Cellen en Weefsels
Chapter 5: DNA Replication, Repair, and Recombination
Mutaties kunnen stil zijn, bijvoorbeeld wanneer een codon verandert, maar niet het aminozuur, of
wanneer het aminozuur verandert zonder de activiteit van het eiwit te veranderen. In het genoom
ontstaan zo’n 70 mutaties per generatie. Dit lijkt veel, maar omdat het genoom uit relatief weinig
genen bestaat die voor eiwitten coderen, maakt het niet veel uit. De basale mechanismen die de
mutatie rate zo laag houden, zijn zeer geconserveerd. Hierdoor kunnen organismen hun genetische
informatie nauwkeurig doorgeven en kanker voorkomen.
De cellen van planten en dieren die zich seksueel voortplanten bestaan uit twee typen:
- Germ cells: verplaatsen genetische informatie van ouder naar nakomelingen
- Somatic cells: vormen het lichaam van het organisme
Het mechanisme DNA-templating wordt door de cel gebruikt om een nucleotide sequentie te
kopiëren. DNA-polymerase koppelt de vrije deoxyribonucleoside trifosfaten aan de nieuwe streng.
De DNA-helix wordt ‘semiconservatief’ gerepliceerd, omdat elke dochtercel een nieuwe en een
originele streng krijgt.
Bij replicatie beweegt een Y-vormige actieve regio zich over het DNA, genaamd de replicatie vork.
Het is een multi-enzym complex dat DNA-polymerase bevat en alleen in de 5’-naar-3’ richting kan
synthetiseren. Op de lagging strand worden Okazaki fragmenten gevormd, die later aan elkaar
geplakt worden.
Naast de standaard basenparen zijn ook enkele andere basenparen mogelijk die niet de geometrie
van de helix veranderen. Verschillende mechanismen zorgen ervoor dat dit toch niet gebeurt;
- (1) De correcte nucleotide heeft een hogere affiniteit voor de polymerase van een incorrecte.
- (2) Daarnaast moet polymerase een conformatieverandering ondergaan voordat de
nucleotide covalent gebonden wordt, en dat gaat sneller met correcte basenparen.
- (3) Verder is er ook exonucleolytische proofreading voor als de base wel al covalent vastzit.
DNA-polymerase heeft een base-gepaard 3’-OH einde nodig van een primer streng. Wanneer
hier een verkeerde base aan zit, knipt het 3’-tot-5’ proofreading exonuclease deze af, totdat
er een correct 3’-OH einde is. RNA-polymerase heeft dit mechanisme niet, maar dat is ook
niet nodig aangezien het niet doorgegeven wordt aan nakomelingen en vaak een korte
levensduur heeft.
E. coli heeft naast proofreading nog een ander systeem, genaamd strand-
directed mismatch repair, welke de missende methylatie van bepaalde A-
residuen herkent in de sequentie GATC van nieuw gesynthetiseerd DNA.
Eukaryoten gebruiken een ander systeem om de oude van de nieuwe
streng te onderscheiden. Nieuw gesynthetiseerde lagging strengen
bevatten vaak knikken, die het mismatch repair systeem herkent.
Wanneer een DNA-polymerase in de 3’-5’ richting zou synthetiseren, dan
zou het groeiende 5’ uiteinde de trifosfaat moeten geven die nodig is voor
de covalente verbinding. Een fout bij polymerisatie was dan lastiger, omdat het 5’ einde van de keten
de DNA-synthese zou beëindigen.
1
,Bij de leading streng is maar één primer nodig, bij de lagging streng meerdere. DNA-primase gebruikt
ribonucleoside trifosfaten om korte RNA-primers te maken op de lagging streng. DNA-ligase maakt
de 3’eindes van de nieuwe DNA-fragmenten vast aan de 5’ eindes van de vorige. Er worden RNA-
primers gebruikt om aan te geven dat ze nog vervangen moeten worden door DNA, want ze kunnen
niet geproofread worden.
