If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Jeżeli jesteś za filtrem sieci web, prosimy, upewnij się, że domeny *.kastatic.org i *.kasandbox.org są odblokowane.

Główna zawartość

Kurs: Biologia > Rozdział 17

Lekcja 3: Replikacja DNA
Nauki przyrodnicze
Biologia
DNA jako materiał genetyczny
Replikacja DNA
© 2024 Khan AcademyWarunki użytkowaniapolitykę prywatnościInformacja o plikach cookie

Korekta i naprawa DNA

Google Classroom
Mechanizm naprawiający błędy podczas replikacji DNA i naprawy uszkodzeń DNA podczas życia komórek. Tłumaczenie na język polski zrealizowane przez Fundację Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji „HASCO-LEK".

Kluczowe punkty:

  • Komórki mają wiele mechanizmów przeciwdziałających mutacjom, czyli trwałym zmianom w sekwencji DNA.
  • Podczas syntezy DNA, większość polimeraz DNA "sprawdza swoją pracę", naprawiając większość źle sparowanych zasad w procesie nazywanym korektą lub naprawą.
  • Tuż po syntezie DNA, każda źle sparowana zasada może być wykryta i zastąpiona w procesie nazywanym naprawą źle sparowanych zasad DNA (MMR).
  • Jeśli DNA ulegnie uszkodzeniu, może być naprawione dzięki różnym mechanizmom, w tym chemiczną naprawę bezpośrednią, naprawę przez wycinanie zasad (BER) i naprawę uszkodzeń dwuniciowych.

Wprowadzenie

Co wspólnego ma nowotwór z DNA? Nowotwór pojawia się, kiedy komórki dzielą się w niekontrolowany sposób, ignorując normalne sygnały "stop" i tworząc nowotwór. To złe zachowanie jest powodowane przez nagromadzające się mutacje, czyli trwałe zmiany w DNA komórki.
Błędy replikacyjne i uszkodzenia DNA rzeczywiście zdarzają się w komórkach naszego ciała przez cały czas. W większości warunków, jednakże, nie powodują nowotworu, czy nawet mutacji. Dzieje się tak, ponieważ są zwykle wykrywane i naprawiane dzięki korekcie DNA i mechanizmom naprawy. Czyli jeśli uszkodzenie nie może zostać naprawione, komórka przechodzi programowaną śmierć komórki (apoptozę), aby uniknąć przekazania nieprawidłowego DNA.
Mutacje pojawiają się i są przekazywane komórkom potomnym tylko wtedy, gdy te mechanizmy zawiodą. Nowotwór z kolei rozwija się wtedy, gdy zostanie skumulowana większa ilość mutacji w genach związanych z podziałem w tej samej komórce.
W tym artykule, przyjrzymy się bliżej mechanizmom wykorzystywanym przez komórki do naprawy błędów replikacyjnych i uszkodzeń DNA, w tym:
  • Korekcie (ang. proofreading), która naprawia błędy podczas replikacji DNA
  • Naprawie źle sparowanych zasad DNA (MMR), która naprawia nieprawidłowo sparowane zasady tuż po replikacji DNA
  • Ścieżkom naprawy uszkodzeń DNA, które wykrywają i naprawiają uszkodzenia w trakcie trwania cyklu komórkowego

Korekta

Polimerazy DNA są enzymami, które tworzą DNA w komórkach. Podczas replikacji DNA (kopiowania), większość polimeraz DNA może "sprawdzać swoją pracę" wraz z każdą zasadą, którą dodaje. Ten proces nazywamy korektą. Jeśli polimeraza wykryje, że zły (nieprawidłowo sparowany) nukleotyd zostaje dodany, usunie go i zastąpi innym od razu, przed kontynuowaniem syntezy DNA1.
Korekta:
  1. Polimeraza DNA dodaje nową zasadę do końca 3' wydłużającego się, nowego łańcucha. (Matryca ma G i polimeraza nieprawidłowo dodaje T zamiast C do nowego łańcucha.)
  2. Polimeraza wykrywa, że zasady są źle sparowane.
  3. Polimeraza wykorzystuje aktywność 3' 5' egzonukleazy, aby usunąć nieprawidłowe T z końca 3' nowej nici.

