معلومة

كيف بالضبط يكتشف DNA polymerase III قاعدة غير متطابقة؟


كيف بالضبط يكتشف DNA polymerase III قاعدة غير متطابقة؟ أعرف كيف يزيله ، عن طريق نشاط نوكلياز خارجي ، لكن كيف "يكتشفه" جزيئيًا في المقام الأول؟


كيف بالضبط يكتشف DNA polymerase III قاعدة غير متطابقة؟ - مادة الاحياء

يعد تكرار الحمض النووي عملية دقيقة للغاية ، ولكن يمكن أن تحدث أخطاء في بعض الأحيان ، مثل إدخال بوليميراز الحمض النووي قاعدة خاطئة. قد تؤدي الأخطاء غير المصححة أحيانًا إلى عواقب وخيمة ، مثل السرطان. آليات الإصلاح تصحح الأخطاء. في حالات نادرة ، لا يتم تصحيح الأخطاء ، مما يؤدي إلى حدوث طفرات في حالات أخرى ، تكون إنزيمات الإصلاح نفسها متحولة أو معيبة.

يتم تصحيح معظم الأخطاء أثناء تكرار الحمض النووي على الفور بواسطة بوليميراز الحمض النووي عن طريق التدقيق اللغوي للقاعدة التي تمت إضافتها للتو (الشكل 1). في التدقيق اللغوي، يقوم DNA pol بقراءة القاعدة المضافة حديثًا قبل إضافة القاعدة التالية ، لذلك يمكن إجراء تصحيح. يتحقق البوليميراز مما إذا كانت القاعدة المضافة حديثًا قد تم إقرانها بشكل صحيح مع القاعدة الموجودة في حبلا القالب. إذا كانت القاعدة الصحيحة ، يضاف النيوكليوتيد التالي. إذا تمت إضافة قاعدة غير صحيحة ، يقوم الإنزيم بعمل قطع في رابطة الفوسفوديستر ويطلق النوكليوتيدات الخاطئة. يتم تنفيذ ذلك عن طريق عمل نوكلياز خارجي لـ DNA pol III. بمجرد إزالة النيوكليوتيدات غير الصحيحة ، ستتم إضافة واحدة جديدة مرة أخرى.

الشكل 1. التصحيح اللغوي بواسطة بوليميراز الحمض النووي يصحح الأخطاء أثناء النسخ المتماثل.

لا يتم تصحيح بعض الأخطاء أثناء النسخ المتماثل ، ولكن بدلاً من ذلك يتم تصحيحها بعد اكتمال النسخ المتماثل ، يُعرف هذا النوع من الإصلاح باسم إصلاح عدم التطابق (الشكل 2). تتعرف الإنزيمات على النيوكليوتيدات المضافة بشكل غير صحيح وتستأصله ثم يتم استبداله بالقاعدة الصحيحة. إذا ظل هذا غير مصحح ، فقد يؤدي إلى مزيد من الضرر الدائم. كيف تتعرف إنزيمات إصلاح عدم التطابق على أي من القاعدتين غير صحيح؟ في بكتريا قولونية، بعد التكرار ، يكتسب الأدينين الأساسي النيتروجيني مجموعة ميثيل ، وستحتوي خيوط الحمض النووي الأبوي على مجموعات ميثيل ، في حين أن الشريط المركب حديثًا يفتقر إليها. وبالتالي ، فإن بوليميراز الدنا قادر على إزالة القواعد المدمجة بشكل خاطئ من الخيط المركب حديثًا وغير الميثيلي. في حقيقيات النوى ، الآلية ليست مفهومة جيدًا ، ولكن يُعتقد أنها تتضمن التعرف على النكات غير المختومة في الخيط الجديد ، بالإضافة إلى ارتباط مستمر قصير المدى لبعض بروتينات النسخ مع حبلا الابنة الجديدة بعد اكتمال النسخ المتماثل .

الشكل 2. في إصلاح عدم التطابق ، يتم الكشف عن القاعدة المضافة بشكل غير صحيح بعد النسخ المتماثل. تكتشف بروتينات إصلاح عدم التطابق هذه القاعدة وتزيلها من الخيط المركب حديثًا عن طريق عمل نوكلياز. تمتلئ الفجوة الآن بالقاعدة المقترنة بشكل صحيح.

في نوع آخر من آلية الإصلاح ، إصلاح الختان النوكليوتيدات، تحل الإنزيمات محل القواعد غير الصحيحة عن طريق إجراء قطع على طرفي القاعدة غير الصحيحة 3 & # 8242 و 5 & # 8242 (الشكل 3). تتم إزالة جزء من الحمض النووي واستبداله بالنيوكليوتيدات المقترنة بشكل صحيح عن طريق عمل DNA pol. بمجرد ملء القواعد ، يتم سد الفجوة المتبقية بوصلة فوسفوديستر محفزة بواسطة DNA ligase. غالبًا ما يتم استخدام آلية الإصلاح هذه عندما يتسبب التعرض للأشعة فوق البنفسجية في تكوين ثنائيات بيريميدين.

الشكل 3. استئصال النوكليوتيدات يصلح ثايمين الثايمين. عند التعرض للأشعة فوق البنفسجية ، يمكن أن يشكل الثايمين المتاخم لبعضه ثايمين الثايمين. في الخلايا الطبيعية ، يتم استئصالها واستبدالها.


كيف بالضبط يكتشف DNA polymerase III قاعدة غير متطابقة؟ - مادة الاحياء

يعد تكرار الحمض النووي عملية دقيقة للغاية ، ولكن يمكن أن تحدث أخطاء في بعض الأحيان ، مثل إدخال بوليميراز الحمض النووي قاعدة خاطئة. قد تؤدي الأخطاء غير المصححة أحيانًا إلى عواقب وخيمة ، مثل السرطان. آليات الإصلاح تصحح الأخطاء. في حالات نادرة ، لا يتم تصحيح الأخطاء ، مما يؤدي إلى حدوث طفرات في حالات أخرى ، تكون إنزيمات الإصلاح نفسها متحولة أو معيبة.

