Informatie

7.6: DNA-reparatie - Biologie


Strikt gedefinieerd, maakt het eenvoudigste reparatiemechanisme geen gebruik van een enzym. Dealkylering of verwijdering van alkylgroepen (zoals -CH3 of —C2H5) omvat alleen de overdracht van een alkylgroep van een 06-methylguanine of 06-ethylguanine op 06-alkylguanyl-DNA-alkyltransferase. Ondanks de naam is het alkyltransferase niet echt een enzym, omdat het permanent wordt gewijzigd en geïnactiveerd door de reactie en daarom niet past in de definitie van een katalysator. Merk op dat dit de alkylering op N7 of andere plaatsen niet herstelt, alleen de O6-gebonden.

Het volgende eenvoudigste reparatiemechanisme is de ontkoppeling van pyrimidine-cyclobutyldimeren. Dit kan worden bereikt door de activiteit van DNA fotolyasen, ook bekend als fotoreactiverende enzymen. Deze worden niet alleen genoemd omdat de vorming van de pyrimidine-cyclobutyldimeren meestal te wijten is aan blootstelling aan UV-licht, maar omdat de reparatie-enzymen zelf blootstelling aan licht (300-500 nm, bijna UV tot zichtbaar blauw) nodig hebben om de dimeer-brekende reactie te katalyseren .

Meer specifiek zijn DNA-fotolyasen (een ~60kD-eiwit) niet-covalent geassocieerd met een chromofoor (N5,N10-methyleenyltetrahydrofolaat of 5-deazaflavine) en een FADH-. Het fotolyase bindt aan het pyrimidinecyclobutyldimeer van ofwel enkelstrengs ofwel dubbelstrengs DNA op een lichtonafhankelijke en sequentieonafhankelijke manier. Het katalyseert echter geen verandering in de binding totdat het licht wordt geabsorbeerd door de chromofoor, die vervolgens de energie overdraagt ​​​​aan FADH, waardoor het wordt uitgeworpen en elektronen naar het dimeer, waardoor het uit elkaar wordt gehaald.

Hoewel dealkylering en dimeerlysis relatief eenvoudige processen zijn die slechts een subtiele verandering in het DNA aanbrengen, zijn excisieherstelmechanismen gecompliceerder en vereisen meerdere enzymatische stappen om te voltooien. Wanneer een kleine (niet sterisch omvangrijke) laesie beperkt is tot een enkele base, of deze nu ontbreekt bij depurinatie of onjuist is gevormd als gevolg van deaminering of verkeerde incorporatie, wordt het proces dat bekend staat als basis excisie reparatie (BER) is ingeschakeld. Zoals geïllustreerd in figuur (PageIndex{20}), als een niet-conventionele basis wordt herkend, wordt deze vervolgens verwijderd door een geschikte DNA-glycosylase. Op dit moment (Genbank-zoekopdracht, juli 2009) zijn er ten minste 8 specifieke genen die coderen voor menselijke DNA-glycosylasen, hoewel drie voor glycosylasen coderen die uracil in verschillende situaties herkennen. Zodra de base door de glycosylase is verwijderd, wordt een endonuclease ingeschakeld om de fosfodiesterbindingen te verbreken dan de nu lege fosfodeoxyribose vast te houden. De resulterende leemte in het DNA wordt opgevuld door een DNA-polymerase en uiteindelijk wordt de streng opnieuw verbonden door DNA-ligase.

In het geval van omvangrijke laesies die de fysieke presentatie van het DNA voor de polymerasen en andere enzymen die DNA verwerken significant veranderen, is er sprake van een ander type herstelproces. Nucleotide-excisieherstel (NER), misschien beter genoemd polynucleotide excisie reparatie, omvat de verwijdering van de laesie evenals enkele van de nucleotiden in de directe omgeving. Er zijn twee belangrijke initiators van NER: ofwel een niet-transcriptioneel actief deel van het DNA wordt gescand door XPC (Figuur (PageIndex{21})A), dat een omvangrijke laesie herkent en het reparatiecomplex rekruteert, of als een gen wordt getranscribeerd, loopt RNA-polymerase tegen een laesie aan en rekruteert vervolgens het reparatiecomplex via CSA en CSB (Figuur (PageIndex{21})F en G). Als de detectie via XPC plaatsvindt, is transcriptiefactor IIH/XPB/XPD, een DNA-helicase (Figuur (PageIndex{21})B). Dit type globale genoomdetectie is inefficiënt en relatief traag, maar biedt een basaal niveau van foutcontrole voor al het DNA. In het geval van DNA dat wordt getranscribeerd, bevat het RNA-polymerasecomplex al TFIIH, waarvan XPB en XPD deel uitmaken. Deze transcriptioneel gerichte detectie is efficiënter en richt zich op die delen van het DNA die in een bepaalde cel het meest worden gebruikt. In de volgende stap (Figuur (PageIndex{21})C) snijden XPG, geassocieerd met BRCA1/2, en XPF, geassocieerd met ERCC1, een deel van de aangetaste streng weg, inclusief maar niet beperkt tot de laesie zelf. DNA-polymerase of ε kan vervolgens worden toegevoegd aan de vrije 3'OH tot ll in de opening op basis van de complementaire strengsequentie (Figuur (PageIndex{21})D). Ten slotte wordt de reparatie aan het 3'-uiteinde met de rest van de streng verbonden door DNA-ligase (Figuur (PageIndex{21})E).

De "XP" in XPC, XPB, XPD en de anderen in figuur (PageIndex{21}) verwijst naar xeroderma pigmentosa, een andere autosomaal recessieve ziekte, waarvan het belangrijkste kenmerk de vorming van huidcarcinomen op jonge leeftijd is . Omdat NER een belangrijke vorm van pyrimidine-dimeerreparatie is (naast fotolyasen), leidt de verstoring ervan door mutaties in een of meer van de XP-genen tot extreme gevoeligheid voor door UV veroorzaakte laesies. Getroffen personen moeten blootstelling aan de zon tot een minimum beperken. De naam van de ziekte komt van de karakteristieke gepigmenteerde laesies (keratosen) die zich vaak op de huid vormen bij blootstelling aan de zon.

CSA en CSB zijn genoemd naar het Cockayne-syndroom, een autosomaal recessieve verouderingsstoornis. Mutaties in beide genen kunnen de aandoening veroorzaken, die wordt gekenmerkt door vroegtijdige veroudering, groeiachterstand, lichtgevoeligheid en ontwikkelingsstoornissen van het zenuwstelsel. Vermoedelijk leidt het uitschakelen van het DNA-herstelvermogen van CSA of CSB tot snelle accumulatie van schade, onvermogen om de benodigde genen te transcriberen en uiteindelijk tot celdood.

Een soort variatie op NER is de mismatch reparatie (MMR) systeem. Dit wordt het best begrepen in prokaryoten: in E coli, MutS is een klein eiwit dat homodimeren vormt op mismatch-sites. De MutS-dimeren rekruteren twee MutL-eiwitten, die elk een interactie aangaan met een van de MutS-eenheden. Elk MutS/MutL-complex duwt DNA naar binnen en vormt een lus met de mismatch in het midden van de lus. Dit gaat door totdat een van de MutS/MutL-complexen een tegenkomt gehemimethyleerd GATC-reeks. Dit veroorzaakt rekrutering van MutH, een zeer gespecialiseerd endonuclease dat een enkelstrengs inkeping maakt in de ruggengraat van de niet-gemethyleerde streng. Dit biedt een opening voor het 3'-5'-exonuclease I of het 5'-3'-exonuclease VII (of RecJ) om de streng van de inkeping tot het punt van mismatch te degraderen. Dit wordt dan, zoals je misschien al geraden hebt, ingevuld door DNA-polymerase en de ruggengraat verbonden door ligase. In eukaryoten zijn meerdere homologen met de MutS- en MutL-eiwitten ontdekt en het proces is vergelijkbaar, maar nog niet duidelijk begrepen, aangezien er nog geen homoloog met MutH is ontdekt.

Bedenk dat in E coli, Dam-methyltransferasen methyleren uiteindelijk het DNA als een methode om het genoom ervan te beschermen, maar nieuw gesynthetiseerd DNA wordt niet gemethyleerd. De veronderstelling is dus dat de gemethyleerde streng de originele en correcte base bevat, terwijl de mismatch te wijten is aan een verkeerde opname in de nieuwere streng.

Een ander prokaryotisch DNA-reparatiesysteem is de SOS-reactie. Zoals weergegeven in figuur (PageIndex{23}) hieronder, is RecA inactief als er geen schade is, dus LexA-eiwit kan de productie van meer SOS-reparatie-eiwitten onderdrukken. Als er echter schade is, binden RecA-eiwitten zich aan het enkelstrengs DNA en worden geactiveerd. Ze splitsen op hun beurt de LexA-repressor waardoor de productie van een aantal DNA-herstelgenen mogelijk wordt.

