Nukleotidudskæringsreparation og enkelt nukleotidpolymorfi

Indhold

Reparation af nukleotidudskæring

Excisionsreparationsmekanismen er en standardmetode til reparation af det uoverensstemmende eller beskadigede DNA-fragment. Processen med excision reparation indebærer at skære, fjerne og re-syntetisere den uoverensstemmende eller beskadigede del af DNA. Tre særskilte mekanismer til reparation af ekstraktionsexcision er blevet beskrevet: mismatch reparation, base excision reparation og nucleotid excision reparation. Alle ovennævnte mekanismer følger et simpelt format til skæring, duplikering og ligering. I skærefasen eliminerer et enzymkompleks det beskadigede fragment af DNA eller uoverensstemmende base.

I replikerings- eller duplikeringstrinnet kopierer DNA-polymerasen (normalt DNA-polymerase I i tilfælde af E. coli) skabelon-DNA'et for at fortrænge det uoverensstemmende eller beskadigede DNA-fragment. DNA-polymerasen kan starte DNA-syntese fra 3'-enden ved beskadigelse eller uoverensstemmelse i DNA-fragmentet. Endelig i ligeringsfasen hjælper DNA-ligase med at forsegle den resterende skade for at fuldføre reparationsprocessen for at producere intakt DNA.

I nukleotidudskæringsreparationsmekanismen (NER) fjernes det mismatchede eller beskadigede nukleotid sammen med de tilstødende nukleotider og fortrænges med nukleotiderne syntetiseret ved hjælp af et ubeskadiget DNA streng som skabelon. NER-mekanismen eliminerer pyrimidin-dimerer dannet efter eksponering for omfangsrige kemiske addukter eller UV-stråling. Den grundlæggende komponent af DNA-skaden fikseret ved nukleotidudskæring er, at de beskadigede eller modificerede nukleotider forårsager en kritisk forvrængning i DNA-dobbeltspiralstrukturen. NER forekommer i praktisk talt alle livsformer.

Enzymerne, der katalyserer NER i E. coli, er UvrD helicase og UvrABC excinuclease. De gener, der koder for NER-enzymer, blev oprindeligt betragtet som mutanter, der er dybt følsomme over for skader induceret af UV-lyseksponering. I vildtype E. coli dræbte imidlertid kun langvarig eksponering for UV-stråling celler.

Mutantstammerne kan genkendes som væsentlig mere følsomme over for UV-stråling; disse er beskadiget i deres funktionskapacitet, der kræves til modstand mod UV-stråling (UV). Ved at indsamle et enormt antal mutanter og teste dem for deres evne til at gendanne beskyttelse eller modstand mod UV-stråling i forskellige kombinationer. Fire komplementeringsgrupper blev identificeret i undersøgelsen, som koder for proteiner, der spiller en væsentlig rolle i NER-mekanismen; disse proteiner er uvrA, uvrB, uvrC og uvrD.

De uvr-gener, der koder for enzymer, er blevet grundigt undersøgt. UvrA-, uvrB- og uvrC-generne koder for underenhederne af UvrABC-excinuclease, som er et enzym med flere underenheder. UvrABC-komplekset identificerer de skadeinducerede strukturelle ændringer i DNA'et, ligesom dannelsen af ​​pyrimidindimerer. Derefter skærer skaden på begge sider.

På det tidspunkt forårsager UvrD (også kendt som helicase II), der produceres som et resultat af ekspressionen af ​​uvrD-genet, DNA-afvikling og hjælper med frigivelsen af ​​det beskadigede fragment. Følgelig er UvrABC- og UvrD-proteinerne involveret i opskæring og udskæring af det beskadigede DNA for dette system. hullet skabt ved skæring fyldes ved DNA-polymerasens virkning, og det nydannede segment forsegles af aktiviteten af ​​DNA-ligase.

UvrABC-proteinet strukturerer et kompleks, der identificerer skaden og skærer det beskadigede DNA fra begge sider (endonukleolytiske snit). Helikaseaktiviteten af ​​uvrD hjælper med at fjerne det udskårne fragment af beskadiget DNA. det ubeskadigede fragment af DNA styrer syntesen af ​​gabet ved hjælp af DNA-polymerase og danner et duplex-DNA. Nu er det nydannede DNA-fragment ikke længere beskadiget.

