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Como exatamente a DNA polimerase III detecta uma base incompatível?


Como exatamente a DNA polimerase III detecta uma base incompatível? Eu sei como ele o remove, via atividade de exonuclease, mas como ele o 'detecta' molecularmente em primeiro lugar?


Como exatamente a DNA polimerase III detecta uma base incompatível? - Biologia

A replicação do DNA é um processo altamente preciso, mas ocasionalmente podem ocorrer erros, como a inserção da DNA polimerase em uma base errada. Erros não corrigidos às vezes podem levar a consequências sérias, como câncer. Mecanismos de reparo corrigem os erros. Em casos raros, os erros não são corrigidos, levando a mutações; em outros casos, as próprias enzimas de reparo sofrem mutação ou são defeituosas.

A maioria dos erros durante a replicação do DNA são prontamente corrigidos pela DNA polimerase revisando a base que acabou de ser adicionada (Figura 1). No revisão, o DNA pol lê a base recém-adicionada antes de adicionar a próxima, então uma correção pode ser feita. A polimerase verifica se a base recém-adicionada foi emparelhada corretamente com a base na fita do molde. Se for a base certa, o próximo nucleotídeo é adicionado. Se uma base incorreta for adicionada, a enzima faz um corte na ligação fosfodiéster e libera o nucleotídeo errado. Isso é realizado pela ação exonuclease do DNA pol III. Assim que o nucleotídeo incorreto for removido, um novo será adicionado novamente.

Figura 1. A revisão por DNA polimerase corrige erros durante a replicação.

Alguns erros não são corrigidos durante a replicação, mas são corrigidos após a replicação ser concluída; este tipo de reparo é conhecido como reparo de incompatibilidade (Figura 2). As enzimas reconhecem o nucleotídeo adicionado incorretamente e o extirpam, sendo então substituído pela base correta. Se isso permanecer sem correção, pode levar a danos mais permanentes. Como as enzimas de reparo incompatíveis reconhecem qual das duas bases é a incorreta? No E. coli, após a replicação, a base nitrogenada adenina adquire um grupo metil - a fita de DNA parental terá grupos metil, enquanto a fita recém-sintetizada não os possui. Assim, a DNA polimerase é capaz de remover as bases incorretamente incorporadas da fita não metilada recém-sintetizada. Em eucariotos, o mecanismo não é muito bem compreendido, mas acredita-se que envolva o reconhecimento de cortes não selados na nova fita, bem como uma associação contínua de curto prazo de algumas das proteínas de replicação com a nova fita filha após a conclusão da replicação .

Figura 2. No reparo de incompatibilidade, a base adicionada incorretamente é detectada após a replicação. As proteínas de reparo de incompatibilidade detectam essa base e a removem da fita recém-sintetizada por ação de nuclease. A lacuna agora é preenchida com a base emparelhada corretamente.

Em outro tipo de mecanismo de reparo, reparo de excisão de nucleotídeo, as enzimas substituem as bases incorretas fazendo um corte nas extremidades 3 & # 8242 e 5 & # 8242 da base incorreta (Figura 3). O segmento de DNA é removido e substituído pelos nucleotídeos emparelhados corretamente pela ação do DNA pol. Uma vez que as bases são preenchidas, a lacuna restante é selada com uma ligação fosfodiéster catalisada pela DNA ligase. Este mecanismo de reparo é frequentemente empregado quando a exposição aos raios ultravioleta causa a formação de dímeros de pirimidina.

Figura 3. A excisão de nucleotídeos repara dímeros de timina. Quando expostas aos raios ultravioleta, as timas adjacentes umas às outras podem formar dímeros de timina. Em células normais, eles são excisados ​​e substituídos.


Como exatamente a DNA polimerase III detecta uma base incompatível? - Biologia

A replicação do DNA é um processo altamente preciso, mas ocasionalmente podem ocorrer erros, como a inserção da DNA polimerase em uma base errada. Erros não corrigidos às vezes podem levar a consequências sérias, como câncer. Mecanismos de reparo corrigem os erros. Em casos raros, os erros não são corrigidos, levando a mutações; em outros casos, as próprias enzimas de reparo sofrem mutação ou são defeituosas.

