Uracil in der DNA: Fehler oder signal?

Thymin versus Uracil

Unsere genetische Information wird in Form von DNA unter Verwendung eines Vier-Buchstaben-Alphabets gespeichert. Die vier „Buchstaben“ entsprechen den vier chemischen Basen, die jeder DNA – Baustein – ein Nukleotid genannt-haben kann: Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G; siehe Abbildung 1)., Wie James Watson und Francis Crick berühmt entdeckten, bildet DNA eine Doppelhelix, in der sich die vier Basen immer auf die gleiche Weise durch spezifische Wasserstoffbrücken paaren: Adenin bindet an Thymin und Guanin an Cytosin (siehe Abbildungen 2 und 3).

Es gibt einen alternativen fünften Buchstaben, obwohl: uracil (U), die das gleiche Muster von Wasserstoffbindungen mit Adenin bildet (siehe Abbildung 4)., Obwohl Uracil häufig in RNA verwendet wird, ist dies in DNA, wo stattdessen Thymin verwendet wird, nicht der Fall. Warum könnte das sein?

Chemisch ist Thymin ein Uracil-Molekül mit einer zusätzlichen Methylgruppe angebracht. Was wäre evolutionär der Vorteil, diesen komplexeren Baustein in der DNA zu verwenden? Die Antwort kann darin liegen, wie Zellen Schäden an DNA korrigieren.,

Cytosin kann spontan biegen Sie in uracil durch einen Prozess namens hydrolytische desaminierung (siehe Abbildung 4). Wenn dies geschieht, bleibt das Guanin, das ursprünglich an dieses Cytosinmolekül gebunden war, stattdessen gegenüber Uracil (denken Sie daran, dass Uracil normalerweise an Adenin bindet)., Wenn die Zelle als nächstes ihre DNA repliziert, wird die Position gegenüber diesem Uracil-Molekül von einem Adenin anstelle des Guanins eingenommen, das dort sein sollte, was die Nachricht ändert, dass dieser DNA-Abschnitt codiert (siehe Abbildung 5). Dieser Prozess der Cytosin-Desaminierung ist eine der häufigsten Arten von DNA-Schäden, wird jedoch normalerweise effektiv korrigiert. Wie macht die Zelle das?

Zellen haben ein Reparatursystem, das erkennen kann, wenn ein uracil, wo ein Cytosin, werden sollte, und den Fehler korrigieren, bevor es repliziert und weitergegeben. Der dafür notwendige Komplex besteht aus mehreren Enzymen: Zuerst erkennen Uracil-DNA-Glykosylasen das Uracil und schneiden es aus der DNA. Dann tragen mehrere Enzyme zur Elimination und Resynthese des beschädigten Teils der DNA bei, wobei die abasische („leere“) Stelle in der DNA durch ein Cytosin ersetzt wird (siehe Abbildung 6).,

Die häufigste Form der Uracil-DNA-Glykosylase kann jedoch nicht sagen, mit welcher Base das Uracil gepaart ist, d. H. Ob das Uracil dort sein sollte (wenn es an Adenin gebunden ist) oder ob es sich um ein mutiertes Cytosin handelt (und gegenüber Guanin liegt); stattdessen würde es beide Arten von Uracil erkennen und ausschneiden. Dies würde eindeutig Probleme verursachen. Es wird angenommen, dass die Lösung dieses potenziellen Problems die Entwicklung eines Mechanismus war, bei dem „richtige“ Uracils (gepaart mit Adenin) mit einer Methylgruppe markiert wurden – was zu Thymin führte., Auf diese Weise hat die Zelle, wenn sie ein Uracil gefunden hat, es ausgeschnitten und repariert, aber wenn sie ein Uracil mit einem Methyletikett gefunden hat – ein Thymin (siehe Abbildung 4) – es verlassen. Im Laufe der Zeit wurde Thymin in DNA daher anstelle von Uracil zum Standard, und die meisten Zellen verwenden Uracil jetzt nur noch in RNA.

