Uracil i DNA: fejl eller signal?

thymin versus uracil

vores genetiske information gemmes i form af DNA ved hjælp af et alfabet med fire bogstaver. De fire ‘bogstaver’ svarer til de fire kemiske baser, som hver byggesten af DNA – kaldet et nukleotid – kan have: adenin (a), thymin (T), cytosin (C) og guanin (g; se figur 1)., Som James Watson og Francis Crick berømte opdagede, at DNA danner en dobbeltspiral, hvor de fire baser altid parret op på samme måde, gennem specifikke brint obligationer: adenin, der binder sig til thymin, og guanin til cytosin (se figur 2 og 3).

Der er en alternativ femte brev, men: uracil (U), som danner samme mønster af brint obligationer med adenin (se Figur 4)., Men selvom uracil ofte bruges i RNA, er dette ikke tilfældet i DNA, hvor thymin bruges i stedet. Hvorfor kan det være?

kemisk er thymin et uracil-molekyle med en ekstra methylgruppe fastgjort. Hvad ville være fordelen i evolutionære termer ved at bruge denne mere komplekse byggesten i DNA? Svaret kan ligge i, hvordan celler korrigerer skade på DNA.,

cytosin kan spontant blive til uracil gennem en proces kaldet hydrolytisk deaminering (se figur 4). Når dette sker, forbliver guaninen, der oprindeligt var bundet til det cytosinmolekyle, modsat uracil i stedet (husk, at uracil normalt binder til adenin)., Når cellen næste replikerer sit DNA, ville positionen overfor dette uracil-molekyle blive optaget af en adenin i stedet for guaninen, der skulle være der, og ændre meddelelsen om, at dette afsnit af DNA koder (se figur 5). Denne proces med cytosindeaminering er en af de mest almindelige typer af DNA-skade, men korrigeres normalt effektivt. Hvordan gør cellen det?

celler har et reparationssystem, der kan registrere, når en uracil sidder, hvor en cytosin skal være, og rette fejlen, før den replikeres og overføres. Det komplekse maskineri, der skal gøres, består af flere en .ymer: først genkender uracil-DNA-glykosylaser uracilen og skærer den ud af DNA ‘ et. Derefter bidrager Flere en .ymer til eliminering og gensyntese af den beskadigede del af DNA, hvor det abasiske (‘tomme’) sted i DNA ‘ et erstattes med et cytosin (se figur 6).,

den mest almindelige form for uracil-DNA glycosylase kan imidlertid ikke fortælle hvilken base uracil er parret med, DVS.om uracil var beregnet til at være der (hvis bundet med adenin), eller om det er et muteret cytosin (og er modsat guanin); i stedet ville det genkende og skære begge typer uracil ud. Det ville helt klart give problemer. Løsningen på dette potentielle problem menes at have været udviklingen af en mekanisme, hvor ‘korrekte’ uraciler (parret med adenin) blev mærket med en methylgruppe – hvilket resulterede i thymin., På denne måde, hvis cellemaskinen fandt en uracil, skar den den ud og reparerede den, men hvis den fandt en uracil med en methylmærke – en thymin (se figur 4) – forlod den den. Over tid blev thymin i DNA derfor standard i stedet for uracil, og de fleste celler bruger nu kun uracil i RNA.

hvorfor blev uracil bevaret i RNA? RNA er mere kortvarig end DNA og – med få undtagelser – er ikke opbevaringsstedet for langtidsopbevaring af genetisk information, så cytosinmolekyler, der spontant bliver til uraciler i RNA, udgør ikke en stor trussel mod cellen., Således var der sandsynligvis ikke noget evolutionært pres for at erstatte uracil med den mere komplekse (og formodentlig dyrere) thymin i RNA.

thymin-mindre celledød

når DNA syntetiseres, kan DNA-polymeraseen .ymerne (som katalyserer syntesen) ikke diskriminere mellem thymin og uracil. De kontrollerer kun, om hydrogenbindingerne dannes korrekt, dvs.om baseparene matches korrekt., Til disse en .ymer er det ligegyldigt, om thymin eller uracil binder til adenin. Normalt holdes mængderne af DEO .yuridintriphosphat (dutp, en kilde til uracil) i cellen meget lave sammenlignet med niveauer af DEO .ythymidintriphosphat (dTTP, en thyminkilde), hvilket forhindrer uracil-inkorporering under DNA-syntese.

hvis denne strenge regulering forstyrres, og forholdet mellem dUTP og dTTP stiger, øges mængden af uracil, der er forkert inkorporeret i DNA, også., Reparationssystemet – som i modsætning til DNA-polymeraser kan skelne uracil fra thymin-forsøger derefter at skære uracil ud ved hjælp af uracil-DNA-glycosylase og at syntetisere DNA ‘ et igen, hvilket involverer midlertidigt spaltning (skæring) DNA-rygraden. Men hvis forholdet mellem dUTP og dTTP stadig er forhøjet, kan denne gensyntese igen inkorporere uracil i stedet for thymin. Denne cyklus fører til sidst til DNA-strengbrud og kromosomfragmentering, når disse midlertidige udskæringer i DNA ‘ et sker efter hinanden og for tæt på hinanden (se figur 7)., Dette resulterer i en bestemt type programmeret celledød, kaldet thymin-mindre celledød.