Tot nu toe zijn de reparaties gebaseerd op de veronderstelling dat een laesie slechts één streng treft en dat de andere streng een betrouwbaar sjabloon kan bieden voor het uitvoeren van reparaties zonder verlies van informatie. Helaas is dat niet altijd het geval en leiden sommige laesies en herstelprocessen noodzakelijkerwijs tot sequentieverlies. Wanneer een dubbelstrengs breuk optreedt, misschien als het product van ioniserende straling, staat het meest voorkomende reparatiemechanisme bekend als: niet-homologe eindverbinding (NHEJ). De dubbelstrengige uiteinden worden eerst herkend door Ku, een heterodimeer circulair eiwit dat de DNA-uiteinden bindt. Ku werft dan het kinase DNA-PKCS. De DNA-PKCS fungeert als een brug om de twee uiteinden bij elkaar te brengen, en een DNA-ligase kan dan de uiteinden met elkaar verbinden. Als de strengen op verschillende plaatsen zijn gebroken, wat resulteert in complementaire enkelstrengs overhangen aan elk uiteinde (zoals die gegenereerd door sommige restrictie-endonucleasen), dan is de reparatie vaak perfect, omdat de complementaire sequenties de twee uiteinden correct in hun oorspronkelijke posities uitlijnen. Als de strenguiteinden echter al door nucleasen zijn bewerkt en niet langer complementair zijn, dan zal het opnieuw samenvoegen van de uiteinden waarschijnlijk leiden tot informatieverlies. In sommige delen van het DNA zou dit weinig effect hebben, maar als het binnen een gen zou gebeuren, zou het gemuteerde genproduct een abnormale of gecompromitteerde functie kunnen hebben.


7 voedingsmiddelen die DNA-schade ongedaan maken

Het hebben van goede genen is niet alleen afhankelijk van geluk. Hoewel je misschien vastzit met bruine ogen en het slanke frame van je moeder, zijn velen verrast om te horen dat niet al het DNA onbewerkbaar is. Epigenetica - de studie van hoe externe factoren DNA veranderen door genen aan en uit te zetten - laat ons precies zien hoe onze voeding onze genetische codes kan beïnvloeden.

"'Wat je eet en niet eet, kan van invloed zijn op welke genen worden ingeschakeld en wanneer'", vertelde Kevin L. Schalinske, Ph.D., professor in de afdeling Voedingswetenschappen en Menselijke Voeding aan de Iowa State University aan David. Zinczenko in Zero Belly Dieet. "'Het eten van het verkeerde voedsel, tekortkomingen in het dieet en levensstijlkeuzes zoals roken, kunnen dingen aanzetten.'"

Dus in plaats van je DNA te beschadigen door tabak te roken, overmatig te zonnebaden of bewerkte voedingsmiddelen aan te leggen, kun je je gewoonten aanpassen om je genetische samenstelling te verbeteren en als gevolg daarvan mogelijk chronische ziekten zoals diabetes, obesitas en de ziekte van Alzheimer te voorkomen.

Ja, je leest het goed: de genetische hand die je bij je geboorte hebt gekregen, is niet je lot.

Dus in plaats van te wensen dat je de genenloterij had gewonnen, kun je beginnen met het vernieuwen van je boodschappenlijstje. Van bepaalde voedingsmiddelen, zoals degene die we hieronder hebben samengesteld, is wetenschappelijk bewezen dat ze DNA-schade voorkomen en herstellen die wordt veroorzaakt door veel van deze slechte gewoonten die je dik maken. Neem een ​​kijkje in deze voedingsmiddelen die DNA-schade ongedaan maken, gooi ze samen voor het avondeten en schop de slechte gewoonten aan de kant - en je bent op weg naar gezondere genen, één dubbele helix per keer.


Middelbare school scheikunde en biologie en BIOC300.1x OF begrip en kennis van eiwitstructuur en -functie

¿Te interesa este curso para tu negocio o equipo?

Capacita a tus empleados en los temas más solicitados con edX para Negocios.

Sobre este curso

DNA codeert voor onze genetische informatie en wordt in cellen doorgegeven om levende organismen in stand te houden en de volgende generatie te produceren. De erkenning van DNA als het genetisch materiaal en de daaropvolgende identificatie van de structuur en het coderingsmechanisme waren zowel revolutionair als fundamenteel. Deze ontdekkingen leidden tot transformationele integratie in de biologische wetenschappen met een gemeenschappelijk begrip van deze fundamentele eenheid van het leven! Doe mee met deze verkenning van DNA-structuur, verpakking, replicatie en manipulatie.

De cursus maakt gebruik van videocolleges, onderzoeksartikelen, casestudy's en moleculaire modellen om informatie over te brengen. Het cursuscijfer wordt gebaseerd op vragen bij elk videocollege, quizzen, huiswerk en een eindexamen.

Meer informatie

Lo que aprenderás

  • Methoden die DNA identificeerden als het genetische materiaal
  • Structuur van DNA en methoden voor het verpakken van DNA in de cel
  • Effecten van verpakkingen op DNA-expressie in hogere organismen en doorgifte van informatie zonder verandering in DNA (epigenetica)
  • Locatiespecifieke DNA-expressie in de cel
  • Machines voor het repliceren van DNA met een extreem laag foutenpercentage
  • Plaats van oorsprong en timing voor DNA-replicatie
  • Mechanismen voor het "behouden" van de uiteinden van lineair DNA
  • Soorten schade die de DNA-structuur beïnvloeden en hoe DNA zich verplaatst
  • Procedures om DNA-sequenties te amplificeren en basensequentie te bepalen
  • Enzymen om DNA te fragmenteren in specifieke segmenten die kunnen worden gescheiden
  • Methoden om DNA-segmenten uit verschillende bronnen te recombineren
  • Manieren om gerecombineerd DNA in cellen te introduceren, inclusief menselijke cellen

Ampliar lo que aprenderás

Plan de estudio's

Bestaat uit slechts vier monomeren, DNA dient als het genetisch materiaal van levende organismen. We onderzoeken hoe DNA werd geïdentificeerd als het genetische materiaal, bekijken de kenmerken en structuur van DNA, onderzoeken de informatie die in dit interessante macromolecuul is gecodeerd en onderzoeken de implicaties van variaties in DNA-grootte en -sequentie.

Lezing 2: DNA-organisatie

We onderzoeken hoe DNA is gerangschikt, verpakt en georganiseerd in de cel. We onderzoeken de chromatine-architectuur, hoe chromatine wordt gemodificeerd door histonen en hoe epigenetica de genexpressie kan beïnvloeden.

College 3: DNA-replicatie I

We onderzoeken de mechanismen waarmee DNA wordt gekopieerd en de complicaties die optreden als gevolg van de asymmetrische constructie van DNA met betrekking tot de 3'- en 5'-uiteinden. We onderzoeken de dynamische aard van de replicatie-eiwitten en de voortreffelijke specificiteit waarmee deze eiwitten essentiële biochemische reacties kunnen katalyseren, en hoe enzymatische activiteit kan worden gereguleerd binnen de grotere context van de cel.

Lezing 4: DNA-replicatie II

We onderzoeken verder de replicatiemachinerie die zorgt voor de coördinatie van leidende en achterblijvende strengsynthese tijdens DNA-replicatie, een kenmerk van zowel prokaryotische als eukaryote DNA-replicatie. We onderzoeken de initiatie van DNA-replicatie bij de oorsprong van replicatie. We bespreken ook de betrokkenheid van nucleosomen en histonen bij dit proces, wat een uniek kenmerk is van eukaryoot DNA. We onderzoeken ook de terminatie van DNA-replicatie en de betrokkenheid van telomerase bij het oplossen van een uniek probleem van eukaryote DNA-replicatie: verkorting van chromosomale uiteinden tijdens DNA-replicatie.

Lezing 5: DNA-manipulatie

We onderzoeken de manipulatie van DNA. De cel kan DNA herstellen (of soms veranderen) door schade van verschillende omgevingsbronnen te herstellen. Reparatie van dubbelstrengs breuken omvat recombinatie (of uitwisseling van DNA-sequenties tussen twee verschillende dsDNA's). We onderzoeken methoden voor DNA-amplificatie, analyse, "klonering" en sequentiebepaling. Deze vormen van "manipuleren" van DNA maken gebruik van enzymen en functionele eigenschappen die we hebben besproken. Ons steeds efficiëntere en kosteneffectievere vermogen om DNA-fragmenten te sequensen en te recombineren heeft de biologische en biomedische wetenschappen getransformeerd en er moet nog veel worden ontdekt!


Reparatie en regeneratie

Het herstel van de normale peesfunctie na een blessure vereist het herstel van de peesvezels en het glijmechanisme tussen de pees en de omliggende structuren.24, 25, 26 De eerste fase van herstel omvat de vorming van littekenweefsel dat zorgt voor continuïteit op de plaats van de verwonding 27 van mechanische prikkels op de pees zal proliferatie van littekenweefsel en daaropvolgende verklevingen veroorzaken die ongewenst en schadelijk zijn omdat ze de normale peesfunctie belemmeren, vooral bij


71 DNA-reparatie

Aan het einde van dit gedeelte kunt u het volgende doen:

DNA-replicatie is een zeer nauwkeurig proces, maar er kunnen af ​​en toe fouten optreden, zoals een DNA-polymerase dat een verkeerde base invoegt. Ongecorrigeerde fouten kunnen soms ernstige gevolgen hebben, zoals kanker. Reparatiemechanismen corrigeren de fouten. In zeldzame gevallen worden fouten niet gecorrigeerd, wat leidt tot mutaties, in andere gevallen zijn reparatie-enzymen zelf gemuteerd of defect.