يتم تصحيح معظم الأخطاء أثناء تكرار الحمض النووي على الفور بواسطة بوليميراز الحمض النووي عن طريق التدقيق اللغوي للقاعدة التي تمت إضافتها للتو (الشكل 1). في التدقيق اللغوي، يقوم DNA pol بقراءة القاعدة المضافة حديثًا قبل إضافة القاعدة التالية ، لذلك يمكن إجراء تصحيح. يتحقق البوليميراز مما إذا كانت القاعدة المضافة حديثًا قد تم إقرانها بشكل صحيح مع القاعدة الموجودة في حبلا القالب. إذا كانت القاعدة الصحيحة ، يضاف النيوكليوتيد التالي. إذا تمت إضافة قاعدة غير صحيحة ، يقوم الإنزيم بعمل قطع في رابطة الفوسفوديستر ويطلق النوكليوتيدات الخاطئة. يتم تنفيذ ذلك عن طريق عمل نوكلياز خارجي لـ DNA pol III. بمجرد إزالة النيوكليوتيدات غير الصحيحة ، ستتم إضافة واحدة جديدة مرة أخرى.

الشكل 1. التصحيح اللغوي بواسطة بوليميراز الحمض النووي يصحح الأخطاء أثناء النسخ المتماثل.

لا يتم تصحيح بعض الأخطاء أثناء النسخ المتماثل ، ولكن بدلاً من ذلك يتم تصحيحها بعد اكتمال النسخ المتماثل ، يُعرف هذا النوع من الإصلاح باسم إصلاح عدم التطابق (الشكل 2). تتعرف الإنزيمات على النيوكليوتيدات المضافة بشكل غير صحيح وتستأصله ثم يتم استبداله بالقاعدة الصحيحة. إذا ظل هذا غير مصحح ، فقد يؤدي إلى مزيد من الضرر الدائم. كيف تتعرف إنزيمات إصلاح عدم التطابق على أي من القاعدتين غير صحيح؟ في بكتريا قولونية، بعد التكرار ، يكتسب الأدينين القاعدي النيتروجيني مجموعة ميثيل ، حيث سيحتوي خيط الحمض النووي الأبوي على مجموعات ميثيل ، في حين أن الشريط المركب حديثًا يفتقر إليها. وبالتالي ، فإن بوليميراز الدنا قادر على إزالة القواعد المدمجة بشكل خاطئ من الخيط المركب حديثًا وغير الميثيلي. في حقيقيات النوى ، الآلية ليست مفهومة جيدًا ، ولكن يُعتقد أنها تتضمن التعرف على النكات غير المختومة في الخيط الجديد ، بالإضافة إلى ارتباط مستمر قصير المدى لبعض بروتينات النسخ مع حبلا الابنة الجديدة بعد اكتمال النسخ المتماثل .

الشكل 2. في إصلاح عدم التطابق ، يتم الكشف عن القاعدة المضافة بشكل غير صحيح بعد النسخ المتماثل. تكتشف بروتينات إصلاح عدم التطابق هذه القاعدة وتزيلها من الخيط المركب حديثًا عن طريق عمل نوكلياز. تمتلئ الفجوة الآن بالقاعدة المقترنة بشكل صحيح.

في نوع آخر من آلية الإصلاح ، إصلاح الختان النوكليوتيدات، تحل الإنزيمات محل القواعد غير الصحيحة عن طريق إجراء قطع على طرفي القاعدة غير الصحيحة 3 & # 8242 و 5 & # 8242 (الشكل 3).

الشكل 3. استئصال النوكليوتيدات يصلح ثايمين الثايمين. عند التعرض للأشعة فوق البنفسجية ، يمكن أن يشكل الثايمين المتاخم لبعضه ثايمين الثايمين. في الخلايا الطبيعية ، يتم استئصالها واستبدالها.

تتم إزالة جزء الحمض النووي واستبداله بالنيوكليوتيدات المقترنة بشكل صحيح عن طريق عمل DNA pol. بمجرد ملء القواعد ، يتم سد الفجوة المتبقية بوصلة فوسفوديستر محفزة بواسطة DNA ligase. غالبًا ما يتم استخدام آلية الإصلاح هذه عندما يتسبب التعرض للأشعة فوق البنفسجية في تكوين ثنائيات بيريميدين.


إصلاح الحمض النووي

يعد تكرار الحمض النووي عملية دقيقة للغاية ، ولكن يمكن أن تحدث أخطاء في بعض الأحيان ، مثل إدخال بوليميراز الحمض النووي قاعدة خاطئة. قد تؤدي الأخطاء غير المصححة أحيانًا إلى عواقب وخيمة ، مثل السرطان. آليات الإصلاح تصحح الأخطاء. في حالات نادرة ، لا يتم تصحيح الأخطاء ، مما يؤدي إلى حدوث طفرات في حالات أخرى ، تكون إنزيمات الإصلاح نفسها متحولة أو معيبة.

يتم تصحيح معظم الأخطاء أثناء تكرار الحمض النووي على الفور بواسطة بوليميراز الحمض النووي عن طريق التدقيق اللغوي للقاعدة التي تمت إضافتها للتو (الشكل 1). في التدقيق اللغوي ، يقرأ DNA pol القاعدة المضافة حديثًا قبل إضافة القاعدة التالية ، بحيث يمكن إجراء التصحيح. يتحقق البوليميراز مما إذا كانت القاعدة المضافة حديثًا قد تم إقرانها بشكل صحيح مع القاعدة الموجودة في حبلا القالب. إذا كانت القاعدة الصحيحة ، يضاف النيوكليوتيد التالي. إذا تمت إضافة قاعدة غير صحيحة ، يقوم الإنزيم بعمل قطع في رابطة الفوسفوديستر ويطلق النوكليوتيدات الخاطئة. يتم تنفيذ ذلك عن طريق عمل نوكلياز خارجي لـ DNA pol III. بمجرد إزالة النوكليوتيدات غير الصحيحة ، ستتم إضافة واحدة جديدة مرة أخرى (شكل 1).

الشكل 1 الشكل 1 يصحح التصحيح اللغوي بواسطة بوليميراز الحمض النووي الأخطاء أثناء النسخ المتماثل. رصيد الصورة Madeline Price Ball Wikimedia.

