Репарация неспаренных оснований и точность репликации

Даже высокоточная ДНК-полимераза иногда ошибочно вставляет неверный нуклеотид или проскальзывает на повторяющихся последовательностях. Репарация неспаренных оснований — это система, которая исправляет эти пострепликативные ошибки, распознавая неспаренные основания и небольшие петли инсерций или делеций, а также вырезая и ресинтезируя вновь синтезированную, содержащую ошибку нить. Она является основным фактором, определяющим общую точность копирования генома.

Definition

Репарация неспаренных оснований ДНК — это пострепликативный путь, который распознает неспаренные основания и петли инсерций/делеций, оставшиеся после синтеза ДНК, вырезает сегмент вновь синтезированной нити, содержащий ошибку, и ресинтезирует его, тем самым исправляя ошибки репликации и повышая точность репликации.

Scope

Эта статья охватывает, как репарация неспаренных оснований распознает ошибки репликации, как она идентифицирует и удаляет вновь синтезированную нить, и как она повышает общую точность репликации сверх того, что достигается селективностью полимеразы и корректорской активностью. Также отмечается связь между сбоем репарации неспаренных оснований и мутаторным фенотипом в качестве механистической основы.

Core questions

• Какие ошибки исправляет репарация неспаренных оснований, которые пропускает корректорская активность?
• Как система распознает неспаренное основание и решает, какую нить вырезать?
• Насколько репарация неспаренных оснований увеличивает общую точность репликации?
• Что происходит с частотой мутаций, когда репарация неспаренных оснований выходит из строя?

Key concepts

• Точность репликации
• Неспаренные основания
• Петли инсерций/делеций
• Дискриминация нитей
• Гомологи MutS и MutL
• Вырезание и ресинтез
• Мутаторный фенотип
• Микросателлитная нестабильность

Mechanisms

Точность репликации достигается на нескольких уровнях: селективность нуклеотидов полимеразой, корректорская активность ее экзонуклеазы и, наконец, репарация неспаренных оснований, которая исправляет ошибки, избежавшие первых двух этапов. Распознавание начинается, когда гомолог MutS связывается с неспаренным основанием или петлей инсерции/делеции; затем рекрутируется гомолог MutL, вновь синтезированная нить идентифицируется как та, которую необходимо исправить, и содержащий ошибку сегмент вырезается и ресинтезируется. Кункель и Эри описывают, как эта поэтапная система значительно снижает частоту ошибок репликации, а Йиричны подчеркивает, что тот же механизм участвует в дополнительных функциях, помимо простой коррекции ошибок. Дискриминация нитей, которая гарантирует репарацию новой, а не матричной нити, является определяющим требованием этого пути, поскольку исправление неправильной нити зафиксировало бы ошибку как мутацию.

Clinical relevance

Потеря репарации неспаренных оснований приводит к мутаторному фенотипу и микросателлитной нестабильности, а наследственные дефекты репарации неспаренных оснований связаны с синдромом Линча и повышенным риском некоторых видов рака; эта статья представляет эти ассоциации в качестве механистической основы и не является основанием для диагностики или лечения какого-либо отдельного человека.

History

Биохимия репарации неспаренных оснований была впервые изучена у бактерий, где метилирование матричной нити служит сигналом для дискриминации нитей, а затем распространена на эукариот через гомологи MutS и MutL. Открытие в 1990-х годах того, что гены репарации неспаренных оснований мутированы при наследственном неполипозном колоректальном раке, связало этот путь с предрасположенностью человека к раку и стимулировало детальное механистическое исследование, частично отмеченное Нобелевской премией по химии 2015 года, присужденной Полу Модричу за эту работу.

Key figures

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

Seminal works

• kunkel-erie-2005
• jiricny-2006

Frequently asked questions

Чем репарация неспаренных оснований отличается от корректорской активности?

Корректорская активность осуществляется собственной экзонуклеазой полимеразы во время синтеза, немедленно удаляя ошибочно вставленный нуклеотид, тогда как репарация неспаренных оснований действует после на ошибки, избежавшие корректорской активности, распознавая неспаренное основание и вырезая часть новой нити.

Почему система должна знать, какая нить является новой?

Неспаренное основание включает правильное (матричное) основание и неправильное (вновь вставленное) основание; репарация матричной нити превратила бы ошибку в постоянную мутацию, поэтому дискриминация нитей направляет вырезание на вновь синтезированную нить.