A maioria dos erros durante a replicação do DNA são prontamente corrigidos pela DNA polimerase revisando a base que acabou de ser adicionada (Figura 1). No revisão, o DNA pol lê a base recém-adicionada antes de adicionar a próxima, portanto, uma correção pode ser feita. A polimerase verifica se a base recém-adicionada foi emparelhada corretamente com a base na fita do molde. Se for a base certa, o próximo nucleotídeo é adicionado. Se uma base incorreta foi adicionada, a enzima faz um corte na ligação fosfodiéster e libera o nucleotídeo errado. Isso é realizado pela ação de exonuclease do DNA pol III. Assim que o nucleotídeo incorreto for removido, um novo será adicionado novamente.

Figura 1. A revisão por DNA polimerase corrige erros durante a replicação.

Alguns erros não são corrigidos durante a replicação, mas são corrigidos após a replicação ser concluída; este tipo de reparo é conhecido como reparo de incompatibilidade (Figura 2). As enzimas reconhecem o nucleotídeo adicionado incorretamente e o extirpam, sendo então substituído pela base correta. Se isso permanecer sem correção, pode levar a danos mais permanentes. Como as enzimas de reparo incompatíveis reconhecem qual das duas bases é a incorreta? No E. coli, após a replicação, a base nitrogenada adenina adquire um grupo metil - a fita de DNA parental terá grupos metil, enquanto a fita recém-sintetizada não os possui. Assim, a DNA polimerase é capaz de remover as bases incorretamente incorporadas da fita não metilada recém-sintetizada. Em eucariotos, o mecanismo não é muito bem compreendido, mas acredita-se que envolva o reconhecimento de cortes não selados na nova fita, bem como uma associação contínua de curto prazo de algumas das proteínas de replicação com a nova fita filha após a conclusão da replicação .

Figura 2. No reparo de incompatibilidade, a base adicionada incorretamente é detectada após a replicação. As proteínas de reparo de incompatibilidade detectam essa base e a removem da fita recém-sintetizada por ação de nuclease. A lacuna agora é preenchida com a base emparelhada corretamente.

Em outro tipo de mecanismo de reparo, reparo de excisão de nucleotídeo, as enzimas substituem as bases incorretas fazendo um corte nas extremidades 3 & # 8242 e 5 & # 8242 da base incorreta (Figura 3).

Figura 3. A excisão de nucleotídeos repara dímeros de timina. Quando expostas aos raios ultravioleta, as timas adjacentes umas às outras podem formar dímeros de timina. Em células normais, eles são excisados ​​e substituídos.

O segmento de DNA é removido e substituído pelos nucleotídeos emparelhados corretamente pela ação do DNA pol. Uma vez que as bases são preenchidas, a lacuna restante é selada com uma ligação fosfodiéster catalisada pela DNA ligase. Este mecanismo de reparo é frequentemente empregado quando a exposição aos raios ultravioleta causa a formação de dímeros de pirimidina.


Reparo de DNA

A replicação do DNA é um processo altamente preciso, mas ocasionalmente podem ocorrer erros, como a inserção da DNA polimerase em uma base errada. Erros não corrigidos às vezes podem levar a consequências sérias, como câncer. Mecanismos de reparo corrigem os erros. Em casos raros, os erros não são corrigidos, levando a mutações; em outros casos, as próprias enzimas de reparo sofrem mutação ou são defeituosas.

A maioria dos erros durante a replicação do DNA são prontamente corrigidos pela DNA polimerase revisando a base que acabou de ser adicionada (Figura 1). Na revisão, o DNA pol lê a base recém-adicionada antes de adicionar a próxima, para que uma correção possa ser feita. A polimerase verifica se a base recém-adicionada foi emparelhada corretamente com a base na fita do molde. Se for a base certa, o próximo nucleotídeo é adicionado. Se uma base incorreta for adicionada, a enzima faz um corte na ligação fosfodiéster e libera o nucleotídeo errado. Isso é realizado pela ação exonuclease do DNA pol III. Uma vez que o nucleotídeo incorreto foi removido, um novo será adicionado novamente (figura 1).

Figura 1 A revisão por DNA polimerase corrige erros durante a replicação. Crédito da foto: Madeline Price Ball Wikimedia.

