14.6 Viðgerðir á DNA
14.6 Viðgerðir á DNA
Námsmarkmið
Í lok þessa hluta muntu geta gert eftirfarandi:
- Rætt mismunandi gerðir stökkbreytinga í DNA
- Útskýrt ferli DNA-viðgerðar
Eftirmyndun DNA er mjög nákvæmt ferli, en mistök geta stundum átt sér stað, til dæmis þegar DNA-pólýmerasi setur inn rangan basa. Óleiðrétt mistök geta stundum haft alvarlegar afleiðingar, svo sem krabbamein. Viðgerðarferli leiðrétta mistökin. Í sjaldgæfum tilfellum eru mistök ekki leiðrétt og leiða til stökkbreytinga; í öðrum tilfellum eru viðgerðarensímin sjálf stökkbreytt eða gölluð.
Flestar villur við eftirmyndun DNA eru leiðréttar strax með prófarkalestrarhæfni DNA-pólýmerasa sjálfs (mynd 14.17). Við prófarkalestur les DNA pol nýbætta basann áður en næsta basa er bætt við, svo hægt sé að leiðrétta villuna. Pólýmerasinn athugar hvort nýbætti basinn hafi parast rétt við basann í mótstrengnum. Ef basinn er réttur er næsta kirni bætt við. Ef röngum basa hefur verið bætt við sker ensímið á fosfódíestertengið og losar ranga kirnið. Þetta er gert með 3′-útkirnaskeravirkni DNA pol. Þegar ranga kirnið hefur verið fjarlægt er hægt að setja rétt kirni í staðinn.
Sumar villur eru ekki leiðréttar meðan á eftirmyndun stendur heldur eftir að henni er lokið; þessi gerð viðgerðar kallast mispörunarviðgerð (mynd 14.18). Sérstök viðgerðarensím þekkja misparaða kirnið og skera burt þann hluta strengsins sem inniheldur það; svæðið sem var fjarlægt er síðan nýmyndað. Ef mispörunin helst óleiðrétt getur hún leitt til varanlegri skemmda þegar misparaða DNA-ið er eftirmyndað. Hvernig þekkja ensím mispörunarviðgerðar hvor basinn er rangur? Í E. coli fær niturbasinn adenín metýlhóp eftir eftirmyndun; foreldra-DNA-strengurinn hefur metýlhópa en nýmyndaði strengurinn skortir þá. Þannig getur viðgerðarkerfið fjarlægt ranga innbyggða basa úr nýmyndaða, ómetýleraða strengnum. Í heilkjörnungum er ferlið ekki mjög vel skilið, en talið er að það feli í sér greiningu á ósamanskeyttum rofum í nýja strengnum og skammtíma áframhaldandi tengsl sumra eftirmyndunarprótína við nýja dótturstrenginn eftir að eftirmyndun lýkur.
Önnur gerð viðgerðarferlis, kirnisútskurðarviðgerð, líkist mispörunarviðgerð nema að hún er notuð til að fjarlægja skemmda basa frekar en misparaða. Viðgerðarensímin skipta út afbrigðilegum bösum með því að gera skurð bæði við 3′ og 5′ enda skemmda basans (mynd 14.19). DNA-búturinn er fjarlægður og rétt pöruð kirni eru sett í staðinn með virkni DNA pol. Þegar búið er að fylla inn basana er bilinu sem eftir stendur lokað með fosfódíestertengi sem DNA-lígasi hvatar. Þetta viðgerðarferli er oft notað þegar UV-geislun veldur myndun pýrimídíntvennda.
Vel rannsakað dæmi um að mistök séu ekki leiðrétt sést hjá fólki með xeroderma pigmentosum (mynd 14.20). Einstaklingar með sjúkdóminn hafa húð sem er mjög viðkvæm fyrir UV-geislum frá sólinni. Þegar einstaklingar verða fyrir UV-ljósi myndast pýrimídíntvenndir, sérstaklega týmíntvenndir; fólk með xeroderma pigmentosum getur ekki gert við skemmdirnar. Þær eru ekki lagfærðar vegna galla í ensímum kirnisútskurðarviðgerðar, en hjá venjulegum einstaklingum eru týmíntvenndirnar skornar burt og gallinn leiðréttur. Týmíntvenndirnar raska byggingu tvöfalda DNA-gormsins og það getur valdið vandamálum við eftirmyndun DNA. Fólk með xeroderma pigmentosum getur verið í meiri hættu á að fá húðkrabbamein en fólk sem hefur ekki sjúkdóminn.
