Biologia molekularna 4

Mutacje i naprawa DNA

Egbert

Piasecki

10-03-2014

Mutacje i naprawa DNA

Błędy w sekwencji DNA powstałe w czasie

replikacji lub wskutek uszkodzeń –

mutacje

–

trwałe zmiany w DNA

Mutacje są zwykle niekorzystne, np. choroby

dziedziczne (mutacje w komórkach
płciowych), nowotwory (mutacje w
komórkach somatycznych)

System naprawy błędów

replikacji powstałych

mimo korekcyjnego działania aparatu
replikacyjnego – ang. DNA mismatch repair

Mutacje

Mutacje

Mutacje

– stałe dziedziczne zmiany

w sekwencji zasad DNA

Mutacje powstają wskutek

spontanicznych błędów replikacji lub
działania czynników mutagennych

Mutacje punktowe:

–

Tranzycja

puryna  puryna,

pirymidyna  pirymidyna

–

Transwersja

puryna 

pirymidyna,
pirymidyna  puryna

Mutacja

missensowna

– zmiana sensu =

zmiana aminokwasu

Mutacja

nonsensowna

– powstanie

nowych kodonów stop

Insercje i delecje

 często zmiana ramki

odczytu (mutacje „

frameshift

”)

Mutacje

Mutacje ciche i nieletalne 

polimorfizm

genetyczny

Uszkodzenia DNA – mutagenne i letalne

Mutageny chemiczne

– w większości

kancerogenne

Benzo[a]piren – wiązanie z guaniną

Aflatoksyna B1 – wiązanie kowalencyjne

z DNA

Interkalatory

– insercje i delecje

Poślizg replikacyjny

– związany z

powtórzeniami tandemowymi:

• poślizg w przód  insercja

• poślizg w tył  delecja

Mutacje

1.

Deaminacja

np.

cytozyny (powstaje
uracyl  tranzycja
GCAT)

Deaminacja adeniny

do hipoksantyny 
tranzycja ATGC

Deaminacja chemiczna

(kwas azotawy)

Deaminacja

spontaniczna: 100
zasad/genom/ dzień

2.

Alkilacja

–

przeszkadza w
rozplataniu dsDNA

3.

Analogi zasad

, np.

bromouracyl

kot

Mutacje

4.

Depurynacja

–

oderwanie guaniny
lub adeniny,
zmiana niekodująca

Częstość: 5000 zasad

dziennie/komórkę

Depirymidyzacja –

znacznie rzadsza

5.

Dimery pirymidynowe

. Promieniowanie UV powoduje tworzenie wiązań

kowalencyjnych sąsiednich pirymidyn, powstają np.

dimery tymidynowe

blokujące aparat replikacyjny, powstaje pierścień cyklobutanowy  brak
możliwości parowania = lokalna denaturacja

kot

Mutacje

6.

Oksydacja

zasad

---------------------------------------------------------------------------------------------------------

Mutageneza

bezpośrednia

Mutageneza

pośrednia

– wprowadzanie błędnych zasad przez polimerazy w

miejscach uszkodzonych

Mutageneza specyficzna (ukierunkowana) – mutacje tylko na terenie
uszkodzenia

Mutageneza niespecyficzna (nieukierunkowana) – również w innych
miejscach genomu

Naprawa DNA

Konsekwencje braku naprawy uszkodzeń DNA:

Różne mechanizmy naprawcze z odrębnymi zestawami enzymów

Odróżnienie nici zmienionej od pierwotnej – zazwyczaj po zmianie

powstają struktury nietypowe dla normalnego DNA

Naprawa DNA

Naprawa:

1.

Usunięcie

fragmentu nici nowo zsyntetyzowanej

2.

