uracyl w DNA: błąd czy sygnał?

tymina a uracyl

nasza informacja genetyczna jest przechowywana w postaci DNA, przy użyciu czteroliterowego alfabetu. Cztery „litery” odpowiadają czterem zasadom chemicznym, które każdy budulec DNA – zwany nukleotydem – może mieć: adenina( A), tymina (t), cytozyna (C) i guanina (G; patrz rysunek 1)., Jak odkryli James Watson i Francis Crick, DNA tworzy podwójną helisę, w której cztery zasady zawsze łączą się w pary w ten sam sposób, poprzez specyficzne wiązania wodorowe: adenina wiąże się z tyminą, a guanina z cytozyną (Patrz rysunki 2 i 3).

Rysunek 1: kluczowe składniki nukleotydu, podstawowy budulec DNA. Deoksyryboza cukrowa i grupa fosforanowa są niezmienne, podczas gdy zasada organiczna może należeć do jednego z czterech typów: A, T, G i C., Kliknij na obrazek aby powiększyć
Zdjęcie dzięki uprzejmości Nicola Graf

rysunek 2: Struktura chemiczna DNA, pokazująca pary zasad a-t i G-C. zasady związane Wodorem łączą ze sobą dwa trzony cukrowo-fosforanowe., Kliknij na obrazek aby powiększyć
Zdjęcie dzięki uprzejmości Madeleine Price Ball; Źródło zdjęcia: Wikimedia Commons

istnieje alternatywna piąta litera: uracyl (U), który tworzy ten sam wzór wiązań wodorowych z adeniną (patrz rysunek 4)., Ale chociaż uracyl jest powszechnie stosowany w RNA, nie ma to miejsca w DNA, gdzie zamiast tego stosuje się tyminę. Dlaczego?

chemicznie tymina jest cząsteczką uracylu z dołączoną dodatkową grupą metylową. Jaka byłaby korzyść, pod względem ewolucyjnym, z wykorzystania tego bardziej złożonego budulca w DNA? Odpowiedź może polegać na tym, jak komórki korygują uszkodzenia DNA.,

Rysunek 5: hydrolityczna
deaminacja cytozyny może
zmienić aminokwasy
kodowane przez sekwencję.
Kliknij na obrazek aby powiększyć
Zdjęcie dzięki uprzejmości Nicola Graf

cytozyna może samoistnie przekształcić się w uracyl w procesie zwanym deaminacją hydrolityczną (patrz rysunek 4). Kiedy to nastąpi, guanina, która początkowo wiązała się z cząsteczką cytozyny, pozostaje naprzeciwko uracylu (pamiętaj, że uracyl zwykle wiąże się z adeniną)., Kiedy komórka następnie replikuje swoje DNA, pozycja przeciwna tej cząsteczce uracylu zostanie zajęta przez adeninę zamiast guaniny, która powinna tam być, zmieniając wiadomość, że ta sekcja DNA koduje (patrz rysunek 5). Ten proces deaminacji cytozyny jest jednym z najczęstszych rodzajów uszkodzeń DNA, ale zwykle jest skutecznie korygowany. Jak komórka to robi?

Rysunek 6: Naprawa deaminacji hydrolitycznej
.,
Kliknij na obrazek aby powiększyć
Zdjęcie dzięki uprzejmości Nicola Graf

komórki mają system naprawczy, który wykrywa, kiedy uracyl znajduje się w miejscu, w którym powinna znajdować się cytozyna, i koryguje błąd, zanim zostanie powielony i przekazany dalej. Złożony mechanizm działania składa się z kilku enzymów: najpierw glikozylazy uracylu-DNA rozpoznają uracyl i wycinają go z DNA. Następnie kilka enzymów przyczynia się do eliminacji i ponownej syntezy uszkodzonej części DNA, podczas której miejsce abasowe („puste”) w DNA jest zastępowane cytozyną (patrz rysunek 6).,

