Ključna razlika – popravilo neujemanja v primerjavi s popravilom z izrezom nukleotidov
Na dan se v celici zgodi na desetine in tisoče poškodb DNK. Povzroča spremembe v celičnih procesih, kot so replikacija, transkripcija in sposobnost preživetja celice. V nekaterih primerih lahko mutacije, ki jih povzročijo te poškodbe DNK, povzročijo škodljive bolezni, kot so rak in sindromi, povezani s staranjem (npr. progerija). Ne glede na te poškodbe celica sproži visoko organiziran kaskadni popravljalni mehanizem, imenovan odziv na poškodbe DNK. V celičnem sistemu je bilo identificiranih več sistemov popravljanja DNK; ti so znani kot Base Excision Repair (BER), Mismatch repair (MMR), Nucleotide Excision Repair (NER), Double strand break repair. Popravilo z izrezom nukleotidov je zelo vsestranski sistem, ki prepozna lezije DNK z zajetnimi vijačnicami in jih odstrani. Po drugi strani pa popravilo neusklajenosti zamenja napačno vključene baze med replikacijo. Ključna razlika med popravilom neujemanja in popravilom z izrezom nukleotidov je v tem, da se popravilo z izrezom nukleotidov (NER) uporablja za odstranjevanje pirimidinskih dimerjev, ki nastanejo zaradi UV-obsevanja, in obsežnih vijačnih lezij, ki jih povzročajo kemični adukti, medtem ko ima sistem popravljanja neujemanja pomembno vlogo pri popravljanju napačno vključenih baz, ki so med postreplikacijo ušel replikacijskim encimom (DNA polimeraza 1). Poleg neujemajočih se baz lahko sistemski proteini MMR popravijo tudi zanke za insercije/delecije (IDL), ki so posledica zdrsa polimeraze med replikacijo ponavljajočih se sekvenc DNK.
Kaj je popravilo nukleotidne ekscizije?
Najbolj odmevna značilnost popravljanja z izrezom nukleotidov je, da popravijo spremenjene poškodbe nukleotidov, ki jih povzročijo znatna popačenja v dvojni vijačnici DNA. Opazimo ga pri skoraj vseh organizmih, ki so bili do sedaj raziskani. Uvr A, Uvr B, Uvr C (ekscinukleaze) Uvr D (helikaza) so najbolj znani encimi, vključeni v NER, ki sprožijo popravilo DNK v modelnem organizmu Ecoli. Večpodenotni encimski kompleks Uvr ABC proizvaja polipeptide Uvr A, Uvr B, Uvr C. Geni, kodirani za zgoraj omenjene polipeptide, so uvr A, uvr B, uvr C. Encima Uvr A in B skupaj prepoznata popačenje, povzročeno s poškodbo, ki je povzročeno dvojni vijačnici DNA, kot so pirimidinski zatemnilci zaradi UV-sevanja. Uvr A je encim ATPaza in je avtokatalitična reakcija. Nato Uvr A zapusti DNK, medtem ko Uvr BC kompleks (aktivna nukleaza) cepi DNK na obeh straneh poškodbe, ki jo katalizira ATP. Druga beljakovina, imenovana Uvr D, kodirana z genom uvrD, je encim helikaza II, ki odvije DNK, ki je posledica sproščanja enoverižnega poškodovanega segmenta DNK. To pušča vrzel v vijačnici DNK. Po izrezu poškodovanega segmenta ostane v verigi DNA 12-13 nukleotidna vrzel. To napolni encim DNA polimeraza I, zarezo pa zapre DNA ligaza. ATP je potreben v treh korakih te reakcije. Mehanizem NER je mogoče prepoznati tudi pri sesalcih podobnih ljudeh. Pri ljudeh je kožno stanje, imenovano Xeroderma pigmentosum, posledica dimerjev DNK, ki jih povzroča UV-obsevanje. Geni XPA, XPB, XPC, XPD, XPE, XPF in XPG proizvajajo beljakovine za nadomestitev poškodb DNK. Proteini genov XPA, XPC, XPE, XPF in XPG imajo nukleazno aktivnost. Po drugi strani pa proteini genov XPB in XPD kažejo aktivnost helikaze, ki je analogna Uvr D v E coli.
Slika 01: Popravilo nukleotidne ekscizije
Kaj je popravilo neujemanja?
