uracilul în ADN: eroare sau semnal?

timină versus uracil

informațiile noastre genetice sunt stocate sub formă de ADN, folosind un alfabet de patru litere. Cele patru „litere” corespund celor patru baze chimice pe care fiecare bloc de ADN – numit nucleotidă – le poate avea: adenină (a), timină (T), citozină (C) și guanină (G; vezi Figura 1)., După cum au descoperit James Watson și Francis Crick, ADN-ul formează o dublă helix în care cele patru baze se împerechează întotdeauna în același mod, prin legături specifice de hidrogen: adenina se leagă de timină, iar guanina de citozină (vezi figurile 2 și 3).

Nu este o alternativă a cincea scrisoare, deși: uracilul (U), care formează același tip de legături de hidrogen cu adenină (a se vedea Figura 4)., Dar, deși uracilul este frecvent utilizat în ARN, acest lucru nu este cazul în ADN, unde timina este folosită în schimb. De ce ar putea fi asta?

din punct de vedere Chimic, timina este o moleculă de uracil, cu un plus de grup metil atașate. Care ar fi avantajul, în termeni evolutivi, de a folosi acest bloc de construcție mai complex în ADN? Răspunsul poate consta în modul în care celulele corectează deteriorarea ADN-ului.,

Citozina se poate transforma spontan în uracil, printr-un proces numit dezaminare hidrolitică (a se vedea Figura 4). Când se întâmplă acest lucru, guanina care a fost legată inițial de molecula de citozină este lăsată în loc de uracil (amintiți-vă că uracilul se leagă în mod normal de adenină)., Atunci când celula își reproduce ADN-ul, poziția opusă acestei molecule de uracil ar fi preluată de o adenină în locul guaninei care ar trebui să fie acolo, modificând mesajul pe care această secțiune de ADN îl codifică (vezi Figura 5). Acest proces de dezaminare a citozinei este unul dintre cele mai frecvente tipuri de leziuni ale ADN-ului, dar în mod normal este corectat eficient. Cum face celula asta?

Celulele au o reparație sistem care poate detecta atunci când un uracil este în locul unei citozine fi, și de a corecta greșeala înainte de a se reproduce și a trecut mai departe. Mecanismul complex de acțiune constă în mai multe enzime: mai întâi ADN-uracil glicozilazele recunosc uracilul și îl elimină din ADN. Apoi, mai multe enzime contribuie la eliminarea și re-sinteza părții deteriorate a ADN-ului, în timpul căreia situsul abasic („gol”) din ADN este înlocuit cu o citozină (vezi Figura 6).,cu toate acestea, cea mai comună formă de ADN-uracil glicozilază nu poate spune cu ce bază este asociat uracilul, adică dacă uracilul a fost destinat să existe acolo (dacă este legat de adenină) sau dacă este o citozină mutantă (și este opusă guaninei); în schimb, ar recunoaște și ar elimina ambele tipuri de uracil. În mod evident, acest lucru ar cauza probleme. Soluția la această problemă potențială a fost evoluția unui mecanism în care „corectă” uracils (asociat cu adenină) au fost etichetate cu o grupă metil – care rezultă în timină., În acest fel, dacă mașinăria celulară a găsit un uracil, l – a tăiat și l – a reparat, dar dacă a găsit un uracil cu o etichetă metil-o timină (vezi Figura 4) – l-a lăsat. De-a lungul timpului, timina din ADN a devenit standard în locul uracilului, iar majoritatea celulelor utilizează acum uracil numai în ARN.de ce a fost reținut uracilul în ARN? ARN-ul este mult mai scurtă decât ADN-ul și – cu câteva excepții – nu este magazia pentru depozitarea pe termen lung de informații genetice, deci citozină molecule care transforma spontan în uracils în ARN nu prezintă un mare pericol pentru mobil., Astfel, probabil că nu a existat o presiune evolutivă pentru a înlocui uracilul cu timina mai complexă (și probabil mai costisitoare) din ARN.

Timină-mai puțin de celule moarte

atunci Când ADN-ul este sintetizat, ADN polimeraza enzime (care catalizează sinteza) nu pot face discriminări între timină și uracil. Ei verifică doar dacă legăturile de hidrogen se formează corect, adică dacă perechile de baze sunt potrivite corect., Pentru aceste enzime, nu contează dacă timina sau uracilul se leagă de adenină. În mod normal, de deoxiuridin trifosfat (dUTP, o sursă de uracil) în celulă sunt păstrate foarte scăzut în comparație cu nivelurile de deoxitimidina trifosfat (dTTP, sursă de timină), pentru a evita încorporarea uracilului în sinteza ADN-ului.