jednak najczęstsza forma glikozylazy uracylo-DNA nie może określić, z którą zasadą uracyl jest powiązany, tzn. czy uracyl miał tam być (jeśli jest związany z adeniną) lub czy jest zmutowaną cytozyną (w przeciwieństwie do guaniny); zamiast tego rozpoznałby i wycięłby oba typy uracylu. Oczywiście mogłoby to spowodować problemy. Uważa się, że rozwiązaniem tego potencjalnego problemu była ewolucja mechanizmu, w którym „prawidłowe” uracyle (w połączeniu z adeniną) były znakowane grupą metylową – w wyniku czego powstała tymina., W ten sposób, jeśli maszyna komórkowa znalazła uracyl, wycięła go i naprawiła, ale jeśli znalazła uracyl z metką metylową-tyminę – patrz rysunek 4) – opuściła go. Z czasem tymina w DNA stała się standardem zamiast uracylu, a większość komórek używa teraz uracylu tylko w RNA.

Dlaczego uracyl został zachowany w RNA? RNA jest bardziej krótkotrwałe niż DNA i – z kilkoma wyjątkami-nie jest repozytorium dla długoterminowego przechowywania informacji genetycznej, więc cząsteczki cytozyny, które spontanicznie przekształcają się w uracyl w RNA, nie stanowią wielkiego zagrożenia dla komórki., W związku z tym prawdopodobnie nie było ewolucyjnego nacisku na zastąpienie uracylu bardziej złożoną (i prawdopodobnie droższą) tyminą w RNA.

śmierć komórek bez tyminy

Kiedy DNA jest syntetyzowane, enzymy polimerazy DNA (katalizujące syntezę) nie mogą rozróżniać między tyminą a uracylem. Sprawdzają tylko, czy wiązania wodorowe tworzą się prawidłowo, tzn. czy pary zasad są prawidłowo dopasowane., Dla tych enzymów nie ma znaczenia, czy tymina czy uracyl wiążą się z adeniną. Zwykle ilości trifosforanu deoksyurydyny (dUTP, źródło uracylu) w komórce są utrzymywane na bardzo niskim poziomie w porównaniu z poziomami trifosforanu deoksytymidyny (dTTP, źródło tyminy), zapobiegając wbudowywaniu uracylu podczas syntezy DNA.

Jeśli ta ścisła Regulacja zostanie zakłócona, a stosunek dUTP do dTTP wzrośnie, zwiększa się również ilość uracylu, który jest nieprawidłowo wbudowany w DNA., Układ naprawczy – który, w przeciwieństwie do polimeraz DNA, potrafi odróżnić uracyl od tyminy-następnie próbuje wyciąć uracyl za pomocą glikozylazy URACYLO-DNA i ponownie zsyntetyzować DNA, co wymaga czasowego rozszczepienia (przecięcia) szkieletu DNA. Jeśli jednak stosunek dUTP do dTTP jest nadal podwyższony, ponowna synteza może ponownie zawierać uracyl zamiast tyminy. Cykl ten ostatecznie prowadzi do przerwania nici DNA i fragmentacji chromosomów, gdy te tymczasowe cięcia w DNA zdarzają się jeden po drugim i zbyt blisko siebie (patrz rysunek 7)., Powoduje to specyficzny rodzaj zaprogramowanej śmierci komórki, zwanej śmiercią bez tyminy.

proces śmierci komórek bez tyminy może być celowo wykorzystywany w leczeniu raka. Ponieważ komórki nowotworowe proliferują w tak wysokim tempie w porównaniu do normalnych komórek, syntetyzują większą ilość DNA w danym okresie czasu i dlatego wymagają dużych ilości dUTP. Zwiększając stosunek dUTP do dTTP, te komórki nowotworowe mogą być selektywnie ukierunkowane i eliminowane.,

uracyl DNA nadal istnieje

chociaż większość komórek używa uracylu jako RNA i tyminy jako DNA, istnieją wyjątki. Niektóre organizmy mają uracyl zamiast tyminy w całym swoim DNA, a inne organizmy mają uracyl tylko w niektórych swoich DNA. Jaka może być z tego ewolucyjna korzyść? Spójrzmy na kilka przykładów.,

