Mutationen sind dauerhafte Veränderungen der Nukleotidsequenz eines bestimmten Organismus. Sie können aufgrund von Fehlern der DNA-Replikation oder externer Mutagene entstehen. Die Wirkung einer Mutation kann für die Zelle entweder vorteilhaft oder schädlich sein. Zellen durchlaufen jedoch verschiedene 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 verhindern. Bei der DNA-Replikation werden die fehlgepaarten Basen durch ersetzt Korrekturlesen. Unmittelbar nach der DNA-Replikation werden die verbleibenden fehlgepaarten Basen durch. ersetzt stranggerichtete Mismatch-Reparatur. Darüber hinaus werden die durch externe Faktoren verursachten Mutationen durch verschiedene Mechanismen wie Exzisionsreparatur, chemische Umkehrung und Doppelstrangbruchreparatur repariert. Ist die Schädigung reversibel, wird die Zelle einer Apoptose unterzogen, um die Weitergabe der fehlerhaften DNA an die Nachkommen zu vermeiden.

Abgedeckte Schlüsselbereiche

1. Was ist eine Mutation? – Definition, Typen, Ursachen 2. Wie verhindert DNA-Polymerase Mutationen? – Korrekturlesen, stranggerichtete Mismatch-Reparatur

Schlüsselbegriffe: DNA-Polymerase, Strand-Directed Mismatch Repair, Mut-Proteine, Mutation, Korrekturlesen

Was ist eine Mutation?

Eine Mutation bezeichnet eine dauerhafte und vererbbare Veränderung der Nukleotidsequenz des Genoms. Mutationen können aufgrund von Fehlern der DNA-Replikation oder externer Faktoren, die als Mutagene bekannt sind, entstehen. Die drei Mutationen sind Punktmutationen, Frameshift-Mutationen und Chromosomenmutationen.

Punktmutationen

Punktmutationen sind einzelne Nukleotid-Substitutionen. Die drei Arten von Punktmutationen sind Missense-, Nonsense- und stille Mutationen. Missense-Mutation verändert ein einzelnes Codon des Gens, wodurch die Aminosäure in der Polypeptidkette verändert wird. 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. Abbildung 1 zeigt verschiedene Arten von Punktmutationen.

Abbildung 1: Punktmutationen

Frameshift-Mutationen

Frameshift-Mutationen sind Insertionen oder Deletionen einzelner oder mehrerer Nukleotide aus dem Genom. Insertionen, Deletionen und Duplikationen sind die drei Arten von Frameshift-Mutationen. Einfügungen sind die Anfügung eines oder mehrerer Nukleotide an die Sequenz, während 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.

Chromosomale Mutationen

Chromosomale Mutationen sind Veränderungen von Chromosomenabschnitten. Die Typen der chromosomalen Mutationen sind Translokationen, Genduplikationen, intrachromosomale Deletionen, Inversionen und der Verlust der Heterozygotie. Translokationen sind der Austausch von Chromosomenteilen zwischen nichthomologen Chromosomen. Bei der Genduplikation können mehrere Kopien eines bestimmten Allels auftreten, was die Gendosis erhöht. Die Entfernung von Chromosomensegmenten wird als intrachromosomale Deletionen bezeichnet. Inversionen ändern die Ausrichtung eines Chromosomensegments. Die Heterozygotie eines Gens kann durch den Verlust eines Allels in einem Chromosom durch Deletion oder genetische Rekombination verloren gehen. Chromosomale Mutationen werden hauptsächlich durch externe Mutagene und durch mechanische DNA-Schäden 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 wichtig, während der DNA-Replikation die exakte Replik des vorhandenen Genoms zu synthetisieren. Im Allgemeinen behält die DNA-Polymerase während der DNA-Replikation eine hohe Genauigkeit bei und baut nur ein einzelnes fehlgepaartes Nukleotid pro 10. ein⁹ Nukleotide hinzugefügt. Wenn daher zusätzlich zu den komplementären Standardbasenpaaren eine Fehlpaarung zwischen stickstoffhaltigen Basen auftritt, fügt die DNA-Polymerase dieses Nukleotid der wachsenden Kette hinzu, was eine häufige Mutation hervorruft. Die Fehler der DNA-Replikation werden durch zwei Mechanismen korrigiert, die als Korrekturlesen und stranggerichtete Fehlpaarungsreparatur bekannt sind.

Korrekturlesen

Korrekturlesen bezieht sich auf einen anfänglichen Mechanismus zur Korrektur der Fehlpaarungen von Basenpaaren aus dem wachsenden DNA-Strang und wird durch DNA-Polymerase durchgeführt. Die DNA-Polymerase führt das Korrekturlesen in zwei Schritten durch. Das erste Korrekturlesen erfolgt kurz vor dem Hinzufügen eines neuen Nukleotids zur wachsenden Kette. Die Affinität korrekter Nukleotide zur DNA-Polymerase ist um ein Vielfaches höher als die der falschen Nukleotide. Das Enzym sollte jedoch eine Konformationsänderung erfahren, unmittelbar nachdem das ankommende Nukleotid durch Wasserstoffbrückenbindungen an die Matrize bindet, aber bevor das Nukleotid durch die Wirkung der DNA-Polymerase vertraglich an den wachsenden Strang gebunden wird. Die Nukleotide mit falscher Basenpaarung neigen dazu, während der Konformationsänderung der DNA-Polymerase von der Matrize zu dissoziieren. Daher ermöglicht der Schritt der DNA-Polymerase, das Nukleotid zu "doppeln", bevor es dem wachsenden Strang dauerhaft hinzugefügt wird. Der Korrekturlesemechanismus der DNA-Polymerase ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Korrekturlesen

Der zweite Korrekturschritt wird als exonukleolytisches Korrekturlesen bezeichnet. Es tritt in seltenen Fällen 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, bekannt als 3'-zu-5'-Korrektur-Exonuklease, verdaut die fehlgepaarten Nukleotide aus der wachsenden Kette.

Stranggerichtete Mismatch-Reparatur

Trotz Korrekturlesemechanismen 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 stranggerichtete Mismatch-Reparatur entfernt. Dieses System erkennt Verzerrungspotential in der DNA-Helix, das auf fehlgepaarte Basenpaare zurückzuführen ist. Das Reparatursystem sollte jedoch die falsche Basis von der vorhandenen Basis identifizieren, bevor die Fehlanpassung ersetzt wird. Im Allgemeinen hängt E. coli 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 durchläuft. In E. coli ist der A-Rest des GATC methyliert. Die Genauigkeit der DNA-Replikation wird um einen zusätzlichen Faktor von 10. erhöht² aufgrund der Wirkung des stranggerichteten Mismatch-Reparatursystems. Die DNA-Mismatch-Reparaturwege in Eukaryoten, Bakterien und E. coli sind in 3 gezeigt.

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

Bei der stranggerichteten 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 zweite Protein, das als MutL bekannt ist, erkennt und bindet an das MutS und zieht das dritte Protein, das als MutH bekannt ist, an, das den unmethylierten oder den neu synthetisierten Strang unterscheidet. Nach der Bindung schneidet das 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 Regionen mit weniger als 10 Nukleotiden ab, die leicht durch DNA-Polymerase 1 re-synthetisiert werden. Die Mut-Proteine ​​von Eukaryoten sind homolog zu denen von E. coli.

Abschluss

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

Referenz:

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

Bild mit freundlicher Genehmigung:

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-Reparatur“ von Kenji Fukui – (CC BY 3.0) über Commons Wikimedia