DNA-helicases en single-strand DNA-binding (SSB) proteins zorgen voor het openen van de dubbele
helix. DNA-helicases gebruik hydrolyse van ATP om over de enkele streng te bewegen. SSB-eiwitten
binden aan enkelstrengs DNA zonder de basen de bedekken en helpen zo de helicases en voorkomen
haarspeld formaties van de lagging streng.
De sliding clamp houdt
de polymerase vast aan
het DNA. Het is een
ringvormig eiwit
waarvan de ene kant
bindt aan polymerase
en het wordt om het
DNA heen gezet door
ATP-hydrolyse van de
clamp loader. De
meeste eiwitten bij
replicatie worden bij
elkaar gehouden in een
groot multi-enzym
complex.
Het overdraaien van het DNA bij het bewegen van de replicatievork wordt verholpen door eiwitten
genaamd DNA topoisomerases, een reversibele nuclease die covalent bindt aan de backbone fosfaat
en de fosfodiester binding hervormt. Topoisomerase I produceert een korte enkelstrengse breuk, die
na afwikkelen weer hersteld wordt. Topoisomerase II vormt een covalente binding met beide
strengen en maakt een dubbelstrengse breuk. Dit gebeurt alleen wanneer supercoiling is
opgetreden. Het eiwit gebruikt dan ATP-hydrolyse voor:
- Het reversibel breken van één dubbele helix om een DNA “gate” te maken
- Het laten passeren van de tweede dubbele helix door dit gat
- Het sluiten van de breuk en dissociëren van het DNA
DNA-replicatie begint met speciale initiator eiwitten bij de replicatie oorsprongen, regio’s in het DNA
met relatief veel A-T-basenparen. Bacteriën hebben maar één replicatie oorsprong nodig. Het DNA-
initiator eiwitcomplex trekt twee helicases aan met helicase loaders, wanneer er voldoende
voedingsstoffen aanwezig zijn. Wanneer replicatie is begonnen, worden de initiator eiwitten
uitgeschakeld door ATP-hydrolyse. Initiatie kan niet opnieuw plaatsvinden totdat de A’s
gemethyleerd zijn en ATP weer gebonden is.
Mensen hebben veel meer replicatie oorsprongen (als back-up) en elk cel type gebruikt een andere
set oorsprongen. In eukaryote cellen vindt DNA-replicatie alleen plaats in de S-fase. Replicatie
oorsprongen worden geactiveerd in clusters, afhankelijk van de chromatine structuur
(gecondenseerd = later). Bij eukaryoten bestaan de replicatie oorsprongen uit:
2
, - Een bindingsplek voor de initiator ORC, ofwel origin recognition complex
- Een deel DNA dat rijk is aan As en Ts
- Tenminste één bindingsplek voor eiwitten die ORC helpen met de chromatine
Tijdens de G1 fase komen de helicases naar de ORC om een prereplicatie complex te vormen. Daarna
activeren kinases de helicases. De kinases fosforyleren ook ORC waardoor het geen nieuwe helicases
kan binden.
Naast nieuwe DNA-ketens, moeten ook de eiwitten om het DNA heen gemaakt worden (histonen).
Deze worden voornamelijk gesynthetiseerd in de S-fase. Bij replicatie worden de histon octameren
gebroken in een H3-H4 tetrameer (worden verdeeld tussen dochtercellen) en twee H2A-H2B
dimeren (laten los). De lengte van elk Okazaki fragment wordt bepaald door het punt waarbij DNA-
polymerase wordt geblokkeerd door een nieuw gevormd nucleosoom. De additie van nieuwe H3-H4
tetrameren en de H2A-H2B dimeren wordt geholpen door histon chaperonnes. Deze worden weer
naar de juiste plaats geleid door een sliding clamp genaamd PCNA.
De lagging streng heeft aan het einde een probleem, want de laatste RNA-primer kan niet vervangen
worden door DNA omdat er geen 3’-OH einde is voor herstel-polymerase. Daarom zitten er op het
einde speciale sequenties in structuren genaamd telomeren die bestaan uit tandem repeats
(GGGTTA). Deze sequenties worden herkend door telomerase, welke de sequentie verlengen in de
5’-3’ richting, gebruikmakend van een RNA-template dat onderdeel is van het enzym zelf (reverse
transcriptase-achtig).
