การซ่อมแซมความผิดพลาดในการจับคู่และการจำลองแบบที่แม่นยำ

แม้แต่เอนไซม์ DNA polymerase ที่มีความแม่นยำสูงก็อาจแทรกนิวคลีโอไทด์ผิดพลาดเป็นครั้งคราว หรือเกิดการเลื่อนหลุด ณ ลำดับซ้ำๆ การซ่อมแซมความผิดพลาดในการจับคู่เป็นระบบที่แก้ไขข้อผิดพลาดหลังการจำลองแบบเหล่านี้ โดยจะจดจำความผิดพลาดในการจับคู่เบสต่อเบสและลูปของการแทรกหรือการลบขนาดเล็ก จากนั้นจะตัดและสังเคราะห์สายใหม่ที่เพิ่งสร้างขึ้นซึ่งมีข้อผิดพลาด ระบบนี้มีส่วนสำคัญต่อความแม่นยำโดยรวมของการคัดลอกจีโนม

Definition

การซ่อมแซมความผิดพลาดในการจับคู่ของ DNA เป็นวิถีหลังการจำลองแบบที่จดจำความผิดพลาดในการจับคู่เบสต่อเบสและลูปของการแทรก/การลบที่เหลืออยู่หลังจากการสังเคราะห์ DNA โดยจะตัดส่วนของสายที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่ซึ่งมีข้อผิดพลาดออก และสังเคราะห์ใหม่ ซึ่งเป็นการแก้ไขข้อผิดพลาดในการจำลองแบบและเพิ่มความแม่นยำในการจำลองแบบ

Scope

เนื้อหานี้ครอบคลุมถึงวิธีการที่ระบบซ่อมแซมความผิดพลาดในการจับคู่จดจำข้อผิดพลาดในการจำลองแบบ วิธีการระบุและกำจัดสายที่เพิ่งสร้างขึ้น และวิธีการเพิ่มความแม่นยำในการจำลองแบบโดยรวมให้สูงกว่าที่การเลือกของ polymerase และการพิสูจน์อักษรทำได้ นอกจากนี้ยังกล่าวถึงความเชื่อมโยงระหว่างความล้มเหลวของการซ่อมแซมความผิดพลาดในการจับคู่กับฟีโนไทป์ที่ก่อให้เกิดการกลายพันธุ์ ซึ่งเป็นพื้นฐานทางกลไก

Core questions

• การซ่อมแซมความผิดพลาดในการจับคู่แก้ไขข้อผิดพลาดใดที่การพิสูจน์อักษรพลาดไป?
• ระบบจดจำความผิดพลาดในการจับคู่และตัดสินใจว่าจะตัดสายใดออกได้อย่างไร?
• การซ่อมแซมความผิดพลาดในการจับคู่เพิ่มความแม่นยำในการจำลองแบบโดยรวมได้มากน้อยเพียงใด?
• จะเกิดอะไรขึ้นกับอัตราการกลายพันธุ์เมื่อการซ่อมแซมความผิดพลาดในการจับคู่ล้มเหลว?

Key concepts

• ความแม่นยำในการจำลองแบบ
• ความผิดพลาดในการจับคู่เบสต่อเบส
• ลูปของการแทรก/การลบ
• การแยกแยะสาย
• MutS และ MutL homologues
• การตัดออกและการสังเคราะห์ใหม่
• ฟีโนไทป์ที่ก่อให้เกิดการกลายพันธุ์
• ความไม่เสถียรของไมโครแซทเทลไลท์

