Uracil DNS-ben: hiba vagy jel?

van egy alternatív ötödik betű, bár: uracil (U), amely ugyanazt a mintát képezi hidrogénkötések adenin (lásd 4.ábra)., De bár az uracil-t általában RNS-ben használják, ez nem így van a DNS-ben, ahol a timint használják. Miért lehet ez?

kémiailag a timin egy uracil molekula, amelyhez egy extra metil-csoport kapcsolódik. Mi lenne az előnye, evolúciós szempontból, hogy ezt a bonyolultabb építőelemet a DNS-ben használják? A válasz abban rejlik, hogy a sejtek hogyan korrigálják a DNS károsodását.,

a citozin spontán uracillá alakulhat a hidrolitikus deaminációnak nevezett folyamat révén (lásd 4.ábra). Amikor ez megtörténik, Az eredetileg a citozin molekulához kötött guanin az uracil-lal szemben marad (ne feledje, hogy az uracil általában az adeninhez kötődik)., Amikor a sejt ezután megismétli a DNS-ét, az uracil molekulával ellentétes pozíciót egy adenin veszi fel a guanin helyett, amelynek ott kell lennie, megváltoztatva azt az üzenetet, hogy a DNS ezen része kódol (lásd az 5.ábrát). A citozin-deamináció ezen folyamata a DNS-károsodás egyik leggyakoribb típusa, de általában hatékonyan korrigálják. Hogyan csinálja ezt a sejt?

a sejtek olyan javító rendszerrel rendelkeznek, amely képes észlelni, amikor egy uracil ül, ahol a citozin legyen, és javítsa ki a hibát, mielőtt lemásolják és továbbadják. Az ehhez szükséges komplex gépezet több enzimből áll: az első uracil-DNS glikozilázok felismerik az uracilt, és kivágják a DNS-ből. Ezután több enzim is hozzájárul a DNS sérült részének eliminációjához és újbóli szintéziséhez, amelynek során a DNS abazikus (“üres”) helyét citozin váltja fel (lásd a 6.ábrát).,

az uracil-DNS glikoziláz leggyakoribb formája azonban nem tudja megmondani, hogy az uracil melyik bázissal párosul, azaz hogy az uracil ott volt-e (ha adeninnel van kötve), vagy mutált citozin (és ellentétes guaninnal); ehelyett felismerné és kivágná az uracil mindkét típusát. Nyilvánvaló, hogy ez problémákat okozna. Úgy gondolják, hogy ennek a potenciális problémának a megoldása egy olyan mechanizmus kifejlesztése volt, amelyben a “helyes” uracilokat (adeninnel párosítva) metil – csoporttal címkézték-ami timint eredményez., Így, ha a sejtgép uracilt talált, kivágta és megjavította, de ha talált egy uracilt metilcímkével – egy timint (lásd a 4. ábrát) – elhagyta. Idővel tehát a DNS-ben lévő timin az uracil helyett a standard lett, a legtöbb sejt csak az RNS-ben használja az uracil-t.

miért maradt meg az uracil az RNS-ben? Az RNS rövid életű, mint a DNS, és-néhány kivételtől eltekintve-nem a genetikai információk hosszú távú tárolásának tárolója, így a citozin molekulák, amelyek spontán uracilokká alakulnak az RNS-ben, nem jelentenek nagy veszélyt a sejtre., Így valószínűleg nem volt evolúciós nyomás az uracil helyettesítésére az RNS összetettebb (és feltehetően költségesebb) timinjával.

Timinmentes sejthalál

amikor a DNS szintetizálódik, a DNS polimeráz enzimek (amelyek katalizálják a szintézist) nem tudnak különbséget tenni a timin és az uracil között. Csak azt ellenőrzik, hogy a hidrogénkötések helyesen alakulnak-e ki, azaz hogy az alappárok megfelelően vannak-e illesztve., Ezeknek az enzimeknek nem számít, hogy a timin vagy az uracil kötődik-e az adeninhez. Normális esetben a deoxiuridin-trifoszfát (dUTP, az uracil forrása) mennyiségét a sejtben nagyon alacsonyan tartják a dezoxitimidin-trifoszfát (dttp, timinforrás) szintjéhez képest, megakadályozva az uracil beépülését a DNS-szintézis során.

Ha ezt a szigorú szabályozást megzavarják, és a dUTP dTTP-hez viszonyított aránya emelkedik, akkor a DNS-be helytelenül beépített uracil mennyisége is növekszik., A javító rendszer – amely a DNS polimerázokkal ellentétben képes megkülönböztetni az uracil-t a timintól – ezután megpróbálja kivágni az uracilt uracil-DNS glikoziláz segítségével, és újra szintetizálni a DNS-t, amely magában foglalja a DNS gerincének ideiglenes hasítását (vágását). Ha azonban a dUTP dTTP-hez viszonyított aránya továbbra is emelkedik, akkor ez az újra szintézis ismét uracil-t tartalmazhat a timin helyett. Ez a ciklus végül DNS-szál törésekhez és kromoszóma-fragmentációhoz vezet, amikor ezek az ideiglenes DNS-vágások egymás után, túl közel történnek egymáshoz (lásd a 7.ábrát)., Ez egy bizonyos típusú programozott sejthalált eredményez, amelyet timinmentes sejthalálnak neveznek.