لا يتم تصحيح بعض الأخطاء أثناء النسخ المتماثل ، ولكن بدلاً من ذلك يتم تصحيحها بعد اكتمال النسخ المتماثل ، يُعرف هذا النوع من الإصلاح باسم إصلاح عدم التطابق (الشكل 2). تتعرف الإنزيمات على النيوكليوتيدات المضافة بشكل غير صحيح وتستأصله ثم يتم استبداله بالقاعدة الصحيحة. إذا ظل هذا غير مصحح ، فقد يؤدي إلى مزيد من الضرر الدائم. كيف تتعرف إنزيمات إصلاح عدم التطابق على أي من القاعدتين غير صحيح؟ في بكتريا قولونية، بعد التكرار ، يكتسب الأدينين الأساسي النيتروجيني مجموعة ميثيل (CH3) سيحتوي خيط الحمض النووي الأبوي على مجموعات ميثيل ، في حين أن الشريط المركب حديثًا يفتقر إليها. وبالتالي ، فإن بوليميراز الدنا قادر على إزالة القواعد المدمجة بشكل خاطئ من الخيط المركب حديثًا وغير الميثيلي. في حقيقيات النوى ، الآلية ليست مفهومة جيدًا ، ولكن يُعتقد أنها تتضمن التعرف على النكات غير المختومة في الخيط الجديد ، بالإضافة إلى ارتباط مستمر قصير المدى لبعض بروتينات النسخ مع حبلا الابنة الجديدة بعد اكتمال النسخ المتماثل .

الشكل 2 في إصلاح عدم التطابق ، يتم الكشف عن القاعدة المضافة بشكل غير صحيح بعد النسخ المتماثل. تكتشف بروتينات إصلاح عدم التطابق هذه القاعدة وتزيلها من الخيط المركب حديثًا عن طريق عمل نوكلياز. تمتلئ الفجوة الآن بالقاعدة المقترنة بشكل صحيح.

في نوع آخر من آلية الإصلاح ، إصلاح الختان النوكليوتيدات، تحل الإنزيمات محل القواعد غير الصحيحة عن طريق إجراء قطع على طرفي القاعدة غير الصحيحة 3 & # 8242 و 5 & # 8242 (الشكل 3). تتم إزالة جزء الحمض النووي واستبداله بالنيوكليوتيدات المقترنة بشكل صحيح عن طريق عمل DNA pol. بمجرد ملء القواعد ، يتم سد الفجوة المتبقية بوصلة فوسفوديستر محفزة بواسطة DNA ligase. غالبًا ما يتم استخدام آلية الإصلاح هذه عندما يتسبب التعرض للأشعة فوق البنفسجية في تكوين ثايمين ثايمين ثايمين (صغير & # 8211 يربط بين الطرفين في الشكل 3).

الشكل 3 يعمل ختان النوكليوتيدات على إصلاح ثايمين الثايمين. عند التعرض للأشعة فوق البنفسجية ، يمكن أن يشكل الثايمين المتاخم لبعضه ثايمين الثايمين. في الخلايا الطبيعية ، يتم استئصالها واستبدالها.

يظهر مثال مدروس جيدًا على الأخطاء التي لم يتم تصحيحها في الأشخاص الذين يعانون من جفاف الجلد الصباغي (الشكل 4). الأفراد المصابون لديهم بشرة شديدة الحساسية للأشعة فوق البنفسجية من الشمس. عندما يتعرض الأفراد للأشعة فوق البنفسجية ، فإن ثنائيات البيريميدين ، خاصة تلك الموجودة في الثايمين ، تتكون من أشخاص مصابين بجفاف الجلد الصباغي غير قادرين على إصلاح الضرر. لا يتم إصلاح هذه بسبب خلل في إنزيمات إصلاح استئصال النوكليوتيدات ، بينما في الأفراد العاديين ، يتم استئصال ثايمين الثايمين وتصحيح الخلل. تشوه ثايمرات الثايمين بنية الحلزون المزدوج للحمض النووي ، وهذا قد يسبب مشاكل أثناء تكرار الحمض النووي. الأشخاص المصابون بجفاف الجلد الصباغي أكثر عرضة للإصابة بسرطان الجلد من أولئك الذين لا يعانون من هذه الحالة.

الشكل 4 Xeroderma pigmentosa هي حالة لا يتم فيها إصلاح ثايمين الثايمين من التعرض للأشعة فوق البنفسجية. يؤدي التعرض لأشعة الشمس إلى حدوث آفات جلدية. (الائتمان: جيمس هالبيرن وآخرون)

الأخطاء أثناء تكرار الحمض النووي ليست السبب الوحيد لظهور الطفرات في الحمض النووي. يمكن أن تحدث الطفرات ، الاختلافات في تسلسل النيوكليوتيدات في الجينوم ، أيضًا بسبب تلف الحمض النووي. قد تكون هذه الطفرات من نوعين: مستحثة أو عفوية. الطفرات المستحثة هي تلك التي تنتج عن التعرض ل مطفر: المواد الكيميائية أو الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة السينية أو بعض العوامل البيئية الأخرى. الطفرات العفوية تحدث دون التعرض لأي عامل بيئي فهي نتيجة تفاعلات طبيعية تحدث داخل الجسم.

قد يكون للطفرات مجموعة واسعة من التأثيرات. لم يتم التعبير عن بعض الطفرات وهي معروفة باسم الطفرات الصامتة. يمكن أن يكون للطفرات الأخرى تأثيرات خطيرة على الكائن الحي (مثل الطفرة التي تسبب جفاف الجلد الصباغي.

من المعروف أن الطفرات في جينات الإصلاح تسبب السرطان. تم ربط العديد من جينات الإصلاح الطافرة بأشكال معينة من سرطان البنكرياس وسرطان القولون وسرطان القولون والمستقيم. يمكن أن تؤثر الطفرات على الخلايا الجسدية أو الأمشاج. إذا تراكمت العديد من الطفرات في خلية جسدية ، فقد تؤدي إلى مشاكل مثل الانقسام الخلوي غير المنضبط الذي لوحظ في السرطان. إذا حدثت طفرة في الأمشاج ، فيمكن أن تنتقل الطفرة إلى الجيل التالي.