Mechanisms

ความแม่นยำในการจำลองแบบเกิดขึ้นเป็นชั้นๆ: การเลือกนิวคลีโอไทด์โดย polymerase, การพิสูจน์อักษรโดย exonuclease และสุดท้ายคือการซ่อมแซมความผิดพลาดในการจับคู่ ซึ่งแก้ไขข้อผิดพลาดที่หลุดรอดจากสองขั้นตอนแรก การจดจำเริ่มต้นเมื่อ MutS homologue จับกับความผิดพลาดในการจับคู่หรือลูปของการแทรก/การลบ จากนั้น MutL homologue จะถูกเรียกเข้ามา สายที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่จะถูกระบุว่าเป็นสายที่ต้องแก้ไข และส่วนที่มีข้อผิดพลาดจะถูกตัดออกและสังเคราะห์ใหม่ Kunkel และ Erie อธิบายว่าระบบที่เป็นขั้นตอนนี้ช่วยลดอัตราข้อผิดพลาดในการจำลองแบบได้อย่างมาก และ Jiricny เน้นย้ำว่ากลไกเดียวกันนี้มีส่วนร่วมในหน้าที่เพิ่มเติมที่นอกเหนือจากการแก้ไขข้อผิดพลาดง่ายๆ การแยกแยะสาย (strand discrimination) ซึ่งทำให้แน่ใจว่าสายใหม่ไม่ใช่สายต้นแบบที่ได้รับการซ่อมแซม เป็นข้อกำหนดที่สำคัญของวิถีนี้ เนื่องจากการแก้ไขสายที่ผิดจะทำให้ข้อผิดพลาดกลายเป็นกลายพันธุ์

Clinical relevance

การสูญเสียการซ่อมแซมความผิดพลาดในการจับคู่ทำให้เกิดฟีโนไทป์ที่ก่อให้เกิดการกลายพันธุ์และความไม่เสถียรของไมโครแซทเทลไลท์ และข้อบกพร่องในการซ่อมแซมความผิดพลาดในการจับคู่ที่ถ่ายทอดทางพันธุกรรมมีความเกี่ยวข้องกับกลุ่มอาการลินช์และความเสี่ยงที่เพิ่มขึ้นของมะเร็งบางชนิด เนื้อหานี้จะนำเสนอความสัมพันธ์เหล่านั้นเป็นพื้นฐานทางกลไกและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการจัดการบุคคลใดๆ

History

ชีวเคมีของการซ่อมแซมความผิดพลาดในการจับคู่ได้รับการศึกษาครั้งแรกในแบคทีเรีย ซึ่งการเมทิลเลชันของสายต้นแบบเป็นสัญญาณสำหรับการแยกแยะสาย จากนั้นจึงขยายไปยังยูคาริโอตผ่าน MutS และ MutL homologues การค้นพบในช่วงทศวรรษ 1990 ว่ายีนซ่อมแซมความผิดพลาดในการจับคู่มีการกลายพันธุ์ในมะเร็งลำไส้ใหญ่และทวารหนักชนิดไม่เป็นติ่งเนื้อที่ถ่ายทอดทางพันธุกรรม ได้เชื่อมโยงวิถีนี้กับความเสี่ยงต่อมะเร็งในมนุษย์ และกระตุ้นให้เกิดการศึกษาเชิงกลไกอย่างละเอียด ซึ่งได้รับการยอมรับส่วนหนึ่งจากรางวัลโนเบลสาขาเคมีในปี 2015 ที่มอบให้กับ Paul Modrich สำหรับผลงานนี้

Key figures

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

Seminal works

• kunkel-erie-2005
• jiricny-2006

Frequently asked questions

การซ่อมแซมความผิดพลาดในการจับคู่แตกต่างจากการพิสูจน์อักษรอย่างไร?

การพิสูจน์อักษรทำโดย exonuclease ของ polymerase เองในระหว่างการสังเคราะห์ โดยจะกำจัดนิวคลีโอไทด์ที่แทรกผิดทันที ในขณะที่การซ่อมแซมความผิดพลาดในการจับคู่จะดำเนินการหลังจากนั้นกับข้อผิดพลาดที่หลุดรอดจากการพิสูจน์อักษร โดยจะจดจำความผิดพลาดในการจับคู่และตัดส่วนหนึ่งของสายใหม่

เหตุใดระบบจึงต้องรู้ว่าสายใดเป็นสายใหม่?

ความผิดพลาดในการจับคู่เกี่ยวข้องกับเบสที่ถูกต้อง (สายต้นแบบ) และเบสที่ไม่ถูกต้อง (ที่เพิ่งแทรกเข้ามาใหม่) การซ่อมแซมสายต้นแบบจะเปลี่ยนข้อผิดพลาดให้เป็นการกลายพันธุ์ถาวร ดังนั้นการแยกแยะสายจึงนำการตัดออกไปยังสายที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่