De meeste fouten tijdens DNA-replicatie worden onmiddellijk gecorrigeerd door het proefleesvermogen van DNA-polymerase zelf. ((Figuur)). Bij proeflezen leest de DNA-pol de nieuw toegevoegde base voordat de volgende wordt toegevoegd, zodat een correctie kan worden aangebracht. De polymerase controleert of de nieuw toegevoegde base correct is gepaard met de base in de matrijsstreng. Als het de juiste base is, wordt het volgende nucleotide toegevoegd. Als er een verkeerde base is toegevoegd, maakt het enzym een ​​snee in de fosfodiesterbinding en komt het verkeerde nucleotide vrij. Dit wordt uitgevoerd door de 3′ exonuclease-actie van DNA pol. Zodra de verkeerde nucleotide is verwijderd, kan deze worden vervangen door de juiste.


Sommige fouten worden niet gecorrigeerd tijdens replicatie, maar worden gecorrigeerd nadat de replicatie is voltooid. Dit type reparatie staat bekend als reparatie van mismatches ((Figuur)). Specifieke reparatie-enzymen herkennen het verkeerd gepaarde nucleotide en snijden een deel van de streng die het bevat weg, het uitgesneden gebied wordt vervolgens opnieuw gesynthetiseerd. Als de mismatch ongecorrigeerd blijft, kan dit leiden tot meer permanente schade wanneer het niet-overeenkomende DNA wordt gerepliceerd. Hoe herkennen mismatch-reparatie-enzymen welke van de twee basen de verkeerde is? In E coliNa replicatie verwerft de stikstofbase adenine een methylgroep, de ouderlijke DNA-streng zal methylgroepen hebben, terwijl de nieuw gesynthetiseerde streng deze niet heeft. Zo is DNA-polymerase in staat om de verkeerd opgenomen basen uit de nieuw gesynthetiseerde, niet-gemethyleerde streng te verwijderen. Bij eukaryoten is het mechanisme niet erg goed begrepen, maar er wordt aangenomen dat het de herkenning van niet-verzegelde inkepingen in de nieuwe streng omvat, evenals een voortdurende associatie op korte termijn van enkele van de replicatie-eiwitten met de nieuwe dochterstreng nadat de replicatie is voltooid .


Een ander type reparatiemechanisme, nucleotide-excisiereparatie, is vergelijkbaar met mismatch-reparatie, behalve dat het wordt gebruikt om beschadigde basen te verwijderen in plaats van niet-overeenkomende. De reparatie-enzymen vervangen abnormale basen door een snede te maken in zowel de 3'8242 als de 5'8242 uiteinden van de beschadigde basis ((Figuur)). Het DNA-segment wordt verwijderd en vervangen door de correct gepaarde nucleotiden door de werking van DNA-pol. Zodra de basen zijn ingevuld, wordt de resterende opening afgesloten met een fosfodiesterbinding die wordt gekatalyseerd door DNA-ligase. Dit reparatiemechanisme wordt vaak gebruikt wanneer blootstelling aan UV de vorming van pyrimidinedimeren veroorzaakt.


Een goed bestudeerd voorbeeld van fouten die niet worden gecorrigeerd, zien we bij mensen die lijden aan xeroderma pigmentosa ((figuur)). Getroffen personen hebben een huid die zeer gevoelig is voor UV-stralen van de zon. Wanneer individuen worden blootgesteld aan UV-licht, worden pyrimidinedimeren gevormd, vooral die van thymine, mensen met xeroderma pigmentosa zijn niet in staat om de schade te herstellen. Deze worden niet gerepareerd vanwege een defect in de nucleotide-excisieherstel-enzymen, terwijl bij normale personen de thyminedimeren worden weggesneden en het defect wordt gecorrigeerd. De thyminedimeren verstoren de structuur van de dubbele DNA-helix en dit kan problemen veroorzaken tijdens de DNA-replicatie. Mensen met xeroderma pigmentosa hebben mogelijk een hoger risico om huidkanker te krijgen dan mensen die de aandoening niet hebben.


Fouten tijdens DNA-replicatie zijn niet de enige reden waarom mutaties in DNA ontstaan. Mutaties, variaties in de nucleotidesequentie van een genoom, kunnen ook optreden als gevolg van schade aan DNA. Dergelijke mutaties kunnen van twee soorten zijn: geïnduceerd of spontaan. Geïnduceerde mutaties zijn die mutaties die het gevolg zijn van blootstelling aan chemicaliën, UV-stralen, röntgenstralen of een ander milieuagens. Spontane mutaties treden op zonder enige blootstelling aan een milieuagens. Ze zijn het resultaat van natuurlijke reacties die plaatsvinden in het lichaam.

Mutaties kunnen een breed scala aan effecten hebben. Puntmutaties zijn die mutaties die een enkel basenpaar beïnvloeden. De meest voorkomende nucleotidemutaties zijn substituties, waarbij de ene base door een andere wordt vervangen. Deze vervangingen kunnen van twee soorten zijn, ofwel overgangen ofwel transversies. Overgangssubstitutie verwijst naar een purine of pyrimidine die wordt vervangen door een base van dezelfde soort, een purine zoals adenine kan bijvoorbeeld worden vervangen door de purine-guanine. Transversiesubstitutie verwijst naar een purine die wordt vervangen door een pyrimidine, of vice versa, bijvoorbeeld, cytosine, een pyrimidine, wordt vervangen door adenine, een purine. Sommige puntmutaties worden niet uitgedrukt, deze staan ​​bekend als stille mutaties. Stille mutaties zijn meestal het gevolg van een substitutie in de derde base van een codon, dat vaak hetzelfde aminozuur vertegenwoordigt als het oorspronkelijke codon. Andere puntmutaties kunnen resulteren in de vervanging van het ene aminozuur door een ander, wat de functie van het eiwit kan veranderen. Puntmutaties die een stopcodon genereren, kunnen een eiwit vroegtijdig beëindigen.

Sommige mutaties kunnen resulteren in een verhoogd aantal kopieën van hetzelfde codon. Dit worden trinucleotide-herhalingsexpansies genoemd en resulteren in herhaalde regio's van hetzelfde aminozuur. Mutaties kunnen ook het gevolg zijn van de toevoeging van een base, een zogenaamde insertie, of de verwijdering van een base, ook wel deletie genoemd. Als een insertie of deletie resulteert in de wijziging van het translationele leesraam (een frameshift-mutatie), is het resulterende eiwit meestal niet-functioneel. Soms kan een stukje DNA van het ene chromosoom worden verplaatst naar een ander chromosoom of naar een ander gebied van hetzelfde chromosoom. Dit wordt ook wel translocatie genoemd. Deze mutatietypes worden getoond in (Figuur).


Een frameshift-mutatie die resulteert in de insertie van drie nucleotiden is vaak minder schadelijk dan een mutatie die resulteert in de insertie van één nucleotide. Waarom?

Van mutaties in reparatiegenen is bekend dat ze kanker veroorzaken. Veel gemuteerde herstelgenen zijn betrokken bij bepaalde vormen van pancreaskanker, darmkanker en colorectale kanker. Mutaties kunnen zowel somatische cellen als geslachtscellen aantasten. Als veel mutaties zich ophopen in een lichaamscel, kunnen ze leiden tot problemen zoals de ongecontroleerde celdeling die bij kanker wordt waargenomen. Als er een mutatie plaatsvindt in geslachtscellen, wordt de mutatie doorgegeven aan de volgende generatie, zoals in het geval van hemofilie en xeroderma pigmentosa.

Sectie Samenvatting

DNA-polymerase kan fouten maken bij het toevoegen van nucleotiden. Het bewerkt het DNA door elke nieuw toegevoegde base te proeflezen. Onjuiste bases worden verwijderd en vervangen door de juiste base voordat wordt overgegaan tot verlenging. De meeste fouten worden gecorrigeerd tijdens replicatie, maar wanneer dit niet gebeurt, wordt het mismatch-reparatiemechanisme gebruikt. Mismatch-reparatie-enzymen herkennen de verkeerd ingebouwde base en snijden deze uit het DNA en vervangen deze door de juiste base. Bij nog een ander type reparatie, nucleotide-excisieherstel, wordt een beschadigde base verwijderd samen met een paar basen aan het 5'8242 en 3'8242 uiteinde, en deze worden vervangen door de sjabloon te kopiëren met behulp van DNA-polymerase. De uiteinden van het nieuw gesynthetiseerde fragment worden met DNA-ligase aan de rest van het DNA vastgemaakt, waardoor een fosfodiesterbinding ontstaat.

De meeste fouten worden gecorrigeerd, en als ze dat niet zijn, kunnen ze resulteren in een mutatie, gedefinieerd als een permanente verandering in de DNA-sequentie. Mutaties kunnen van vele soorten zijn, zoals substitutie, deletie, insertie en uitbreidingen van trinucleotide-herhaling. Mutaties in reparatiegenen kunnen leiden tot ernstige gevolgen zoals kanker. Mutaties kunnen worden geïnduceerd of spontaan optreden.