Alguns erros não são corrigidos durante a replicação, mas são corrigidos após a replicação ser concluída; este tipo de reparo é conhecido como reparo de incompatibilidade (Figura 2) As enzimas reconhecem o nucleotídeo adicionado incorretamente e o extirpam, sendo então substituído pela base correta. Se isso permanecer sem correção, pode levar a danos mais permanentes. Como as enzimas de reparo incompatíveis reconhecem qual das duas bases é a incorreta? No E. coli, após a replicação, a adenina de base nitrogenada adquire um grupo metil (CH3) a fita de DNA parental terá grupos metil, enquanto a fita recém-sintetizada não os possui. Assim, a DNA polimerase é capaz de remover as bases incorretamente incorporadas da fita não metilada recém-sintetizada. Em eucariotos, o mecanismo não é muito bem compreendido, mas acredita-se que envolva o reconhecimento de cortes não selados na nova fita, bem como uma associação contínua de curto prazo de algumas das proteínas de replicação com a nova fita filha após a conclusão da replicação .

Figura 2 No reparo de incompatibilidade, a base adicionada incorretamente é detectada após a replicação. As proteínas de reparo de incompatibilidade detectam essa base e a removem da fita recém-sintetizada por ação de nuclease. A lacuna agora é preenchida com a base emparelhada corretamente.

Em outro tipo de mecanismo de reparo, reparo de excisão de nucleotídeo, as enzimas substituem as bases incorretas fazendo um corte nas extremidades 3 & # 8242 e 5 & # 8242 da base incorreta (Figura 3) O segmento de DNA é removido e substituído pelos nucleotídeos emparelhados corretamente pela ação do DNA pol. Uma vez que as bases são preenchidas, a lacuna restante é selada com uma ligação fosfodiéster catalisada pela DNA ligase. Esse mecanismo de reparo é frequentemente empregado quando a exposição aos raios ultravioleta causa a formação de dímeros de timina-timina (o pequeno & # 8211 conectando os dois Ts na Figura 3).

Figura 3 A excisão de nucleotídeos repara dímeros de timina. Quando expostas aos raios ultravioleta, as timas adjacentes umas às outras podem formar dímeros de timina. Em células normais, eles são excisados ​​e substituídos.

Um exemplo bem estudado de erros que não foram corrigidos é visto em pessoas que sofrem de xeroderma pigmentosa (Figura 4) Os indivíduos afetados têm uma pele altamente sensível aos raios ultravioleta do sol. Quando os indivíduos são expostos aos raios ultravioleta, dímeros de pirimidina, especialmente os de timina, são formados, pessoas com xeroderma pigmentosa não são capazes de reparar os danos. Estes não são reparados devido a um defeito nas enzimas de reparo por excisão de nucleotídeos, enquanto em indivíduos normais, os dímeros de timina são excisados ​​e o defeito é corrigido. Os dímeros de timina distorcem a estrutura da dupla hélice do DNA, e isso pode causar problemas durante a replicação do DNA. Pessoas com xeroderma pigmentosa têm maior risco de contrair câncer de pele do que aquelas que não têm a doença.

Figura 4 A xeroderma pigmentosa é uma condição na qual a dimerização da timina por exposição aos raios ultravioleta não é reparada. A exposição à luz solar resulta em lesões na pele. (crédito: James Halpern et al.)

Erros durante a replicação do DNA não são a única razão pela qual surgem mutações no DNA. Mutações, variações na sequência de nucleotídeos de um genoma, também podem ocorrer por causa de danos ao DNA. Essas mutações podem ser de dois tipos: induzidas ou espontâneas. Mutações induzidas são aqueles que resultam de uma exposição a um mutagênico: produtos químicos, raios ultravioleta, raios-x ou algum outro agente ambiental. Mutações espontâneas ocorrem sem qualquer exposição a qualquer agente ambiental, são o resultado de reações naturais que ocorrem dentro do corpo.

As mutações podem ter uma ampla gama de efeitos. Algumas mutações não são expressas, são conhecidas como mutações silenciosas. Outras mutações podem ter efeitos graves no organismo (como a mutação que causa a xeroderma pigmentosa.

Sabe-se que mutações em genes de reparo causam câncer. Muitos genes de reparo mutados foram implicados em certas formas de câncer de pâncreas, câncer de cólon e câncer colorretal. As mutações podem afetar células somáticas ou gametas. Se muitas mutações se acumulam em uma célula somática, elas podem levar a problemas como a divisão celular descontrolada observada no câncer. Se uma mutação ocorre em um gameta, a mutação pode ser passada para a próxima geração.