uracyl w wirusowym DNA

wiadomo, że dwa gatunki fagów (wirusy zakażające bakterie) posiadają genomy dna zawierające tylko uracyl i nie zawierające tyminy. Nie wiemy jeszcze, czy te fagi są przedstawicielami pradawnej formy życia, która nigdy nie wyewoluowała tyminowego DNA, czy też ich genomy podstawione uracylem są nowo wyewoluowaną strategią., Nie wiemy też, dlaczego fagi te używają uracylu zamiast tyminy, ale może on odgrywać istotną rolę w cyklu życiowym tych wirusów. W takim przypadku wirusy powinny upewnić się, że uracyl w ich DNA nie zostanie zastąpiony tyminą. Wykazano, że jeden z tych fagów ma gen kodujący określone białko, które hamuje glikozylazę uracylo-DNA gospodarza, zapobiegając w ten sposób „naprawianiu” uracylu przez enzymy gospodarza w genomie wirusa.,

programowana śmierć komórek w cyklach życia owadów

uracyl-DNA wydaje się również odgrywać rolę w rozwoju endopterygota – owadów, które przechodzą Przepoczwarczenie w cyklu życiowym (mrówki i motyle, koniki polne i termity nie)., Owady te nie posiadają głównego genu glikozylazy uracylo-DNA, która w przeciwnym razie usuwałaby uracyl z ich DNA.

ponadto, nasze własne badania wykazały, że u larw muszki owocowej Drosophila melanogaster stosunek dUTP do dTTP jest regulowany w nietypowy sposób: we wszystkich tkankach, które nie będą potrzebne u dorosłego owada, istnieją znacznie niższe poziomy enzymu, który rozkłada dUTP i wytwarza prekursor do produkcji dTTP. W związku z tym znaczne ilości uracylu są włączane do tych tkanek podczas syntezy DNA.,

Tak więc w stadium larwalnym uracyl-DNA jest wytwarzany i wydaje się nie być korygowany w tkankach, które mają być rozkładane w stadium poczwarki. Ponieważ owadom tym brakuje głównego enzymu glikozylazy uracylo-DNA, w stadium poczwarki dodatkowe czynniki specyficzne dla uracylo-DNA mogą rozpoznać nagromadzony uracyl jako sygnał inicjujący śmierć komórki. Zidentyfikowaliśmy już białko specyficzne dla owadów, które wydaje się być zdolne do degradacji uracylu-DNA i badamy, czy enzym ten jest używany do inicjowania zaprogramowanej śmierci komórki.,

korzystne błędy: układ odpornościowy kręgowców

uracyl w DNA można jednak znaleźć bliżej domu – w układzie odpornościowym kręgowców takich jak my., Część naszego układu odpornościowego, adaptacyjny układ odpornościowy, wytwarza dużą liczbę różnych przeciwciał, które są szkolone, aby chronić nas przed określonymi patogenami. Aby zwiększyć liczbę różnych przeciwciał, które mogą zostać utworzone, przetasowujemy sekwencję DNA w regionach, które dla nich kodują, nie tylko poprzez rekombinację istniejących sekwencji w komórkach, ale także poprzez tworzenie nowych poprzez znacznie zwiększoną częstość mutacji, znaną jako hipermutacja.,

Hipermutacja rozpoczyna się od określonego enzymu (deaminazy indukowanej aktywacją), który zmienia cytozynę w uracyl (patrz rysunek 4) w swoistych loci DNA, wywołując podatną na błędy reakcję naprawczą, którą organizm wykorzystuje na swoją korzyść: „błędy” generują nowe sekwencje, które mogą być użyte do wytworzenia różnych przeciwciał. System ten jest bardzo ściśle regulowany, jednak jakby wymknął się spod kontroli, doprowadziłby do raka.

rozważając pytanie, dlaczego uracyl lub dlaczego tymina, musimy wziąć pod uwagę kontekst ewolucyjny., Organizmy żywe ewoluowały w ciągle zmieniającym się środowisku, stawiając czoła dynamicznemu zestawowi wyzwań. Tak więc rozwiązanie, które pozwala uniknąć pomyłek włączanych do DNA, jest korzystne dla większości organizmów i większości komórek, co wyjaśnia, dlaczego tymina-DNA stała się normą. Jednak w pewnych okolicznościach same „błędy” mogą być korzystne, dlatego niektóre komórki nadal używają uracylu w swoim DNA.