Vragen over visuele verbinding

(Figuur) Een frameshift-mutatie die resulteert in de invoeging van drie nucleotiden is vaak minder schadelijk dan een mutatie die resulteert in de invoeging van één nucleotide. Waarom?

(Figuur) Als er drie nucleotiden worden toegevoegd, wordt één extra aminozuur in de eiwitketen opgenomen, maar het leeskader zal niet verschuiven.

Beoordelingsvragen

Welke van de volgende enzymen leest tijdens het proeflezen het DNA?

Het initiële mechanisme voor het repareren van nucleotidefouten in DNA is ________.

  1. mismatch reparatie
  2. Proeflezen van DNA-polymerase
  3. nucleotide excisie reparatie
  4. thymine dimeren

Een wetenschapper creëert fruitvlieglarven met een mutatie die de exonucleasefunctie van DNA pol III elimineert. Welke voorspelling over de mutatiebelasting bij de volwassen fruitvliegjes is het meest waarschijnlijk juist?

  1. De volwassenen met de DNA pol III mutatie zullen significant meer mutaties hebben dan gemiddeld.
  2. De volwassenen met de DNA pol III mutatie zullen iets meer mutaties hebben dan gemiddeld.
  3. De volwassenen met de DNA pol III-mutatie zullen gemiddeld hetzelfde aantal mutaties hebben.
  4. De volwassenen met de DNA pol III mutatie zullen minder mutaties hebben dan gemiddeld.

Vragen over kritisch denken

Wat is het gevolg van een mutatie van een mismatch-reparatie-enzym? Welke invloed heeft dit op de functie van een gen?

Mutaties worden niet hersteld, zoals bij xeroderma pigmentosa. Genfunctie kan worden beïnvloed of het kan niet worden uitgedrukt.

Van een volwassene met een geschiedenis van bruinen is zijn genoom gesequenced. Het begin van een eiwitcoderend gebied van zijn DNA luidt ATGGGGATATGGCAT. Als het eiwitcoderende gebied van een gezonde volwassene ATGGGGATATGAGCAT leest, identificeer dan de plaats en het type mutatie.

Dit is een frameshift-mutatie met een deletie van een "A" op de 12e positie van het coderende gebied.

Woordenlijst


  • Door genomische gegevens van wormen te analyseren, hebben wetenschappers gedetailleerd beschreven hoe mutaties worden veroorzaakt door een combinatie van DNA-schade en onnauwkeurig herstel
  • Dit toont aan dat een enkel DNA-beschadigend middel een groot aantal mutatiesignaturen kan genereren, afhankelijk van de reparatiemechanismen die betrokken zijn bij het herstellen van de oorspronkelijke schade
  • Het onderzoek kan helpen bij het opsporen van de oorzaken van mutaties in het genoom van kankerpatiënten en gezonde individuen

1 mei 2020, Cambridge – Onderzoekers van EMBL’s European Bioinformatics Institute (EMBL-EBI), de University of Dundee en het Wellcome Sanger Institute analyseerden meer dan 2700 genomen van C. elegans wormen om de oorzaken van mutaties beter te begrijpen. Hun bevindingen, vandaag gepubliceerd in Nature Communications, karakteriseren hoe DNA-mutaties het gevolg zijn van de gecombineerde werking van DNA-schade en onnauwkeurige DNA-herstelmechanismen.

Het DNA van een cel wordt voortdurend blootgesteld aan fysieke en chemische stress – of genotoxins – die het kunnen beschadigen en mutaties kunnen veroorzaken. Cellen hebben echter een groot aantal reparatiemechanismen om DNA-laesies snel nadat ze zijn ontstaan ​​​​te repareren. Af en toe mislukt het herstelproces, hetzij door extra fouten te maken, hetzij door de DNA-laesies niet helemaal te detecteren. Dit leidt tot mutaties, die de oorzaak zijn van kanker.

Van veel genotoxinen, zoals die gevonden worden in tabaksrook, werd gedacht dat ze een unieke reeks mutaties in het genoom veroorzaakten, herkenbaar als een mutatiehandtekening. "Door dergelijke kenmerken bij kanker te detecteren, kunnen wetenschappers traceren wat de schade in de eerste plaats heeft veroorzaakt, en kunnen ze de prognose en behandeling helpen door te wijzen op bepaalde kwetsbaarheden", legt Nadezda Volkova, recentelijk gepromoveerd bij EMBL-EBI, uit.

Veel mutatiesignaturen die zijn waargenomen in kankergenomen lijken echter geen verband te houden met een enkel genotoxine en andere lijken het gevolg te zijn van een combinatie van factoren. Om de oorsprong van deze handtekeningen te begrijpen, testten Volkova en collega's de effecten van meer dan 150 combinaties van twaalf genotoxins op C. elegans wormen waarvan het DNA-herstelmechanisme ongewijzigd of defect was. De wetenschappers hebben experimenteel aangetoond dat mutatiesignaturen het resultaat zijn van een gecombineerde actie van DNA-schade en specifieke reparatiemechanismen.

DNA-reparatie en mutatiesignaturen

"Veel DNA-veranderingen die we in ons onderzoek hebben waargenomen, komen ook voor bij menselijke kanker, maar we ontdekten dat mutatiesignaturen variabeler zijn dan we eerder dachten", zegt Volkova.

De wetenschappers ontdekten dat verschillende soorten DNA-veranderingen die door hetzelfde genotoxine worden veroorzaakt, vaak worden verholpen door verschillende DNA-herstelroutes, sommige foutloos, andere foutgevoelig. Dientengevolge kan een enkel genotoxine met verschillende snelheden een verscheidenheid aan mutatiesignaturen achterlaten, afhankelijk van het herstelproces.

Hoewel de meeste DNA-reparatie mutaties voorkomt, kan het ze ook veroorzaken. Volkova en collega's toonden bijvoorbeeld aan dat één bepaald mechanisme, translesiesynthese genaamd, verantwoordelijk is voor de meeste basismutaties die worden veroorzaakt door blootstelling aan genotoxine als een compromis voor ernstigere en mogelijk schadelijkere mutaties. Hoewel veel van deze kleine mutaties onschadelijk kunnen zijn, kunnen ze bij mensen de kans op het ontwikkelen van een tumor vergroten.

"In kankergenomica is er een impliciete verwachting dat voor elke handtekening één enkele oorzaak kan worden gevonden: onze analyse daagt die verwachting uit. Achter elk patroon gaan minstens twee onbekenden schuil: de schade die ontstaat en het herstelvermogen van de cel”, zegt Moritz Gerstung, groepsleider bij EMBL-EBI.

Kankergenomica en DNA-reparatie samenbrengen

Hoewel de moleculaire mechanismen van DNA-herstel zeer goed ingeburgerd zijn, bleven de exacte typen en frequentie van mutaties die ze kunnen genereren onduidelijk totdat high-throughput-sequencing op het toneel verscheen.

Deze studie combineert sequencing van het hele genoom met een experimenteel scherm om de oorzaken van mutatiesignaturen beter te begrijpen. De resultaten hebben mogelijke implicaties voor kankeronderzoek, diagnose en behandeling.

"Inzicht in de wisselwerking tussen DNA-schade en -herstel helpt om het risico op aanleg voor kanker beter in te schatten en om de reactie op kankerbehandeling te begrijpen", zegt Bettina Meier, Senior Research Associate aan de Universiteit van Dundee.

Mutatiesignaturen zijn een pijler geworden van de analyse van het kankergenoom omdat ze licht kunnen werpen op de kankerverwekkende stoffen waaraan kankercellen zijn blootgesteld, en de herstelmechanismen die verstoord waren.

Niet alle waargenomen mutatiesignaturen en hun individuele facetten worden echter volledig begrepen. Een experimentele aanpak zorgt ervoor dat de waargenomen patronen het directe gevolg zijn van de voorwaarden die de wetenschappers stellen. Het helpt ook te begrijpen hoe meerdere DNA-reparatieprocessen gezamenlijk mutatiesignaturen vormen.

“Het heeft jaren geduurd om al deze defecte reparaties te genereren C. elegans, om ze systematisch bloot te stellen aan een panel van genotoxins, en om hun DNA voor te bereiden, te sequensen en te analyseren. Het is geweldig om te zien dat experimenteel werk aan C. elegans is direct relevant voor het interpreteren van kankergenomen”, zegt Anton Gartner, groepsleider aan de Universiteit van Dundee, onlangs benoemd tot Associate Director van het IBS Center for Genomic Integrity bij UNIST Ulsan, Zuid-Korea.