Een speciale nuclease verkort het 5’ einde van een telomeer waardoor een uitstekend enkelstrengs
einde overblijft. Dit trekt beschermende eiwitten aan genaamd shelterines. Soms vormen telomeren
t-lussen ter bescherming. Wanneer er geen telomerase aanwezig is, vindt progressieve vernietiging
van de telomeren plaats.
Wanneer er toch fouten in het DNA optreden, zoals depurinatie of deaminatie, komen de processen
van DNA repair van pas. DNA-schade kan verwijderd worden op twee manieren;
- Bij base excision repair herkennen DNA glycosylases een specifiek type veranderde base
door deze naar buiten te ‘flippen’ en katalyseren ze de hydrolytische verwijdering. De
missende base wordt herkend door AP endonuclease, die de fosfodiester binding breekt,
waarna het gat gerepareerd wordt.
- Het tweede systeem is nucleotide excision repair, welke schade herstelt die veroorzaakt
door grote veranderingen in de structuur van de DNA dubbele helix. Wanneer het de schade
ziet, knipt het de fosfodiester binding aan beide kanten van de fout en pelt DNA-helicase de
fout weg, waarna het hersteld wordt.
Ernstig beschadigd DNA kan gerepliceerd worden door translesion DNA
polymerases, welke wel een grotere kans op mutaties met zich
meebrengt.
Het repareren van dubbelstrengse breuken kan door nonhomologous
end joining. Hierbij wordt gebruik gemaakt van Ku heterodimeren die de
twee eindes weer aan elkaar plakt, maar hierbij wel een stuk van de
eindes afknipt. Daarnaast kan het voorkomen dat een gebroken
chromosoom covalent verbonden wordt aan een ander chromosoom.
3
, Homologe recombinatie vindt plaats bij nieuw gerepliceerd
DNA, waarbij de zusterchromatide als template dient, of een
stuk DNA dat vrijwel complementair is (hierdoor ontstaan
heteroduplexen). Het begint bij een dubbelstrengse breuk,
waarna nucleases de 5’ eindes van de gebroken strengen
terug-knippen. Daarna vindt strand exchange plaats, waarbij
een van de enkelstrengse 3’ eindes in de template duplex
gaat en een homologe sequentie zoekt. DNA-replicatie vindt
plaats, de streng gaat weer uit de helix en DNA-replicatie
vindt ook plaats op de andere streng, waarna ligatie
plaatsvindt.
Streng uitwisseling wordt gekatalyseerd door RecA (E.
coli)/Rad51 ATPase. RecA in complex met ssDNA bindt aan
dsDNA, destabiliseert het en zorgt dat ssDNA het als sample
kan gebruiken (per 3 basen). Wanneer er geen match is,
dissociëren ze, maar bij een goede match vindt streng
uitwisseling plaats (waarna ATP-hydrolyse nodig is voor
dissociatie).
Het kan gebeuren dat het gebroken chromosoom wordt gerepareerd met de homoloog van de
andere ouder in plaats van de zusterchromatide, waardoor verlies van heterozygositeit optreedt.
Mutaties in homologe recombinatie kunnen leiden tot kanker.
Functies van homologe recombinatie:
- Herstel van gestopte replicatie vorken
- Herstel van dubbelstrengse DNA-breuken
- Meiotische recombinatie crossover en gen conversie
Meiotische recombinatie begint met geprogrammeerde
dubbelstrengse breuken (door Spo11). Spo11 blijft covalent gebonden
aan het gebroken DNA. Een nuclease vernietigt de eindes die aan
Spo11 gebonden zijn. Bepaalde eiwitten kunnen aan holliday juncties
(plekken van cross-streng uitwisseling) binden en een reactie
katalyseren genaamd branch migration. Hierbij wordt ATP
gehydrolyseerd om de regio heteroduplex DNA te vergroten.
Afhankelijk van hoe een holliday junctie wordt opgelost,
ontstaat een crossover of niet.