Warum wurde Uracil in RNA zurückgehalten? RNA ist kurzlebiger als DNA und – mit wenigen Ausnahmen-nicht das Repository für die Langzeitspeicherung genetischer Informationen, so dass Zytosinmoleküle, die sich spontan in RNA in Uracils verwandeln, keine große Bedrohung für die Zelle darstellen., Daher gab es wahrscheinlich keinen evolutionären Druck, Uracil durch das komplexere (und vermutlich teurere) Thymin in der RNA zu ersetzen.

Thymin-weniger Zelltod

Wenn DNA synthetisiert wird, können die DNA-Polymerase-Enzyme (die die Synthese katalysieren) nicht zwischen Thymin und Uracil unterscheiden. Sie prüfen nur, ob sich die Wasserstoffbrücken richtig bilden, d.h. ob die Basenpaare richtig aufeinander abgestimmt sind., Für diese Enzyme spielt es keine Rolle, ob Thymin oder Uracil an Adenin bindet. Normalerweise werden die Mengen an Desoxyuridintriphosphat (dUTP, eine Quelle von Uracil) in der Zelle im Vergleich zu Desoxythymidintriphosphatspiegeln (dTTP, eine Thyminquelle) sehr niedrig gehalten, wodurch der Einbau von Uracil während der DNA-Synthese verhindert wird.

Wenn diese strenge Regulierung gestört ist und das Verhältnis von dUTP zu dTTP ansteigt, steigt auch die Menge an Uracil, die falsch in DNA eingebaut ist., Das Reparatursystem – das im Gegensatz zu DNA-Polymerasen Uracil von Thymin unterscheiden kann-versucht dann, das Uracil mit Hilfe der Uracil-DNA-Glykosylase auszuschneiden und die DNA neu zu synthetisieren, wodurch das DNA-Rückgrat vorübergehend gespalten (geschnitten) wird. Wenn jedoch das Verhältnis von dUTP zu dTTP immer noch erhöht ist, kann diese Resynthese anstelle von Thymin wieder Uracil enthalten. Dieser Zyklus führt schließlich zu DNA-Strangbrüchen und Chromosomenfragmentierung, wenn diese temporären Schnitte in der DNA nacheinander und zu nahe beieinander auftreten (siehe Abbildung 7)., Dies führt zu einer bestimmten Art von programmiertem Zelltod, genannt Thymin-weniger Zelltod.

Der Prozess des thyminlosen Zelltodes kann bei der Krebsbehandlung bewusst ausgenutzt werden. Da Krebszellen sich im Vergleich zu normalen Zellen mit einer so hohen Rate vermehren, synthetisieren sie pro gegebenen Zeitraum eine größere Menge DNA und benötigen daher große Mengen an dUTP. Durch die Erhöhung des Verhältnisses von dUTP zu dTTP können diese Krebszellen selektiv gezielt und eliminiert werden.,

Uracil DNA existiert noch

Obwohl die meisten Zellen Uracil für RNA und Thymin für DNA verwenden, gibt es Ausnahmen. Einige Organismen haben Uracil anstelle von Thymin in ihrer gesamten DNA, und andere Organismen haben Uracil nur in einem Teil ihrer DNA. Was könnte der evolutionäre Vorteil davon sein? Schauen wir uns einige Beispiele an.,

Uracil in die virale DNA

Zwei Arten von Phagen (Viren, die Bakterien infizieren) sind dafür bekannt, DNA-Genome mit nur uracil statt Thymin verwenden. Wir wissen noch nicht, ob diese Phagen Vertreter einer alten Lebensform sind, die niemals Thymin-DNA entwickelt hat, oder ob ihre Uracil-substituierten Genome eine neu entwickelte Strategie sind., Wir wissen auch nicht, warum diese Phagen Uracil anstelle von Thymin verwenden, aber es kann eine wesentliche Rolle im Lebenszyklus dieser Viren spielen. In diesem Fall wäre es für die Viren sinnvoll sicherzustellen, dass das Uracil in ihrer DNA nicht durch Thymin ersetzt wird. Und es wurde tatsächlich gezeigt, dass eine dieser Phagen ein Gen hat, das ein spezifisches Protein kodiert, um die Uracil-DNA-Glykosylase des Wirts zu hemmen, wodurch verhindert wird, dass das virale Genom sein Uracil durch die Wirtsenzyme „repariert“.,