Naprawa źle sparowanych zasad DNA (MMR)

Wiele błędów jest naprawionych podczas korekty, ale kilka prześlizguje się. Naprawa źle sparowanych zasad DNA (MMR) ma miejsce tuż po tym jak utworzone zostaje nowe DNA, i jej funkcją jest usunięcie i zastąpienie źle sparowanych zasad (tych, które nie zostały naprawione podczas korekty). Naprawa źle sparowanych zasad DNA (MMR) może także wykrywać i naprawiać małe insercje i delecje, które pojawiają się, kiedy polimeraza "ślizga się", tracąc swoją przyczepność na matrycy2.
Jak działa naprawa źle sparowanych zasad DNA? Po pierwsze, kompleks białek (grupa białek) rozpoznaje i przyłącza się do źle sparowanej zasady. Drugi kompleks tnie DNA blisko miejsca nieprawidłowego sparowania zasad i więcej enzymów wycina nieprawidłowy nukleotyd i sąsiadujący z nim kawałek DNA. Polimeraza DNA później zastępuje utraconą część prawidłowymi nukleotydami i enzym nazywany ligazą DNA spaja przerwy2.
Naprawa źle sparowanych zasad DNA (MMR).
  1. Złe parowanie jest wykrywane w nowo syntetyzowanym DNA. G w nowym łańcuchu paruje z T w nici matrycowej (starej).
  2. Nowa nić DNA jest nacinana i odcinek DNA zawierający nieprawidłowo sparowany nukleotyd i jego otoczenie jest usuwane.
  3. Brakujący odcinek jest zastępowany prawidłowymi nukleotydami przez polimerazę DNA.
  4. Ligaza DNA uszczelnia pozostającą przerwę w szkielecie DNA.
Jedną z rzeczy, nad którą możesz się zastanawiać jest to, jak białka zaangażowane w naprawę DNA mogą "powiedzieć, które jest prawidłowe" podczas naprawy źle sparowanych nukleotydów. To znaczy, kiedy dwie zasady są źle sparowane (jak G i T na powyższym rysunku), która z nich dwóch powinna zostać usunięta i zastąpiona inną?
W bakteriach, oryginalne i nowo utworzone nici DNA mogą zostać rozróżnione dzięki cesze nazywanej metylacją. Stare DNA ma grupy metylowe (−CH3) dołączone do niektórych zasad, kiedy nowo utworzona nić DNA jeszcze nie nabyła swoich grup metylowych3.
U eukariotów, procesy, które pozwalają na zidentyfikowanie oryginalnej nici w naprawie źle sparowanych zasad DNA obejmują rozpoznawanie pęknięć (przerw jednoniciowych), które znajdują się tylko na nowo syntetyzowanym DNA3.

Mechanizmy naprawy uszkodzeń DNA

Złe rzeczy mogą stać się DNA na niemal każdym etapie życia komórki, nie tylko podczas replikacji. W rzeczywistości Twój DNA jest uszkadzany przez cały czas przez czynniki zewnętrzne takie jak światło UV, związki chemiczne i promieniowanie rentgenowskie - nie wspominając już o spontanicznych reakcjach chemicznych, które dzieją się nawet bez wpływu środowiska!4
Na szczęście Twoje komórki mają mechanizmy naprawy, które wykrywają i naprawiają wiele rodzajów uszkodzeń DNA. Procesy naprawy, które pomagają naprawić uszkodzone DNA to:
  • Naprawa bezpośrednia: Niektóre reakcje chemiczne uszkadzające DNA mogą być bezpośrednio "cofnięte" przez enzymy w komórce.
  • Naprawa przez wycinanie: Uszkodzenie jednej lub kilku zasad DNA jest często naprawiane przez usunięcie (wycięcie) i zastąpienie uszkodzonego fragmentu. W naprawie przez wycinanie zasady (BER, ang. base-excision repair), usuwana jest tylko uszkodzona zasada. W naprawie przez wycinanie nukleotydu (NER, ang. nucleotide-excision repair), tak jak i w naprawie źle sparowanych zasad DNA (MMR), którą widzieliśmy powyżej, usuwany jest odcinek zasad.
  • Naprawa uszkodzeń dwuniciowych: Dwie główne ścieżki, łączenie niehomologicznych końców (NHEJ) i rekombinacja homologiczna, są wykorzystywane do naprawy pęknięć dwuniciowych w DNA (tych, które pojawiają się, gdy cały chromosom rozpada się na dwie części).

