突然変異は、特定の生物のヌクレオチド配列の永久的な変化です。それらは、DNA複製のエラーまたは外部変異原が原因で発生する可能性があります。突然変異の影響は、細胞にとって有益にも有害にもなり得ます。しかし、細胞は突然変異を防ぐためにさまざまなメカニズムを持っています。 DNA 複製に関与する酵素である DNA ポリメラーゼには、DNA 複製中のエラーを防ぐためのいくつかのメカニズムが備わっています。 DNA 複製中に、ミスペアの塩基は校正によって置き換えられます . DNA 複製の直後に、残りのミスペア塩基はストランド指向のミスマッチ修復によって置き換えられます .さらに、外的要因によって引き起こされた突然変異は、切除修復、化学的逆転、二本鎖切断修復などのいくつかのメカニズムによって修復されます。損傷が可逆的である場合、欠陥のある DNA が子孫に伝わるのを避けるために、細胞はアポトーシスを受けます。
対象となる主な分野
1.突然変異とは
– 定義、種類、原因
2. DNA ポリメラーゼはどのように突然変異を防ぐのか
– 校正、ストランド指向のミスマッチ修復
重要な用語:DNA ポリメラーゼ、Strand-Directed Mismatch Repair、Mut Protein、Mutation、Proofreading
突然変異とは
突然変異とは、ゲノムのヌクレオチド配列における永続的かつ遺伝的な変化を指します。突然変異は、DNA複製のエラーまたは突然変異原として知られる外的要因により発生する可能性があります。突然変異には、点突然変異、フレームシフト突然変異、染色体突然変異の 3 つの形態があります。
点変異
点突然変異は一塩基置換です。点変異には、ミスセンス変異、ナンセンス変異、サイレント変異の 3 種類があります。 ミスセンス変異 遺伝子の単一コドンを変更し、ポリペプチド鎖のアミノ酸を変更します。 無意味な変異ですが コドン配列を変更しますが、アミノ酸配列は変更しません。 サイレントミューテーション 単一のコドンを、同じアミノ酸を表す別のコドンに変更します。点変異は、DNA 複製のエラーと変異原によって引き起こされます。 図 1 に、さまざまなタイプの点突然変異を示します。 .
図 1:ポイント ミューテーション
フレームシフト変異
フレームシフト変異は、ゲノムからの単一または複数のヌクレオチドの挿入または削除です。挿入、削除、および重複は、フレーム シフト変異の 3 つのタイプです。 挿入 配列への 1 つまたは複数のヌクレオチドの追加であり、削除 配列からいくつかのヌクレオチドを除去することです。 重複 いくつかのヌクレオチドの繰り返しです。フレームシフト変異は、DNA 複製のエラーや変異原によっても引き起こされます。
染色体変異
染色体変異は、染色体のセグメントの変化です。染色体変異の種類には、転座、遺伝子重複、染色体内欠失、逆位、およびヘテロ接合性の喪失があります。転座は、非相同染色体間で染色体の一部が交換されることです。遺伝子重複では、特定の対立遺伝子の複数のコピーが出現し、遺伝子量が増加することがあります。染色体のセグメントの除去は、染色体内欠失として知られています。 反転は、染色体セグメントの方向を変更します。遺伝子のヘテロ接合性は、欠失または遺伝子組換えによる 1 つの染色体の対立遺伝子の喪失により失われる可能性があります。染色体の突然変異は、主に外部の突然変異原と DNA への機械的損傷によって引き起こされます。
DNA ポリメラーゼはどのように突然変異を防ぎますか
DNA ポリメラーゼは、DNA 複製中に伸長する鎖にヌクレオチド塩基を付加する酵素です。ゲノムのヌクレオチド配列は特定の生物の発生と機能を決定するため、DNA 複製中に既存のゲノムの正確なレプリカを合成することが不可欠です。一般に、DNA ポリメラーゼは DNA 複製中に高い忠実度を維持し、追加された 10 ヌクレオチドあたり 1 つのミスマッチ ヌクレオチドのみを取り込みます。したがって、標準的な相補的塩基対に加えて窒素含有塩基間にミスペアリングが発生すると、DNAポリメラーゼはそのヌクレオチドを成長中の鎖に追加し、頻繁な突然変異を引き起こします. DNA 複製のエラーは、プルーフリーディングとストランド指向のミスマッチ修復として知られる 2 つのメカニズムによって修正されます。
校正
校正とは、成長中の DNA 鎖からミスペアリングされた塩基対を修正する最初のメカニズムを指し、DNA ポリメラーゼによって実行されます。 DNA ポリメラーゼは、2 つのステップで校正を実行します。最初の校正は、成長する鎖に新しいヌクレオチドが追加される直前に行われます。 DNA ポリメラーゼに対する正しいヌクレオチドの親和性は、正しくないヌクレオチドの親和性よりも何倍も高くなります。ただし、酵素は、入ってくるヌクレオチドが水素結合を介してテンプレートに結合した直後であるが、DNAポリメラーゼの作用によってヌクレオチドが成長中の鎖にコベナント結合する前に、コンフォメーション変化を受けるはずです。不正確な塩基対のヌクレオチドは、DNAポリメラーゼの構造変化中にテンプレートから解離する傾向があります。したがって、このステップにより、DNAポリメラーゼはヌクレオチドを成長中の鎖に永久に追加する前に「ダブルチェック」することができます。 DNA ポリメラーゼのプルーフリーディング メカニズムを 図 2 に示します。 .