Homologe recombinatie leidt tot de
formatie van een heteroduplex
regio, waarvan de reparatie kan
leiden tot gen conversie.
Genconversie treedt op tijdens de
meiose wanneer homologe
recombinatie tussen heterozygote
locaties resulteert in een mismatch
in de baseparing. Deze fout wordt
dan herkend en gecorrigeerd door het cellulaire mechanisme waardoor een van de allelen wordt
omgezet naar de andere.
4
Chapter 5: DNA Replication, Repair, and Recombination
Mutaties kunnen stil zijn, bijvoorbeeld wanneer een codon verandert, maar niet het aminozuur, of
wanneer het aminozuur verandert zonder de activiteit van het eiwit te veranderen. In het genoom
ontstaan zo’n 70 mutaties per generatie. Dit lijkt veel, maar omdat het genoom uit relatief weinig
genen bestaat die voor eiwitten coderen, maakt het niet veel uit. De basale mechanismen die de
mutatie rate zo laag houden, zijn zeer geconserveerd. Hierdoor kunnen organismen hun genetische
informatie nauwkeurig doorgeven en kanker voorkomen.
De cellen van planten en dieren die zich seksueel voortplanten bestaan uit twee typen:
- Germ cells: verplaatsen genetische informatie van ouder naar nakomelingen
- Somatic cells: vormen het lichaam van het organisme
Het mechanisme DNA-templating wordt door de cel gebruikt om een nucleotide sequentie te
kopiëren. DNA-polymerase koppelt de vrije deoxyribonucleoside trifosfaten aan de nieuwe streng.
De DNA-helix wordt ‘semiconservatief’ gerepliceerd, omdat elke dochtercel een nieuwe en een
originele streng krijgt.
Bij replicatie beweegt een Y-vormige actieve regio zich over het DNA, genaamd de replicatie vork.
Het is een multi-enzym complex dat DNA-polymerase bevat en alleen in de 5’-naar-3’ richting kan
synthetiseren. Op de lagging strand worden Okazaki fragmenten gevormd, die later aan elkaar
geplakt worden.
Naast de standaard basenparen zijn ook enkele andere basenparen mogelijk die niet de geometrie
van de helix veranderen. Verschillende mechanismen zorgen ervoor dat dit toch niet gebeurt;
- (1) De correcte nucleotide heeft een hogere affiniteit voor de polymerase van een incorrecte.
- (2) Daarnaast moet polymerase een conformatieverandering ondergaan voordat de
nucleotide covalent gebonden wordt, en dat gaat sneller met correcte basenparen.
- (3) Verder is er ook exonucleolytische proofreading voor als de base wel al covalent vastzit.
DNA-polymerase heeft een base-gepaard 3’-OH einde nodig van een primer streng. Wanneer
hier een verkeerde base aan zit, knipt het 3’-tot-5’ proofreading exonuclease deze af, totdat
er een correct 3’-OH einde is. RNA-polymerase heeft dit mechanisme niet, maar dat is ook
niet nodig aangezien het niet doorgegeven wordt aan nakomelingen en vaak een korte
levensduur heeft.
E. coli heeft naast proofreading nog een ander systeem, genaamd strand-
directed mismatch repair, welke de missende methylatie van bepaalde A-
residuen herkent in de sequentie GATC van nieuw gesynthetiseerd DNA.
Eukaryoten gebruiken een ander systeem om de oude van de nieuwe
streng te onderscheiden. Nieuw gesynthetiseerde lagging strengen
bevatten vaak knikken, die het mismatch repair systeem herkent.
Wanneer een DNA-polymerase in de 3’-5’ richting zou synthetiseren, dan
zou het groeiende 5’ uiteinde de trifosfaat moeten geven die nodig is voor
de covalente verbinding. Een fout bij polymerisatie was dan lastiger, omdat het 5’ einde van de keten
de DNA-synthese zou beëindigen.