a timinmentes sejthalál folyamatát szándékosan ki lehet használni a rák kezelésében. Mivel a rákos sejtek ilyen nagy sebességgel szaporodnak a normál sejtekhez képest, nagyobb mennyiségű DNS-t szintetizálnak egy adott időszakra, ezért nagy mennyiségű dUTP-t igényelnek. A dUTP dTTP-hez viszonyított arányának növelésével ezek a rákos sejtek szelektíven célzhatók és kiküszöbölhetők.,

Uracil DNS még mindig létezik

bár a legtöbb sejt uracilt használ RNS-re és timint a DNS-re, vannak kivételek. Egyes szervezetekben a timin helyett uracil van az összes DNS-ben, más szervezetekben pedig uracil van csak néhány DNS-ben. Mi lehet ennek evolúciós előnye? Vessünk egy pillantást néhány példára.,

Uracil a vírus-DNS

Két faj fág (vírus, ami megfertőzi baktériumok) ismert, hogy a DNS genom szekvenciát jelent, csak uracil nem thymine. Még nem tudjuk, hogy ezek a fágok egy olyan ősi életforma képviselői-e, amely soha nem fejlődött ki a timin DNS-ben, vagy uracil-szubsztituált genomjaik újonnan kialakult stratégia., Azt sem tudjuk, hogy ezek a fágok miért használják az uracil-t a timin helyett, de alapvető szerepet játszhat ezeknek a vírusoknak az életciklusában. Ha ez a helyzet, akkor érdemes lenne a vírusok számára biztosítani, hogy a DNS-ben lévő uracil ne helyettesítse a timint. Ilyen fágok kimutatták, hogy egy gén kódol egy adott fehérje gátolja a gazda-uracil-DNA glycosylase, így megakadályozza, hogy a virális genom attól, hogy az uracil ‘javítani’, amelyet a fogadó enzimek.,

Programozott sejthalál a rovarok ciklus

– Uracil-DNS-t is, úgy tűnik, szerepet játszik a fejlődés endopterygotes – rovarok, hogy részt pupation során az életciklus (hangyák, pillangók tenni; a szöcskék, a termeszek nem)., Ezek a rovarok nem rendelkeznek az uracil-DNS glikoziláz fő génjével, amely egyébként eltávolítaná az uracil-t a DNS-ből.

Sőt, a saját kutatás kimutatta, hogy a lárvák a muslica Drosophila melanogaster, az arány a dUTP, hogy dTTP szabályozott szokatlan módon: minden szövetben, hogy nem lesz szükség a felnőtt rovarok, vannak sokkal alacsonyabb az enzim, amely lebontja a dUTP olyan előfutára a dTTP termelés. Következésképpen jelentős mennyiségű uracil van beépítve ezekbe a szövetekbe a DNS-szintézis során.,

tehát a lárvaszakaszok során uracil-DNS keletkezik, és úgy tűnik, hogy nem korrigálható olyan szövetekben, amelyek a pupalis szakaszban lebomlanak. Mivel ezek a rovarok nem rendelkeznek a fő uracil-DNS glikoziláz enzimmel, a pupalis szakaszban további uracil-DNS-specifikus tényezők felismerhetik ezt a felhalmozódott uracil-t a sejthalál kezdeményezésének jeleként. Már azonosítottunk egy rovarspecifikus fehérjét, amely úgy tűnik, képes lebontani az uracil-DNS-t, és azt vizsgáljuk, hogy ezt az enzimet használják-e a programozott sejthalál elindításához.,

hasznos hibák: a gerinces immunrendszer

Uracil a DNS – ben azonban közelebb található az otthonhoz-az olyan gerincesek immunrendszerében, mint mi., Immunrendszerünk egy része, az adaptív immunrendszer számos különböző antitestet termel, amelyek képzettek arra, hogy megvédjenek minket a specifikus kórokozóktól. A létrehozható különböző antitestek számának növelése érdekében összekeverjük a DNS-szekvenciát azokban a régiókban, amelyek kódolják őket, nemcsak a sejtek meglévő szekvenciáinak rekombinálásával, hanem újak létrehozásával is, nagymértékben megnövekedett mutációs arányokkal, úgynevezett hypermutációval.,

Hypermutation azzal kezdődik, hogy egy bizonyos enzim (egy aktiváció indukálta deamináz), amely megváltoztatja cytosine a uracil (lásd Ábra 4) a specifikus DNS loci, kiváltó hiba hajlamos javítás válasz, amely a szervezet arra használ, hogy az előnyt: “hibák” generál új szekvenciák, hogy lehet használni, hogy a különböző ellenanyagok. Ez a rendszer nagyon szigorúan szabályozott, azonban, mintha kicsúszott volna a kezéből, rákhoz vezetne.

ha figyelembe vesszük azt a kérdést, hogy miért uracil vagy miért timin, meg kell fontolnunk az evolúciós kontextust., Az élő szervezetek folyamatosan változó környezetben fejlődtek ki, dinamikus kihívásokkal szembesülve. Így egy olyan megoldás, amely elkerüli a hibák beépítését a DNS-be, előnyös a legtöbb organizmus és a legtöbb sejt számára, ami megmagyarázza, hogy a timin-DNS miért vált normává. Bizonyos körülmények között azonban maguk a “hibák” is hasznosak lehetnek, ezért egyes sejtek még mindig uracil-t használnak a DNS-ben.