På en mere detaljeret måde identificerer UvrA2 (en dimer) og UvrB det beskadigede fragment efter dannelse af et (UvrA) 2 UvrB-kompleks. UvrA2 adskiller sig senere efter at have brugt ATP. UvrA fungerer som en ATPase til hydrolyse af ATP. Efter dissociationen af ​​UvrA danner UvrB et kompleks med UvrC på skadestedet. Nu fungerer dette UvrBC-kompleks som en aktiv nuklease.

Det skærer DNA'et fra begge sider af skaden ved anvendelse af ATP. Sukkerphosphat (phosphodiester) rygraden spaltes i en position otte nukleotider væk fra 5'-siden af ​​beskadiget DNA og 4-5 nukleotider væk fra 3'-siden af ​​det beskadigede DNA. Endelig fjernes det spaltede fragment ved UvrD's helicase-handling. Det vikler DNA'et og fjerner det spaltede fragment. Det beskadigede DNA-fragment adskilles senere fra UvrBC-komplekset. Alle de ovennævnte tre trin kræver ATP-hydrolyse.

reparation af nukleotid excision
Figur: Nukleotidudskæringsreparationsmekanisme
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nucleotide_Excision_Repair-journal.pbio.0040203.g001.png

NER-systemet er meget dynamisk i pattedyrceller, ligesom mange andre organismer. Et typisk hudcelle-DNA, der blev præsenteret for dagslys, ville akkumulere tusinder af dimerer hver dag, hvis denne vedligeholdelsescyklus ikke fjernede dem! En human genetisk sygdom, kendt som xeroderma pigmentosum (XP), er en hudabnormalitet forårsaget af defekte enzymer, der ødelægger UV-inducerede DNA-læsioner.

Fibroblasterne hos XP-patienter er ekstremt følsomme over for UV-stråling, når de får lov til at vokse i et dyrkningsmedium, som vist af uvr-mutanterne af E. coli. Disse XP-cellelinjer kan dyrkes i et dyrkningsmedium til evaluering af kapaciteten til at genetablere modstand mod UV-skader.

NER opererer på to måder i de fleste pattedyr, gær og bakterier.

- reparationssystemet, der virker på hele genomet.

- det andet reparationssystem viser aktivitet kombineret med transkription.

XP-genet danner et kompleks med hHR23B-protein, som kan mærke DNA-skaden.

I nukleotidudskæringsreparationen koblet med transkription viser RNA-polymerasen mindre aktivitet ved beskadigelsespunktet på skabelonstrengen; måske er dette skadesgenkendelsesaktiviteten for denne metode til NER. En af de basale transkriptionsfaktorer, der ledsager RNA-polymerase II, spiller en væsentlig rolle i begge slags NER. Et usædvanligt genetisk problem hos mennesker kendt som Cockayne syndrom (CS) er også relateret til en transkriptionskoblet faktorfejl.

To komplementeringsbunker er blevet anerkendt, CSA og CSB. Bestemmelse af enzymaktiviteten og de naturens enzymer, der kodes af dem, giver ekstra viden om reparationsprocessen af ​​det transkriberede DNA. Fænotypen hos CS-patienter er pleiotropisk og udtrykker for tidlig aldring, alvorlige udviklings- og neurologiske lidelser og lysfølsomhed. Disse symptomer er mere alvorlige end symptomerne på XP-personer med ikke-detekterbar NER-mekanisme. Dette indikerer, at CS (transskriptionskoblet reparationsmekanisme) proteiner har nogle flere andre funktioner end reparation af nukleotidudskæring.

Flere andre genetiske sygdomme er et resultat af en mangelfuld DNA-reparationsmekanisme. For eksempel Fanconis anæmi og Bloom's syndrom. Disse er i øjeblikket potentielle forskningsområder. En passende ressource til opdateret information om genetiske sygdomme er portalen Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM).