Uzupełnienie

nowymi nukleotydami

Nie wiadomo dokładnie jaki jest mechanizm odróżniania nici starej i nowej u

eukariontów. U prokariontów nić stara jest metylowana. Nici nowe są
preferencyjnie nacinane. Próba naprawy nici starej doprowadziłaby do
utrwalenia mutacji

Naprawa DNA

Źle sparowane zasady powodują

zaburzenie geometrii

dwuniciowej helisy
rozpoznawane przez białka
naprawiające

Organizmy jednokomórkowe np.

drożdże mają >50 białek
związanych z naprawą DNA.
Organizmy wyższe – więcej

Naprawa DNA

Trzy etapy naprawy DNA:

1.

WYCINANIE

Rozpoznanie uszkodzonego fragmentu i jego
usunięcie przez nukleazę (różne nukleazy w
przypadku różnych uszkodzeń)

Usuwane jest od 1 nt (np. deaminacja
cytozyny) do 20 nt (np. dimery tymidyny)

2.

PONOWNA SYNTEZA

Wypełnienie luki przez naprawczą
polimerazę DNA (wydłuża łańcuch w
kierunku 5’3’, ma aktywność korekcyjną)

3.

LIGACJA

Łączenie łańcucha DNA przez ligazę

Etapy 2 i 3 zwykle jednakowe dla różnych

typów uszkodzeń

Naprawa DNA

1)

Naprawa błędów przez wycinanie

a)

NER

– nucleotide excision repair – wycięcie

nukleotydu

- endonukleaza wycina fragment obejmujący
uszkodzenie

b)

BER

– base excision repair – wycięcie zasady

- glikozydaza DNA wycina zasady (powstaje AP:
miejsce apurynowe lub apirymidynowe)

- endonukleaza AP rozcina i poszerza lukę (1-
kilka nt)

NER i BER u E. coli: polimeraza DNA I i ligaza DNA

U eukariontów: BER – polimeraza DNA , NER –

polimeraza DNA  lub 

W NER u eukariontów bierze udział co najmniej

18 czynników białkowych, w tym TFIIH (czynnik
transkrypcyjny).

Naprawa DNA

2)

Naprawa żle sparowanych zasad

Po replikacji system naprawczy musi odróżnić nić starą

i nową. U prokariontów adenina jest metylowana w
sekwencji GATC. Opóźnienie metylacji nici potomnej
o kilka minut  rozróżnienie nici [Nowo replikowany
DNA jest hemimetylowany]

Endonukleaza MutH nacina nić w pobliżu miejsca GATC

U eukariontów mechanizm nieznany

Brak funkcjonalnego enzymu systemu naprawy źle

sparowanych zasad  dziedziczny niepolipowaty
rak okrężnicy

3)

Naprawa przez niehomologiczne łączenie końców (

NHEJ)

– nieligowalne

końce wskutek pęknięcia chromosomów, nieprawidłowego działania
topoizomeraz typu II, rearanżacja przeciwciał (VDJ). Uszkodzenia systemu
NHEJ  wrażliwość na promieniowanie jonizujące, SCID

Naprawa DNA

4)

Fotoliazy

E. coli (enzymy fotoreaktywujące) – w obecności światła

widzialnego powodują ponowną monomeryzację dimerów
pirymidynowych  bezpośrednie usuwanie uszkodzenia, nie generują
błędów

5)

Alkilotransferaza

E. coli (także ssaki) – usuwa grupy alkilowe, nie

generuje błędów

6)

Synteza DNA ignorująca uszkodzenie

– naprawa wymuszona przez

uszkodzenie (odpowiedź SOS)  często mutageneza pośrednia

U prokariontów – kompleks polimerazy DNA V

U eukariontów – polimeraza DNA  [zeta] (skłonna do robienia błędów)

–

polimeraza DNA  [eta] (zwykle nie robi błędów)

Naprawa DNA

Mutacje w genach systemu naprawczego  wzrost skłonności do

nowotworów

Xeroderma pigmentosum

(XP) – choroba autosomalna, recesywna,

skrajna wrażliwość na światło słoneczne i duża częstość
występowania raków skóry, wskutek braku naprawy dimerów
tymidynowych, wadliwego działania mechanizmu NER (uszkodzenia
różnych genów)