Mismatch-Reparatur und Replikationsgenauigkeit

Selbst eine hochpräzise DNA-Polymerase fügt gelegentlich das falsche Nukleotid ein oder rutscht an repetitiven Sequenzen ab. Die Mismatch-Reparatur ist das System, das diese postreplikativen Fehler korrigiert, indem es Basenfehlpaarungen und kleine Insertions- oder Deletionsschleifen erkennt und den neu gebildeten, fehlerhaften Strang herausschneidet und resynthetisiert. Sie trägt maßgeblich zur Gesamtgenauigkeit bei, mit der das Genom kopiert wird.

Definition

Die DNA-Mismatch-Reparatur ist der postreplikative Signalweg, der Basenfehlpaarungen und Insertions-/Deletionsschleifen, die nach der DNA-Synthese verbleiben, erkennt, das Segment des neu synthetisierten Strangs, das den Fehler enthält, herausschneidet und resynthetisiert, wodurch Replikationsfehler korrigiert und die Replikationsgenauigkeit erhöht werden.

Scope

Dieser Eintrag behandelt, wie die Mismatch-Reparatur Replikationsfehler erkennt, wie sie den neu entstehenden Strang identifiziert und entfernt und wie sie die gesamte Replikationsgenauigkeit über das hinaus erhöht, was Polymerase-Selektivität und Proofreading erreichen. Er weist auch auf den Zusammenhang zwischen dem Versagen der Mismatch-Reparatur und einem Mutator-Phänotyp als mechanistischen Hintergrund hin.

Core questions

• Welche Fehler korrigiert die Mismatch-Reparatur, die das Proofreading übersieht?
• Wie erkennt das System eine Fehlpaarung und entscheidet, welcher Strang ausgeschnitten werden soll?
• Wie viel trägt die Mismatch-Reparatur zur gesamten Replikationsgenauigkeit bei?
• Was passiert mit den Mutationsraten, wenn die Mismatch-Reparatur versagt?

Key concepts

• Replikationsgenauigkeit
• Basenfehlpaarung
• Insertions-/Deletionsschleifen
• Strangdiskriminierung
• MutS- und MutL-Homologe
• Exzision und Resynthese
• Mutator-Phänotyp
• Mikrosatelliteninstabilität

Mechanisms

Die Replikationsgenauigkeit wird in Schichten erreicht: Nukleotid-Selektivität durch die Polymerase, Proofreading durch ihre Exonuklease und schließlich die Mismatch-Reparatur, die Fehler korrigiert, die den ersten beiden Schritten entgehen. Die Erkennung beginnt, wenn ein MutS-Homolog eine Fehlpaarung oder eine Insertions-/Deletionsschleife bindet; ein MutL-Homolog wird dann rekrutiert, der neu synthetisierte Strang wird als der zu korrigierende identifiziert, und das fehlerhafte Segment wird ausgeschnitten und resynthetisiert. Kunkel und Erie beschreiben, wie dieses schrittweise System die Replikationsfehlerrate erheblich senkt, und Jiricny betont, dass dieselbe Maschinerie an zusätzlichen Funktionen über die einfache Fehlerkorrektur hinaus beteiligt ist. Die Strangdiskriminierung, die sicherstellt, dass der neue und nicht der Matrizenstrang repariert wird, ist eine definierende Anforderung des Signalwegs, da die Korrektur des falschen Strangs den Fehler als Mutation festschreiben würde.

Clinical relevance

Der Verlust der Mismatch-Reparatur führt zu einem Mutator-Phänotyp und Mikrosatelliteninstabilität, und vererbte Mismatch-Reparaturdefekte sind mit dem Lynch-Syndrom und einem erhöhten Risiko für bestimmte Krebsarten verbunden; dieser Eintrag stellt diese Assoziationen als mechanistischen Hintergrund dar und ist keine Grundlage für die Diagnose oder Behandlung einer Einzelperson.

History

Die Biochemie der Mismatch-Reparatur wurde zuerst in Bakterien aufgeklärt, wo die Methylierung des Matrizenstrangs das Signal für die Strangdiskriminierung liefert, und dann auf Eukaryoten durch die MutS- und MutL-Homologe ausgedehnt. Die Entdeckung in den 1990er Jahren, dass Mismatch-Reparatur-Gene bei erblichem nicht-polypösem kolorektalem Karzinom mutiert sind, verknüpfte den Signalweg mit der menschlichen Krebsprädisposition und stimulierte detaillierte mechanistische Studien, die teilweise durch den Nobelpreis für Chemie 2015 an Paul Modrich für diese Arbeit gewürdigt wurden.

Key figures

• Paul Modrich
• Thomas Kunkel
• Josef Jiricny
• Dorothy Erie

Seminal works

• kunkel-erie-2005
• jiricny-2006

Frequently asked questions

Wie unterscheidet sich die Mismatch-Reparatur vom Proofreading?

Das Proofreading wird von der Exonuklease der Polymerase während der Synthese durchgeführt, wobei ein falsch eingefügtes Nukleotid sofort entfernt wird, während die Mismatch-Reparatur nachträglich bei Fehlern wirkt, die dem Proofreading entgangen sind, indem sie die Fehlpaarung erkennt und einen Teil des neuen Strangs herausschneidet.

Warum muss das System wissen, welcher Strang neu ist?

Die Fehlpaarung betrifft eine korrekte (Matrizen-)Base und eine inkorrekte (neu eingefügte) Base; die Reparatur des Matrizenstrangs würde den Fehler in eine permanente Mutation umwandeln, daher lenkt die Strangdiskriminierung die Exzision auf den neu synthetisierten Strang.