Toekomstige toepassingen

Hoewel DNA-schade een sleutelfactor is in de ontwikkeling en evolutie van kankercellen, wordt voortdurende schade gebruikt als onderdeel van klinische behandelingen voor kanker, waardoor kwaadaardige cellen tot apoptose of veroudering worden gedwongen. Veel chemotherapeutische geneesmiddelen, zoals bleomycine, mitomycine en cisplatine, zijn effectief omdat ze verdere DNA-schade veroorzaken in kankercellen die zich sneller vermenigvuldigen dan het omringende weefsel. Cellulaire DNA-herstelmechanismen zijn een tweesnijdend zwaard door mutaties te verminderen die tot kanker kunnen leiden. Deze processen streven naar genomische integriteit, maar dezelfde mechanismen in kwaadaardige cellen zorgen ervoor dat die cellen extra DNA-schade kunnen overleven en ongecontroleerde groei kunnen voortzetten. Om dit overlevingsmechanisme in kankercellen te blokkeren, worden nu klinische proeven uitgevoerd met remmers van specifieke DNA-reparatie-enzymen, waaronder MGMT, PARP en DNA-PK. 35-38


Kunstverbinding

Mutaties kunnen leiden tot veranderingen in de eiwitsequentie die door het DNA wordt gecodeerd.

Een frameshift-mutatie die resulteert in de insertie van drie nucleotiden is vaak minder schadelijk dan een mutatie die resulteert in de insertie van één nucleotide. Waarom?

Van mutaties in reparatiegenen is bekend dat ze kanker veroorzaken. Veel gemuteerde herstelgenen zijn betrokken bij bepaalde vormen van pancreaskanker, darmkanker en colorectale kanker. Mutaties kunnen zowel somatische cellen als geslachtscellen aantasten. Als veel mutaties zich ophopen in een lichaamscel, kunnen ze leiden tot problemen zoals de ongecontroleerde celdeling die bij kanker wordt waargenomen. Als er een mutatie plaatsvindt in geslachtscellen, wordt de mutatie doorgegeven aan de volgende generatie, zoals in het geval van hemofilie en xeroderma pigmentosa.


Herstel van deficiënte DNA-reparatiegenen verzacht de instabiliteit van het genoom en verhoogt de productiviteit van de eierstokcellen van de Chinese hamster

Eierstokcellen van Chinese Hamster (CHO) zijn de primaire gastheer die wordt gebruikt voor de productie van therapeutische eiwitten. Productie-instabiliteit van cellijnen met hoge titer is echter een groot probleem en wordt geassocieerd met genoominstabiliteit, aangezien chromosomale aberraties het aantal transgenkopieën verminderen en de eiwittiter verlagen. We analyseerden sequentiegegevens van het hele genoom van 11 CHO-cellijnen en vonden schadelijke single-nucleotide polymorfismen (SNP's) in DNA-reparatiegenen. Vergelijking met andere zoogdiercellen bevestigde dat DNA-herstel in CHO gecompromitteerd is. Herstel van belangrijke DNA-reparatiegenen door SNP-omkering of expressie van intacte cDNA's verbeterde DNA-reparatie en genoomstabiliteit. Bovendien verminderde het herstel van LIG4 en XRCC6 in een CHO-cellijn die uitgescheiden alkalische fosfatase tot expressie bracht, het verlies van transgenkopie en verbeterde de retentie van de eiwittiter. Deze resultaten laten voor het eerst zien dat correctie van belangrijke DNA-reparatiegenen aanzienlijke verbeteringen in stabiliteit en eiwitexpressie in CHO oplevert, en nieuwe mogelijkheden biedt voor cellijnontwikkeling en een efficiëntere en duurzamere productie van therapeutische eiwitten.

Verklaring van concurrerende belangen

De auteurs worden vermeld als uitvinders van twee lopende octrooiaanvragen door de Universiteit van Delaware en de Universiteit van Californië, gerelateerd aan observaties in dit manuscript.


De evolutionaire biologie van veroudering, seksuele voortplanting en DNA-herstel.

De verschijnselen van veroudering en seksuele voortplanting behoren zonder twijfel tot de meest contra-intuïtieve en raadselachtige van wijdverbreide resultaten die zijn geëvolueerd onder invloed van natuurlijke selectie. Waarom zouden individuen van de meeste soorten verouderen en sterven als darwinistische selectie schijnbaar de voorkeur zou geven aan enige genetische aanleg voor een langere levensduur en voortdurende reproductie? And why should individuals engage in sexual as opposed to asexual reproduction, when by so doing they not only expend time and energy in finding a mate, but also dilute (by 50%!) their genetic contribution to each offspring? Evolutionary biologists have long pondered these issues, and the theoretical and empirical results recently have been summarized eloquently in three landmark books. This commentary will address primarily the contribution by Bernstein and Bernstein (1991) on DNA repair as it relates to the evolution of aging and sexual reproduction, but for useful background some comments first will be made about the important volumes by Rose (1991) on aging and by Michod and Levin (1988) on sex.

Under Rose's evolutionary definition, aging is "a persistent decline in the age-specific fitness components of an organism [survival probability or reproductive output] due to internal physiological deterioration" (Rose 1991, p. 38). The central thesis of Rose's book is that the mathematical framework of evolutionary genetics has solved the paradox of aging in age-structured populations by showing that the phenomenon is an inevitable outcome of the declining force of natural selection through successive age classes. Under the formal theory that Rose cogently summarizes, natural selection is simply indifferent to problems of somatic deterioration with advancing age, because as measured by effects on fitness (representation in successive generations) these problems are trivial compared with those that might appear earlier in life. Thus, aging and death exist not for any ineluctable physiological cause, but because of "a failure of natural selection to 'pay attention' to the problem". Particular genetic mechanisms of aging are not specified by this evolutionary theory, but two leading candidates for which explicit theoretical treatments are available are (1) antagonistic pleiotropy, in which alleles tend to evolve that have beneficial effects at early ages of life but antagonistic deleterious effects later, and (2) age specificity of gene action, in which alleles with age-delayed deleterious somatic effects accumulate in evolution simply because they are nearly neutral in terms of fitness because of weak selection in later age classes. Regardless of the means by which aging is played out from the basic evolutionary script, the take-home message is that "given age-structured populations and genetic variation in life histories, aging is a straightforward corollary of population genetics theory". This theory should apply to all organisms in which there is a clear distinction between somatic cells and germ-line cells.

Having established a conceptual primacy for the evolutionary theory of aging, Rose then chastises the field of gerontology for lack of this orienting foundation. For example, according to the evolutionary view, "the search for an ultimate physiological cause of aging is no more cogent than a search for a physiological cause of evolutionary adaptation would be. . . . This implies that one of the basic goals of gerontology, that of finding the physiological cause(s) of aging, is misconceived". Rose provided extended reviews of the experimental evidence for several physiological theories for aging previously advanced (involving "wear and tear," rate-of-living considerations, hormonal influences, metabolic pathologies, and a host of others), and finds all to be wanting as universal explanations. Although many of these factors no doubt play proximate roles in the aging process, none provides the ultimate explanation for aging that is embodied in the evolutionary view.

From experimental findings as well as comparative aspects of aging across life forms, Rose concluded that there are multiple causes for aging and that these can be arranged hierarchically with regard to explanatory power. The ultimate (evolutionary) cause is the attenuation of the force of natural selection with respect to the age of gene effects in species with soma. At the penultimate level are the population genetic explanations of antagonistic pleiotropy and mutation accumulation, and at the bottom tier are the highly idiosyncratic molecular, cellular, and physiological pathways by which the genetic underpinnings of aging happen to have been executed in a particular population or species.

Rose's book is a seminal contribution because it provides one of the clearest, most coherent, and forceful documentations of why aging is not incompatible with natural selection after all. This new perspective should revolutionize the conceptual framework of gerontology, which as a discipline had remained one of the last bastions of biology relatively untouched by evolutionary thought. However, I don't quite share Rose's enthusiasm that this new theoretical orientation will revolutionize the day-to-day practice of gerontological research (any more than did Darwin's [1859] classic "On the Origin of Species by Means of Natural Selection, or the Preservation of Favored Races in the Struggle for Life" change the day-to-day practice of naming and describing species). Thus, an important empirical task in gerontology will remain the identification of particular molecular or cellular events involved in the aging process, idiosyncratic as they may be. This effort is especially important in humans or other species in which ameliorative efforts might then be contemplated. Furthermore, if the arguments by Bernstein and Bernstein (1991) are correct, Rose's sounding of the death knell for global molecular mechanisms underlying aging may have been premature.

Sexual reproduction entails the generation of new combinations of genes by the mixing of genomes, or portions thereof. In most evolutionary definitions, sex is synonymous with genetic recombination, although some authors emphasize usual components of the process, such as physical recombination (the breakage and reunion of two different DNA molecules), and outcrossing (the mixing of DNA molecules from separate individuals). Why should various mechanisms for genetic mixis have evolved so nearly universally across life? Michod and Levin's edited book brings together authoritative and stimulating contributions on this topic from most of the major architects of recent theories on the evolutionary significance of sexual reproduction.