1
,Bij de leading streng is maar één primer nodig, bij de lagging streng meerdere. DNA-primase gebruikt
ribonucleoside trifosfaten om korte RNA-primers te maken op de lagging streng. DNA-ligase maakt
de 3’eindes van de nieuwe DNA-fragmenten vast aan de 5’ eindes van de vorige. Er worden RNA-
primers gebruikt om aan te geven dat ze nog vervangen moeten worden door DNA, want ze kunnen
niet geproofread worden.
DNA-helicases en single-strand DNA-binding (SSB) proteins zorgen voor het openen van de dubbele
helix. DNA-helicases gebruik hydrolyse van ATP om over de enkele streng te bewegen. SSB-eiwitten
binden aan enkelstrengs DNA zonder de basen de bedekken en helpen zo de helicases en voorkomen
haarspeld formaties van de lagging streng.
De sliding clamp houdt
de polymerase vast aan
het DNA. Het is een
ringvormig eiwit
waarvan de ene kant
bindt aan polymerase
en het wordt om het
DNA heen gezet door
ATP-hydrolyse van de
clamp loader. De
meeste eiwitten bij
replicatie worden bij
elkaar gehouden in een
groot multi-enzym
complex.
Het overdraaien van het DNA bij het bewegen van de replicatievork wordt verholpen door eiwitten
genaamd DNA topoisomerases, een reversibele nuclease die covalent bindt aan de backbone fosfaat
en de fosfodiester binding hervormt. Topoisomerase I produceert een korte enkelstrengse breuk, die
na afwikkelen weer hersteld wordt. Topoisomerase II vormt een covalente binding met beide
strengen en maakt een dubbelstrengse breuk. Dit gebeurt alleen wanneer supercoiling is
opgetreden. Het eiwit gebruikt dan ATP-hydrolyse voor:
- Het reversibel breken van één dubbele helix om een DNA “gate” te maken
- Het laten passeren van de tweede dubbele helix door dit gat
- Het sluiten van de breuk en dissociëren van het DNA
DNA-replicatie begint met speciale initiator eiwitten bij de replicatie oorsprongen, regio’s in het DNA
met relatief veel A-T-basenparen. Bacteriën hebben maar één replicatie oorsprong nodig. Het DNA-
initiator eiwitcomplex trekt twee helicases aan met helicase loaders, wanneer er voldoende
voedingsstoffen aanwezig zijn. Wanneer replicatie is begonnen, worden de initiator eiwitten
uitgeschakeld door ATP-hydrolyse. Initiatie kan niet opnieuw plaatsvinden totdat de A’s
gemethyleerd zijn en ATP weer gebonden is.
Mensen hebben veel meer replicatie oorsprongen (als back-up) en elk cel type gebruikt een andere
set oorsprongen. In eukaryote cellen vindt DNA-replicatie alleen plaats in de S-fase. Replicatie
oorsprongen worden geactiveerd in clusters, afhankelijk van de chromatine structuur
(gecondenseerd = later). Bij eukaryoten bestaan de replicatie oorsprongen uit:
2
, - Een bindingsplek voor de initiator ORC, ofwel origin recognition complex
- Een deel DNA dat rijk is aan As en Ts
- Tenminste één bindingsplek voor eiwitten die ORC helpen met de chromatine
Tijdens de G1 fase komen de helicases naar de ORC om een prereplicatie complex te vormen. Daarna
activeren kinases de helicases. De kinases fosforyleren ook ORC waardoor het geen nieuwe helicases
kan binden.
Naast nieuwe DNA-ketens, moeten ook de eiwitten om het DNA heen gemaakt worden (histonen).
Deze worden voornamelijk gesynthetiseerd in de S-fase. Bij replicatie worden de histon octameren
gebroken in een H3-H4 tetrameer (worden verdeeld tussen dochtercellen) en twee H2A-H2B
dimeren (laten los). De lengte van elk Okazaki fragment wordt bepaald door het punt waarbij DNA-
polymerase wordt geblokkeerd door een nieuw gevormd nucleosoom. De additie van nieuwe H3-H4
tetrameren en de H2A-H2B dimeren wordt geholpen door histon chaperonnes. Deze worden weer
naar de juiste plaats geleid door een sliding clamp genaamd PCNA.