Odwracalność uszkodzeń

W niektórych wypadkach, komórka może łatwo naprawić uszkodzenie DNA przez odwrócenie reakcji chemicznej, która je spowodowała. Aby to zrozumieć, potrzebujemy zdać sobie sprawę, że "uszkodzenie DNA" często obejmuje tylko obecność dodatkowej grupy atomów przyłączonych do DNA przez reakcję chemiczną.
Na przykład, guanina (G) może ulegać reakcji, która dołącza grupę metylową (−CH3) do atomu tlenu w zasadzie. Guanina mająca grupę metylową, jeśli nie zostanie naprawiona, sparuje raczej z tyminą (T) niż z cytozyną (C) podczas replikacji DNA. Na szczęście, ludzie i wiele innych organizmów mają enzym, który usuwa grupę metylową, odwracając reakcję i przywracając prawidłową zasadę5.
Metylacja guaniny
Prawidłowa guanina ulega reakcji ze szkodliwym związkiem chemicznym, co powoduje, że grupa metylowa (−CH3) jest dodawana do tlenu karbonylowego znajdującego się w jednym z pierścieni zasady.
Grupa metylowa może być usuwana z uszkodzonej, metylowanej zasady przez enzym znajdujący się w komórce.
Schemat na podstawie podobnej ryciny z Cooper 5.

Naprawa przez wycinanie zasad (BER)

Naprawa przez wycinanie zasad jest mechanizmem wykorzystywanym do wykrywania i usuwania poszczególnych rodzajów uszkodzonych zasad. Grupa enzymów nazywana glikozylazami odgrywa kluczową rolę w naprawie przez wycinanie zasad. Każda glikozylaza wykrywa i usuwa specyficzny typ uszkodzonej zasady.
Na przykład, reakcja chemiczna nazywana deaminacją może przekształcić cytozynę do uracylu, zasady typowo znajdującej się tylko w RNA. Podczas replikacji DNA, uracyl paruje raczej z adeniną niż z guaniną (niż gdyby była nadal cytozyną), więc nieprawidłowa zmiana cytozyny na uracyl może prowadzić do mutacji5.
Aby zapobiec takim mutacjom, glikozylaza z naprawy przez wycinanie zasad wykrywa i usuwa deaminowaną cytozynę. Kiedy zasada zostaje usunięta, "puste" miejsce w szkielecie DNA jest także usuwane i przerwa jest wypełniana i zasklepiana przez inne enzymy6.
Naprawa przez wycinanie deaminowanej cytozyny.
  1. Deaminacja przekształca cytozynę do uracylu. To powoduje, że w podwójnej helisie, że G z jednej nici jest sparowane z U drugiej nici. U był wcześniej C, ale został zmieniony na U przez deaminację.
  2. Uracyl jest wykrywany i usuwany, pozostawiając nukleotyd bez zasady.
  3. Nukleotyd bez zasady jest usuwany, pozostawiając jednonukleotydową przerwę w szkielecie DNA.
  4. Przerwa jest wypełniana prawidłową zasadą przez polimerazę DNA i jest spajana przez ligazę.

Naprawa przez wycinanie nukleotydu

Naprawa przez wycinanie nukleotydu (NER) jest inną ścieżką wykorzystywaną do usuwania i zamiany uszkodzonych zasad azotowych. Naprawa przez wycinanie nukleotydu wykrywa i naprawia te rodzaje uszkodzeń, które zniekształcają podwójną helisę DNA. Na przykład, ta ścieżka wykrywa zasady, które zostały zmienione przez duże grupy chemiczne, takie jak te, które dołączają się do Twojego DNA, kiedy jest narażone na związki chemiczne obecne w dymie papierosowym7.
Naprawa przez wycinanie nukleotydu jest także wykorzystywana do naprawy niektórych uszkodzeń wywołanych przez UV, np. kiedy zażywasz kąpieli słonecznych. Promieniowanie UV może sprawić, że cytozyna i tymina będą reagować z sąsiadującymi zasadami, które są także C lub T, tworząc wiązania, które zniekształcają podwójną helisę i powodują błędy w replikacji DNA. Najbardziej powszechny rodzaj połączenia, dimer tyminy, składa się z dwóch tymin, które reagują ze sobą i stają się połączone chemicznie8.
Naprawa przez wycinanie nukleotydu dimeru tyminy.
  1. Promieniowanie UV powoduje dimery tyminy. W nim, dwie tyminy, które są obok siebie w tej samej nici łączą się przez reakcję chemiczną pomiędzy zasadami. To tworzy zniekształcenie w podwójnej helisie.
  2. Kiedy dimer zostaje wykryty, otaczające DNA jest otwierane, aby otrzymać oczko.
  3. Enzymy wycinają uszkodzony fragment (dimer tymin plus otaczający je region w tej samej nici) z oczka.
  4. Polimeraza DNA zastępuje usunięty (wycięty) DNA i ligaza spaja szkielet.
W naprawie przez wycinanie nukleotydu, uszkodzony nukleotyd(y) są usuwane wraz z otaczającą je częścią DNA. W tym procesie, helikaza (enzym otwierający helisę DNA) otwiera DNA tworząc oczko i enzym przecinający DNA wycina uszkodzoną część oczka. Polimeraza DNA zastępuje utracone DNA i ligaza DNA spaja przerwę w szkielecie nici9.