MMR medeia sinalização de dano de DNA

Deficiência de MMR e resistência a medicamentos

Agentes danificadores de DNA, como os agentes alquilantes N-metilo-N ′-nitro-N-nitrosoguanidina (MNNG), temozolomida ou procarbazina são agentes citotóxicos que matam a maioria das células em replicação. Muitos agentes terapêuticos do câncer são agentes genotóxicos e citotóxicos que induzem a morte celular por apoptose. Curiosamente, muitas células que adquirem resistência a tais agentes são deficientes em MMR. Por exemplo, a linha de células linfoblastóides humanas MTI, que tem um defeito em hMSH6, foi derivado da cultura de células TK6 na presença de uma alta concentração de MNNG. As células MT1 resistentes a MNNG resultantes são defeituosas em MMR 76 específico de fita. Muitas linhas de células de câncer colorretal humano também são resistentes a agentes alquilantes e têm defeitos associados em MMR. A relação causal entre a resistência aos medicamentos e MMR é demonstrada pelo fato de que hMLH1- células defeituosas resistentes a MNNG perdem resistência aos medicamentos quando o hMLH1 defeito é geneticamente complementado com tipo selvagem hMLH1 no cromossomo 3 77. Também foi observado que defeitos em MSH2 e PMS2 conferem resistência a agentes alquilantes (revisado em 78). O mecanismo pelo qual a MMR influencia a citotoxicidade do fármaco é discutido mais adiante.

A resistência ao metotrexato (MTX) também foi associada a alterações fenotípicas na MMR em células humanas. Isso ocorre pelo mecanismo incomum de co-amplificação da região cromossômica humana que codifica a diidrofolato redutase (DHFR, o alvo do MTX) e hMSH3 79, 80. Amplificação de DHFR reduz a sensibilidade ao MTX pela superexpressão do alvo da droga. No entanto, a superexpressão de hMSH3 sequestra hMSH2 no heterodímero hMutSβ, prevenindo efetivamente a formação do heterodímero hMutSα (hMSH2 / hMSH6), que leva à degradação de hMSH6 não complexado, desregulação significativa de MMR e hipermutabilidade 81, 82. A superexpressão de DHFR combinada com hipermutabilidade em todo o genoma e MMR defeituoso são provavelmente responsáveis ​​pela resistência ao MTX de HL60 e outras células tumorais.

As proteínas MMR promovem a parada do ciclo celular induzida por danos no DNA e apoptose

A parada do ciclo celular é um mecanismo importante para prevenir a instabilidade genômica induzida por danos ao DNA. Um grande número de estudos caracterizou os chamados pontos de verificação da fase G2 ou S e identificou as proteínas necessárias para a interrupção do ciclo celular, incluindo ATM, ATR, p53, p73, Chk1 e Chk2. No entanto, foi um achado um tanto inesperado que as células deficientes em hMutSα- e hMutLα são defeituosas na parada do ciclo celular em resposta a vários tipos de agentes que danificam o DNA 6, 7, 83. Embora a base molecular desse efeito não seja conhecida com precisão, foi relatado que células deficientes em MMR falham em fosforilar p53 e p73 em resposta a danos no DNA 84, 85. Isso implica ATM, ATR e / ou c-Abl, porque essas quinases fosforilam p53 e p73 durante a resposta a danos no DNA 85, 86. Em apoio a isso, foi relatado que hMutSα e hMutLα interagem fisicamente com ATM, ATR-ARTIP, c-Abl e p73 em células tratadas com agentes / drogas que danificam o DNA 83, 87, 88, 89. Estas observações implicam hMutSα e hMutLα em uma cascata de sinalização que leva de danos no DNA à parada do ciclo celular e / ou apoptose. Eles também explicam, pelo menos em parte, o fato de que a citotoxicidade induzida por drogas é perdida em células deficientes de MMR, como discutido acima 6. Muito recentemente, EXO1 demonstrou ser essencial para a indução a montante da resposta de dano ao DNA, possivelmente reduzindo a formação de ssDNA e recrutando RPA e ATR para o local do dano 90. Resta saber se MutSα e / ou MutLα agem para recrutar EXO1 na resposta a danos no DNA como o fazem em MMR.