Ataxia telangiectasia (AT) viser virkningen af ​​strukturelle ændringer i proteinet forbundet med reparationsprocessen og de proteiner, der er involveret i signalprocessen til korrekt reparation af beskadiget DNA. AT er kendetegnet ved ataksi (ujævn gang), telangiectasia (øjen- og ansigtsblodkarudvidelse), for tidlig aldring, immundefekter, mental retardation, cerebellar degeneration og mere tilbøjelige til de pågældende maligniteter.

Denne fænotype er mere bekymret for dens locus. Da heterozygoter, som er ca. 1% af befolkningen, også er mere tilbøjelige til en mutation i ATM-genet, kaldet “ATM”.

ATM-genet ser ikke ud til at kode et protein direkte i DNA-reparationen (ulig de gener, der forårsager XP efter mutation). AT udvikler sig efter en defekt i cellesignalvejen på grund af lighederne med + defekteret protein med det andet protein. Produktet af ATM-genet kan også være involveret i cellecyklusprogression og regulering af længden af ​​telomert DNA.

Det C-terminale domæne af ATM-proteiner viser homologi med Ser / Thr-proteinkinasen (phosphatidylinositol-3-kinase); således er det involveret i signalveje. ATM-proteinerne udviser også homologi med den DNA-afhængige proteinkinase, som kræver huller i DNA-fragmentet for at vise sin kinaseaktivitet. Disse fund tyder på involvering af ATM-proteiner i målretning af nukleotid-excisionsreparationsmekanisme.

Enkelt nukleotid polymorfisme

Den enkelte nukleotidpolymorfisme (SNP eller ofte kaldet "snip") er en meget hyppig genetisk variation, der findes i det humane DNA. SNP repræsenterer variation i et enkelt DNA-nukleotid på et punkt. Sig for eksempel, at cytosin (C) erstattede thymin (T) i en polynukleotidstreng af DNA.  

Hyppigheden af ​​SNP-forekomst er en ud af 1000 nukleosider, hvilket indikerer, at ca. 4 millioner SNP er til stede i genomet hos ethvert menneske. Efter omhyggeligt at have undersøgt genomet på 100 millioner individer konkluderede forskerne, at SNP'erne er til stede i DNA'et, der findes at eksistere mellem generne (normalt introner). 

SNP'er betragtes som biomarkører for forskellige sygdomme, som hjælper forskere med at undersøge de gener, der er forbundet med en bestemt sygdom. Nogle gange finder SNP sted i genets exonregion eller regulatoriske region, som direkte påvirker genets funktion. Derfor interfererer denne SNP direkte med årsagen til sygdommen.

SNP
Figur: Demonstration af enkelt nukleotid polymorfisme https://commons.wikimedia.org/wiki/Fil:Single_nucleotide_polymorphism_substitution_mutation_diagram_-cytosine_to_thymine.png # / media / File: Single_nucleotide_polymorphism_substitution_mutation_diagram-_cytosin_to_thymin.png

Generelt påvirker SNP'er ikke individets helbred undtagen et par SNP'er, der findes i exonsegionen af ​​et gen og kendt for at påvirke genfunktionen. SNP-analyse er en vigtig parameter til at studere menneskers sundhed. SNP-analyse giver mulighed for at forudsige den genetiske disposition for at udvikle en sygdom.

SNP-analyse er meget nyttig til at forudsige sygdomsrisikoen, følsomheden over for toksiner og flere andre miljømæssige faktorer, farmakologisk respons hos et individ, sporing af generne forbundet med arv af en bestemt sygdom i en familie. Forskere forsøger at udvikle en proces til identifikation af SNP'er forbundet med kroniske sygdomme som kræft, hjertesygdomme, diabetes osv. I tilfælde af SNP forbundet med et træk kan de tilstødende DNA-strækninger undersøges for at bestemme gener, der er ansvarlige for træk. 

