Uracil i DNA: fel eller signal?

tymin kontra uracil

vår genetiska information lagras i form av DNA, med hjälp av en fyra bokstäver alfabetet. De fyra bokstäverna motsvarar de fyra kemiska baser som varje byggsten av DNA-kallad nukleotid-kan ha: adenin (a), tymin (T), cytosin (C) och guanin (g; Se figur 1)., Som James Watson och Francis Crick famously upptäckte bildar DNA en dubbel helix där de fyra baserna alltid parar upp på samma sätt, genom specifika vätebindningar: adenin binder till tymin och guanin till cytosin (se figurerna 2 och 3).

iv id = ” dubbel helixstruktur av DNA. Klicka för att förstora bilden
bild med tillstånd av Forluvoft; bildkälla: Wikimedia Commons

det finns ett alternativt femte brev, men: uracil (U), som bildar samma mönster av vätebindningar med adenin (se Figur 4)., Men även om uracil vanligen används i RNA, är detta inte fallet i DNA, där tymin används istället. – Varför då?

kemiskt är tymin en uracil-molekyl med en extra metylgrupp bifogad. Vad skulle vara fördelen, i evolutionära termer, att använda detta mer komplexa byggstenar i DNA? Svaret kan ligga i hur celler korrigerar skador på DNA.,

cytosin kan spontant förvandlas till uracil, genom en process som kallas hydrolytisk deaminering (se Figur 4). När detta händer lämnas guaninen som ursprungligen var bunden till den cytosinmolekylen motsatt uracil istället (kom ihåg att uracil normalt binder till adenin)., När cellen nästa replikerar sitt DNA, positionen mittemot denna uracil molekyl skulle tas upp av en adenin i stället för guanin som bör vara där, ändra budskapet att denna del av DNA kodar (se Figur 5). Denna process av cytosindeaminering är en av de vanligaste typerna av DNA-skador,men korrigeras normalt effektivt. Hur gör cellen detta?

celler har ett reparationssystem som kan upptäcka när en uracil sitter där en cytosin ska vara, och korrigera misstaget innan det replikeras och vidare. Den komplexa maskiner att göra som består av flera enzymer: första uracil-DNA glykosylaser känner igen uracil, och skär den ur DNA. Därefter bidrar flera enzymer till eliminering och återsyntes av den skadade delen av DNA, under vilken det abasiska (”tomma”) stället i DNA ersätts med en cytosin (se Figur 6).,

den vanligaste formen av uracil-DNA-glykosylas kan dock inte avgöra vilken bas uracilen är kopplad till, dvs. om uracilen var avsedd att vara där (om den är bunden med adenin) eller om den är en muterad cytosin (och är motsatt guanin); i stället skulle den känna igen och skära ut båda typerna av uracil. Uppenbarligen skulle detta orsaka problem. Lösningen på detta potentiella problem tros ha varit utvecklingen av en mekanism där ”korrekta” uracils (parat med adenin) märktes med en metylgrupp – vilket resulterade i tymin., På så sätt, om cellmaskineriet hittade en uracil, klippte den ut och reparerade den, men om den hittade en uracil med en metyletikett – en tymin (se Figur 4) – lämnade den den. Med tiden blev tymin i DNA därför standard istället för uracil, och de flesta celler använder nu uracil endast i RNA.

varför behölls uracil i RNA? RNA är mer kortlivad än DNA och – med några få undantag-är inte förvaret för långtidslagring av genetisk information, så cytosinmolekyler som spontant förvandlas till uracils i RNA inte utgör ett stort hot mot cellen., Således fanns det förmodligen inget evolutionärt tryck för att ersätta uracil med det mer komplexa (och förmodligen dyrare) tyminet i RNA.

tymin-mindre celldöd

när DNA syntetiseras kan DNA-polymerasenzymerna (som katalyserar syntesen) inte skilja mellan tymin och uracil. De kontrollerar endast om vätgasbindningarna bildas korrekt, dvs. om basparen matchas korrekt., Till dessa enzymer spelar ingen roll om tymin eller uracil binder till adenin. Normalt hålls mängden deoxiuridintrifosfat (dUTP, en källa till uracil) i cellen mycket låg jämfört med nivåerna av deoxitymidintrifosfat (dTTP, en tyminkälla), vilket förhindrar uracil-införlivande under DNA-syntesen.

om denna strikta reglering är störd och förhållandet mellan dUTP och dTTP stiger, ökar också mängden uracil som felaktigt införlivas i DNA., Reparationssystemet – som, till skillnad från DNA-polymeraser, kan skilja uracil från tymin-försöker sedan skära ut uracil med hjälp av uracil-DNA glykosylas och att åter syntetisera DNA, vilket innebär tillfälligt klyvning (skärning) DNA-ryggraden. Men om förhållandet mellan dUTP och dTTP fortfarande är förhöjt, kan denna återsyntes åter införliva uracil istället för tymin. Denna cykel leder så småningom till DNA strand raster och kromosomfragmentering, när dessa tillfälliga nedskärningar i DNA hända en efter den andra och för nära varandra (se Figur 7)., Detta resulterar i en specifik typ av programmerad celldöd, kallad tymin-mindre celldöd.

