Come fa la DNA polimerasi a prevenire le mutazioni

Le mutazioni sono cambiamenti permanenti della sequenza nucleotidica di un particolare organismo. Possono sorgere a causa degli errori di replicazione del DNA o mutageni esterni. L'effetto di una mutazione può essere benefico o deleterio per la cellula. Tuttavia, le cellule subiscono vari tipi di meccanismi per prevenire le mutazioni. La DNA polimerasi, che è l'enzima coinvolto nella replicazione del DNA, è dotata di diversi meccanismi per prevenire errori durante la replicazione del DNA. Durante la replicazione del DNA, le basi mispaire sono sostituite da correzione di bozze. Immediatamente dopo la replicazione del DNA, le rimanenti basi di mispair sono sostituite da riparazione di disallineamento diretta da file. Inoltre, le mutazioni causate da fattori esterni vengono riparate da diversi meccanismi come la riparazione dell'escissione, l'inversione chimica e la riparazione della rottura del doppio filamento. Se il danno è reversibile, la cellula è sottoposta all'apoptosi per evitare di trasmettere il DNA difettoso alla prole.

Aree chiave coperte

1. Cos'è una mutazione
      - Definizione, tipi, cause
2. Come fa la DNA polimerasi a prevenire le mutazioni
     - Correzione di bozze, riparazioni mancata corrispondenza diretta

Termini chiave: DNA polimerasi, riparazioni mancata corrispondenza del filo, mut proteine, mutazione, correzione di bozze

Cos'è una mutazione

Una mutazione si riferisce a un cambiamento permanente e ereditabile nella sequenza nucleotidica del genoma. Le mutazioni possono sorgere a causa degli errori di replicazione del DNA o di fattori esterni noti come mutageni. Le tre forme di mutazioni sono mutazioni puntiformi, mutazioni frameshift e mutazioni cromosomiche.

Point Mutations

Le mutazioni puntiformi sono sostituzioni di singoli nucleotidi. I tre tipi di mutazioni puntiformi sono missense, sciocchezze e mutazioni silenti. Mutazione missenso altera un singolo codone del gene, alterando l'amminoacido nella catena polipeptidica. Anche se mutazioni senza senso alterare la sequenza del codone, non alterano la sequenza aminoacidica. Mutazioni silenziose alterare un singolo codone in un altro codone che rappresenta lo stesso amminoacido. Le mutazioni puntiformi sono causate da errori nella replicazione del DNA e da mutageni. Sono mostrati diversi tipi di mutazioni puntiformi Figura 1.

Figura 1: Point Mutations

Frameshift Mutations

Le mutazioni Frameshift sono inserzioni o delezioni di singoli o diversi nucleotidi dal genoma. Inserimenti, eliminazioni e duplicazioni sono i tre tipi di mutazioni frameshift. inserimenti sono l'aggiunta di uno o più nucleotidi alla sequenza mentre eliminazioni sono la rimozione di diversi nucleotidi dalla sequenza. duplicazioni sono la ripetizione di diversi nucleotidi. Le mutazioni Frameshift sono anche causate da errori nella replicazione del DNA e da mutageni.

Mutazioni cromosomiche

Le mutazioni cromosomiche sono alterazioni di segmenti di cromosomi. I tipi di mutazioni cromosomiche sono traslocazioni, duplicazioni geniche, delezioni intra-cromosomiche, inversioni e perdita di eterozigosità. Le traslocazioni sono gli scambi di parti dei cromosomi tra cromosomi non omologhi. Nella duplicazione genica possono comparire più copie di un particolare allele, aumentando il dosaggio del gene. Le rimozioni di segmenti di cromosomi sono note come delezioni intra-cromosomiche. Le inversioni cambiano l'orientamento di un segmento cromosomico. L'eterozigosi di un gene può essere persa a causa della perdita di un allele in un cromosoma mediante delezione o ricombinazione genetica. Le mutazioni cromosomiche sono principalmente causate da mutageni esterni e da danni meccanici al DNA.

Come fa la DNA polimerasi a prevenire le mutazioni

La DNA polimerasi è l'enzima responsabile dell'aggiunta di basi nucleotidiche al filamento in crescita durante la replicazione del DNA. Poiché la sequenza nucleotidica di un genoma determina lo sviluppo e il funzionamento di un particolare organismo, è fondamentale sintetizzare la replica esatta del genoma esistente durante la replicazione del DNA. Generalmente, la DNA polimerasi mantiene alta fedeltà durante la replicazione del DNA, incorporando solo un singolo nucleotide non corrispondente per 10⁹ aggiunti nucleotidi. Pertanto, se si verifica una contromossa tra basi azotate oltre alle coppie standard di basi complementari, la DNA polimerasi aggiunge quel nucleotide alla catena in crescita, producendo una frequente mutazione. Gli errori di replicazione del DNA sono corretti da due meccanismi noti come correzione di bozze e riparazione di disallineamento diretto da file.

