Skip to main content
Global

14.6: תיקון DNA

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    205836

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    מיומנויות לפיתוח

    • דון בסוגים השונים של מוטציות ב-DNA
    • הסבר מנגנוני תיקון DNA

    שכפול DNA הוא תהליך מדויק ביותר, אך מדי פעם יכולות להתרחש טעויות, כגון פולימראז DNA המחדיר בסיס שגוי. טעויות לא מתוקנות עלולות לפעמים להוביל לתוצאות חמורות, כגון סרטן. מנגנוני תיקון מתקנים את הטעויות. במקרים נדירים טעויות אינן מתוקנות, מה שמוביל למוטציות; במקרים אחרים אנזימי התיקון הם עצמם מוטציה או פגומים.

    רוב הטעויות במהלך שכפול ה-DNA מתוקנות מיד על ידי DNA פולימראז על ידי הגהה של הבסיס שנוסף זה עתה (איור\(\PageIndex{1}\)). בהגהה, פול ה-DNA קורא את הבסיס החדש שנוסף לפני הוספת הבסיס הבא, כך שניתן לבצע תיקון. הפולימראז בודק אם הבסיס החדש שנוסף התחבר כהלכה לבסיס בגדיל התבנית. אם זה הבסיס הנכון, הנוקלאוטיד הבא מתווסף. אם נוסף בסיס שגוי, האנזים מבצע חתך בקשר הפוספודיסטר ומשחרר את הנוקלאוטיד הלא נכון. זה מבוצע על ידי פעולת האקסונוקלאז של DNA pol III. לאחר הסרת הנוקלאוטיד השגוי, יתווסף שוב אחד חדש.

    האיור מראה DNA פולימראז משכפל גדיל של DNA. האנזים הכניס בטעות G מול A, וכתוצאה מכך בליטה. האנזים מגבה כדי לתקן את השגיאה.
    איור\(\PageIndex{1}\): הגהה על ידי DNA פולימראז מתקנת שגיאות במהלך השכפול.

    שגיאות מסוימות אינן מתוקנות במהלך השכפול, אלא מתוקנות לאחר השלמת השכפול; סוג זה של תיקון מכונה תיקון אי התאמה (איור\(\PageIndex{2}\)). האנזימים מזהים את הנוקלאוטיד שנוסף בצורה לא נכונה ומבלים אותו; לאחר מכן זה מוחלף בבסיס הנכון. אם זה נשאר לא מתוקן, זה עלול להוביל לנזק קבוע יותר. כיצד מזהים אנזימי תיקון חוסר התאמה איזה משני הבסיסים הוא הלא נכון? ב אי - קולי, לאחר שכפול, אדנין הבסיס החנקני רוכש קבוצת מתיל; לגדיל ה- DNA ההורי יהיו קבוצות מתיל, ואילו הגדיל החדש המסונתז חסר אותן. לפיכך, DNA פולימראז מסוגל להסיר את הבסיסים המשולבים בצורה לא נכונה מהגדיל החדש, שאינו מתיל. באאוקריוטים, המנגנון אינו מובן היטב, אך הוא האמין כי הוא כרוך בהכרה של חתכים לא אטומים בגדיל החדש, כמו גם קשר מתמשך לטווח קצר של חלק מחלבוני השכפול עם גדיל הבת החדש לאחר השלמת השכפול..

    האיור העליון מציג גדיל DNA משוכפל עם חוסר התאמה של בסיס G-T. האיור התחתון מציג את ה- DNA המתוקן, בעל זיווג בסיסי G-C הנכון.
    איור\(\PageIndex{2}\): בתיקון אי התאמה, הבסיס שנוסף באופן שגוי מזוהה לאחר השכפול. חלבוני תיקון חוסר ההתאמה מזהים בסיס זה ומסירים אותו מהגדיל החדש שסונתז על ידי פעולת נוקלאז. הפער מתמלא כעת בבסיס המשויך כראוי.

    בסוג אחר של מנגנון תיקון, תיקון כריתת נוקלאוטידים, אנזימים מחליפים בסיסים שגויים על ידי חיתוך בקצוות 3' ו-5' של הבסיס השגוי (איור). \(\PageIndex{3}\) קטע ה-DNA מוסר ומוחלף בנוקלאוטידים המזווגים כהלכה על ידי פעולת ה-DNA pol. לאחר מילוי הבסיסים, הפער הנותר נאטם עם קישור פוספודיסטר המזרז על ידי ליגאז DNA. מנגנון תיקון זה משמש לעתים קרובות כאשר חשיפה ל- UV גורמת להיווצרות דימרים פירמידין.