Dois modelos foram propostos para descrever o papel da MMR na sinalização de danos ao DNA. O modelo de "ciclo de reparo de DNA fútil" (Figura 2, à esquerda) propõe que MMR específico de fita, que visa apenas DNA recém-replicado, se envolve em um ciclo de reparo de DNA fútil quando encontra lesões de DNA na fita modelo, e este ciclo fútil ativa Vias de sinalização de danos ao DNA para induzir a parada do ciclo celular e apoptose 6. O suporte para este modelo veio de ambos na Vivo e em vitro experimentos. Estóico et al. 86 mostraram que a exposição ao MNNG induz quebras / lacunas no DNA, parada do ciclo celular e focos nucleares persistentes em locais de dano ao DNA. Os focos de reparo associados a danos no DNA contêm proteínas de sinalização de danos e de reparo de DNA, incluindo ATR, γ-H2AX e RPA. York e Modrich 91 mostraram que DNA de plasmídeo heteroduplex circular cortado contendo um único pareamento incorreto de O 6 -metilguanina (O 6 -me-G) -timina (T) não pode ser reparado pelo sistema MMR quando a lesão (O 6 -me-G) e os entalhes estão em fios opostos, o que sugere um processo de reparo fútil. Um modelo alternativo, denominado modelo de sinalização direta (Figura 2, à direita), argumenta que hMutSα / hMutLα aciona diretamente a sinalização de danos ao DNA recrutando ATM ou ATR / ARTIP para a lesão, o que ativa uma resposta de checkpoint. Este modelo é apoiado por um estudo elegante do laboratório Hsieh mostrando que ATR e ATRIP formam um complexo com MutSα / MutLα na presença de O 6 -me-G / T, que ativa a ATR quinase e fosforila Chk1 89. Como as proteínas MMR de mamíferos interagem com um amplo espectro de lesões de DNA 6, este modelo é consistente com a noção de que MutSα / MutLα atua como um sensor para danos ao DNA em células de mamíferos. Ambos os modelos fornecem uma explicação razoável para a diminuição da sinalização apoptótica induzida por danos no DNA e aumento da resistência aos medicamentos em células deficientes em MMR.

Modelos para sinalização de danos ao DNA dependente de MMR. O modelo de “ciclo de reparo de DNA fútil” (à esquerda) sugere que os adutos de DNA (círculo preto sólido) induzem a incorporação incorreta, que desencadeia a reação MMR específica da fita. Uma vez que o MMR visa apenas a fita recém-sintetizada para reparo, o aduto agressor na fita modelo não pode ser removido e irá provocar um novo ciclo de MMR após a ressíntese de reparo. Tal ciclo de reparo fútil persiste e ativa a rede de sinalização de danos ATR e / ou ATM para promover a parada do ciclo celular e / ou morte celular programada. O modelo de sinalização direta propõe que o reconhecimento de adutos de DNA por complexos MSH-MLH permite que as proteínas recrutem ATR e / ou ATM para o sítio, ativando a sinalização de danos a jusante.


Como exatamente a DNA polimerase III detecta uma base incompatível? - Biologia

A maioria dos erros durante a replicação são corrigidos pela DNA polimerase durante a replicação ou por mecanismos de reparo pós-replicação.

Objetivos de aprendizado

Explique como os erros durante a replicação são reparados

Principais vantagens

Pontos chave

  • As enzimas de reparo incompatíveis reconhecem as bases incorporadas incorretamente, removem-nas do DNA e substituem-nas pelas bases corretas.
  • No reparo por excisão de nucleotídeos, as enzimas removem bases incorretas com algumas bases circundantes, que são substituídas pelas bases corretas com a ajuda de uma DNA polimerase e do DNA molde.
  • Quando os erros de replicação não são corrigidos, eles podem resultar em mutações, que às vezes podem ter consequências graves.
  • Mutações pontuais, uma base substituída por outra, podem ser silenciosas (sem efeito) ou podem ter efeitos que variam de leves a graves.
  • As mutações também podem envolver inserções (adição de uma base), deleção (perda de uma base) ou translocação (movimento de uma seção de DNA para um novo local no mesmo ou em outro cromossomo).