図 2:校正
2 番目の校正ステップは、exonucleolytic 校正として知られています。 .まれに、成長中の鎖にミスマッチ ヌクレオチドが取り込まれた直後に発生します。 DNA ポリメラーゼは、ミスマッチ ヌクレオチドの隣に 2 番目のヌクレオチドを付加することができません。 3′ to 5′ プルーフリーディング エキソヌクレアーゼとして知られる DNA ポリメラーゼの別の触媒部位 成長している鎖からミスペアリングされたヌクレオチドを消化します.
ストランド指向ミスマッチ修復
校正メカニズムにもかかわらず、DNA ポリメラーゼは、DNA 複製中に成長中の鎖に間違ったヌクレオチドを組み込む可能性があります。校正から逃れた複製エラーは、ストランド指向のミスマッチ修復によって除去されます。このシステムは、塩基対の不一致による DNA ヘリックスの歪みの可能性を検出します。ただし、修復システムは、不一致を置き換える前に、既存の塩基から誤った塩基を特定する必要があります。一般的に、E.大腸菌 新しく合成された鎖はすぐにDNAメチル化を受けない可能性があるため、DNAメチル化システムに依存して二重らせんの古いDNA鎖を認識します。 大腸菌 、GATCのA残基がメチル化されています。 DNA 複製の忠実度は、鎖指向のミスマッチ修復システムの作用により、さらに 10 倍増加します。真核生物、バクテリア、および大腸菌における DNA ミスマッチ修復経路。大腸菌 図 3 に示されています .
図 3:真核生物、細菌、大腸菌における DNA ミスマッチ修復
鎖方向のミスマッチ修復では、3 つの複雑なタンパク質が新しく合成された DNA 鎖を通って移動します。 MutS として知られる最初のタンパク質は、DNA 二重らせんの歪みを検出して結合します。 MutL として知られる 2 番目のタンパク質が MutS を検出して結合し、MutH として知られる 3 番目のタンパク質を引き付けて、メチル化されていない鎖と新たに合成された鎖を区別します。結合すると、MutH はメチル化されていない DNA 鎖を GATC 配列の G 残基のすぐ上流で切断します。エキソヌクレアーゼは、ミスマッチの下流の鎖の分解に関与しています。しかし、このシステムは、DNA ポリメラーゼ 1 によって容易に再合成される 10 ヌクレオチド未満の領域を分解します。真核生物の Mut タンパク質は、E の Mut タンパク質と相同です。大腸菌 .
結論
突然変異とは、DNA 複製のエラーまたは外部突然変異原の影響により発生する可能性がある、ゲノムのヌクレオチド配列の永久的な変化です。 DNA 複製のエラーは、プルーフリーディングとストランド指向のミスマッチ修復として知られる 2 つのメカニズムによって修正できます。校正は、DNA合成中にDNAポリメラーゼ自体によって行われます。ストランド指向のミスマッチ修復は、DNA 複製の直後に Mut タンパク質によって実行されます。ただし、これらの修復メカニズムは、ゲノムの完全性の維持に関与しています。
参照:
1.アルバーツ、ブルース。 「DNA複製メカニズム」。細胞の分子生物学。第 4 版、米国国立医学図書館、1970 年 1 月 1 日、こちらから入手可能。
2. ブラウン、テレンス A.「突然変異、修復、組換え」。ゲノム。第 2 版、米国国立医学図書館、1970 年 1 月 1 日、こちらから入手可能。
画像提供:
1. Jonsta247 による「さまざまな種類の突然変異」 – このファイルは以下から派生したものです。Commons Wikimedia 経由の Point Mutations-en.png (GFDL)
2. I, Madprime による「DNA ポリメラーゼ」(CC BY-SA 3.0)コモンズ ウィキメディア経由
3.「DNA ミスマッチ修復」ケンジ フクイ – (CC BY 3.0) コモンズ ウィキメディア経由