يتوسط MMR إشارات تلف الحمض النووي

نقص MMR ومقاومة الأدوية

العوامل المدمرة للحمض النووي مثل العوامل المؤلكلة ن-الميثيل-ن'-نيترو-ننيتروسوجوانيدين (MNNG) ، تيموزولوميد ، أو بروكاربازين هي عوامل سامة للخلايا تقتل معظم الخلايا المتكاثرة. العديد من علاجات السرطان هي عوامل سامة للجينات وسامة للخلايا تؤدي إلى موت الخلايا المبرمج. ومن المثير للاهتمام أن العديد من الخلايا التي تكتسب مقاومة لمثل هذه العوامل تعاني من نقص في معدل وفيات الأمهات. على سبيل المثال ، خط الخلية اللمفاوية البشرية MTI ، الذي لديه عيب في hmsh6، عن طريق زراعة خلايا TK6 في وجود تركيز عالٍ من MNNG. تكون خلايا MT1 الناتجة المقاومة لـ MNNG معيبة في MMR 76 الخاص بالحبلا. العديد من خطوط خلايا سرطان القولون والمستقيم البشرية مقاومة أيضًا للعوامل المؤلكلة ولها عيوب مرتبطة بـ MMR. تظهر العلاقة السببية بين مقاومة الأدوية و MMR من خلال حقيقة ذلك hMLH1- الخلايا المعيبة المقاومة لـ MNNG تفقد مقاومة الأدوية عندما hMLH1 يكمل العيب وراثيا من النوع البري hMLH1 على الكروموسوم 3 77. وقد لوحظ أيضًا أن العيوب في MSH2 و PMS2 تضفي مقاومة للعوامل المؤلكلة (تمت مراجعتها في 78). تتم مناقشة الآلية التي من خلالها تؤثر MMR على السمية الخلوية للأدوية بشكل أكبر أدناه.

ارتبطت مقاومة الميثوتريكسات (MTX) أيضًا بالتغيرات المظهرية في MMR في الخلايا البشرية. يحدث هذا من خلال آلية غير عادية للتضخيم المشترك لمنطقة الكروموسومات البشرية التي ترمز اختزال ثنائي هيدروفولات (DHFR ، هدف MTX) و hmsh3 79 ، 80. تضخيم DHFR يقلل من الحساسية تجاه MTX عن طريق الإفراط في التعبير عن الهدف من الدواء. ومع ذلك ، الإفراط في التعبير عن hmsh3 عازلات hMSH2 في مغاير hMutSβ ، تمنع بشكل فعال تشكيل مغاير hMutSα (hMSH2 / hMSH6) ، مما يؤدي إلى تدهور hMSH6 غير المعقد ، وعدم تنظيم كبير لـ MMR والقدرة على التحمل المفرط 81 ، 82. من المحتمل أن يكون الإفراط في التعبير عن DHFR جنبًا إلى جنب مع قابلية التحور المفرط على مستوى الجينوم و MMR المعيب مسؤولاً عن مقاومة MTX لـ HL60 وخلايا الورم الأخرى.

تعمل بروتينات MMR على تعزيز توقف الدورة الخلوية الناجم عن تلف الحمض النووي وموت الخلايا المبرمج

يعد توقيف دورة الخلية آلية مهمة لمنع عدم الاستقرار الجيني الناجم عن تلف الحمض النووي. حدد عدد كبير من الدراسات ما يسمى بنقاط فحص الطور G2 أو S ، وحدد البروتينات المطلوبة لتوقف دورة الخلية ، بما في ذلك ATM و ATR و p53 و p73 و Chk1 و Chk2. ومع ذلك ، كان اكتشافًا غير متوقع إلى حد ما أن الخلايا التي تعاني من نقص hMutSα- و hMutLα معيبة في توقف دورة الخلية استجابة لأنواع متعددة من العوامل الضارة بالحمض النووي 6 ، 7 ، 83. في حين أن الأساس الجزيئي لهذا التأثير غير معروف بدقة ، فقد تم الإبلاغ عن أن الخلايا التي تعاني من نقص MMR تفشل في فسفرة p53 و p73 استجابة لتلف الحمض النووي 84 ، 85. يشير هذا إلى أجهزة الصراف الآلي و / أو ATR و / أو c-Abl ، لأن هذه الكينازات فسفوريلات p53 و p73 أثناء الاستجابة لتلف الحمض النووي 85 ، 86. لدعم ذلك ، تم الإبلاغ عن تفاعل hMutSα و hMutLα جسديًا مع أجهزة الصراف الآلي و ATR-ARTIP و c-Abl و p73 في الخلايا المعالجة بعوامل / أدوية مدمرة للحمض النووي 83 ، 87 ، 88 ، 89. تشير هذه الملاحظات إلى hMutSα و hMutLα في سلسلة إشارات تؤدي من تلف الحمض النووي إلى توقف دورة الخلية و / أو موت الخلايا المبرمج. كما أنها تشرح جزئيًا على الأقل حقيقة أن السمية الخلوية التي يسببها الدواء تُفقد في الخلايا التي تعاني من نقص في MMR ، كما نوقش أعلاه 6. في الآونة الأخيرة ، ثبت أن EXO1 ضروري للتحريض الأولي لاستجابة تلف الحمض النووي ، ربما عن طريق تقليل تكوين ssDNA وتجنيد RPA و ATR في موقع الضرر 90. يبقى أن نرى ما إذا كان MutSα و / أو MutLα يعملان لتجنيد EXO1 في استجابة تلف الحمض النووي كما يفعلون في MMR.

