separate katalytische Stelle der DNA-Polymerase ist als bekannt 3 'bis 5' Korrekturlesen von Exonuklease verdaut die falsch gepaarten Nukleotide aus der wachsenden Kette.

Stranggesteuerter Fehlanpassungsreparatur

Trotz Korrekturmechanismen kann die DNA-Polymerase während der DNA-Replikation immer noch falsche Nukleotide in den wachsenden Strang einbauen. Die Replikationsfehler, die dem Korrekturlesen entgangen sind, werden durch die stranggelenkte Fehlanpassungsreparatur entfernt. Dieses System erkennt Verzerrungspotential in der DNA-Helix, das auf nicht übereinstimmende Basenpaare zurückzuführen ist. Das Reparatursystem sollte jedoch die falsche Basis aus der vorhandenen Basis ermitteln, bevor die Nichtübereinstimmung ersetzt wird. Allgemein, E coli Es hängt vom DNA-Methylierungssystem ab, um den alten DNA-Strang in der Doppelhelix zu erkennen, da der neu synthetisierte Strang möglicherweise nicht bald eine DNA-Methylierung durchmacht. Im E coli, der A-Rückstand des GATC ist methyliert. Die Genauigkeit der DNA-Replikation wird um den zusätzlichen Faktor 10 erhöht² aufgrund der Wirkung des stranggesteuerten Fehlpaarungsreparatursystems. Die DNA-Fehlpaarungsreparaturpfade in Eukaryoten, Bakterien und E coli sind in gezeigt Figur 3.

Abbildung 3: Reparatur von DNA-Fehlpaarungen in Eukaryoten, Bakterien und E. coli

Bei der stranggesteuerten Fehlpaarungsreparatur bewegen sich drei komplexe Proteine durch den neu synthetisierten DNA-Strang. Das erste als MutS bekannte Protein erkennt und bindet an die Verzerrungen in der DNA-Doppelhelix. Das als MutL bekannte zweite Protein detektiert und bindet an das MutS und zieht das dritte als MutH bekannte Protein an, das den unmethylierten oder den neu synthetisierten Strang unterscheidet. Nach der Bindung schneidet der MutH den unmethylierten DNA-Strang unmittelbar stromaufwärts zum G-Rest in der GATC-Sequenz. Eine Exonuklease ist für den Abbau des Strangs stromabwärts der Fehlpaarung verantwortlich. Dieses System baut jedoch Bereiche von weniger als 10 Nukleotiden ab, die leicht durch DNA-Polymerase 1 synthetisiert werden können. Die Mut-Proteine von Eukaryoten sind homolog zu jenen von E coli.

Fazit

Mutationen sind permanente Veränderungen der Nukleotidsequenz des Genoms, die aufgrund von Fehlern bei der DNA-Replikation oder aufgrund der Wirkung externer Mutagene entstehen können. Die Fehler der DNA-Replikation können durch zwei Mechanismen korrigiert werden, die als Korrekturlesen und stranggesteuerte Fehlpaarungsreparatur bekannt sind. Das Korrekturlesen wird durch DNA-Polymerase selbst während der DNA-Synthese durchgeführt. Die stranggerichtete Fehlpaarungsreparatur wird unmittelbar nach der DNA-Replikation durch Mut-Proteine durchgeführt. Diese Reparaturmechanismen sind jedoch an der Aufrechterhaltung der Integrität des Genoms beteiligt.

Referenz:

1. Alberts, Bruce. "DNA-Replikationsmechanismen". Molekularbiologie der Zelle. 4. Auflage., US National Library of Medicine, 1. Januar 1970, hier erhältlich.
2. Brown, Terence A. "Mutation, Reparatur und Rekombination". Genome. 2. Auflage., US National Library of Medicine, 1. Januar 1970, erhältlich hier.

Bildhöflichkeit:

1. "Verschiedene Arten von Mutationen" Von Jonsta247 - Diese Datei wurde abgeleitet von: Point mutations-en.png (GFDL) über Commons Wikimedia
2. "DNA-Polymerase" von I, Madprime (CC BY-SA 3.0) über Commons Wikimedia
3. “DNA Mismatch Repair” Von Kenji Fukui - (CC BY 3.0) über Commons Wikimedia

Wissenschaft