processen med thymin-mindre celledød kan bevidst udnyttes til behandling af kræft. Fordi kræftceller spredes med en så høj hastighed sammenlignet med normale celler, syntetiserer de en større mængde DNA pr. Ved at hæve forholdet mellem dUTP og dTTP kan disse kræftceller selektivt målrettes og elimineres.,

uracil DNA eksisterer stadig

selvom de fleste celler bruger uracil til RNA og thymin til DNA, er der undtagelser. Nogle organismer har uracil i stedet for thymin i alt deres DNA, og andre organismer har uracil i kun noget af deres DNA. Hvad kunne være den evolutionære fordel ved det? Lad os se på nogle eksempler.,

Uracil i viralt DNA

to arter af fag (vira, der inficerer bakterier) vides at have DNA-genomer med kun uracil og ingen thymin. Vi ved endnu ikke, om disse fager er repræsentanter for en gammel livsform, der aldrig udviklede thymin-DNA, eller om deres uracil-substituerede genomer er en nyudviklet strategi., Vi ved heller ikke, hvorfor disse fager bruger uracil i stedet for thymin, men det kan spille en væsentlig rolle i disse viruss livscyklus. Hvis det er tilfældet, ville det være fornuftigt for virusserne at sikre, at uracilen i deres DNA ikke erstattes med thymin. Og en af disse fager har faktisk vist sig at have et gen, der koder for et specifikt protein for at hæmme værtens uracil-DNA-glycosylase, hvilket forhindrer, at virusgenomet får sin uracil ‘repareret’ af værtsen .ymerne.,

Programmeret celledød i insekters livscyklus

Uracil-DNA ser også ud til at spille en rolle i udviklingen af endopterygotes – insekter, som gennemgår pupation i løbet af deres livscyklus (myrer og sommerfugle gøre; græshopper og termitter ikke)., Disse insekter mangler hovedgenet for uracil-DNA glycosylase, som ellers ville fjerne uracil fra deres DNA.

Desuden er vores egen forskning har vist, at der på larver af bananfluen Drosophila melanogaster, forholdet mellem dUTP at dTTP er reguleret i en usædvanlig måde: i alle væv, der ikke vil være behov for i det voksne insekt, der er meget lavere niveauer af det enzym, der nedbryder dUTP og genererer en forløber for dTTP produktion. Følgelig inkorporeres betydelige mængder uracil i disse væv under DNA-syntese.,

så under larvestadierne produceres uracil-DNA og synes ikke at blive korrigeret i væv, der skal nedbrydes under puppestadiet. Da disse insekter mangler det vigtigste uracil-DNA-glykosylaseen .ym, kan yderligere uracil-DNA-specifikke faktorer i puppetrinnet genkende dette akkumulerede uracil som et signal til at indlede celledød. Vi har allerede identificeret et insektspecifikt protein, der ser ud til at være i stand til at nedbryde uracil-DNA, og vi undersøger, om dette en .ym bruges til at indlede programmeret celledød.,

Gavnlige fejl: hvirveldyr immunsystemet

Uracil i DNA, men kan også findes tættere på hjemmet – i immunsystemet af hvirveldyr som os., En del af vores immunsystem, det adaptive immunsystem, producerer et stort antal forskellige antistoffer, der er trænet til at beskytte os mod specifikke patogener. For at øge antallet af forskellige antistoffer, der kan oprettes, blander vi DNA-sekvensen i de regioner, der koder for dem, ikke kun ved at rekombinere de eksisterende sekvenser i cellerne, men også ved at skabe nye gennem enormt øgede mutationshastigheder, kendt som hypermutation.,

Hypermutation starter med et bestemt enzym (en aktiverings-induceret deaminase), at ændringer cytosin i uracil (se Figur 4) på specifikke DNA-loci, at fremkalde en fejl reparation svar, som organismen bruger til sin fordel: ‘fejl’ generere nye sekvenser, der kan bruges til at lave forskellige antistoffer. Dette system er meget strengt reguleret, men som om det kom ud af hånden, ville det føre til kræft.

Når vi overvejer spørgsmålet om hvorfor uracil eller hvorfor thymin, skal vi overveje den evolutionære kontekst., Levende organismer har udviklet sig i et konstant skiftende miljø, der står over for et dynamisk sæt udfordringer. Således er en løsning, der undgår fejl, der inkorporeres i DNA, fordelagtig for de fleste organismer og de fleste celler, hvilket forklarer, hvorfor thymin-DNA blev normen. Under visse omstændigheder kan ‘fejl’ i sig selv være gavnlige, hvorfor nogle celler stadig bruger uracil i deres DNA.