تم اقتراح نموذجين لوصف دور MMR في إشارات تلف الحمض النووي. يقترح نموذج "دورة إصلاح الحمض النووي غير المجدية" (الشكل 2 ، على اليسار) أن MMR الخاص بالشريط ، والذي يستهدف الحمض النووي المتماثل حديثًا فقط ، ينخرط في دورة إصلاح الحمض النووي غير المجدية عندما يواجه آفات الحمض النووي في حبلا القالب ، وينشط هذا التدوير غير المجدي مسارات إشارات تلف الحمض النووي للحث على إيقاف دورة الخلية والاستماتة 6. جاء الدعم لهذا النموذج من كليهما في الجسم الحي و في المختبر التجارب. ستوجيك وآخرون. أظهر 86 أن التعرض لـ MNNG يؤدي إلى حدوث فواصل / فجوات في الحمض النووي ، وتوقف دورة الخلية ، والبؤر النووية الثابتة في مواقع تلف الحمض النووي. تحتوي بؤر الإصلاح المرتبطة بتلف الحمض النووي على كل من إشارات التلف وبروتينات إصلاح الحمض النووي ، بما في ذلك ATR و γ-H2AX و RPA. أظهر يورك ومودريتش 91 أن الحمض النووي البلازميد المضاعف الدائري المكسور الذي يحتوي على O 6 -methylguanine (O 6 -me-G) -thymine (T) لا يمكن إصلاحه بواسطة نظام MMR عندما تكون الآفة (O 6 -me-G) والنيك على خيوط متقابلة وهذا يشير إلى عملية إصلاح غير مجدية. نموذج بديل ، يُشار إليه بنموذج الإشارة المباشر (الشكل 2 ، على اليمين) ، يجادل بأن hMutSα / hMutLα يؤدي مباشرة إلى إشارات تلف الحمض النووي عن طريق تجنيد ATM أو ATR / ARTIP إلى الآفة ، مما ينشط استجابة نقطة التفتيش. هذا النموذج مدعوم بدراسة أنيقة من مختبر Hsieh تظهر أن ATR و ATRIP يشكلان معقدًا مع MutSα / MutLα في وجود O 6 -me-G / T ، والذي ينشط ATR kinase و phosphorylates Chk1 89. نظرًا لأن بروتينات MMR في الثدييات تتفاعل مع مجموعة واسعة من آفات الحمض النووي 6 ، فإن هذا النموذج يتوافق مع الفكرة القائلة بأن MutSα / MutLα يعمل كمستشعر لتلف الحمض النووي في خلايا الثدييات. يقدم كلا النموذجين تفسيراً معقولاً لانخفاض إشارات موت الخلايا المبرمج التي يسببها تلف الحمض النووي وزيادة مقاومة الأدوية في الخلايا التي تعاني من نقص MMR.

نماذج لإشارات تلف الحمض النووي المعتمدة على MMR. يشير نموذج "دورة إصلاح الحمض النووي غير المجدية" (على اليسار) إلى أن تقاربات الحمض النووي (الدائرة السوداء الصلبة) تؤدي إلى التداخل الخاطئ ، مما يؤدي إلى تفاعل MMR الخاص بالشريط. نظرًا لأن MMR يستهدف فقط الخيط المركب حديثًا للإصلاح ، فلا يمكن إزالة التقريب المخالف في حبلا القالب ، وسيؤدي إلى دورة جديدة من MMR عند إعادة تركيب الإصلاح. تستمر دورة الإصلاح غير المجدية هذه وتنشط شبكة إشارات تلف ATR و / أو ATM لتعزيز إيقاف دورة الخلية و / أو موت الخلية المبرمج. يقترح نموذج الإشارة المباشرة أن التعرف على مقاربات الحمض النووي بواسطة مجمعات MSH-MLH يسمح للبروتينات بتجنيد ATR و / أو ATM إلى الموقع ، مما يؤدي إلى تنشيط إشارات الضرر المصب.


كيف بالضبط يكتشف DNA polymerase III قاعدة غير متطابقة؟ - مادة الاحياء

يتم تصحيح معظم الأخطاء أثناء النسخ المتماثل بواسطة بوليميراز الحمض النووي أثناء النسخ المتماثل أو عن طريق آليات الإصلاح بعد النسخ المتماثل.

أهداف التعلم

اشرح كيف يتم إصلاح الأخطاء أثناء النسخ المتماثل

الماخذ الرئيسية

النقاط الرئيسية

  • تتعرف إنزيمات إصلاح عدم التطابق على القواعد المدمجة بشكل خاطئ ، وتزيلها من الحمض النووي ، وتستبدلها بالقواعد الصحيحة.
  • في إصلاح استئصال النوكليوتيدات ، تزيل الإنزيمات القواعد غير الصحيحة مع عدد قليل من القواعد المحيطة ، والتي يتم استبدالها بالقواعد الصحيحة بمساعدة بوليميريز الحمض النووي والقالب DNA.
  • عندما لا يتم تصحيح أخطاء النسخ المتماثل ، فإنها قد تؤدي إلى حدوث طفرات ، والتي يمكن أن يكون لها في بعض الأحيان عواقب وخيمة.
  • يمكن أن تكون الطفرات النقطية ، التي يتم استبدال قاعدة بها بأخرى ، صامتة (بدون تأثير) أو قد يكون لها تأثيرات تتراوح من خفيفة إلى شديدة.
  • قد تتضمن الطفرات أيضًا عمليات إدخال (إضافة قاعدة) ، أو حذف (فقدان قاعدة) ، أو انتقال (نقل قسم DNA إلى موقع جديد على نفس الكروموسوم أو آخر).

الشروط الاساسية

  • إصلاح عدم التطابق: نظام للتعرف على وإصلاح بعض أشكال تلف الحمض النووي والإدخال الخاطئ أو الحذف أو سوء دمج القواعد التي يمكن أن تنشأ أثناء تكرار الحمض النووي وإعادة التركيب
  • إصلاح الختان النوكليوتيدات: آلية إصلاح الحمض النووي التي تصحح الضرر الذي تسببه الأشعة فوق البنفسجية ، بما في ذلك ثايمين الثايمين و 6،4 من المنتجات الضوئية التي تسبب تشوهات ضخمة في الحمض النووي

أخطاء أثناء النسخ المتماثل

يعد تكرار الحمض النووي عملية دقيقة للغاية ، ولكن يمكن أن تحدث أخطاء في بعض الأحيان كما يحدث عندما يقوم بوليميراز الحمض النووي بإدخال قاعدة خاطئة. قد تؤدي الأخطاء غير المصححة أحيانًا إلى عواقب وخيمة ، مثل السرطان. يمكن لآليات الإصلاح تصحيح الأخطاء ، ولكن في حالات نادرة لا يتم تصحيح الأخطاء ، مما يؤدي إلى حدوث طفرات في حالات أخرى ، تكون إنزيمات الإصلاح نفسها متحولة أو معيبة.

الطفرات: في هذا التفاعل التفاعلي ، يمكنك & # 8220 تعديل & # 8221 خيط DNA وتسبب طفرة. الق نظرة على التأثيرات!

يتم تصحيح معظم الأخطاء أثناء تكرار الحمض النووي على الفور بواسطة بوليميراز الحمض النووي الذي يراجع القاعدة التي تمت إضافتها للتو. في التدقيق اللغوي ، يقرأ DNA pol القاعدة المضافة حديثًا قبل إضافة القاعدة التالية حتى يمكن إجراء التصحيح. يتحقق البوليميراز مما إذا كانت القاعدة المضافة حديثًا قد تم إقرانها بشكل صحيح مع القاعدة الموجودة في حبلا القالب. إذا كانت القاعدة الصحيحة ، يضاف النيوكليوتيد التالي. إذا تمت إضافة قاعدة غير صحيحة ، يقوم الإنزيم بعمل قطع في رابطة الفوسفوديستر ويطلق النيوكليوتيدات غير الصحيحة. يتم تنفيذ ذلك عن طريق عمل نوكلياز خارجي لـ DNA pol III. بمجرد إزالة النيوكليوتيدات غير الصحيحة ، ستتم إضافة واحدة جديدة مرة أخرى.