Termos chave

  • reparo de incompatibilidade: um sistema para reconhecer e reparar algumas formas de danos no DNA e inserção, deleção ou incorporação incorreta de bases que podem surgir durante a replicação e recombinação do DNA
  • reparo de excisão de nucleotídeo: um mecanismo de reparo de DNA que corrige danos causados ​​pela radiação UV, incluindo dímeros de timina e 6,4 fotoprodutos que causam distorções volumosas no DNA

Erros durante a replicação

A replicação do DNA é um processo altamente preciso, mas ocasionalmente podem ocorrer erros, como quando uma DNA polimerase insere uma base errada. Erros não corrigidos às vezes podem levar a consequências sérias, como câncer. Os mecanismos de reparo podem corrigir os erros, mas em casos raros os erros não são corrigidos, levando a mutações; em outros casos, as próprias enzimas de reparo sofrem mutação ou são defeituosas.

Mutações: Neste interativo, você pode & # 8220editar & # 8221 uma fita de DNA e causar uma mutação. Dê uma olhada nos efeitos!

A maioria dos erros durante a replicação do DNA são prontamente corrigidos pela DNA polimerase, que revisa a base que acabou de ser adicionada. Na revisão, o DNA pol lê a base recém-adicionada antes de adicionar a próxima para que uma correção possa ser feita. A polimerase verifica se a base recém-adicionada foi emparelhada corretamente com a base na fita do molde. Se for a base correta, o próximo nucleotídeo é adicionado. Se uma base incorreta foi adicionada, a enzima faz um corte na ligação fosfodiéster e libera o nucleotídeo incorreto. Isso é realizado pela ação exonuclease do DNA pol III. Assim que o nucleotídeo incorreto for removido, um novo será adicionado novamente.

Revisão de DNA polimerase: A revisão por DNA polimerase corrige erros durante a replicação.

Alguns erros não são corrigidos durante a replicação, mas são corrigidos depois que a replicação é concluída; esse tipo de reparo é conhecido como reparo de incompatibilidade. As enzimas reconhecem o nucleotídeo adicionado incorretamente e o extirpam, sendo então substituído pela base correta. Se isso permanecer sem correção, pode levar a danos mais permanentes. Como as enzimas de reparo incompatíveis reconhecem qual das duas bases é a incorreta? No E. coli, após a replicação, a base nitrogenada adenina adquire um grupo metil - a fita de DNA parental terá grupos metil, enquanto a fita recém-sintetizada não os possui. Assim, a DNA polimerase é capaz de remover as bases incorretamente incorporadas da fita não metilada recém-sintetizada. Em eucariotos, o mecanismo não é muito bem compreendido, mas acredita-se que envolva o reconhecimento de cortes não selados na nova fita, bem como uma associação contínua de curto prazo de algumas das proteínas de replicação com a nova fita filha após a replicação ter sido concluído.

Reparo de incompatibilidade: No reparo de incompatibilidade, a base adicionada incorretamente é detectada após a replicação. As proteínas de reparo de incompatibilidade detectam essa base e a removem da fita recém-sintetizada por ação de nuclease. A lacuna agora é preenchida com a base emparelhada corretamente.

Em outro tipo de mecanismo de reparo, o reparo por excisão de nucleotídeo, as enzimas substituem as bases incorretas fazendo um corte nas extremidades 3 & # 8242 e 5 & # 8242 da base incorreta. O segmento de DNA é removido e substituído pelos nucleotídeos emparelhados corretamente pela ação do DNA pol. Uma vez que as bases são preenchidas, a lacuna restante é selada com uma ligação fosfodiéster catalisada pela DNA ligase. Este mecanismo de reparo é frequentemente empregado quando a exposição aos raios ultravioleta causa a formação de dímeros de pirimidina.

DNA Ligase I Reparando Danos Cromossômicos: Danos ao DNA, devido a fatores ambientais e processos metabólicos normais dentro da célula, ocorrem a uma taxa de 1.000 a 1.000.000 lesões moleculares por célula por dia. Uma enzima especial, DNA ligase (mostrada aqui em cores), envolve a dupla hélice para reparar uma fita quebrada de DNA. A DNA ligase é responsável por reparar os milhões de quebras de DNA geradas durante o curso normal da vida de uma célula. Sem moléculas que podem consertar essas rupturas, as células podem funcionar mal, morrer ou se tornarem cancerosas. As DNA ligases catalisam a etapa crucial de unir as quebras no DNA duplex durante o reparo, replicação e recombinação do DNA, e requerem trifosfato de adenosina (ATP) ou dinucleotídeo adenina nicotinamida (NAD +) como cofator.

