Uracil i DNA: feil eller signal?

innhold av tymin versus uracil

Vår genetiske informasjonen som er lagret i form av DNA, ved hjelp av en fire-brev alfabetet. De fire ‘bokstaver’ svarer til de fire kjemiske baser som hver byggeblokk av DNA – kalles et nukleotid – kan ha: adenine (A), innhold av tymin (T), cytosine (C) og guanin (G; se Figur 1)., Som James Watson og Francis Crick som kjent oppdaget, DNA danner en dobbel helix, der de fire baser alltid koble opp på samme måte, gjennom konkrete hydrogen obligasjoner: adenine binder seg til innhold av tymin og guanin å cytosine (se figur 2 og 3).

Det er en alternativ femte bokstaven, men: uracil (U), som danner det samme mønsteret av hydrogen obligasjoner med adenine (se Figur 4)., Men selv om uracil er ofte brukt i RNA, dette er ikke tilfelle i DNA, der innhold av tymin er brukt i stedet. Hvorfor kan dette være?

Kjemisk, innhold av tymin er en uracil molekyl med en ekstra methyl gruppe festet. Hva ville være den fordelen, i evolusjonære termer, for å bruke dette mer komplekse byggesteinene i DNA? Svaret kan ligge i hvordan celler riktig skade på DNA.,

Cytosine kan plutselig slå til uracil, gjennom en prosess som kalles hydrolytic deamination (se Figur 4). Når dette skjer, guanin som først var bundet til at cytosine molekyl som er igjen på motsatt side uracil i stedet (husk at uracil normalt binder seg til adenine)., Når cellen ved siden replikater sitt DNA, posisjon overfor denne uracil molekyl ville bli tatt opp ved en adenine i stedet for guanin som skulle være der, endre meldingen at denne delen av DNA som koder (se Figur 5). Denne prosessen av cytosine deamination er en av de mest vanlige typer DNA-skader, men er normalt rettet effektivt. Hvordan har cell gjøre dette?

Celler har en reparasjon system som kan oppdage når en uracil er sittende der en cytosine bør være, og korrigere feil før det er replikert og gikk videre. Den komplekse maskiner til å gjøre som består av flere enzymer: for det første: uracil-DNA glycosylases anerkjenne uracil, og klipp den ut av DNA. Da er flere enzymer bidra til eliminering og re-syntese av den skadede delen av DNA under abasic (‘tom’) – området i DNA er erstattet med en cytosine (se Figur 6).,

Imidlertid er den mest vanlige formen av uracil-DNA glycosylase kan ikke fortelle hvilke basen uracil er sammen med, dvs. om uracil var ment å være det (hvis bundet med adenine) eller om det er en mutert cytosine (og motsatt guanin); i stedet, vil det kjenne igjen og kutte ut begge typer uracil. Klart, dette ville føre til problemer. Løsningen på dette problemet er antatt å ha vært utviklingen av en mekanisme som ‘riktig’ uracils (sammen med adenine) ble merket med en methyl gruppe – noe som resulterer i innhold av tymin., Denne måten, hvis cellen maskiner funnet en uracil, det klipp den ut og reparert det, men hvis det finnes en uracil med en methyl-etikett – et innhold av tymin (se Figur 4) – det gikk. Over tid, derfor, innhold av tymin i DNA ble standard i stedet for uracil, og de fleste cellene nå bruke uracil bare i RNA.

Hvorfor var uracil beholdt i RNA? RNA er mer kortvarig enn DNA-og – med få unntak – er ikke den depot for langtidslagring av genetisk informasjon, så cytosine molekyler som spontant slå inn uracils i RNA ikke utgjør en stor trussel mot cellen., Dermed var det trolig ingen evolusjonært press for å erstatte uracil med mer komplekse (og antagelig mer kostbare) innhold av tymin i RNA.

innhold av tymin-mindre celledød

Når DNA er syntetisert, DNA polymerase enzymer (som catalyse syntese) ikke kan diskriminere mellom innhold av tymin og uracil. De bare sjekke om hydrogen obligasjoner skjemaet korrekt, dvs. om basen par matches riktig., Disse enzymene gjør det ikke noe om innhold av tymin eller uracil binder seg til adenine. Normalt mengder deoxyuridine trifosfat (dUTP, en kilde til uracil) i celle er holdt svært lave i forhold til nivåer av deoxythymidine trifosfat (dTTP, et innhold av tymin kilde), hindrer uracil inkorporering i DNA-syntese.