تنقيح بوليميراز الحمض النووي: تصحيح الأخطاء اللغوية بواسطة بوليميراز DNA يصحح الأخطاء أثناء النسخ المتماثل.

لا يتم تصحيح بعض الأخطاء أثناء النسخ المتماثل ، ولكن بدلاً من ذلك يتم تصحيحها بعد اكتمال النسخ المتماثل ، يُعرف هذا النوع من الإصلاح باسم إصلاح عدم التطابق. تتعرف الإنزيمات على النيوكليوتيدات المضافة بشكل غير صحيح وتستأصله ثم يتم استبداله بالقاعدة الصحيحة. إذا ظل هذا غير مصحح ، فقد يؤدي إلى مزيد من الضرر الدائم. كيف تتعرف إنزيمات إصلاح عدم التطابق على أي من القاعدتين غير صحيح؟ في بكتريا قولونية، بعد التكرار ، يكتسب الأدينين القاعدي النيتروجيني مجموعة ميثيل ، حيث سيحتوي خيط الحمض النووي الأبوي على مجموعات ميثيل ، في حين أن الشريط المركب حديثًا يفتقر إليها. وبالتالي ، فإن بوليميراز الحمض النووي قادر على إزالة القواعد المدمجة بشكل غير صحيح من الخيط غير الميثيلي المركب حديثًا. في حقيقيات النوى ، الآلية ليست مفهومة جيدًا ، ولكن يُعتقد أنها تتضمن التعرف على النكات غير المختومة في الخيط الجديد ، بالإضافة إلى ارتباط مستمر قصير المدى لبعض بروتينات النسخ مع حبلا الابنة الجديدة بعد التكرار. منجز.

إصلاح عدم التطابق: في إصلاح عدم التطابق ، يتم الكشف عن القاعدة المضافة بشكل غير صحيح بعد النسخ المتماثل. تكتشف بروتينات إصلاح عدم التطابق هذه القاعدة وتزيلها من الخيط المركب حديثًا عن طريق عمل نوكلياز. تمتلئ الفجوة الآن بالقاعدة المقترنة بشكل صحيح.

في نوع آخر من آلية الإصلاح ، إصلاح استئصال النوكليوتيدات ، تحل الإنزيمات محل القواعد غير الصحيحة عن طريق إجراء قطع على طرفي القاعدة غير الصحيحة 3 & # 8242 و 5 & # 8242. تتم إزالة جزء من الحمض النووي واستبداله بالنيوكليوتيدات المزاوجة بشكل صحيح عن طريق عمل DNA pol. بمجرد ملء القواعد ، يتم سد الفجوة المتبقية بوصلة فوسفوديستر محفزة بواسطة DNA ligase. غالبًا ما يتم استخدام آلية الإصلاح هذه عندما يتسبب التعرض للأشعة فوق البنفسجية في تكوين ثنائيات بيريميدين.

DNA Ligase I يصلح تلف الكروموسومات: يحدث تلف الحمض النووي ، بسبب العوامل البيئية وعمليات التمثيل الغذائي الطبيعية داخل الخلية ، بمعدل 1،000 إلى 1،000،000 آفة جزيئية لكل خلية يوميًا. يحيط إنزيم خاص ، DNA ligase (كما هو موضح هنا بالألوان) ، الحلزون المزدوج لإصلاح خيط مكسور من الحمض النووي. يعد DNA ligase مسؤولاً عن إصلاح الملايين من فواصل الحمض النووي التي تم إنشاؤها خلال المسار الطبيعي لحياة الخلية & # 8217s. بدون الجزيئات التي يمكنها إصلاح مثل هذه الفواصل ، يمكن للخلايا أن تتعطل أو تموت أو تصبح سرطانية. تحفز ليجازات الحمض النووي الخطوة الحاسمة للانضمام إلى الفواصل في الحمض النووي المزدوج أثناء إصلاح الحمض النووي وتكرارها وإعادة التركيب ، وتتطلب إما أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) أو نيكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد (NAD +) كعامل مساعد.

إصلاحات ختان النوكليوتيدات: استئصال النوكليوتيدات يصلح ثايمين الثايمين. عند التعرض للأشعة فوق البنفسجية ، يمكن أن يشكل الثايمين المتاخم لبعضه ثايمين الثايمين. في الخلايا الطبيعية ، يتم استئصالها واستبدالها.

تلف الحمض النووي والطفرات

الأخطاء أثناء تكرار الحمض النووي ليست السبب الوحيد لظهور الطفرات في الحمض النووي. يمكن أن تحدث الطفرات ، الاختلافات في تسلسل النوكليوتيدات في الجينوم ، أيضًا بسبب تلف الحمض النووي. قد تكون هذه الطفرات من نوعين: مستحثة أو عفوية. الطفرات المستحثة هي تلك التي تنتج عن التعرض للمواد الكيميائية أو الأشعة فوق البنفسجية أو الأشعة السينية أو بعض العوامل البيئية الأخرى. تحدث الطفرات العفوية دون التعرض لأي عامل بيئي فهي نتيجة تفاعلات طبيعية تحدث داخل الجسم.

قد يكون للطفرات مجموعة واسعة من التأثيرات. لا يتم التعبير عن بعض الطفرات وهذه تسمى الطفرات الصامتة. الطفرات النقطية هي تلك الطفرات التي تؤثر على زوج أساسي واحد. أكثر طفرات النوكليوتيدات شيوعًا هي الاستبدالات ، حيث يتم استبدال قاعدة بأخرى. يمكن أن تكون هذه من نوعين: انتقالات أو عمليات عرضية. يشير الاستبدال الانتقالي إلى استبدال البيورين أو بيريميدين بقاعدة من نفس النوع ، على سبيل المثال ، يمكن استبدال البيورين مثل الأدينين بجوانين البيورين. يشير استبدال التحويل إلى البيورين الذي يتم استبداله ببيريميدين أو العكس ، على سبيل المثال ، يتم استبدال السيتوزين ، بيريميدين ، بالأدينين ، البيورين. يمكن أن تكون الطفرات أيضًا نتيجة إضافة قاعدة ، تُعرف باسم الإدراج ، أو إزالة قاعدة ، تُعرف باسم الحذف. في بعض الأحيان ، قد يتم نقل جزء من الحمض النووي من كروموسوم واحد إلى كروموسوم آخر أو إلى منطقة أخرى من نفس الكروموسوم.