Reparos de excisão de nucleotídeos: A excisão de nucleotídeos repara dímeros de timina. Quando expostas aos raios ultravioleta, as timas adjacentes umas às outras podem formar dímeros de timina. Em células normais, eles são excisados ​​e substituídos.

Danos no DNA e mutações

Erros durante a replicação do DNA não são a única razão pela qual surgem mutações no DNA. Mutações, variações na sequência de nucleotídeos de um genoma, também podem ocorrer por causa de danos ao DNA. Essas mutações podem ser de dois tipos: induzidas ou espontâneas. Mutações induzidas são aquelas que resultam de uma exposição a produtos químicos, raios UV, raios X ou algum outro agente ambiental. As mutações espontâneas ocorrem sem qualquer exposição a qualquer agente ambiental, são o resultado de reações naturais que ocorrem dentro do corpo.

As mutações podem ter uma ampla gama de efeitos. Algumas mutações não são expressas - são conhecidas como mutações silenciosas. Mutações pontuais são aquelas mutações que afetam um único par de bases. As mutações de nucleotídeos mais comuns são as substituições, nas quais uma base é substituída por outra. Podem ser de dois tipos: transições ou transversões. A substituição de transição refere-se a uma purina ou pirimidina sendo substituída por uma base do mesmo tipo, por exemplo, uma purina como a adenina pode ser substituída pela purina guanina. Substituição de conversão refere-se a uma purina sendo substituída por uma pirimidina ou vice-versa, por exemplo, citosina, uma pirimidina, é substituída por adenina, uma purina. As mutações também podem ser o resultado da adição de uma base, conhecida como inserção, ou da remoção de uma base, conhecida como deleção. Às vezes, um pedaço de DNA de um cromossomo pode ser translocado para outro cromossomo ou para outra região do mesmo cromossomo.


Replicação de DNA entre taxa

J.S. Lewis,. N.E. Dixon, em The Enzymes, 2016

Resumo

Replicação de DNA em Escherichia coli inicia em oriC, a origem da replicação e prossegue bidirecionalmente, resultando em duas bifurcações de replicação que viajam em direções opostas da origem. Aqui, nos concentramos em eventos na bifurcação de replicação. A máquina de replicação (ou replisome), primeiro montada em ambos os garfos em oriC , contém a helicase DnaB para a separação da fita e a holoenzima DNA polimerase III (Pol III HE) para a síntese de DNA. O DnaB interage transitoriamente com o DnaG primase para o priming do RNA em ambas as fitas. O Pol III HE é composto de três subconjuntos: (i) o complexo de polimerase do núcleo αɛθ que está presente em duas (ou três) cópias para copiar simultaneamente ambas as fitas de DNA, (ii) o β 2 grampo deslizante que interage com a polimerase do núcleo para garantir sua processabilidade, e (iii) o complexo carregador de grampo de sete subunidades que carrega β2 nas junções primer-molde e interage com a subunidade da polimerase α do núcleo e a helicase DnaB para organizar as duas (ou três) polimerases do núcleo. Aqui, revisamos as estruturas dos componentes enzimáticos dos replissomos e as interações proteína-proteína e proteína-DNA que garantem que permaneçam intactas enquanto passam por mudanças dinâmicas substanciais à medida que funcionam para copiar as fitas principais e posteriores simultaneamente durante a replicação coordenada.


CONEXÃO VISUAL

Figura 3: Uma forquilha de replicação é formada pela abertura da origem de replicação, e a helicase separa as fitas de DNA. Um primer de RNA é sintetizado e alongado pela DNA polimerase. Na fita principal, o DNA é sintetizado continuamente, enquanto na fita posterior, o DNA é sintetizado em trechos curtos. Os fragmentos de DNA são unidos por DNA ligase (não mostrado).

Você isola uma cepa celular na qual a união dos fragmentos de Okazaki é prejudicada e suspeita que ocorreu uma mutação em uma enzima encontrada na bifurcação da replicação. Qual enzima tem maior probabilidade de sofrer mutação? A resposta é ligase, pois essa enzima une fragmentos de Okazaki.