Hvis dette streng regulering er opprørt og forholdet mellom dUTP å dTTP øker, øker også mengden av uracil som er feil inkorporert i DNA øker også., Reparasjon system – som, i motsetning til DNA polymerases, kan skille uracil fra innhold av tymin – så forsøk å kutte ut uracil med hjelp av uracil-DNA glycosylase og å re-syntetisere DNA, som innebærer midlertidig spalte (cutting) DNA-ryggraden. Imidlertid, hvis forholdet mellom dUTP å dTTP er fortsatt forhøyet, dette re-syntese kan igjen innlemme uracil i stedet for innhold av tymin. Denne syklusen til slutt fører til DNA-strand pauser og kromosom fragmentering, når disse midlertidige kutt i DNA skje etter den andre, og for nær hverandre (se Figur 7)., Dette resulterer i en bestemt type av programmert celledød, kalt innhold av tymin-mindre celledød.

prosessen med innhold av tymin-mindre celledød kan være bevisst utnyttet i behandling av kreft. Fordi kreftceller sprer på en så høy pris i forhold til normale celler, de syntetisere en større mengde av DNA-per gitt periode, og som derfor krever store mengder dUTP. Ved å heve forholdet mellom dUTP å dTTP, disse kreftceller kan være selektivt målrettet og eliminert.,

Uracil DNA fortsatt eksisterer

Selv om de fleste celler bruk uracil for RNA og innhold av tymin for DNA, men det finnes unntak. Noen organismer har uracil i stedet for innhold av tymin i alle deres DNA, og andre organismer har uracil i bare noen av deres DNA. Hva kan være evolusjonær fordel av det? La oss ta en titt på noen eksempler.,

Uracil i viral DNA

To arter av phage (virus som infiserer bakterier) er kjent for å ha DNA-genomer med bare uracil og ingen innhold av tymin. Vi ennå ikke vet om disse fager er representanter for en gamle livsform som aldri har utviklet seg innhold av tymin DNA, eller om deres uracil-erstatning forsikring er et nylig utviklet strategi., Heller ikke vet vi hvorfor disse fager bruk uracil i stedet for innhold av tymin, men det kan spille en viktig rolle i livet syklus av disse virusene. Hvis det er tilfelle, ville det være fornuftig for virus for å sikre at uracil i deres DNA er ikke erstattet med innhold av tymin. Og en av disse fager har faktisk vist seg å ha et gen som koder et bestemt protein for å hemme verten uracil-DNA glycosylase, og dermed hindre den viral genome fra å ha sine uracil ‘repareres’ av verten enzymer.,

Programmert celledød i insekt liv sykluser

Uracil-DNA synes også å spille en rolle i utviklingen av endopterygotes – insekter som gjennomgår pupation i løpet av sin livssyklus (maur og sommerfugler gjøre, gresshopper og termites ikke)., Disse insektene mangler den viktigste genet for uracil-DNA glycosylase, som ellers ville fjerne uracil fra deres DNA.

Videre, vår egen forskning har vist at larver av bananflue Drosophila melanogaster, forholdet mellom dUTP å dTTP er regulert i en uvanlig måte: i alle vev som ikke vil være nødvendig i det voksne insekt, det er mye lavere nivåer av det enzymet som bryter ned dUTP og genererer en forløper for dTTP produksjon. Statnett har derfor betydelige mengder uracil er innlemmet i disse vevene i DNA-syntese.,

Så i larval stadier, uracil-DNA er produsert og synes ikke å være rettet opp i vev som er å være dårligere i løpet av de pupal scenen. Som disse insektene mangler den viktigste uracil-DNA glycosylase enzym, på pupal stadium, ytterligere uracil-DNA-spesifikke faktorer kan gjenkjenne denne akkumulerte uracil som et signal til å starte celledød. Vi har allerede identifisert et insekt-bestemt protein som synes å være i stand til å svekke uracil-DNA, og vi undersøker om dette enzymet brukes til å iverksette en programmert celledød.,

Gunstig feil: virveldyr immunsystemet

Uracil i DNA, men kan også bli funnet nærmere hjemme – i immunsystemet av vertebrater som oss., En del av immunforsvaret vårt, det adaptive immunsystemet, og produserer et stort antall forskjellige antistoffer som er opplært til å beskytte oss fra spesifikke patogener. For å øke antallet av ulike antistoffer som kan opprettes, vi tilfeldig DNA-sekvens i områder som kode for dem, ikke bare ved å rekombinere eksisterende sekvenser i cellene, men også ved å skape nye gjennom vesentlig økt mutasjon priser, kjent som hypermutation.,

Hypermutation starter med et bestemt enzym (en aktiverings-indusert deaminase) som endrer cytosine til uracil (se Figur 4) på spesifikke DNA-loci, fremmane en feil utsatt reparasjon svar, som organismen bruker til sin fordel: ‘feil’ generere nye sekvenser som kan brukes til å lage forskjellige antistoffer. Dette systemet er svært strengt regulert, men som om det kom ut av hånden, ville det føre til kreft.

Når du vurderer spørsmålet om hvorfor uracil-eller hvorfor innhold av tymin, må vi vurdere evolusjonær sammenheng., Levende organismer har utviklet seg i en stadig skiftende miljøet, mot en dynamisk sett av utfordringer. Dermed, en løsning som unngår feil blir innlemmet i DNA er en fordel for de fleste organismer, og de fleste cellene, noe som forklarer hvorfor innhold av tymin-DNA ble norm. Under visse omstendigheter, men ‘feil’ i seg selv kan være gunstig, noe som er grunnen til at noen celler fortsatt bruk uracil i deres DNA.