processen med tymin-mindre celldöd kan medvetet utnyttjas vid behandling av cancer. Eftersom cancerceller förökar sig i en så hög takt jämfört med normala celler, syntetiserar de en större mängd DNA per given tidsperiod och kräver därför stora mängder dUTP. Genom att höja förhållandet mellan dUTP och dTTP kan dessa cancerceller selektivt riktas och elimineras.,

uracil DNA finns fortfarande

även om de flesta celler använder uracil för RNA och tymin för DNA, finns det undantag. Vissa organismer har uracil istället för tymin i allt deras DNA, och andra organismer har uracil i bara några av deras DNA. Vad kan vara den evolutionära fördelen med det? Låt oss ta en titt på några exempel.,

uracil i viralt DNA

två arter av fag (virus som infekterar bakterier) är kända för att ha DNA-genomer med endast uracil och ingen tymin. Vi vet ännu inte om dessa fager är representanter för en gammal livsform som aldrig utvecklat tymin-DNA, eller om deras uracil-substituerade genom är en nyutvecklad strategi., Inte heller vet vi varför dessa fager använder uracil istället för tymin, men det kan spela en viktig roll i livscykeln för dessa virus. Om så är fallet skulle det vara meningsfullt för virusen att se till att uracil i deras DNA inte ersätts med tymin. Och en av dessa fager har faktiskt visat sig ha en gen som kodar för ett specifikt protein för att hämma värdens uracil-DNA glykosylas, vilket förhindrar det virala genomet från att få sin uracil ”reparerad” av värdenzymerna.,

Programmerad celldöd i insekters liv cykler

Uracil-DNA verkar också spela en roll i utvecklingen av endopterygotes – insekter som genomgår pupation under sin livscykel (myror och fjärilar göra, gräshoppor och termiter inte)., Dessa insekter saknar huvudgenen för uracil-DNA glykosylas, som annars skulle ta bort uracil från deras DNA.

dessutom har vår egen forskning visat att i larver av fruktflugan Drosophila melanogaster regleras förhållandet mellan dUTP och dTTP på ett ovanligt sätt: i alla vävnader som inte behövs i den vuxna insekten finns det mycket lägre nivåer av enzymet som bryter ner dUTP och genererar en föregångare för dttp-produktion. Följaktligen införlivas signifikanta mängder uracil i dessa vävnader under DNA-syntes.,

så under larvstadiet produceras uracil-DNA och verkar inte korrigeras i vävnader som ska försämras under puppstadiet. Eftersom dessa insekter saknar det huvudsakliga uracil-DNA-glykosylasenzymet, kan ytterligare uracil-DNA-specifika faktorer vid puppfasen känna igen denna ackumulerade uracil som en signal för att initiera celldöd. Vi har redan identifierat ett insektspecifikt protein som verkar kunna försämra uracil-DNA, och vi undersöker om detta enzym används för att initiera programmerad celldöd.,

fördelaktiga fel: ryggradsdjur immunsystemet

uracil i DNA kan dock också hittas närmare hemmet – i immunsystemet hos ryggradsdjur som oss., En del av vårt immunförsvar, det adaptiva immunsystemet, producerar ett stort antal olika antikroppar som är utbildade för att skydda oss från specifika patogener. För att öka antalet olika antikroppar som kan skapas blandar vi DNA-sekvensen i de regioner som kodar för dem, inte bara genom att rekombinera de befintliga sekvenserna i cellerna utan också genom att skapa nya genom kraftigt ökade mutationshastigheter, känd som hypermutation.,

Hypermutation börjar med ett specifikt enzym (ett aktiveringsinducerat deaminas) som ändrar cytosin till uracil (se Figur 4) vid specifika DNA-loci, vilket framkallar ett felbenäget reparationssvar som organismen använder till sin fördel: ”fel” genererar nya sekvenser som kan användas för att göra olika antikroppar. Detta system är mycket strikt reglerat, men som om det gick ur hand, skulle det leda till cancer.

När vi överväger frågan om varför uracil eller varför tymin måste vi överväga det evolutionära sammanhanget., Levande organismer har utvecklats i en ständigt föränderlig miljö, inför en dynamisk uppsättning utmaningar. Således är en lösning som undviker misstag som införlivas i DNA fördelaktigt för de flesta organismer och de flesta celler, vilket förklarar varför tymin-DNA blev normen. Under vissa omständigheter kan dock ”misstag” själva vara till nytta, varför vissa celler fortfarande använder uracil i sitt DNA.