Correzione di bozze

La correzione di bozze si riferisce a un meccanismo iniziale di correzione delle coppie di basi di accoppiamento dal filamento di DNA in crescita, ed è effettuato dalla DNA polimerasi. La DNA polimerasi esegue la correzione di bozze in due fasi. La prima correzione di bozze si verifica poco prima dell'aggiunta di un nuovo nucleotide alla catena in crescita. L'affinità dei nucleotidi corretti per la DNA polimerasi è molte volte superiore a quella dei nucleotidi errati. Tuttavia, l'enzima dovrebbe subire un cambiamento conformazionale subito dopo che il nucleotide entrante si lega allo stampo attraverso legami idrogeno ma, prima del legame del covenant del nucleotide al filamento in crescita con l'azione della DNA polimerasi. I nucleotidi accoppiati in base erroneamente sono inclini a dissociarsi dal modello durante il cambiamento conformazionale della DNA polimerasi. Quindi, il passaggio consente alla DNA polimerasi di "ricontrollare" il nucleotide prima di aggiungerlo definitivamente al filamento in crescita. Il meccanismo di correzione della DNA polimerasi è mostrato in figura 2.

Figura 2: Correzione di bozze

Il secondo passo di correzione è noto come rilettura exonucleolitica. Si verifica immediatamente dopo l'incorporazione di un nucleotide non corrispondente al filamento in crescita in un raro caso. La DNA polimerasi non è in grado di aggiungere il secondo nucleotide accanto al nucleotide non corrispondente. Un sito catalitico separato della DNA polimerasi noto come 3 'a 5' exonuclease di correzione di bozze digerisce i nucleotidi mispeti dalla catena in crescita.

Risoluzioni mancata corrispondenza diretta

Nonostante i meccanismi di correzione di bozze, la DNA polimerasi può ancora incorporare nucleotidi errati nel filamento in crescita durante la replicazione del DNA. Gli errori di replica che sono sfuggiti alla correzione di bozze vengono rimossi dalla riparazione non corrispondente diretta da strand. Questo sistema rileva il potenziale di distorsione nell'elica del DNA dovuto a coppie di basi non corrispondenti. Tuttavia, il sistema di riparazione dovrebbe identificare la base errata dalla base esistente prima di sostituire la mancata corrispondenza. Generalmente, E. coli dipende dal sistema di metilazione del DNA per riconoscere il vecchio filamento di DNA nella doppia elica poiché il filamento appena sintetizzato potrebbe non essere sottoposto presto alla metilazione del DNA. Nel E.coli, il residuo A del GATC è metilato. La fedeltà della replicazione del DNA è aumentata di un fattore aggiuntivo di 10² a causa dell'azione di un sistema di riparazione dei disallineamenti diretto da trefoli. I percorsi di riparazione del disadattamento del DNA in eucarioti, batteri e E. coli sono mostrati in figura 3.

Figura 3: riparazione di corrispondenza mancata di DNA in eucarioti, batteri ed e. Coli

Nella riparazione di disallineamento diretta da trefoli, tre proteine ​​complesse si muovono attraverso il filamento di DNA appena sintetizzato. La prima proteina nota come MutS rileva e si lega alle distorsioni nella doppia elica del DNA. La seconda proteina nota come MutL rileva e si lega al MutS, attirando la terza proteina nota come MutH che distingue il filamento non metilato o appena sintetizzato. Dopo il legame, il MutH taglia il filamento di DNA non metilato immediatamente a monte del residuo G nella sequenza GATC. Un'esonucleasi è responsabile della degradazione del filo a valle fino alla mancata corrispondenza. Tuttavia, questo sistema degrada regioni inferiori a 10 nucleotidi che sono facilmente ricostituiti dalla DNA polimerasi 1. Le proteine ​​mut degli eucarioti sono omologhe a quelle di E. coli.

Conclusione

Le mutazioni sono alterazioni permanenti della sequenza nucleotidica del genoma che può sorgere a causa degli errori nella replicazione del DNA o dovuti all'effetto di mutageni esterni. Gli errori di replicazione del DNA possono essere corretti da due meccanismi noti come correzione di bozze e riparazione di disallineamento diretto con lo strand. La rilettura viene effettuata dalla DNA polimerasi stessa durante la sintesi del DNA. La riparazione di disallineamento diretta dal filo viene effettuata dalle proteine ​​Mut subito dopo la replicazione del DNA. Tuttavia, questi meccanismi di riparazione sono coinvolti nel mantenimento dell'integrità del genoma.

Riferimento:

1. Alberts, Bruce. "Meccanismi di replicazione del DNA". Biologia molecolare della cellula. 4a edizione., U.S. National Library of Medicine, 1 gennaio 1970, disponibile qui.
2. Brown, Terence A. "Mutazione, riparazione e ricombinazione." Genomi. 2a edizione., U.S. National Library of Medicine, 1 gennaio 1970, disponibile qui.

Cortesia dell'immagine:

1. "Diversi tipi di mutazioni" di Jonsta247 - Questo file è stato derivato da: Point mutations-it.png (GFDL) via Commons Wikimedia
2. "DNA polimerasi" di I, Madprime (CC BY-SA 3.0) via Commons Wikimedia
3. "Riparazione del mismatch del DNA" di Kenji Fukui - (CC BY 3.0) via Commons Wikimedia