These diverse hypotheses can be divided into two categories that are nearly opposite in orientation, though not necessarily mutually exclusive. The first category of theories perceives a benefit per se for sex, either at the immediate level of individual fitness or at the evolutionary level of group persistence. Thus, genetic mixis itself is the object of selection. Theories of this type are united by the theme that genetic variability arising from mixis and molecular recombination must somehow be advantageous in an ecological or evolutionary theater, such that the benefits to individuals (or perhaps to extended groups) outweigh the rather obvious and substantial costs of sex to individuals. Three advantages classically proposed for sexual reproduction are as follows: (1) to facilitate the incorporation of beneficial mutations into an evolutionary lineage (2) to facilitate the removal of deleterious mutations (i.e., to overcome Muller's ratchet, the ineluctable process by which the mutational load in strictly asexual lineages can remain only the same or increase through time) and (3) to allow adjustments to spatial or temporal changes in the physical and biotic environment. Several chapters (by Bell, Crow, Ghiselin, Maynard Smith, Seger and Hamilton, Williams, and others) formalize and elaborate these hypotheses, all of which can rationalize the prevalence of sexual modes of reproduction. However, some of the arguments are less than fully convincing, particularly when it comes to proposed short-term benefits of sex that are required under a strictly individual-selectionist framework.

The second category of theories proposes instead that sex is a coincidental evolutionary by-product of other primary consequences for mixis. For example, Hickey and Rose propose that sex is an outcome of subgenomic selection on parasitic DNA sequences that "imposed" biparental sexual reproduction on host genomes to favor their own spread. Another set of scenarios in this category (chapters by Bernstein et al., Holliday, Levin, and Shields) proposes that the evolution (and perhaps maintenance) of sexual reproduction involved selection pressures favoring mechanisms for the correction of genetic errors. This leads us finally to discussion of the DNA repair theory of sex and aging, as further elaborated by Bernstein and Bernstein (1991).

AGING AND SEX AS RELATED PHENOMENA

A fundamental tenet of the Bernsteins' theory is that damages to genetic material are a universal problem for life. These damages, defined as structural irregularities in DNA that cannot be replicated or inherited (unlike mutations), are of many types: single- and double-stranded breaks, modified bases, depurinations, cross-links, and so on. They arise inevitably from insults both endogenous and exogenous to the organism (e.g., oxidative damage from the molecular by-products of cellular respiration, and UV irradiation and DNA-damaging environmental chemicals, respectively). From empirical evidence, the cumulative numbers of such damages are astounding: for example, a typical mammalian cell experiences tens of thousands of DNA damages per day! These damages, if unrepaired, interfere with gene transcription and DNA replication and can cause progressive impairment of cell function and eventual cell death. The deterioration of somatic cellular function in turn leads to organismal senescence and death.

Damages to DNA can, however, be recognized and repaired by cells (though not necessarily at a rate that keeps pace with their production). Enzymatic machineries for repair of DNA damages are evolutionarily widespread, and their molecular details have been worked out to varying degrees in several model organisms ranging from viruses and bacteria to mammals. DNA repair processes almost invariably require the replacement of damaged genetic material through use of the intact information derived from a redundant copy. One source of redundancy is the complementary strand in double-helical DNA, which can serve as a template for repair when damage is confined to a single DNA strand. For example, all known forms of excision repair that occur regularly in somatic cells involve removal of the damaged section from one DNA strand and replacement by copying from the complementary undamaged strand.

A second source of redundancy for repair is the presence of another duplex DNA molecule with information homologous to that of the original copy. Such undamaged template appears necessary for the recombinational repair of double-stranded DNA damage. The Bernsteins argue that the exchange of genetic information between multiple infective phages, as well as the process of transformation whereby some bacterial cells actively take up naked DNA from the surrounding medium, are examples of primary adaptations for DNA repair in these microbes. So too they argue is meiosis in higher organisms, which is viewed as an adaptation for promoting recombinational repair of the DNA passed on to gametes. In general, all mechanisms for molecular recombination are interpreted by the authors as evolutionary adaptations that originated and are actively maintained by natural selection explicitly for the functions they serve in recombinational repair of DNA damage. Furthermore, in diploid multi-cellular reproductive systems with recombination, the Bernsteins suggest that outcrossing is favored because it promotes the masking of deleterious mutations. Thus, "DNA damage selects for recombination, and mutation in the presence of recombination selects for outcrossing".

According to the DNA repair theory, aging processes resulting from DNA damage should occur in all organisms, and not just those with a clear distinction between somatic tissues and germ-line cells. There appears to be a conflict of opinion (or perhaps merely a semantic distinction?) about whether senescence occurs in unicellular creatures such as bacteria, and in vegetatively reproducing multicellular creatures such as some plants and invertebrate animals. Rose concludes that "species that unequivocally lack such a separation of the soma, such as some sea anemones, some protozoa, and all known prokaryotes, appear to lack aging". However, the Bernsteins suggest that although populations of cells may survive indefinitely (e.g., in clonally reproducing trees and bacterial colonies), nonetheless "one would not expect to find old cells in a tree any more than one would find old cells in a growing culture of bacteria". To account for the persistence of such asexual populations of cells, the Bernsteins also introduce the concept of cellular replacement, in which lethally damaged cells are replaced by replication of undamaged ones. This strategy should work in any cell population in which "the incidence of unrepaired lethal damages is low enough at each generation to permit replacement of losses". Thus, the Bernsteins propose that there are two possible pathways to immortality for a cell lineage: (1) recombinational repair of DNA damages (which applies to germ cells) and (2) cellular replacement (which applies to predominantly clonal cells as in many bacteria).

In summary, the joint pillars of the Bernsteins' theory are that aging is a direct consequence of the accumulation of DNA damage, and that sex where it occurs is a consequence of the need to transmit damage-free genetic information to progeny. The theory as presented does not imply that the production of allelic variation through recombination and outcrossing is unimportant for long-term evolution: "Infrequent beneficial allelic variants generated by recombination undoubtedly promote long-term evolutionary success, just as infrequent beneficial mutations do." Nonetheless, "the tendency toward randomization of genetic information that occurs with recombination and outcrossing, under general conditions, has a negative effect on fitness in the short run, just as mutations, in general, do".

I think that the DNA repair theory as expounded by the Bernsteins is extremely important for several reasons. First, it provides a conceptual framework for linking the widespread phenomena of aging and sex, two evolutionary subjects that more typically have been dealt with separately (as in the Rose and Michod and Levin volumes). Second, the theory appears both logically consistent internally, and eminently plausible empirically--at least as much so as many of the traditional theories on sex and aging. Indeed, much of the Bernsteins' book constitutes a detailed compilation of observations and experimental data that appear either consistent with or positively supportive of the DNA repair view. Third, the DNA repair theory envisions immediate selective advantages that apply to individuals and their offspring and not merely to longer-term group benefits.

Finally, the DNA repair theory represents a dramatic and refreshing (to me) conceptual departure from the more traditional evolutionary theories of sex, which sometimes seem to go to rather great lengths in attempts to identify short-term benefits for the genetic variability generated by recombination. Under the Bernsteins' view, genetic variability is an immediate curse rather than a blessing, with any long-term benefits derived from recombinational variation being fortuitous epiphenomena of cellular and molecular processes that evolved under selection pressures to repair DNA damages and mask deleterious mutations. In this regard, I am reminded of the opposing world views on genetic variation expressed in another evolutionary arena--the debate between the selectionists and the neutralists. When extensive genetic variation was first uncovered in protein-electrophoretic and other molecular assays, many evolutionists assumed that the variability must be actively maintained by natural selection, and they sought hard to identify the balancing selective forces involved. But from the neutralist perspective [which grew out of the "classical" school in which genomes were perceived as heavily burdened by mutational load (see Lewontin 1974)], the overall magnitude of molecular variation was actually much lower than expected, given suspected mutation rates and effective population sizes. Thus, under the neutralist (and classicist) world views, if selection was involved appreciably in molding molecular genetic variability, it must act primarily in a diversity-reducing rather than diversity-enhancing fashion (Nei and Graur 1984).

Where does the DNA repair hypothesis fall within the hierarchical framework of causes for aging as advanced by Rose? If correct, the theory cannot be placed at the bottom of the hierarchy as just another idiosyncratic physiological mechanism for aging, because it is general, and an explicit selective force is involved. Indeed, the hypothesis is in some respects more universal than that of the declining force of natural selection with advancing age, because it applies to all forms of life, including those without a clear distinction between somatic and germ cells. However, for organisms with soma, the DNA repair hypothesis does not appear incompatible with Rose's evolutionary view: the declining impact of natural selection with age would mean that any organismal benefits to accrue from DNA repair processes in the later cohorts of an age-structured population would provide insufficient selective force to circumvent the evolutionary appearance of senescence and somatic death.