dacă această reglementare strictă este perturbată și raportul dintre dUTP și dTTP crește, crește și cantitatea de uracil care este încorporată incorect în ADN., Sistemul de reparații – care, spre deosebire de ADN-polimeraze, se pot distinge uracil de timină – apoi încearcă să taie uracil cu ajutorul ADN-uracil glicozilază și să re-sinteza ADN-ului, ceea ce implică o clivare (tăiere) ADN-ul vertebrală. Cu toate acestea, dacă raportul dintre dUTP și dTTP este încă ridicat, această re-sinteză poate încorpora din nou uracil în loc de timină. Acest ciclu duce în cele din urmă la ruperea catenei ADN și la fragmentarea cromozomilor, când aceste tăieturi temporare în ADN au loc una după alta și prea aproape una de cealaltă (vezi Figura 7)., Aceasta are ca rezultat un tip specific de moarte celulară programată, numită moarte celulară fără timină.procesul de moarte celulară fără timină poate fi exploatat în mod deliberat în tratamentul cancerului. Deoarece celulele canceroase proliferează într-o rată atât de mare în comparație cu celulele normale, ele sintetizează o cantitate mai mare de ADN pe o anumită perioadă de timp și, prin urmare, necesită cantități mari de dUTP. Prin creșterea raportului dintre dUTP și dTTP, aceste celule canceroase pot fi direcționate și eliminate selectiv.,deși majoritatea celulelor utilizează uracil pentru ARN și timină pentru ADN, există și excepții. Unele organisme au uracil în loc de timină în tot ADN-ul lor, iar alte organisme au uracil doar în parte din ADN-ul lor. Care ar putea fi avantajul evolutiv al acestui lucru? Să aruncăm o privire la câteva exemple.,

Uracil în ADN-ul viral

Două specii de microbi (virusuri care infecteaza bacteriile) sunt cunoscute de a avea genomul ADN numai cu uracil și nu timină. Nu știm încă dacă acești fagi sunt reprezentanți ai unei forme de viață străvechi care nu a dezvoltat niciodată ADN timinic sau dacă genomul lor substituit cu uracil este o strategie nou dezvoltată., Nici nu știm de ce acești fagi folosesc uracil în loc de timină, dar poate juca un rol esențial în ciclul de viață al acestor virusuri. În acest caz, ar fi logic ca virușii să se asigure că uracilul din ADN-ul lor nu este înlocuit cu timină. De fapt, s-a demonstrat că unul dintre acești fagi are o genă care codifică o proteină specifică pentru a inhiba ADN-uracil glicozilaza gazdei, împiedicând astfel genomul viral să-și „repare” uracilul de către enzimele gazdei.,

moartea celulară Programată în ciclurile de viață ale insectelor

ADN-Uracil, de asemenea, pare a juca un rol în dezvoltarea de furnicilor – insecte care se supună pupation în timpul ciclului lor de viață (furnici și fluturi face; lăcustele și termitele nu)., Acestor insecte le lipsește gena principală pentru ADN-uracil glicozilază, care altfel ar elimina uracilul din ADN-ul lor.mai mult, propriile noastre cercetări au arătat că, în larvele muștei de fructe Drosophila melanogaster, raportul dintre dUTP și dTTP este reglementat într-o manieră neobișnuită: în toate țesuturile care nu vor fi necesare la insecta adultă, există niveluri mult mai scăzute ale enzimei care descompune dUTP și generează un precursor pentru producția de dTTP. În consecință, cantități semnificative de uracil sunt încorporate în aceste țesuturi în timpul sintezei ADN.,astfel, în stadiile larvare, ADN-uracil este produs și pare să nu fie corectat în țesuturile care urmează să fie degradate în stadiul pupal. Deoarece acestor insecte le lipsește principala enzimă uracil-ADN glicozilază, în faza pupală, alți factori specifici ADN-uracilului pot recunoaște acest uracil acumulat ca un semnal de inițiere a morții celulare. Am identificat deja o proteină specifică insectelor care pare a fi capabilă să degradeze ADN-ul uracilului și investigăm dacă această enzimă este utilizată pentru a iniția moartea celulară programată.,

Benefice erori: vertebrate sistemul imunitar

Uracil în ADN-ul, cu toate acestea, poate fi, de asemenea, găsite mai aproape de casă – în sistemul imunitar de vertebrate ca noi., O parte din sistemul nostru imunitar, sistemul imunitar adaptiv, produce un număr mare de anticorpi diferiți care sunt instruiți pentru a ne proteja de agenți patogeni specifici. Pentru a crește numărul de anticorpi diferiți care pot fi creați, amestecăm secvența ADN în regiunile care codifică pentru ei, nu numai prin recombinarea secvențelor existente în celule, ci și prin crearea unora noi prin rate de mutație mult crescute, cunoscute sub numele de hipermutație.,

Hypermutation începe cu o enzimă specifică (o activare indus de dezaminază) care se schimbă citozina în uracil (a se vedea Figura 4) la anumite loci ADN, provocând o predispus la eroare de reparații de răspuns, pe care organismul o folosește în avantajul său: „erori” de a genera noi secvențe care pot fi utilizate pentru a face diferite de anticorpi. Acest sistem este foarte strict reglementat, totuși, ca și cum ar ieși din mână, ar duce la cancer.când analizăm întrebarea De ce uracilul sau timina, trebuie să luăm în considerare contextul evolutiv., Organismele vii au evoluat într-un mediu în continuă schimbare, confruntându-se cu un set dinamic de provocări. Astfel, o soluție care evită încorporarea greșelilor în ADN este avantajoasă pentru majoritatea organismelor și pentru majoritatea celulelor, ceea ce explică de ce ADN-ul timină a devenit normă. Totuși, în anumite circumstanțe, „greșelile” în sine pot fi benefice, motiv pentru care unele celule încă utilizează uracil în ADN-ul lor.