Anvendelser af SNP'er

SNP-analyse bruges til at bestemme genotypebestemmelse, kopiantalændring i genekspressionen, genomomfattende analyse, kræftmutation og påvisning af andre sygdomme. SNP-mikroarray-teknologien kan bruges til at detektere dosisændringer og polymorfisme i en persons DNA. SNP-mikroarrayanalyse er i stand til at detektere små ændringer i kopiantalet af genekspression. 

SNP-mikroarray anvendt til genotypebestemmelse kan detektere ændringer i methyleringsmønsteret for kræftcellernes DNA, ændringer i genomet og tab af heterozygositet. 

SNP-mikroarrays bruges også til forudsigelse af sygdomme og identificerer tumorundertrykkende gener og onkogener i kræftceller. Derfor har SNP'er et godt omfang i valg af et farmakologisk aktivt molekyle, sygdomsprognose, malignitetsrisikovurdering osv.

Hvor mange nukleotider udgør et codon?

Den på hinanden følgende sekvens af tre nukleotider i polynukleotidstrengen af DNA eller RNA udgør et kodon. Kodonet er specifikt for en aminosyre, der skal inkorporeres, og nogle gange stopper kodon translationsprocessen. Sådanne kodoner er kendt som stopkodoner. DNA og RNA er sammensat i et firebogstavssprog af nukleotider; proteinernes sprog inkorporerer dog 20 aminosyrer. Kodoner giver nøglen, der tillader disse to sprog at blive konverteret til hinanden.

Hver kodon specificerer en aminosyre (undtagen tre kodoner, der stopper oversættelsesprocessen). Hele sæt kodoner er kendt som den genetiske kode. Tre-bogstavskoden indeholder 64 potentielle kombinationer af tre-bogstavs nukleotid fra DNA's fire nukleotidsprog.

kodon
Figur: Codon (en triplet sekvens af nukleotider) genkendes af specifikt tRNA (transfer RNA) molekyle, som bringer standard aminosyrer til stedet for proteinsyntese.
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Codon-Anticodon_pairing.svg#/media/File:Codon-Anticodon_pairing.svg

Ud af de 64 kodoner koder 61 for specifikke aminosyrer, mens de resterende tre stopper kodoner. For eksempel koder kodonet AUG for aminosyren methionin, og UAA er en stopkodon. Den genetiske kode er portrætteret som degenereret, da en aminosyre er kodet af flere kodoner. Den genetiske kode er ikke-overlappende, hvilket betyder, at kodonerne læses i fortsættelse uden at gentage eller springe nukleotider over.

Genetisk kode

Den genetiske kode er en masse regler, der karakteriserer, hvordan en DNA-kode på fire bogstaver oversættes til de 20 standardaminosyrer, som hjælper med at syntetisere proteiner i vores krop. Den genetiske kode er en flok af tre nukleotider kendt som kodoner, hvoraf hver især vedrører en bestemt aminosyre eller en stopkodon.

Begrebet kodoner blev oprindeligt afbildet af Francis Crick og hans medarbejdere i 1961. I løbet af det samme år udførte Marshall Nirenberg og Heinrich Matthaei eksperimenter for at forklare den genetiske kode. De beviste, at sekvensen af ​​RNA UUU eksplicit kodede for phenylalanin (en af ​​de 20 standardaminosyrer i vores krop). Efter dette fund genkendte Nirenberg, Philip og Har Gobind Khorana den tilbageværende genetiske kode og afbildede fuldstændigt hvert tre-bogstavskodon og relaterede aminosyrer.

genetisk kode
Figur: Genetisk kode
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Genetic_code.svg#/media/File:Genetic_code.svg

Der er 64 potentielle kombinationer af de tre bogstaver nukleotidkoder, der kan produceres ved hjælp af de fire nukleotider. Ud af 64 kodoner svarer 61 til standardaminosyrer, og de resterende tre er stopsignaler / stopkodoner. Skønt hvert kodon kun er fastgjort til en aminosyre (eller et stop signal), er den genetiske kode afbildet som overflødig, fordi flere kodoner kan kode en aminosyre.