Having heartily applauded the Bernsteins' contribution, I must add however that I seriously doubt it tells the whole story on the significance of genetic variation. Once recombinational processes had evolved (for whatever reason, of which the need for DNA repair must now be considered a leading candidate), it seems probable that the genetic variability thereby generated would have been exploited for other functions as well. For example, the extensive molecular variability in the repertoire of the immune response in higher animals is in part recombinationally derived, and undoubtedly fosters enhanced disease resistance that often must be of immediate fitness benefit. Furthermore, the increased genetic variance stemming from recombination might well allow sexual reproducers to outpersist asexual reproducers in changing environments, despite the fact that such explanations tend to be group selectionist. Finally, as emphasized by several authors in the Michod and Levin volume (e.g., Brooks, Felsenstein, Maynard Smith, Trivers, Uyenoyama, and Williams), rates and patterns of genetic recombination (and the linkage disequilibria that they entail) can vary remarkably: across different regions of the genome, between the sexes, temporally within the life cycle (e.g., in taxa with an alternation of generations between sexual and asexual modes), across populations and species, and spatially across habitats. Many of these differences have been interpreted as adaptive adjustments to varying selection regimes. As stated by Ghiselin (Michod and Levin 1988, p. 20), "The eukaryotic genome turns out to be very highly organized, and the whole apparatus shows every indication that the amount, kind, and timing of recombination, and also the release of variability, are adaptive. . . . [T]he DNA repair hypothesis suggests that there should be little correlation between what goes on and when and where it happens. Such a correlation definitely does exist."

NEGLECTED OR UNDEREMPHASIZED TOPICS

In any event, I would like to stimulate further thought and discussion about two general considerations that seemed grossly underrepresented in all three books.

(1) Cytoplasmic genomes.--There are two major reasons why a relative neglect of mitochondrial (mt) genomes in these volumes was surprising (similar sentiments could also be expressed about chloroplast DNA). First, in organisms as diverse as fungi and humans, elsewhere there has been a tremendous resurgence of interest in the possible roles of mitochondrial DNA (mtDNA) damage in the aging process (e.g., Griffiths 1992 Wallace 1992a). In humans for example, this interest has been prompted by empirical findings that specifiable defects in mtDNA accumulate with advancing age in somatic cells, and that these defects tend to compromise physiological functions particularly in tissues and organ systems with high energy demands (e.g., the central nervous system, optic nerve, heart and skeletal muscle fibers, kidney, and liver). These are also the organ systems commonly associated with degenerative diseases and chronic illnesses of the elderly, thus suggesting a possible cause and effect relationship between mtDNA damage and the aging process (Wallace 1992b).

Further empirical and conceptual reasons exist for postulating that mtDNA might play a disproportionate role in aging. Mitochondrial DNA molecules are housed in an intracellular environment where they would seem to be especially prone to damage from oxygen radicals generated by oxidative phosphorylation (Bandy and Davison 1990). Indeed, mammalian mtDNA receives about 16-fold more oxidative damage on a per-nucleotide basis than does nuclear DNA (Richter et al. 1988, as quoted in Bernstein and Bernstein 1991). Yet ironically, animal mitochondria are thought to possess only limited DNA repair systems, and indeed this provides one conventional explanation as to why animal mtDNA evolves so rapidly at the nucleotide sequence level (Wilson et al. 1985). Animal mtDNA is packed tightly with genes crucial to the energy metabolism of cells, and for this reason, too, it would seem highly desirable for organisms to have evolved refined mechanisms for the repair of mtDNA damage. The paradox is heightened further because there are many copies of mtDNA within most cells. Thus it would seem that any repair capability should in principle be especially workable, because of the many available templates against which DNA damages might be corrected. (The hypothesis that an immunity from selection pressures stems from mtDNA redundancy and a possible excess metabolic capacity seems gratuitous and is also probably untenable evolutionarily.) Perhaps eukaryotic organisms have evolved more highly refined mtDNA repair mechanisms that, despite intensive searches, thus far have remained undiscovered. But if not, why not? And how can organisms have persisted evolutionarily without such enzymatic repair services for the crucial cytoplasmic genomes they depend upon for energy supplies?

A second reason for surprise over the relative neglect of mtDNA in these volumes relates to mtDNA's asexual inheritance. The transmission of mtDNA in most higher eukaryotes is predominantly uniparental, with effective genetic recombination between maternally and paternally derived molecules unknown. If meiosis and the recombinational aspects of gametogenesis provide evolutionary benefits, as surely they must (either via repair of DNA damages, and/or through generation of advantageous recombinational variation), then why doesn't mtDNA play by these rules? The entire answer cannot simply be that mitochondrial elements have been physically confined to the cytoplasm and hence unable to avail themselves of meiosis, because transfers and successful incorporations of some mitochondrial genes to nuclear chromosomes are known to have occurred over evolutionary time (see Avise 1991).

If meiosis is primarily a process for correcting DNA damages (as proposed by the Bernsteins), then mtDNA damages must be overcome by some process other than meiotic recombinational repair. One possibility is that mtDNA molecules might occasionally undergo (nonmeiotic) recombination or gene conversion within the germ line, perhaps in such a way that damage-free mtDNA templates correct faulty ones. The relatively few experimental attempts to uncover physical recombination in animal mtDNA through use of genetic markers have been hampered by the usual predominance of only one or a few detectable mtDNA clones within most individuals. More intensive searches for mtDNA recombination should be launched. Promising systems for further study involve species such as some mollusks, in which extensive paternal leakage of mtDNA into zygotes (e.g., Zouros et al. 1992) is known to have generated cell lineages jointly housing distinctive maternally and paternally derived mtDNA molecules that should provide useful genetic markers for detecting potential mtDNA recombination. Another possibility (elaborated beyond) is that processes of mtDNA replication and sorting during gameto-genesis provide an alternative, strictly nonrecombinational pathway for circumventing the accumulation of genetic damages.

(2) Cellular autonomy.--Another issue that was underemphasized in these volumes concerns the evolutionary ramifications of varying degrees of cellular autonomy. The somatic cells of an individual usually are interdependent, both structurally and functionally, whereas gametes are relatively autonomous (except perhaps in rather "trivial" respects such as the collaborative efforts required of sperm in penetrating the eggs of some species). In other words, gametes tend to be cellular free agents, whereas somatic cells (particularly in tightly organized creatures with determinate growth, such as many higher animals) are trapped in a web of interdependencies. Crow (Michod and Levin 1988, p. 68) raised an important question: "Is passing through a single-cell stage itself important? . . . Starting with a single cell, sexual or asexual, permits each generation to begin with a tabula rasa largely unencumbered by the somatic mutations from previous generations." Crow went on to lament that "I have never heard the importance of going through a single-cell stage expressed before, and would welcome comments . . . as to its possible merits."

It seems to me that many of the fundamental distinctions commonly made in discussions of aging and sex--senescence versus immortality, sexual versus asexual reproduction, somatic versus germ-line tissue, unicellularity versus multicellularity, and individuals versus groups--are inextricably related, and might profitably be viewed through a common denominator revolving on the concept of cellular autonomy, as described next.

EMBELLISHMENTS TO THE DNA REPAIR THEORY OF AGING AND SEX

Here I would like to propose some possible extensions to the Bernsteins' theory of DNA repair, and by so doing suggest how concepts of cellular and molecular autonomy might usefully be added to future discussions on aging and sex.

As mentioned above, two potential pathways to immortality seem available to life. The first is predominantly or exclusively asexual and is exemplified most clearly by unicellular organisms such as bacteria. Here, cell proliferation apparently can outstrip the rate of accumulation of DNA damages and deleterious mutations, with the net result that Muller's ratchet is circumvented and an indefinite continuation of the population occurs via cellular replacement. The second pathway is sexual and is exemplified most clearly by germ-cell lineages in multicellular organisms such as vertebrates. Here, repair of nuclear DNA damages by genetic recombination supposedly operates in conjunction with cell proliferation and intercellular selection to counter the accumulation of nuclear DNA damages and deleterious mutations that would otherwise be expected.

In both routes to immortality, many cells (bacteria or gametes) may die genetic deaths (e.g., from the inevitable imperfections of any DNA repair mechanism), but these deaths do not compromise the continuance of cell lineages that happen to have escaped or repaired DNA damage. Thus, the efficacy of both pathways to immortality would seem to depend critically on the autonomy of the proliferating cells. To emphasize why this is so, consider the prospect of somatic immortality for a multicellular organism such as a vertebrate. Even if some somatic cells and tissues could keep pace with DNA damage via the nonsexual strategy of cellular replacement [as may essentially be true for epithelial cells of the digestive tract of mammals, or for hemopoietic stem cells (Bernstein and Bernstein, p. 165)], these replacements are to no avail in conferring immortality, because the final fate of these cell lineages remains inextricably tied to the remainder of the individual's soma (which as a whole inevitably senesces, as predicted by Rose's evolutionary theory). However, autonomous gametes and the genomes they contain can escape the sinking somatic ship.

This line of reasoning also illustrates the difficulty (semantically and otherwise) of disentangling the issue of immortality from that of the distinction between somatic and germ-line cells. Without the presence of somatic tissue, the evolutionary theory of Rose predicts no age-structure in a population, and hence no aging but without aging, there is no compelling evolutionary stimulus for the escape of autonomous cells from a soma that inevitably deteriorates (either from DNA damage or other causes). These ruminations also point out why the distinction between an individual and a population can become rather vague in discussions of aging and immortality in unicellular taxa. A bacterial colony may survive indefinitely, but without a distinction between somatic and germ cells, what is the organismal entity to which this immortality refers? In truth, what persists are certain cell lineages, but in this sense the "individuals" or "populations" are no more well defined than are the potentially immortal germ-cell lineages in higher taxa. Furthermore, many bacterial cells inevitably die genetic deaths but without somatic benchmarks to assess chronological age, it is debatable whether this should properly be referred to as an "aging" phenomenon.

