uracil v DNA: chyba nebo signál?

Thymin versus uracil

Naše genetická informace je uložena ve formě DNA, pomocí čtyř písmen abecedy. Čtyř „písmen“ odpovídají čtyřem chemické základy, že každý stavební blok DNA – tzv. nukleotidů – může mít: adenin (A), thymin (T), cytosin (C) a guanin (G; viz Obrázek 1)., Jako James Watson a Francis Crick skvěle zjistil, DNA tvoří dvoušroubovici, v níž čtyři základny vždy dvojici se stejným způsobem, a to prostřednictvím specifických vodíkových vazeb: adenin se váže s thyminem a guanin na cytosin (viz obrázky 2 a 3).

Existuje alternativa pátý dopis: uracil (U), který tvoří stejný vzor vodíkových vazeb s adenin (viz Obrázek 4)., Ačkoli se uracil běžně používá v RNA, není tomu tak v DNA, kde se místo toho používá thymin. Proč by to mohlo být?

Chemicky, thyminu je uracil molekuly s extra methylová skupina připojena. Jaká by byla z evolučního hlediska výhoda použití tohoto složitějšího stavebního bloku v DNA? Odpověď může spočívat v tom, jak buňky opravují poškození DNA.,

Cytosin může samovolně proměnit v uracil, prostřednictvím procesu nazývaného hydrolytické deaminace (viz Obrázek 4). Když k tomu dojde, guanin, který byl zpočátku vázán na tuto molekulu cytosinu, je místo toho ponechán naproti uracilu (pamatujte, že uracil se normálně váže na adenin)., Když buňka vedle replikuje svou DNA, pozice na opačné straně molekuly uracilu by být přijata do adenin namísto guaninu, že by tam měl být, změnit zprávu, že tato část DNA kóduje (viz Obrázek 5). Tento proces deaminace cytosinu je jedním z nejčastějších typů poškození DNA, ale je obvykle efektivně korigovat. Jak to buňka dělá?

Buňky mají opravy systém, který může rozpoznat, když uracil je posezení, kde je cytosin by měla být, a opravit chybu, než je replikována a zemřel. Komplexní strojní zařízení k tomu, že se skládá z několika enzymů: první uracil-dna glykosylázy rozpoznat uracil, a vystřihnout z DNA. Pak několik enzymů, které přispívají k odstranění a re-syntéza poškozené části DNA, během nichž se základním („prázdné“) místo v DNA je nahrazen cytosin (viz Obrázek 6).,

Nicméně, nejběžnější forma uracil DNA glykosylázou a tím nemůže říct, která základny na uracil je spárováno s, tj. zda uracil byl určen, aby se tam (pokud je vázán s adenin), nebo pokud je zmutovaný cytosin (a je opačný guanin); místo toho, to by uznat a vystřihnout oba typy uracil. Je zřejmé, že by to způsobilo problémy. Předpokládá se, že řešením tohoto potenciálního problému byl vývoj mechanismu, ve kterém byly „správné“ uracily (spárované s adeninem) označeny methylovou skupinou – což vedlo k thyminu., Tímto způsobem, pokud buňka stroje našel uracil, je to vyříznout a opravit to, ale když to našel uracil s methyl štítek – thymin (viz Obrázek 4) – vlevo. Postupem času se tedy thymin v DNA stal standardem místo uracilu a většina buněk nyní používá uracil pouze v RNA.

proč byl uracil uchováván v RNA? RNA je krátkodobější než DNA a – s několika výjimkami – není úložiště pro dlouhodobé uchovávání genetických informací, tak cytosin molekuly, které spontánně proměnit v uracils v RNA nepředstavují velkou hrozbu pro buňky., Pravděpodobně tedy neexistoval žádný evoluční tlak, který by nahradil uracil složitějším (a pravděpodobně nákladnějším) thyminem v RNA.

Thymin-méně buněčná smrt

Když se DNA je syntetizován, DNA polymerázy, enzymy (které katalyzují syntézu) nelze rozlišovat mezi thymin a uracil. Kontrolují pouze, zda se vodíkové vazby tvoří správně, tj. zda jsou základní páry správně sladěny., Na tyto enzymy nezáleží na tom, zda se thymin nebo uracil váže na adenin. Za normálních okolností, množství deoxyuridine triphosphate (dUTP, zdroj uracil) v buňce jsou stále velmi nízké ve srovnání s úrovní deoxythymidine trifosfát (dTTP, thymin zdroj), brání inkorporace uracilu při syntéze DNA.