تكرار الحمض النووي عبر الأصناف

ج. لويس. م. ديكسون ، في الإنزيمات ، 2016

الملخص

تكرار الحمض النووي في الإشريكية القولونية يبدأ في oriC، أصل النسخ المتماثل والمضي قدمًا بشكل ثنائي ، مما يؤدي إلى شوكتي نسخ متماثلتين تنتقلان في اتجاهين متعاكسين من الأصل. هنا ، نركز على الأحداث في مفترق النسخ. تم تجميع آلية النسخ (أو ريبليزوم) أولاً على كلا الشوكتين في oriC ، يحتوي على DnaB هيليكاز لفصل الخيوط ، و DNA polymerase III holoenzyme (Pol III HE) لتخليق الحمض النووي. يتفاعل DnaB بشكل عابر مع DnaG primase لتهيئة RNA على كلا الخيوط. يتكون Pol III HE من ثلاث مجموعات فرعية: (1) مجمع αɛθ لبوليميراز الموجود في نسختين (أو ثلاث) لنسخ كل من خيوط الحمض النووي في وقت واحد ، (2) β 2 مشبك انزلاقي يتفاعل مع البوليميراز الأساسي لضمان قدرته على المعالجة ، و (3) مجمع محمل المشابك المكون من سبع وحدات فرعية والذي يقوم بتحميل β2 على تقاطعات القالب التمهيدي ويتفاعل مع الوحدة الفرعية α بوليميريز في القلب و DnaB هيليكاز لتنظيم اثنين (أو ثلاثة) بوليميراز النواة. هنا ، نراجع هياكل المكونات الأنزيمية للبدائل ، وتفاعلات البروتين والبروتين والبروتين والحمض النووي التي تضمن بقائها سليمة أثناء خضوعها لتغيرات ديناميكية كبيرة لأنها تعمل على نسخ كل من السلاسل الرائدة والمتأخرة في وقت واحد أثناء النسخ المتماثل المنسق.


اتصال مرئي

الشكل 3: يتم تشكيل شوكة النسخ من خلال فتح أصل النسخ المتماثل ، ويفصل الهليكاز خيوط الحمض النووي. يتم تصنيع RNA التمهيدي ، ويتم استطالة بواسطة DNA polymerase. على الخيط الرئيسي ، يتم تصنيع الحمض النووي بشكل مستمر ، بينما على الشريط المتأخر ، يتم تصنيع الحمض النووي في امتدادات قصيرة. يتم ربط شظايا الحمض النووي بواسطة DNA ligase (غير موضح).

تقوم بعزل سلالة خلوية يكون فيها اتحاد شظايا Okazaki معطلة وتشك في حدوث طفرة في إنزيم موجود في شوكة النسخ المتماثل. ما هو الإنزيم الأكثر احتمالية للطفرة؟ الجواب هو ligase ، حيث أن هذا الإنزيم يجمع شظايا Okazaki معًا.

نسخ التيلومير

نظرًا لأن الكروموسومات حقيقية النواة خطية ، فإن تكرار الحمض النووي يصل إلى نهاية السطر في الكروموسومات حقيقية النواة. كما تعلمت ، يمكن أن يضيف إنزيم بوليميريز الحمض النووي النيوكليوتيدات في اتجاه واحد فقط. في الخيط الرئيسي ، يستمر التوليف حتى يتم الوصول إلى نهاية الكروموسوم ، ومع ذلك ، على الخيط المتأخر لا يوجد مكان لعمل التمهيدي لجزء الحمض النووي ليتم نسخه في نهاية الكروموسوم. يمثل هذا مشكلة للخلية لأن النهايات تظل غير متزاوجة ، وبمرور الوقت تصبح هذه النهايات أقصر بشكل تدريجي مع استمرار الخلايا في الانقسام. تُعرف نهايات الكروموسومات الخطية باسم التيلوميرات ، والتي لها تسلسلات متكررة لا ترميز لجين معين. نتيجة لذلك ، يتم تقصير التيلوميرات مع كل جولة من تكرار الحمض النووي بدلاً من الجينات. على سبيل المثال ، في البشر ، يتكرر تسلسل ستة أزواج أساسية ، TTAGGG ، من 100 إلى 1000 مرة. ساعد اكتشاف إنزيم التيلوميراز (الشكل 4) في فهم كيفية الحفاظ على نهايات الكروموسوم. يرتبط الإنزيم تيلوميراز بنهاية الكروموسوم ، ويتم إضافة القواعد التكميلية لقالب الحمض النووي الريبي في نهاية خيط الحمض النووي. بمجرد استطالة قالب الخيط المتأخر بشكل كافٍ ، يمكن الآن لبوليميراز الحمض النووي إضافة نيوكليوتيدات مكملة لنهايات الكروموسومات. وهكذا ، يتم تكرار نهايات الكروموسومات.

الشكل 4: يتم الحفاظ على نهايات الكروموسومات الخطية من خلال عمل إنزيم التيلوميراز.

تم العثور على تيلوميراز عادة ليكون نشطًا في الخلايا الجرثومية والخلايا الجذعية البالغة وبعض الخلايا السرطانية. لاكتشافها الإنزيم تيلوميراز وعمله ، حصلت إليزابيث بلاكبيرن (الشكل 5) على جائزة نوبل في الطب وعلم وظائف الأعضاء في عام 2009.