In many plants and invertebrate animals with various asexual modes of reproduction, the usual distinctions between individuals and populations, between somatic lines and germ lines, and between aging and immortality, all become even more ambiguous (Rose). For example, vegetative cell lines of some plants can be maintained indefinitely (perhaps by the strategy of cellular replacement), whereas others appear to senesce (perhaps because cellular replacement cannot keep pace with DNA damage). The former might well be considered potentially immortal, but according to Rose they do not violate the evolutionary theory of aging because specification of germ-line tissue in these cases is problematic. Whether this is a definitional slight of hand or a bona fide consideration is unclear to me, but in any event a more critical factor may be degree of cellular autonomy displayed. Diploid cells or collections thereof that have a capacity to survive and reproduce mostly independently of other cells exhibit considerable cellular autonomy (by definition). Thus, to a vegetatively spreading plant or coral, death of a portion of the "soma" may have relatively little influence on survival and reproduction of the remaining cells of the genet (a given clonal genotype, regardless of how it is physically partitioned). This contrasts with the situation in vertebrates, in which the death of a critical tissue dooms all somatic cells within each well-demarcated individual. Thus, any cell lineages characterized by increased levels of functional and replicative autonomy carry the potential for indefinite evolutionary persistence. Whether this potential could be realized then depends on additional factors, including whether the available processes of cellular repair and replacement are adequate to control DNA damages and to circumvent Muller's ratchet.

One important consideration on whether such cellular processes are workable indefinitely concerns genomic size. Formal models indicate that Muller's ratchet may well set an upper limit on the size of the genome in asexual organisms, particularly when their populations are small (Crow, Felsenstein, and Maynard Smith in Michod and Levin 1988). Bell notes that the small size of mtDNA molecules in higher animals ([is congruent to] 16 kilobases) may be a reflection of Muller's ratchet, and furthermore the somewhat larger mtDNA molecules of yeast and plants "would have to recombine in order to maintain the integrity of their genomes, as seems to be the case". From this perspective, nuclear genomes are vastly too large for long-term effectiveness of a cellular proliferation strategy acting alone to compensate for accumulation of DNA damages and deleterious mutations, hence the additional requirements for sexual reproduction and recombination. Crow and others have regarded this as an important factor accounting for why species with obligate parthenogenesis or other forms of asexual reproduction "are the twigs on the phylogenetic tree, not the main stems and branches".

I would like to propose that elements of both the recombinational repair and replacement strategies are employed simultaneously within the germ-cell lineages of higher organisms. Under this view, recombinational repair helps purge the nuclear genome of DNA damages, and a molecular-level analogue of cellular replacement ("molecular replacement") facilitates the purging of both DNA damages and deleterious mutations in nonrecombining cytoplasmic genomes. The immediate effect of these collaborative processes is to increase the probability that at least some gametes are produced that are free from genetic defects that had accumulated during the lifetime of the parent. In turn, the zygotes and early embryos produced by such "cleansed" gametes have a higher initial likelihood of being unburdened from the load of parental DNA defects.

The molecular replacement process is proposed to operate through the replicative segregation of mtDNA molecules in the lineages of germ cells (particularly oocytes). Unlike nuclear genes in diploid organisms, each of which exists as a single allelic copy per gamete, thousands of mtDNA molecules populate most cells, and several hundred thousand copies may cohabit a mature oocyte (Michaels et al. 1982). As cells undergo mitotic or meiotic cytokinesis, particular mtDNA mutations may fluctuate in frequency because of intracellular selection (differential replication) and genetic drift. Notably, the many mtDNAs in mature oocytes probably stem from a vastly smaller pool of mtDNA molecules that survive the process of replicative segregation in earlier cytokinetic divisions of the germ-cell lineage. Evidence for this conclusion comes from the empirical generality that the vast majority of the heterogeneity in mtDNA genotypes is distributed among rather than within individuals [implying relative mtDNA population bottlenecks in germ lines (Chapman et al. 1982)], and from observed rates of mtDNA clonal sorting in the gametes and progeny of heteroplasmic females (review in Avise 1991). In any event, mtDNA molecules that survive and replicate to populate a mature oocyte presumably have been rather scrupulously screened by natural selection for replicative capacity and functional competency in the germ-cell lineages they inhabit.

To the extent that these two damage-repair processes (recombinational repair of nuclear DNA, and molecular replacement of cytoplasmic DNA) fail during gametogenesis, the metabolic functions of some germ cells will be compromised, and there will be gametic deaths. These gametic screening processes would appear to have considerable scope and impact, for at least two reasons. First, germ-line cells are highly active metabolically (Hastings 1989), such that any functional defects likely would be exposed to cellular-level selection. Second, gametes are produced in prodigious quantities by most species (e.g., males produce billions of sperm, and the number of oocytes present in a human female at birth is approximately 2,000,000 Baker 1963). Furthermore, subsequent rounds of selective screening no doubt occur at the zygotic stage and during embryonic development, as genomes from the surviving functional gametes are called upon to interact properly in diploid condition. Failures at this level would be registered as embryonic abortions, which also are known to occur at high frequency (e.g., the loss of all human conceptions has been estimated at nearly 80% Roberts and Lowe 1975). In general, the Bernsteins interpret such observations to indicate that DNA damage is so pervasive that "recombinational repair during meiosis, as well as other repair and protective processes, may be just barely able to cope with DNA damage".

The Bernsteins' DNA repair theory by itself probably cannot account for all of the variety and nuances of sexual reproduction and aging processes. Nonetheless, it represents an exciting and important piece of a jigsaw puzzle whose other elements are summarized so eloquently in the Rose and Michod/Levin volumes. Furthermore, in this puzzle's emerging picture, aging and sex can be seen more clearly as interrelated phenomena, both evolutionarily and mechanistically. Undeniably, certain cell lineages in all extant life-forms have solved the problem of innate mortality (at least over the 4 billion yr of life on earth), and the strategies of genetic recombination, cellular replacement, and molecular replacement by which this has been accomplished are coming into sharper focus.

Avise, J. C. 1991. Ten unorthodox perspectives on evolution prompted by comparative population genetic findings on mitochondrial DNA. Annual Review of Genetics 25:45-69.

Baker, T. G. 1963. A quantitative and cytological study of germ cells in human ovaries. Proceedings of the Royal Society of London Biological Sciences 158:417-433.

Bandy, B., and A. J. Davison. 1990. Mitochondrial mutations may increase oxidative stress: implications for carcinogenesis and aging? Free Radical Biology and Medicine 8:523-539.

Bernstein, C., and H. Bernstein. 1991. Aging, sex and DNA repair. Academic Press, New York.

Chapman, R. W., J. C. Stephens, R. A. Lansman, and J. C. Avise. 1982. Models of mitochondrial DNA transmission genetics and evolution in higher eucaryotes. Genetical Research 40:41-57.

Darwin, C. 1859. On the origin of species by means of natural selection, or the preservation of favored races in the struggle for life. John Murray, London.

Griffiths, A. J. F. 1992. Fungal senescence. Annual Review of Genetics 26:351-372.

Hastings, I. M. 1989. Potential germline competition in animals and its evolutionary implications. Genetics 123:191-197.

Lewontin, R. C. 1974. The genetic basis of evolutionary change. Columbia University Press, New York.

Michaels, G. S., W. W. Hauswirth, and P. J. Laipis. 1982. Mitochondrial DNA copy number in bovine oocytes and somatic cells. Developmental Biology 94:246-251.

Michod, R. E., and B. R. Levin, eds. 1988. The evolution of sex. Sinauer, Sunderland, Mass.

Nei, M., and D. Graur. 1984. Extent of protein polymorphism and the neutral mutation theory. Evolutionary Biology 17:73-118.

Richter, C., J.-W. Park, and B. N. Ames. 1988. Normal oxidative damage to mitochondrial and nuclear DNA is extensive. Proceedings of the National Academy of Sciences, USA 85:6465-6467.

Roberts, C. J., and C. R. Lowe. 1975. Where have all the conceptions gone? Lancet i:498-499.

Rose, M. R. 1991. Evolutionary biology of aging. Oxford University Press, New York.

Wallace, D. C. 1992a. Mitochondrial genetics: a paradigm for aging and degenerative diseases? Science 256:628-632.

-----. 1992b. Diseases of the mitochondrial DNA. Annual Review of Biochemistry 61:1175-1212.

Wilson, A. C., R. L. Cann, S. M. Carr, M. George, Jr., U. B. Gyllensten, K. M. Helm-Bychowski, R. G. Higuchi, S. R. Palumbi, E. M. Prager, R. D. Sage, and M. Stoneking. 1985. Mitochondrial DNA and two perspectives on evolutionary genetics. Biological Journal of the Linnean Society 26:375-400.

Zouros, E., K, R. Freeman, A. O. Ball, and G. H. Pogson. 1992. Direct evidence for extensive paternal mitochondrial DNA inheritance in the marine mussel Mytilus. Nature 359:412-414.


Bekijk de video: VIDEO PEMBELAJARA SUBSTANSI GENETIKA (November 2021).