Uracil in DNA: fout of signaal?

Er is echter een alternatieve vijfde letter: uracil (U), die hetzelfde patroon van waterstofbindingen vormt met adenine (zie Figuur 4)., Maar hoewel uracil vaak wordt gebruikt in RNA, is dit niet het geval in DNA, waar thymine in plaats daarvan wordt gebruikt. Waarom zou dit zijn?

chemisch is thymine een uracilmolecuul met een extra methylgroep eraan bevestigd. Wat zou het voordeel zijn, in evolutionaire termen, om deze complexere bouwsteen in DNA te gebruiken? Het antwoord kan liggen in hoe cellen schade aan DNA corrigeren.,

Cytosine kan spontaan veranderen in uracil, door een proces dat hydrolytische deaminatie wordt genoemd (zie Figuur 4). Wanneer dit gebeurt, wordt de guanine die aanvankelijk aan dat cytosine molecuul werd gebonden in plaats daarvan tegenover uracil gelaten (vergeet niet dat uracil normaal aan adenine bindt)., Wanneer de cel vervolgens zijn DNA repliceert, wordt de positie tegenover dit uracilmolecuul ingenomen door een adenine in plaats van de guanine die er zou moeten zijn, waardoor de boodschap wordt veranderd dat dit gedeelte van DNA codeert (zie Figuur 5). Dit proces van cytosine deamination is één van de gemeenschappelijkste types van schade van DNA, maar wordt normaal effectief gecorrigeerd. Hoe doet de cel dit?

cellen hebben een reparatiesysteem dat kan detecteren wanneer een uracil zit waar een cytosine zou moeten zitten, en de fout kan corrigeren voordat deze wordt gerepliceerd en doorgegeven. De complexe machinerie om dat te doen bestaat uit verschillende enzymen: eerste uracil-DNA glycosylasen herkennen de uracil, en snijd het uit het DNA. Vervolgens dragen verschillende enzymen bij aan de eliminatie en hersynthese van het beschadigde deel van DNA, waarbij de abasische (‘lege’) plaats in het DNA wordt vervangen door een cytosine (zie Figuur 6).,

echter, de meest voorkomende vorm van uracil-DNA glycosylase kan niet vertellen met welke base de uracil gepaard gaat, dat wil zeggen of de uracil bedoeld was om daar te zijn (indien gebonden met adenine) of als het een gemuteerde cytosine is (en tegenover guanine staat); in plaats daarvan zou het beide typen uracil herkennen en verwijderen. Het is duidelijk dat dit problemen zou veroorzaken. De oplossing voor dit potentiële probleem wordt verondersteld te zijn geweest de evolutie van een mechanisme waarin ‘correcte’ uracils (gekoppeld met adenine) werden geëtiketteerd met een methylgroep – resulterend in thymine., Op deze manier, als de celmachine een uracil vond, sneed het het uit en repareerde het, maar als het een uracil vond met een methyletiket – een thymine (zie Figuur 4) – liet het het achter. Na verloop van tijd, daarom, thymine in DNA werd de standaard in plaats van uracil, en de meeste cellen gebruiken nu uracil alleen in RNA.

Waarom werd uracil behouden in RNA? RNA is meer van korte duur dan DNA en is – op enkele uitzonderingen na – niet de opslagplaats voor langdurige opslag van genetische informatie, dus cytosine moleculen die spontaan in RNA uracils veranderen vormen geen grote bedreiging voor de cel., Er was dus waarschijnlijk geen evolutionaire druk om uracil te vervangen door het complexere (en waarschijnlijk duurdere) thymine in RNA.

Thymine-less celdood

wanneer DNA wordt gesynthetiseerd, kunnen de DNA-polymerase-enzymen (die de synthese katalyseren) geen onderscheid maken tussen thymine en uracil. Ze controleren alleen of de waterstofbruggen zich correct vormen, dat wil zeggen of de basenparen goed op elkaar zijn afgestemd., Voor deze enzymen maakt het niet uit of thymine of uracil aan adenine bindt. Normaal, worden de hoeveelheden van deoxyuridinetrifosfaat (dUTP, een bron van uracil) in de cel gehouden zeer laag in vergelijking met niveaus van deoxythymidinetrifosfaat (dTTP, een thyminebron), die uracil opname tijdens de synthese van DNA verhinderen.

als deze strikte verordening verstoord is en de verhouding dUTP tot dTTP stijgt, neemt ook de hoeveelheid uracil die onjuist in DNA is opgenomen, toe., Het reparatiesysteem – dat, in tegenstelling tot DNA-polymerasen, uracil van thymine kan onderscheiden-probeert dan de uracil met behulp van uracil-DNA glycosylase uit te snijden en het DNA opnieuw samen te stellen, wat Tijdelijk het splijten (snijden) van de DNA-ruggengraat inhoudt. Nochtans, als de verhouding van dUTP aan dTTP nog verhoogd is, kan deze re-synthese opnieuw uracil in plaats van thymine opnemen. Deze cyclus leidt uiteindelijk tot DNA-strengenbreuken en chromosoomfragmentatie, wanneer deze tijdelijke bezuinigingen in het DNA de een na de ander gebeuren en te dicht bij elkaar (zie Figuur 7)., Dit resulteert in een specifiek type van geprogrammeerde celdood, genoemd thymine-minder celdood.