الشكل 5: كانت إليزابيث بلاكبيرن ، الحائزة على جائزة نوبل لعام 2009 ، العالمة التي اكتشفت كيفية عمل الإنزيم تيلوميراز. (الائتمان: سفارة الولايات المتحدة ، ستوكهولم ، السويد)

التيلوميراز غير نشط في الخلايا الجسدية البالغة. تستمر الخلايا الجسدية البالغة التي تخضع للانقسام الخلوي في تقصير التيلوميرات الخاصة بها. هذا يعني بشكل أساسي أن تقصير التيلومير مرتبط بالشيخوخة. في عام 2010 ، وجد العلماء أن الإنزيم تيلوميراز يمكنه عكس بعض الحالات المرتبطة بالعمر في الفئران ، وقد يكون لهذا إمكانات في الطب التجديدي. تم استخدام الفئران التي تعاني من نقص التيلوميراز في هذه الدراسات ، حيث تعاني هذه الفئران من ضمور الأنسجة ، ونضوب الخلايا الجذعية ، وفشل نظام الأعضاء ، واستجابات إصابة الأنسجة الضعيفة. تسبب إعادة تنشيط التيلوميراز في هذه الفئران في تمدد التيلوميرات ، وتقليل تلف الحمض النووي ، وتنكس عصبي معكوس ، وتحسين أداء الخصيتين والطحال والأمعاء. وبالتالي ، قد يكون لإعادة تنشيط التيلومير إمكانية علاج الأمراض المرتبطة بالشيخوخة لدى البشر.

تكرار الحمض النووي في بدائيات النوى

تذكر أن الكروموسوم بدائية النواة هو جزيء دائري له بنية ملفوفة أقل اتساعًا من الكروموسومات حقيقية النواة. كروموسوم حقيقيات النواة خطي وملفوف بدرجة عالية حول البروتينات. في حين أن هناك العديد من أوجه التشابه في عملية تكرار الحمض النووي ، فإن هذه الاختلافات الهيكلية تتطلب بعض الاختلافات في عملية تكرار الحمض النووي في هذين الشكلين من الحياة.

تمت دراسة تكرار الحمض النووي بشكل جيد للغاية في بدائيات النوى ، ويرجع ذلك أساسًا إلى صغر حجم الجينوم والعدد الكبير من المتغيرات المتاحة. الإشريكية القولونية يحتوي على 4.6 مليون زوج أساسي في كروموسوم دائري واحد ، ويتم تكرار كل ذلك في حوالي 42 دقيقة ، بدءًا من أصل واحد للنسخ المتماثل والتقدم حول الكروموسوم في كلا الاتجاهين. هذا يعني أنه يتم إضافة ما يقرب من 1000 نيوكليوتيد في الثانية. هذه العملية أسرع بكثير من حقيقيات النوى. يلخص الجدول 1 الاختلافات بين مضاعفات بدائية النواة وحقيقية النواة.

الجدول 1: الاختلافات بين مضاعفات بدائية النواة وحقيقية النواة
ملكية بدائيات النوى حقيقيات النواة
أصل النسخ المتماثل غير مرتبطة عديد
معدل التكرار 1000 نيوكليوتيدات / ثانية من 50 إلى 100 نيوكليوتيدات / ثانية
هيكل الكروموسوم دائري خطي
تيلوميراز غير موجود الحالي


مسار إصلاح عدم التطابق في بدائيات النوى:

  1. في E-Coli ، يتم الكشف عن عدم التطابق بواسطة ثنائى بروتين إصلاح عدم التطابق موتس. تقوم MutS بفحص الحمض النووي ، والتعرف على عدم التطابق من التشويه الذي تسببه في العمود الفقري للحمض النووي.
  2. MutS embraces the the mismatch-containing DNA , inducing a kink in the DNA and a conformational change in MutS itself.
  3. This complex of MutS and mismatch containing DNA recruits MutL, a second component of mismatch repair system .
  4. MutL, in turn, activates the mutH, an enzyme that causes incision or nick on one strand near the site of the mismatch.
  5. Nicking is followed by the action of specific helicase and one of three exonucleases. The helicase unwind the DNA, starting from the incision and moving in the direction of the site of the mismatch, and exonucleases progressively digest the displaced single strand, extending to and beyond the site of the mismatched nucleotide.
  6. This action produces a single-stranded gap, which is then filled by DNA polymerase III and sealed with DNA Ligase.

  • How does the mismatch repair system know which of the two mismatched nucleotides to replace?

The E-Coli enzyme Dam methylase methylates A residue on both strands of the sequence 5′-GATC-3′. The GATC sequence is widely distributed along entire genome , and all of these sites are methylated by the Dam methylase. When replication fork passes through DNA that is methylated at GATC sites on both strands , the resulting daughter DNA duplex will have hemimethylated (that is methylated on only parent strand). Thus for few minutes, until the Dam mathylase catches up and methylates the newly synthesized strand, daughter DNA duplex will be methylated only on the strand that served as the template. Thus the newly synthesized strand lacks methyl group and are so marked and hence can be recognized as the strand for repair.

The MutH proteins binds at such hemimethylated sites, but its endonuclease activity is normally latent. Only when it is contacted by MutL and LutS located at a nearby mismatch does MutH become activated. Once activated, MutH selectively nicks the unmethylated strand.


  1. This process fixes mistakes made during DNA replication. During replication in S phase, DNA polymerase can sometimes add an incorrect nucleotide as it duplicates the DNA.
  2. DNA polymerase can actually detect this error and remove the incorrect nucleotide. هذا يسمي DNA polymerase proofreading
  3. DNA polymerase proofreading occurs when DNA polymerase uses its exonuclease active site to remove the most recently added nucleotide and then replaces it with the correct nucleotide.
  4. Note that DNA polymerase can only correct the previously added nucleotide, but not any nucleotides prior to that.

Mismatch repair

  1. If an error is not corrected by DNA polymerase proofreading it can still be caught by mismatch repair.
  2. Mismatch repair begins when an enzyme complex scans the DNA. One component of the complex recognizes distortion caused by mismatched base pairing (for example if A was incorrectly paired with C in the duplicated DNA).
  3. Another component of the enzyme complex acts like a pair of scissors and snips the DNA near the mistake and removes the area surrounding the mistake.
  4. Next, a DNA polymerase returns to fill in the now empty area with new nucleotides.
  5. Lastly, DNA ligase repairs the gap in the DNA backbone.

Eden is one of our Cambridge biology tutors, and is available to get started with you! Are you interested in working with her?

Are you in New York, and seeking in-person biology support? You should contact us about finding New York biology tutors.

Craving more on the subject? Feel free to browse some of our other biology blog posts, either here or by reading below:


شاهد الفيديو: DNA replication in prokaryotic cell 3D animation with subtitle (كانون الثاني 2022).