Kluczowa różnica – naprawa niedopasowania vs naprawa przez wycięcie nukleotydów
Dziesiątki i tysiące uszkodzeń DNA w komórce dochodzi dziennie. Wywołuje zmiany w procesach komórkowych, takich jak replikacja, transkrypcja oraz żywotność komórki. W niektórych przypadkach mutacje spowodowane przez te uszkodzenia DNA mogą prowadzić do szkodliwych chorób, takich jak nowotwory i zespoły związane ze starzeniem się (np. Progeria). Niezależnie od tych uszkodzeń komórka inicjuje wysoce zorganizowany kaskadowy mechanizm naprawy zwany odpowiedziami na uszkodzenia DNA. W systemie komórkowym zidentyfikowano kilka systemów naprawy DNA; są one znane jako naprawa przez wycinanie bazy (BER), naprawa niedopasowania (MMR), naprawa przez wycinanie nukleotydów (NER), naprawa złamania podwójnej nici. Naprawa przez wycinanie nukleotydów jest wysoce wszechstronnym systemem, który rozpoznaje duże uszkodzenia DNA ze zniekształceniami helisy i usuwa je. Z drugiej strony naprawa niezgodności zastępuje niewłaściwie włączone bazy podczas replikacji. Kluczowa różnica między naprawą niedopasowania a naprawą przez wycięcie nukleotydu polega na tym, że naprawa przez wycięcie nukleotydu (NER) służy do usuwania dimerów pirymidynowych powstałych w wyniku napromieniowania UV i dużych uszkodzeń helisy spowodowanych przez addukty chemiczne, podczas gdy system naprawy niedopasowania odgrywa ważną rolę w korygowaniu błędnie wprowadzonych zasad, które uciekły z enzymów replikacyjnych (polimeraza DNA 1) podczas postreplikacji. Oprócz niedopasowanych zasad, białka systemu MMR mogą również naprawiać pętle insercji/delecji (IDL), które są wynikiem poślizgu polimerazy podczas replikacji powtarzających się sekwencji DNA.
Co to jest naprawa przez wycięcie nukleotydów?
Najbardziej wyróżniającą się cechą naprawy przez wycinanie nukleotydów jest to, że naprawia ona zmodyfikowane uszkodzenia nukleotydów spowodowane znacznymi zniekształceniami podwójnej helisy DNA. Występuje u prawie wszystkich dotychczas zbadanych organizmów. Uvr A, Uvr B, Uvr C (ekscynukleazy) Uvr D (helikaza) to najbardziej znane enzymy zaangażowane w NER, które wyzwalają naprawę DNA w organizmie modelowym Ecoli. Kompleks enzymatyczny składający się z wielu podjednostek Uvr ABC wytwarza polipeptydy Uvr A, Uvr B, Uvr C. Geny kodowane dla wyżej wymienionych polipeptydów to uvr A, uvr B, uvr C. Enzymy Uvr A i B wspólnie rozpoznają zniekształcenia wywołane uszkodzeniem, które jest powodowane w podwójnej helisie DNA, takie jak dimery pirymidynowe w wyniku napromieniowania UV. Uvr A jest enzymem ATPazy i jest to reakcja autokatalityczna. Następnie Uvr A opuszcza DNA, podczas gdy kompleks Uvr BC (aktywna nukleaza) rozcina DNA po obu stronach uszkodzenia katalizowanego przez ATP. Innym białkiem o nazwie Uvr D, kodowanym przez gen uvrD, jest enzym helikazy II, który rozwija DNA, który powstaje w wyniku uwolnienia jednoniciowego uszkodzonego segmentu DNA. To pozostawia lukę w helisie DNA. Po wycięciu uszkodzonego segmentu w nici DNA pozostaje luka 12-13 nukleotydów. Jest on wypełniany przez enzym I polimerazy DNA, a nacięcie jest uszczelniane ligazą DNA. ATP jest wymagane w trzech etapach tej reakcji. Mechanizm NER można również zidentyfikować u ludzi podobnych do ssaków. U ludzi schorzenie skóry zwane Xeroderma pigmentosum jest spowodowane dimerami DNA wywołanymi promieniowaniem UV. Geny XPA, XPB, XPC, XPD, XPE, XPF i XPG produkują białka zastępujące uszkodzenia DNA. Białka genów XPA, XPC, XPE, XPF i XPG wykazują aktywność nukleazy. Z drugiej strony białka genów XPB i XPD wykazują aktywność helikazy, która jest analogiem Uvr D w E coli.
Rysunek 01: Naprawa przez wycinanie nukleotydów
Co to jest naprawa niedopasowania?