Programmierter Zelltod in Lebenszyklen von Insekten

Uracil-DNA scheint auch eine Rolle bei der Entwicklung von Endopterygoten zu spielen – Insekten, die sich während ihres Lebenszyklus verpuppen (Ameisen und Schmetterlinge; Heuschrecken und Termiten nicht)., Diesen Insekten fehlt das Hauptgen für Uracil-DNA-Glykosylase, die sonst Uracil aus ihrer DNA entfernen würde.

Darüber hinaus hat unsere eigene Forschung gezeigt, dass bei Larven der Fruchtfliege Drosophila melanogaster das Verhältnis von dUTP zu dTTP auf ungewöhnliche Weise reguliert wird: In allen Geweben, die beim erwachsenen Insekt nicht benötigt werden, gibt es viel niedrigere Konzentrationen des Enzyms, das dUTP abbaut und einen Vorläufer für die dTTP-Produktion erzeugt. Folglich werden während der DNA-Synthese signifikante Mengen an Uracil in diese Gewebe eingebaut.,

So wird während der Larvenstadien Uracil-DNA produziert und scheint nicht in Geweben korrigiert zu werden, die während des Puppenstadiums abgebaut werden sollen. Da diesen Insekten das Haupt-Uracil-DNA-Glykosylaseenzym fehlt, können im Puppenstadium zusätzliche Uracil-DNA-spezifische Faktoren dieses akkumulierte Uracil als Signal zur Einleitung des Zelltods erkennen. Wir haben bereits ein insektenspezifisches Protein identifiziert, das in der Lage zu sein scheint, Uracil-DNA abzubauen, und wir untersuchen, ob dieses Enzym verwendet wird, um den programmierten Zelltod auszulösen.,

Nützliche Fehler: Das Wirbeltier – Immunsystem

Uracil in der DNA kann jedoch auch näher zu Hause gefunden werden-im Immunsystem von Wirbeltieren wie uns., Ein Teil unseres Immunsystems, das adaptive Immunsystem, produziert eine große Anzahl verschiedener Antikörper, die darauf trainiert sind, uns vor bestimmten Krankheitserregern zu schützen. Um die Anzahl der verschiedenen Antikörper zu erhöhen, die erzeugt werden können, mischen wir die DNA-Sequenz in den Regionen, die für sie codieren, nicht nur durch Rekombination der vorhandenen Sequenzen in den Zellen, sondern auch durch die Schaffung neuer durch stark erhöhte Mutationsraten, die als Hypermutation bezeichnet werden.,

Die Hypermutation beginnt mit einem spezifischen Enzym (einer aktivierungsinduzierten Deaminase), das Cytosin an bestimmten DNA-Loci in Uracil umwandelt (siehe Abbildung 4) und eine fehleranfällige Reparaturantwort auslöst, die der Organismus zu seinem Vorteil nutzt: „Fehler“ erzeugen neue Sequenzen, aus denen verschiedene Antikörper hergestellt werden können. Dieses System ist jedoch sehr streng reguliert, als ob es außer Kontrolle geraten wäre, würde es zu Krebs führen.

Bei der Frage, warum Uracil oder warum Thymin, müssen wir den evolutionären Kontext berücksichtigen., Lebende Organismen haben sich in einer sich ständig verändernden Umgebung entwickelt und stehen vor dynamischen Herausforderungen. Daher ist eine Lösung, die Fehler vermeidet, die in die DNA eingebaut werden, für die meisten Organismen und die meisten Zellen vorteilhaft, was erklärt, warum Thymin-DNA zur Norm wurde. Unter bestimmten Umständen können jedoch „Fehler“ selbst von Vorteil sein, weshalb einige Zellen immer noch Uracil in ihrer DNA verwenden.