Sistem popravljanja neujemanja se sproži med sintezo DNK. Tudi s funkcionalno podenoto € DNA polimeraza III omogoča vgradnjo napačnega nukleotida za sintezo vsakih 108 baznih parov. Proteini za popravilo neujemanja prepoznajo ta nukleotid, ga izločijo in nadomestijo s pravilnim nukleotidom, ki je odgovoren za končno stopnjo natančnosti. Metilacija DNA je ključna za beljakovine MMR, da prepoznajo starševsko verigo iz na novo sintetizirane verige. Metilacija adenin (A) nukleotida v GATC motivu na novo sintetizirane verige je nekoliko zakasnjena. Po drugi strani je adeninski nukleotid starševske verige v motivu GATC že metiliran. Proteini MMR prepoznajo novo sintetizirano verigo po tej razliki od starševske verige in začnejo popravljati neusklajenost v novo sintetizirani verigi, preden se ta metilira. Proteini MMR usmerjajo svojo popravljalno aktivnost, da izločijo napačen nukleotid, preden se na novo replicirana veriga DNK metilira. Encimi Mut H, Mut L in Mut S, kodirani z geni mut H, mut L, mut S, katalizirajo te reakcije v Ecoli. Protein Mut S prepozna sedem od osmih možnih neusklajenih baznih parov, razen C:C, in se veže na mestu neujemanja v dupleksni DNK. Z vezanimi ATP se Mut L in Mut S pridružita kompleksu kasneje. Kompleks premakne nekaj tisoč baznih parov stran, dokler ne najde hemimetiliranega GATC motiva. Mirujoča nukleazna aktivnost proteina Mut H se aktivira, ko najde hemimetiliran motiv GATC. Razcepi nemetilirano verigo DNA in pusti 5' zarezo na nukleotidu G nemetiliranega motiva GATC (novo sintetizirana veriga DNA). Nato isto verigo na drugi strani neusklajenosti prereže Mut H. V preostalih korakih skupna dejanja proteina helikaze Uvr D, Mut U, SSB in eksonukleaze I izločijo nepravilni nukleotid v enoverižni DNK. Vrzel, ki nastane pri izrezu, se zapolni z DNA polimerazo III in zapre z ligazo. Podoben sistem lahko prepoznamo pri miših in ljudeh. Mutacije človeških hMLH1, hMSH1 in hMSH2 so vključene v dedni nepolipozni rak debelega črevesa, ki deregulira celično delitev celic debelega črevesa.
Slika 02: Popravilo neujemanja
Kakšna je razlika med popravilom neujemanja in popravilom z izrezom nukleotidov?
Popravilo neujemanja v primerjavi s popravilom izreza nukleotidov |
|
| Sistem za popravilo neujemanja se pojavi med naknadno replikacijo. | To je vključeno v odstranjevanje pirimidinskih dimerjev zaradi UV-sevanja in drugih poškodb DNK zaradi kemičnega adukta. |
| Encimi | |
| Katalizirajo ga Mut S, Mut L, Mut H, Uvr D, SSB in eksonukleaza I. | Katalizirajo ga encimi Uvr A, Uvr B, Uvr C, UvrD. |
| Metilacija | |
| Ključnega pomena je sprožiti reakcijo. | Metilacija DNK ni potrebna za sprožitev reakcije. |
| Delovanje encimov | |
| Mut H je endonukleaza. | Uvr B in Uvr C sta eksonukleazi. |
| priložnost | |
| To se zgodi posebej med replikacijo. | To se zgodi pri izpostavljenosti UV ali kemičnim mutagenom, ne med replikacijo |
| Ohranjanje | |
| Je zelo ohranjen | Ni dobro ohranjen. |
| Zapolnitev vrzeli | |
| Izvaja ga DNA polimeraza III. | Izvaja ga DNA polimeraza I. |
Povzetek – popravilo neusklajenosti v primerjavi s popravilom z izrezom nukleotidov
Mismatch repair (MMR) in Nucleotide Excision Repair (NER) sta dva mehanizma, ki potekata v celici, da bi odpravili poškodbe in izkrivljanja DNK, ki jih povzročajo različni povzročitelji. Ti se skupaj imenujejo mehanizmi popravljanja DNK. Popravilo z izrezom nukleotidov popravi modificirane poškodbe nukleotidov, običajno tiste pomembne poškodbe dvojne vijačnice DNA, ki se zgodijo zaradi izpostavljenosti UV-sevanju in kemičnim aduktom. Proteini za popravilo neujemanja prepoznajo napačen nukleotid, ga izločijo in nadomestijo s pravilnim nukleotidom. Ta proces je odgovoren za končno stopnjo natančnosti med replikacijo.