System naprawy niezgodności jest inicjowany podczas syntezy DNA. Nawet z funkcjonalną podjednostką ?, polimeraza III DNA umożliwia włączenie niewłaściwego nukleotydu do syntezy co 10 par zasad 8. Białka naprawiające niedopasowanie rozpoznają ten nukleotyd, wycinają go i zastępują prawidłowym nukleotydem odpowiedzialnym za końcowy stopień dokładności. Metylacja DNA ma kluczowe znaczenie dla białek MMR w rozpoznawaniu nici rodzicielskiej od nowo zsyntetyzowanej nici. Metylacja nukleotydu adeniny (A) w motywie GATC nowo zsyntetyzowanej nici jest nieco opóźniona. Z drugiej strony, macierzysty nukleotyd adeninowy w motywie GATC już uległ metylacji. Białka MMR rozpoznają nowo zsyntetyzowaną nić dzięki tej różnicy w stosunku do nici rodzicielskiej i rozpoczynają naprawę niedopasowania w nowo zsyntetyzowanej nici, zanim ulegnie ona metylacji. Białka MMR kierują swoją aktywnością naprawczą, aby wyciąć niewłaściwy nukleotyd, zanim nowo zreplikowana nić DNA ulegnie metylacji. Enzymy Mut H, Mut L i Mut S kodowane przez geny mut H, mut L, mut S katalizują te reakcje w Ecoli. Białko Mut S rozpoznaje siedem z ośmiu możliwych niedopasowanych par zasad z wyjątkiem C:C i wiąże się w miejscu niedopasowania w dupleksowym DNA. Dzięki związanym ATP, Mut L i Mut S dołączają do kompleksu później. Kompleks przemieszcza się o kilka tysięcy par zasad dalej, aż znajdzie hemimetylowany motyw GATC. Uśpiona aktywność nukleazy białka Mut H jest aktywowana po znalezieniu hemimetylowanego motywu GATC. Rozszczepia niezmetylowaną nić DNA pozostawiając nacięcie 5' na nukleotydzie G niezmetylowanego motywu GATC (nowo zsyntetyzowana nić DNA). Następnie ta sama nić po drugiej stronie niedopasowania zostaje nacięta przez Mut H. W pozostałych etapach wspólne działania Uvr D białka helikazy, Mut U, SSB i egzonukleazy I wycinają nieprawidłowy nukleotyd w jednoniciowej DNA. Powstała w wycięciu luka jest wypełniana przez polimerazę DNA III i uszczelniana ligazą. Podobny system można zidentyfikować u myszy i ludzi. Mutacje ludzkich hMLH1, hMSH1 i hMSH2 biorą udział w dziedzicznym niepolipowatym raku okrężnicy, który dereguluje podział komórek okrężnicy.
Rysunek 02: Naprawa niezgodności
Jaka jest różnica między naprawą niedopasowania a naprawą przez wycięcie nukleotydów?
Naprawa niedopasowania a naprawa przez wycięcie nukleotydów |
|
| System naprawy niezgodności występuje podczas post-replikacji. | Jest to zaangażowane w usuwanie dimerów pirymidyny z powodu napromieniowania UV i innych uszkodzeń DNA spowodowanych adduktem chemicznym. |
| Enzymy | |
| Jest katalizowany przez Mut S, Mut L, Mut H, Uvr D, SSB i egzonukleazę I. | Jest katalizowany przez enzymy Uvr A, Uvr B, Uvr C, UvrD. |
| Metylacja | |
| Najważniejsze jest zainicjowanie reakcji. | Metylacja DNA nie jest wymagana do rozpoczęcia reakcji. |
| Działanie enzymów | |
| Mut H to endonukleaza. | Uvr B i Uvr C to egzonukleazy. |
| Okazja | |
| Dzieje się to szczególnie podczas replikacji. | Dzieje się tak po wystawieniu na działanie mutagenów UV lub chemicznych, a nie podczas replikacji |
| Konserwacja | |
| Jest bardzo konserwowany | Nie jest wysoce konserwowany. |
| Wypełnianie luk | |
| Dokonuje tego polimeraza DNA III. | Odbywa się to przez polimerazę DNA I. |
Podsumowanie – Naprawa niedopasowania a naprawa przez wycięcie nukleotydów
Naprawa niedopasowania (MMR) i naprawa wycinania nukleotydów (NER) to dwa mechanizmy zachodzące w komórce w celu naprawy uszkodzeń i zniekształceń DNA spowodowanych przez różne czynniki. Są one zbiorczo nazywane mechanizmami naprawy DNA. Naprawa przez wycinanie nukleotydów naprawia zmodyfikowane uszkodzenia nukleotydów, zazwyczaj te znaczące uszkodzenia podwójnej helisy DNA, które występują w wyniku ekspozycji na promieniowanie UV i addukty chemiczne. Białka naprawiające niedopasowanie rozpoznają niewłaściwy nukleotyd, wycinają go i zastępują prawidłowym nukleotydem. Ten proces odpowiada za ostateczny stopień dokładności podczas replikacji.