Desuden er den genetiske kode næsten universel med nogle sjældne undtagelser. For eksempel har mitokondrier nogle forskellige genetiske koder sammenlignet med den cellulære genetiske kode.

konklusioner

I denne artikel har vi diskuteret SNP'er og nukleotidudskæringsmekanismer. At vide mere om nukleotider Klik her

Interview Q & A relateret til denne artikel

Q1. Hvad er den største forskel mellem et gen og en nukleotidsekvens?

Svar: Gen er den funktionelle enhed (i stand til at udtrykke et protein) af DNA'et, mens nukleotid er den strukturelle enhed (i stand til at danne en byggesten under syntesen) af DNA.

Q2. Hvad er forskellen mellem SNP-enkeltnukleotidpolymorfisme og mutation? Hvad betyder polymorfisme?

Svar: SNP repræsenterer variation i et enkelt nukleotid af DNA på et punkt. Sig for eksempel, at cytosin (C) erstattede thymin (T) i en polynukleotidstreng af DNA.

 En mutation kaldes enhver ændring i DNA-sekvensen. Forskellen kan være i den enkelte nukleotidsekvens eller måske i den multiple nukleotidsekvens.

Polymorfisme er DNA'ets egenskab (eller noget andet) ved at have mere end en eller flere former.

Q3. Kan et enkelt nukleotid have både deoxyribose og ribose? 

Svar: Et enkelt nukleotid kan kun have et type sukker. Det kan være ribosesukker enten deoxyribosesukker.

Q4. Hvor mange nukleotider er der i en bakteriofags DNA?

Svar: DNA fra bakteriofag indeholder flere tusinder af nukleotider. For eksempel indeholder bakteriofag φx174 5375 nukleotider.

Q5. Der produceres et protein, der indeholder syv aminosyrer. Hvad vil være længden af ​​mRNA

Svar: Et kodon på 3 nukleotider koder en aminosyre. 

Tilsvarende vil syv aminosyrer blive kodet af 7 x 3 = 21 nukleotider. 

Men mRNA indeholder en stop codon (3 nukleotider) for at stoppe translationsprocessen.

Således vil mRNA, der koder 7 syv aminosyrer, indeholde 21 + 3 = 24 nukleotider.

Q6. Hvor mange vandmolekyler fjernes under dannelsen af ​​et nukleotid?

Svar: To vandmolekyler fjernes under dannelsen af ​​et nukleotid.

Et vandmolekyle fjernes, når den nitrogenholdige base binder til ribosesukkeret, og det andet vandmolekyle frigives, når ribosesukker binder til phosphatgruppen.

Q7. Er adenin et nukleotid eller en nitrogenholdig base

Svar: Adenin er en nitrogenholdig base, mens et nukleotid (adenosinmonophosphat) indeholder phosphatgruppe, ribosesukker og en nitrogenholdig base (adenin).

Q8. Hvis DNA er lavet af 6 nukleotider i stedet for 4, hvad er det samlede antal tripletkodoner muligt?

Svar: Antal tripletkodonkombinationer = (typer nukleotider) 3

Hvis DNA indeholder seks slags nukleotider, vil det samlede antal triple codon-kombinationer være (6)3 = 216

Q9. Hvordan identificeres enkeltnukleotidpolymorfier?

Svar: DNA-mikroarrays kan let identificere SNP'er.

Q10. Hvordan udtrykker en virus flere proteiner fra den samme nukleotidsekvens?

Svar: Virus gør dette ved hjælp af to mekanismer:

- Alternativ splejsning

- Overlappende gen

Q11. Hvorfor er aminosyresekvensen så meget kortere end nukleotidsekvensen?

Svar: Aminosyresekvens er normalt kortere end nukleotidsekvensen, som mRNA dannet efter transkription gennemgår splejsning, og de ikke-kodende regioner (introner) fjernes, og det modne mRNA indeholder kun de kodende regioner (exoner)

Q12 Navngiv nukleotidet med tre fosfatgrupper.

Svar: Nukleotid med tre fosfatgrupper er kendt som nukleotidtriphosphat. For eksempel ATP (adenosintriphosphat), GTP (Guanosintriphosphat) osv.

Læs også:

Efterlad en kommentar