    האיור מציג גדיל DNA בו נוצר דימר תימין. אנזימי תיקון כריתה חותכים את קטע ה-DNA המכיל את הדימר כך שניתן להחליף אותו בזוגות בסיסים רגילים.
    איור\(\PageIndex{3}\): כריתת נוקלאוטידים מתקנת דימרים של תימין. כאשר הם נחשפים ל- UV, תימינים השוכבים זה ליד זה יכולים ליצור דימרים של תימין. בתאים רגילים, הם נכרתים ומוחלפים.

    דוגמה נחקרת היטב לטעויות שאינן מתוקנות נראית אצל אנשים הסובלים מ- xeroderma pigmentosa (איור). \(\PageIndex{4}\) לאנשים מושפעים יש עור רגיש מאוד לקרני UV מהשמש. כאשר אנשים נחשפים ל- UV נוצרים דימרים של פירמידין, במיוחד אלה של תימין; אנשים עם קסרודרמה פיגמנטוזה אינם מסוגלים לתקן את הנזק. אלה אינם מתוקנים בגלל פגם באנזימי תיקון כריתת הנוקלאוטידים, ואילו אצל אנשים רגילים, דימרי התימין נכרתים והפגם מתוקן. דימרים התימין מעוותים את מבנה הסליל הכפול של ה-DNA, וזה עלול לגרום לבעיות במהלך שכפול ה-DNA. אנשים עם xeroderma pigmentosa עשויים להיות בסיכון גבוה יותר לחלות בסרטן העור מאשר אלה שאינם סובלים מהמצב.

    תמונה מראה אדם עם נגעים בעור מנומרים הנובעים xeroderma pigmentosa.
    איור\(\PageIndex{4}\): Xeroderma pigmentosa הוא מצב שבו דימריזציה של תימין מחשיפה ל-UV אינה מתוקנת. חשיפה לאור השמש גורמת לנגעים בעור. (קרדיט: ג'יימס הלפרן ואח ')

    שגיאות במהלך שכפול ה- DNA אינן הסיבה היחידה לכך שמוטציות מתעוררות ב- DNA. מוטציות, וריאציות ברצף הנוקלאוטידים של הגנום, יכולות להתרחש גם בגלל פגיעה ב- DNA. מוטציות כאלה עשויות להיות משני סוגים: מושרה או ספונטנית. מוטציות המושרות הן אלה הנובעות מחשיפה לכימיקלים, קרני UV, צילומי רנטגן או גורם סביבתי אחר. מוטציות ספונטניות מתרחשות ללא כל חשיפה לגורם סביבתי כלשהו; הם תוצאה של תגובות טבעיות המתרחשות בגוף.

    למוטציות עשויות להיות מגוון רחב של השפעות. חלק מהמוטציות אינן באות לידי ביטוי; אלה ידועות בשם מוטציות שקטות. מוטציות נקודתיות הן אותן מוטציות המשפיעות על זוג בסיסים בודד. המוטציות הנוקלאוטידים הנפוצות ביותר הן תחליפים, שבהם בסיס אחד מוחלף על ידי אחר. אלה יכולים להיות משני סוגים, מעברים או טרנסברסיות. החלפת מעבר מתייחסת לפורין או לפירימידין המוחלפים בבסיס מאותו סוג; לדוגמה, פורין כמו אדנין עשוי להיות מוחלף בגואנין הפורין. החלפת טרנסברסיה מתייחסת לפורין המוחלף בפירימידין, או להיפך; לדוגמה, ציטוסין, פירמידין, מוחלף על ידי אדנין, פורין. מוטציות יכולות להיות גם תוצאה של הוספת בסיס, המכונה הכנסה, או הסרת בסיס, המכונה גם מחיקה. לפעמים פיסת DNA מכרומוזום אחד עשויה לעבור טרנסלוקציה לכרומוזום אחר או לאזור אחר של אותו כרומוזום; זה ידוע גם בשם טרנסלוקציה. סוגי מוטציות אלה מוצגים באיור\(\PageIndex{5}\).