Replicação de telômero

Como os cromossomos eucarióticos são lineares, a replicação do DNA chega ao fim de uma linha nos cromossomos eucarióticos. Como você aprendeu, a enzima DNA polimerase pode adicionar nucleotídeos em apenas uma direção. Na fita principal, a síntese continua até que o final do cromossomo seja alcançado; no entanto, na fita atrasada não há lugar para um primer ser feito para o fragmento de DNA a ser copiado no final do cromossomo. Isso representa um problema para a célula porque as extremidades permanecem desemparelhadas e, com o tempo, essas extremidades ficam progressivamente mais curtas à medida que as células continuam a se dividir. As extremidades dos cromossomos lineares são conhecidas como telômeros, que possuem sequências repetitivas que não codificam para um determinado gene. Como consequência, são os telômeros que são encurtados a cada rodada de replicação do DNA, em vez dos genes. Por exemplo, em humanos, uma sequência de seis pares de bases, TTAGGG, é repetida de 100 a 1000 vezes. A descoberta da enzima telomerase (Figura 4) ajudou no entendimento de como as extremidades dos cromossomos são mantidas. A telomerase se liga ao final do cromossomo, e bases complementares ao modelo de RNA são adicionadas ao final da fita de DNA. Uma vez que o molde da fita retardada é suficientemente alongado, a DNA polimerase pode agora adicionar nucleotídeos que são complementares às extremidades dos cromossomos. Assim, as extremidades dos cromossomos são replicadas.

Figura 4: As extremidades dos cromossomos lineares são mantidas pela ação da enzima telomerase.

A telomerase costuma ser ativa em células germinativas, células-tronco adultas e algumas células cancerosas. Por sua descoberta da telomerase e sua ação, Elizabeth Blackburn (Figura 5) recebeu o Prêmio Nobel de Medicina e Fisiologia em 2009.

Figura 5: Elizabeth Blackburn, ganhadora do Prêmio Nobel de 2009, foi a cientista que descobriu como funciona a telomerase. (crédito: Embaixada dos EUA, Estocolmo, Suécia)

A telomerase não é ativa nas células somáticas adultas. As células somáticas adultas que sofrem divisão celular continuam a ter seus telômeros encurtados. Isso significa essencialmente que o encurtamento do telômero está associado ao envelhecimento. Em 2010, os cientistas descobriram que a telomerase pode reverter algumas condições relacionadas à idade em camundongos, e isso pode ter potencial na medicina regenerativa. 1 Camundongos com deficiência de telomerase foram usados ​​nesses estudos, esses camundongos apresentam atrofia do tecido, depleção de células-tronco, falha do sistema de órgãos e respostas prejudicadas à lesão do tecido. A reativação da telomerase nesses ratos causou extensão dos telômeros, redução do dano ao DNA, reversão da neurodegeneração e melhora do funcionamento dos testículos, baço e intestinos. Assim, a reativação dos telômeros pode ter potencial para o tratamento de doenças relacionadas à idade em humanos.

Replicação de DNA em procariontes

Lembre-se de que o cromossomo procariótico é uma molécula circular com uma estrutura de enrolamento menos extensa do que os cromossomos eucarióticos. O cromossomo eucariótico é linear e altamente enrolado em proteínas. Embora existam muitas semelhanças no processo de replicação do DNA, essas diferenças estruturais exigem algumas diferenças no processo de replicação do DNA nessas duas formas de vida.

A replicação do DNA foi extremamente bem estudada em procariotos, principalmente por causa do pequeno tamanho do genoma e do grande número de variantes disponíveis. Escherichia coli tem 4,6 milhões de pares de bases em um único cromossomo circular, e tudo isso é replicado em aproximadamente 42 minutos, partindo de uma única origem de replicação e prosseguindo ao redor do cromossomo em ambas as direções. Isso significa que aproximadamente 1000 nucleotídeos são adicionados por segundo. O processo é muito mais rápido do que nos eucariotos. A Tabela 1 resume as diferenças entre as replicações procarióticas e eucarióticas.

Tabela 1: Diferenças entre replicações procarióticas e eucarióticas
Propriedade Procariontes Eucariotos
Origem de replicação Solteiro Múltiplo
Taxa de replicação 1000 nucleotídeos / s 50 a 100 nucleotídeos / s
Estrutura cromossômica circular linear
Telomerase Não presente Presente


Via de reparo de incompatibilidade em procariontes:

  1. Em E-Coli, incompatibilidades são detectadas por um dímero da proteína de reparo de incompatibilidade MutS. MutS escaneia o DNA, reconhecendo as incompatibilidades da distorção que causam na estrutura do DNA.
  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. Isso é chamado 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.

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