Naprawa uszkodzeń dwuniciowych

Niektóre rodzaje czynników środowiskowych, takie jak promieniowanie o wysokiej energii, może powodować dwuniciowe uszkodzenia DNA (pęknięcie chromosomu na dwie części). Jest to rodzaj uszkodzenia DNA połączony z prawdziwymi historiami w komiksach i z rzeczywistością taką jak katastrofy, np. ta w Czarnobylu.
Uszkodzenia dwuniciowe są niebezpieczne, ponieważ duże fragmenty chromosomów i setki genów, które one zawierają, mogą zostać utracone, jeśli przerwa nie zostanie naprawiona. Dwie ścieżki zaangażowane w naprawę uszkodzeń to niehomologiczne łączenie końców (NHEJ) i rekombinacja homologiczna.
W łączeniu niehomologicznych końców, dwa złamane końce chromosomu są prosto ponownie sklejane. Ten mechanizm naprawy jest "nieuporządkowany" i zwykle obejmuje utratę lub czasami dodanie kilku nukleotydów w miejscu przecięcia. Zatem, łączenie niehomologicznych końców zdaje się produkować mutacje, ale jest ona lepsza niż jej alternatywa (utrata całego ramienia chromosomu)10.
Uszkodzenie dwuniciowe może być naprawione przez niehomologiczne łączenie końców. Chromosom jest z powrotem "sklejany", zwykle z niewielką mutacją w miejscu pęknięcia.
Schemat w oparciu o podobny znajdujący się w Alberts et al.10
W rekombinacji homologicznej, informacja z chromosomu homologicznego, który pasuje do tego uszkodzonego (czyli z chromatydy siostrzanej, jeśli DNA zostało skopiowane) jest wykorzystywana do naprawy uszkodzenia. W tym procesie, dwa chromosomy homologiczne zbliżają się do siebie i nieuszkodzony fragment homologu czy chromatydy jest używany jako matryca do zamiany uszkodzonego regionu chromosomu. Rekombinacja homologiczna jest "czystsza" niż łączenie niehomologicznych końców i zwykle nie powoduje mutacji11.
Uszkodzenie dwuniciowe może być naprawione przez rekombinację homologiczną. Uszkodzony chromosom paruje ze swoim homologiem. Zniszczony fragment jest zastępowany dzięki rekombinacji, wykorzystując sekwencje skopiowane od homologu.
Schemat w oparciu o podobny znajdujący się w Alberts et al.10

Korekta i naprawa DNA w chorobach ludzkich

Dowody na znaczenie korekty i mechanizmów naprawy pochodzą z ludzkich chorób genetycznych. W wielu przypadkach, mutacje w genach, które kodują białka korekty i naprawy są związane z dziedzicznymi nowotworami (nowotworami, które są przekazywane z pokolenia na pokolenie). Na przykład:
  • Dziedziczny rak jelita grubego niezwiązany z polipowatością (także nazywany zespołem Lyncha) jest spowodowany przez mutacje w genach kodujących poszczególne białka naprawy źle sparowanych zasad12,13. Ponieważ źle sparowane zasady nie są naprawiane w ludzkich komórkach z tym zespołem, mutacje nagromadzają się dużo szybciej niż w komórkach osoby zdrowej. To prowadzi do rozwoju nowotworów jelita grubego.
  • Osoby ze skórą pergaminowatą barwnikową są niezwykle wrażliwi na światło UV. Ta choroba jest powodowana przez mutacje obejmujące naprawę przez wycinanie nukleotydów. Kiedy ta ścieżka nie działa, dimery tyminy i inne rodzaje uszkodzeń powodowanych przez UV nie mogą zostać naprawione. Ludzie ze skórą pergaminowatą barwnikową cierpią na dotkliwe poparzenia słoneczne od przebywania tylko kilku minut na słońcu i około połowa z nich rozwinie nowotwór skóry przed ukończeniem 10 roku życia, chyba że unikają słońca14.

Chcesz dołączyć do dyskusji?

Zaloguj się
Na razie brak głosów w dyskusji
Rozumiesz angielski? Kliknij tutaj, aby zobaczyć więcej dyskusji na angielskiej wersji strony Khan Academy.