Villur við eftirmyndun DNA eru ekki eina ástæðan fyrir því að stökkbreytingar verða í DNA. Stökkbreytingar, það er breytileiki í kirnaröð erfðamengis, geta einnig orðið vegna skemmda á DNA. Slíkar stökkbreytingar geta verið af tveimur gerðum: framkallaðar eða sjálfsprottnar. Framkallaðar stökkbreytingar stafa af útsetningu fyrir efnum, UV-geislum, röntgengeislum eða öðrum umhverfisþætti. Til dæmis uppgötvuðu Charlotte Auerbach og J. M. Robson stökkbreytandi áhrif sinnepsgass. Sjálfsprottnar stökkbreytingar verða án útsetningar fyrir umhverfisþætti; þær eru afleiðing náttúrulegra efnahvarfa sem eiga sér stað í líkamanum.
Stökkbreytingar geta haft margvísleg áhrif. Punktstökkbreytingar eru stökkbreytingar sem hafa áhrif á eitt basapar. Algengustu kirnisstökkbreytingarnar eru útskipti, þar sem einum basa er skipt út fyrir annan. Þessi útskipti geta verið af tveimur gerðum, annaðhvort jafngerð basaskipti eða víxlgerð basaskipti. Jafngerð basaskipti fela í sér að púríni eða pýrimídíni er skipt út fyrir basa af sömu gerð; til dæmis getur púríni eins og adeníni verið skipt út fyrir púrínið gúanín. Víxlgerð basaskipti fela í sér að púríni er skipt út fyrir pýrimídín, eða öfugt; til dæmis er sýtósíni, sem er pýrimídín, skipt út fyrir adenín, sem er púrín. Sumar punktstökkbreytingar sjást ekki í lokaafurðinni; þær kallast þöglar stökkbreytingar. Þöglar stökkbreytingar verða venjulega vegna útskipta í þriðja basa tákna, sem oft táknar sömu amínósýru og upprunalegi tákninn. Aðrar punktstökkbreytingar geta leitt til þess að ein amínósýra komi í stað annarrar, sem getur breytt virkni prótínsins. Punktstökkbreytingar sem mynda stöðvunartákna geta stöðvað próteinmyndun of snemma.
Sumar stökkbreytingar geta leitt til aukins fjölda afrita af sama tákna. Þær kallast útvíkkanir þríkirnaendurtekninga og leiða til endurtekinna svæða með sömu amínósýru. Stökkbreytingar geta einnig stafað af viðbót basa, sem kallast innskot, eða brottfalli basa, sem kallast úrfelling. Ef innskot eða úrfelling veldur breytingu á lesramma þýðingar, það er hliðrunarstökkbreytingu, er prótínið sem myndast yfirleitt óvirkt. Stundum getur DNA-bútur úr einum litningi færst yfir á annan litning eða á annað svæði á sama litningi; þetta kallast einnig yfirfærsla. Þessar gerðir stökkbreytinga eru sýndar á mynd 14.21.
Vitað er að stökkbreytingar í viðgerðargenum geta valdið krabbameini. Mörg stökkbreytt viðgerðargen hafa verið tengd ákveðnum gerðum briskrabbameins, ristilkrabbameins og ristil- og endaþarmskrabbameins. Stökkbreytingar geta haft áhrif á annaðhvort líkamsfrumur eða kynstofnfrumur. Ef margar stökkbreytingar safnast upp í líkamsfrumu geta þær leitt til vandamála eins og stjórnlausrar frumuskiptingar, sem sést í krabbameini. Ef stökkbreyting verður í kynstofnfrumum berst hún til næstu kynslóðar, eins og í tilfelli dreyrasýki og xeroderma pigmentosum.