het proces van thymine-minder celdood kan bewust worden benut bij de behandeling van kanker. Omdat kankercellen zich zo snel vermenigvuldigen in vergelijking met normale cellen, synthetiseren ze een grotere hoeveelheid DNA per bepaalde periode en vereisen ze daarom grote hoeveelheden dUTP. Door de verhouding van dUTP aan dTTP op te heffen, kunnen deze kankercellen selectief worden gericht en worden geëlimineerd.,

Uracil DNA bestaat nog steeds

hoewel de meeste cellen uracil gebruiken voor RNA en thymine voor DNA, zijn er uitzonderingen. Sommige organismen hebben uracil in plaats van thymine in al hun DNA, en andere organismen hebben uracil in slechts enkele van hun DNA. Wat zou daar het evolutionaire voordeel van kunnen zijn? Laten we eens kijken naar enkele voorbeelden.,

Uracil in viraal DNA

van twee soorten faag (virussen die bacteriën infecteren) is bekend dat ze DNA-genomen hebben met alleen uracil en geen thymine. We weten nog niet of deze Fagen vertegenwoordigers zijn van een oude levensvorm die nooit thymine DNA heeft ontwikkeld, of dat hun door uracil gesubstitueerde genomen een nieuw ontwikkelde strategie zijn., Ook weten we niet waarom deze Fagen uracil gebruiken in plaats van thymine, maar het kan een essentiële rol spelen in de levenscyclus van deze virussen. Als dat het geval is, zou het zinvol zijn voor de virussen om ervoor te zorgen dat de uracil in hun DNA niet wordt vervangen door thymine. En een van deze Fagen heeft een gen dat codeert voor een specifiek eiwit om de uracil van de gastheer te remmen-DNA glycosylase, waardoor het virale genoom wordt voorkomen dat de uracil ‘gerepareerd’ wordt door de gastheerenzymen.,

Geprogrammeerde celdood in de insecten leven cycli

Uracil-DNA blijkt ook een rol te spelen in de ontwikkeling van endopterygotes – insecten die ondergaan verpoppen tijdens hun levenscyclus (mieren en vlinders doen; sprinkhanen en termieten niet)., Deze insecten missen het belangrijkste gen voor uracil-DNA glycosylase, die anders uracil uit hun DNA zou verwijderen.

Bovendien heeft ons eigen onderzoek aangetoond dat bij larven van de fruitvlieg Drosophila melanogaster de verhouding van dUTP tot dTTP op een ongebruikelijke manier wordt gereguleerd: in alle weefsels die niet nodig zijn bij volwassen insecten, zijn er veel lagere niveaus van het enzym dat dUTP afbreekt en een voorloper voor dttp-productie genereert. Bijgevolg worden significante hoeveelheden uracil in deze weefsels opgenomen tijdens de DNA-synthese.,

tijdens de larvestadia wordt uracil-DNA geproduceerd en lijkt niet te worden gecorrigeerd in weefsels die tijdens het poppenstadium moeten worden afgebroken. Aangezien deze insecten het belangrijkste uracil-DNA glycosylase enzym missen, kunnen in het poppenstadium aanvullende uracil-DNA-specifieke factoren deze opgehoopte uracil herkennen als een signaal om celdood te veroorzaken. We hebben al een insect-specifiek eiwit geïdentificeerd dat uracil-DNA lijkt af te breken, en we onderzoeken of dit enzym wordt gebruikt om geprogrammeerde celdood in gang te zetten.,

nuttige fouten: het gewervelde immuunsysteem

Uracil in DNA kan echter ook dichter bij huis worden gevonden – in het immuunsysteem van gewervelde dieren zoals wij., Een deel van ons immuunsysteem, het adaptieve immuunsysteem, produceert een groot aantal verschillende antilichamen die getraind zijn om ons te beschermen tegen specifieke pathogenen. Om het aantal verschillende antilichamen te verhogen die kunnen worden gecreëerd, schudden we de DNA-sequentie in de gebieden die voor hen coderen, niet alleen door de bestaande sequenties in de cellen te hercombineren, maar ook door nieuwe te creëren door enorm verhoogde mutatiesnelheden, bekend als hypermutaties.,

Hypermutatiebegint met een specifiek enzym (een door activering geïnduceerde deaminase) dat cytosine verandert in uracil (zie Figuur 4) op specifieke DNA-loci, waardoor een foutgevoelige herstelreactie ontstaat, die het organisme in zijn voordeel gebruikt: ‘fouten’ genereren nieuwe sequenties die kunnen worden gebruikt om verschillende antilichamen aan te maken. Dit systeem is echter zeer streng gereguleerd, alsof het uit de hand zou lopen, het zou leiden tot kanker.

wanneer we de vraag bekijken waarom uracil of waarom thymine, moeten we rekening houden met de evolutionaire context., Levende organismen zijn geëvolueerd in een voortdurend veranderende omgeving, geconfronteerd met een dynamische reeks uitdagingen. Zo is een oplossing die fouten vermijdt die in DNA worden opgenomen voordelig voor de meeste organismen en de meeste cellen, wat verklaart waarom thymine-DNA de norm werd. Onder bepaalde omstandigheden kunnen ‘fouten’ zelf echter nuttig zijn, en daarom gebruiken sommige cellen nog steeds uracil in hun DNA.