    האיור מציג סוגים שונים של מוטציות נקודתיות הנובעות מהחלפת חומצת אמינו אחת. במוטציה שקטה, לא מתרחש שינוי ברצף חומצות האמינו. במוטציה של missense, חומצת אמינו אחת מוחלפת באחרת. במוטציה שטויות, קודון עצירה מוחלף בחומצת אמינו. במוטציה של שינוי מסגרת, בסיס אחד או יותר מתווסף או נמחק, וכתוצאה מכך שינוי במסגרת הקריאה.
    איור\(\PageIndex{5}\): מוטציות יכולות להוביל לשינויים ברצף החלבון המקודד על ידי ה- DNA.

    תרגיל \(\PageIndex{1}\)

    מוטציה של שינוי מסגרת המביאה להחדרה של שלושה נוקלאוטידים היא לרוב פחות מזיקה ממוטציה המביאה להחדרת נוקלאוטיד אחד. למה?

    תשובה

    אם יתווספו שלושה נוקלאוטידים, חומצת אמינו נוספת תשולב בשרשרת החלבון, אך מסגרת הקריאה לא תשתנה.

    ידוע כי מוטציות בגנים לתיקון גורמות לסרטן. גנים רבים לתיקון מוטציה היו מעורבים בצורות מסוימות של סרטן הלבלב, סרטן המעי הגס וסרטן המעי הגס. מוטציות יכולות להשפיע על תאים סומטיים או על תאי נבט. אם מוטציות רבות מצטברות בתא סומטי, הן עלולות להוביל לבעיות כמו חלוקת תאים בלתי מבוקרת שנצפתה בסרטן. אם מתרחשת מוטציה בתאי נבט, המוטציה תועבר לדור הבא, כמו במקרה של המופיליה וקסרודרמה פיגמנטוזה.

    סיכום

    פולימראז DNA יכול לעשות טעויות בעת הוספת נוקלאוטידים. הוא עורך את ה- DNA על ידי הגהה של כל בסיס שנוסף לאחרונה. בסיסים שגויים מוסרים ומוחלפים על ידי הבסיס הנכון, ולאחר מכן נוסף בסיס חדש. רוב הטעויות מתוקנות במהלך השכפול, אם כי כאשר זה לא קורה, מנגנון תיקון חוסר ההתאמה מופעל. אנזימי תיקון חוסר התאמה מזהים את הבסיס המשולב בצורה לא נכונה ומוציאים אותו מה-DNA, ומחליפים אותו בבסיס הנכון. בסוג אחר של תיקון, תיקון כריתת נוקלאוטידים, הבסיס השגוי מוסר יחד עם כמה בסיסים בקצה 5' ו-3', ואלה מוחלפים בהעתקת התבנית בעזרת פולימראז DNA. קצות השבר המסונתז החדש מחוברים לשאר ה- DNA באמצעות ליגאז DNA, היוצר קשר פוספודיסטר.

    רוב הטעויות מתוקנות, ואם לא, הן עלולות לגרום למוטציה המוגדרת כשינוי קבוע ברצף ה-DNA. מוטציות יכולות להיות מסוגים רבים, כגון החלפה, מחיקה, החדרה וטרנסלוקציה. מוטציות בגנים לתיקון עלולות להוביל לתוצאות חמורות כמו סרטן. מוטציות יכולות להיגרם או להתרחש באופן ספונטני.

    רשימת מילים

    מוטציה המושרה
    מוטציה הנובעת מחשיפה לכימיקלים או לסוכנים סביבתיים
    מוטציה
    וריאציה ברצף הנוקלאוטידים של גנום
    תיקון אי התאמה
    סוג של מנגנון תיקון שבו בסיסים לא תואמים מוסרים לאחר שכפול
    תיקון כריתת נוקלאוטידים
    סוג של מנגנון תיקון DNA שבו הבסיס הלא נכון, יחד עם כמה נוקלאוטידים במעלה הזרם או במורד הזרם, מוסרים
    הגהה
    פונקציה של DNA pol שבו הוא קורא את הבסיס החדש שנוסף לפני הוספת הבסיס הבא
    מוטציה נקודתית
    מוטציה המשפיעה על בסיס יחיד
    מוטציה שקטה
    מוטציה שאינה באה לידי ביטוי
    מוטציה ספונטנית
    מוטציה המתרחשת בתאים כתוצאה מתגובות כימיות המתרחשות באופן טבעי ללא חשיפה לגורם חיצוני כלשהו
    החלפת מעבר
    כאשר פורין מוחלף בפורין או פירמידין מוחלף בפירימידין אחר
    החלפת טרנסברסיה
    כאשר פורין מוחלף בפירימידין או פירמידין מוחלף בפורין