Pokud je tato přísná regulace narušena a poměr dUTP k dTTP stoupá, zvyšuje se také množství uracilu, které je nesprávně začleněno do DNA., Opravy systému, který, na rozdíl od DNA polymerázy, lze rozlišit uracilu z thymin – pak se pokusí vystřihnout uracil s pomocí uracil DNA glykosylázou a tím, a znovu syntetizovat DNA, které zahrnuje dočasně štěpí (řezání) DNA páteř. Pokud je však poměr dUTP k dTTP stále zvýšený, může tato re-syntéza opět zahrnovat uracil místo thyminu. Tento cyklus nakonec vede k DNA zlomů a chromozomu fragmentace, kdy tyto dočasné škrty v DNA se stalo, jeden po druhém, a příliš blízko u sebe (viz Obrázek 7)., To má za následek specifický typ programované buněčné smrti, nazývané buněčná smrt bez thyminu.

proces buněčné smrti bez thyminu může být záměrně využíván při léčbě rakoviny. Protože rakovinné buňky proliferují v tak vysoké míře ve srovnání s normální buňky syntetizovat větší množství DNA za dané časové období, a proto vyžadují velké množství dUTP. Zvýšením poměru dUTP k dTTP mohou být tyto rakovinné buňky selektivně zaměřeny a eliminovány.,

uracil DNA stále existuje

ačkoli většina buněk používá uracil pro RNA a thymin pro DNA, existují výjimky. Některé organismy mají uracil místo thyminu ve všech svých DNA a jiné organismy mají uracil pouze v některých jejich DNA. Co by mohlo být evoluční výhodou? Podívejme se na některé příklady.,

Uracil v virové DNA

Dva druhy phage (viry, které infikují bakterie) jsou známo, že mají DNA genomy pouze s uracil a ne thymin. Zatím nevíme, zda tyto bakteriofágy jsou zástupci prastaré formy života, které se nikdy vyvinul thymin DNA, nebo zda je jejich uracil-substituovaných genomy jsou nově vyvinul strategii., Nevíme ani, proč tyto fágy používají uracil místo thyminu, ale mohou hrát zásadní roli v životním cyklu těchto virů. Pokud tomu tak je, mělo by smysl, aby viry zajistily, že uracil v jejich DNA není nahrazen thyminem. A jeden z těchto fágů, má ve skutečnosti bylo prokázáno, že mají gen, který kóduje určitý protein inhibují hostitelův uracil DNA glykosylázou a tím, čímž se zabrání virového genomu z nutnosti jeho uracil ‚opravit‘ enzymy hostitele.,

programované buněčné smrti v insect životní cykly

Uracil-DNA také se zdá, že hraje roli v rozvoji endopterygotes – hmyz, které procházejí kuklení v průběhu jejich životního cyklu (mravenců a motýlů; kobylky a termiti nemají)., Tento hmyz postrádá hlavní gen pro glykosylázu uracil-DNA, která by jinak odstranila uracil z jejich DNA.

Navíc, naše vlastní výzkum ukázal, že v larvy octomilky Drosophila melanogaster, poměr dUTP na dTTP je upraveno v neobvyklým způsobem: ve všech tkáních, které nebude třeba v dospělý hmyz, tam jsou mnohem nižší hladiny enzymu, který štěpí dUTP a vytváří prekurzor pro dTTP výroby. V důsledku toho jsou do těchto tkání během syntézy DNA začleněna významná množství uracilu.,

takže během larválních stadií se produkuje uracil-DNA a zdá se, že není korigována v tkáních, které mají být během pupalního stadia degradovány. Protože tyto hmyz nedostatek hlavní uracil DNA glykosylázou a tím enzym, na pupal fázi, další uracil-DNA-specifické faktory mohou uznat této nahromaděné uracil jako signál k zahájení buněčné smrti. Již jsme identifikovali protein specifický pro hmyz, který se zdá být schopen degradovat uracil-DNA, a zkoumáme, zda se tento enzym používá k zahájení programované buněčné smrti.,

Prospěšné chyby: obratlovců imunitní systém

Uracil v DNA, nicméně, lze nalézt také blíže k domovu – v imunitním systému obratlovců, jako jsme my., Součástí našeho imunitního systému, adaptivní imunitní systém, produkuje velké množství různých protilátek, které jsou vyškoleni, aby nás ochránil od konkrétní patogeny. Zvýšit počet různých protilátek, které mohou být vytvořeny, jsme náhodné sekvence DNA v regionech, které kódu pro ně, a to nejen tím, že rekombinace stávajících sekvencí v buňkách, ale také o vytváření nových přes výrazně zvýšil mutace sazby, známý jako hypermutation.,

Hypermutation začíná s určitým enzymem (aktivace vyvolané deaminázy), že změny cytosinu na uracil (viz Obrázek 4) na specifické DNA lokusů, vyvolávající chyba-prone opravy reakce, kterou organismus využívá ve svůj prospěch: ‚chyby‘ generovat nové sekvence, které mohou být použity, aby se různé protilátky. Tento systém je velmi přísně regulován, nicméně, jako by se vymklo z rukou, vedlo by to k rakovině.

při zvažování otázky, proč uracil nebo proč thymin, musíme zvážit evoluční kontext., Živé organismy se vyvinuly v neustále se měnícím prostředí, které čelí dynamickému souboru výzev. Řešení, které zabraňuje chybám, které jsou začleněny do DNA, je tedy výhodné pro většinu organismů a většinu buněk, což vysvětluje, proč se thymin-DNA stala normou. Za určitých okolností však mohou být „chyby“ samy o sobě prospěšné, a proto některé buňky stále používají uracil ve své DNA.