De lagging streng heeft aan het einde een probleem, want de laatste RNA-primer kan niet vervangen
worden door DNA omdat er geen 3’-OH einde is voor herstel-polymerase. Daarom zitten er op het
einde speciale sequenties in structuren genaamd telomeren die bestaan uit tandem repeats
(GGGTTA). Deze sequenties worden herkend door telomerase, welke de sequentie verlengen in de
5’-3’ richting, gebruikmakend van een RNA-template dat onderdeel is van het enzym zelf (reverse
transcriptase-achtig).
Een speciale nuclease verkort het 5’ einde van een telomeer waardoor een uitstekend enkelstrengs
einde overblijft. Dit trekt beschermende eiwitten aan genaamd shelterines. Soms vormen telomeren
t-lussen ter bescherming. Wanneer er geen telomerase aanwezig is, vindt progressieve vernietiging
van de telomeren plaats.
Wanneer er toch fouten in het DNA optreden, zoals depurinatie of deaminatie, komen de processen
van DNA repair van pas. DNA-schade kan verwijderd worden op twee manieren;
- Bij base excision repair herkennen DNA glycosylases een specifiek type veranderde base
door deze naar buiten te ‘flippen’ en katalyseren ze de hydrolytische verwijdering. De
missende base wordt herkend door AP endonuclease, die de fosfodiester binding breekt,
waarna het gat gerepareerd wordt.
- Het tweede systeem is nucleotide excision repair, welke schade herstelt die veroorzaakt
door grote veranderingen in de structuur van de DNA dubbele helix. Wanneer het de schade
ziet, knipt het de fosfodiester binding aan beide kanten van de fout en pelt DNA-helicase de
fout weg, waarna het hersteld wordt.
Ernstig beschadigd DNA kan gerepliceerd worden door translesion DNA
polymerases, welke wel een grotere kans op mutaties met zich
meebrengt.
Het repareren van dubbelstrengse breuken kan door nonhomologous
end joining. Hierbij wordt gebruik gemaakt van Ku heterodimeren die de
twee eindes weer aan elkaar plakt, maar hierbij wel een stuk van de
eindes afknipt. Daarnaast kan het voorkomen dat een gebroken
chromosoom covalent verbonden wordt aan een ander chromosoom.
3
, Homologe recombinatie vindt plaats bij nieuw gerepliceerd
DNA, waarbij de zusterchromatide als template dient, of een
stuk DNA dat vrijwel complementair is (hierdoor ontstaan
heteroduplexen). Het begint bij een dubbelstrengse breuk,
waarna nucleases de 5’ eindes van de gebroken strengen
terug-knippen. Daarna vindt strand exchange plaats, waarbij
een van de enkelstrengse 3’ eindes in de template duplex
gaat en een homologe sequentie zoekt. DNA-replicatie vindt
plaats, de streng gaat weer uit de helix en DNA-replicatie
vindt ook plaats op de andere streng, waarna ligatie
plaatsvindt.
Streng uitwisseling wordt gekatalyseerd door RecA (E.
coli)/Rad51 ATPase. RecA in complex met ssDNA bindt aan
dsDNA, destabiliseert het en zorgt dat ssDNA het als sample
kan gebruiken (per 3 basen). Wanneer er geen match is,
dissociëren ze, maar bij een goede match vindt streng
uitwisseling plaats (waarna ATP-hydrolyse nodig is voor
dissociatie).
Het kan gebeuren dat het gebroken chromosoom wordt gerepareerd met de homoloog van de
andere ouder in plaats van de zusterchromatide, waardoor verlies van heterozygositeit optreedt.
Mutaties in homologe recombinatie kunnen leiden tot kanker.
Functies van homologe recombinatie:
- Herstel van gestopte replicatie vorken
- Herstel van dubbelstrengse DNA-breuken
- Meiotische recombinatie crossover en gen conversie
Meiotische recombinatie begint met geprogrammeerde
dubbelstrengse breuken (door Spo11). Spo11 blijft covalent gebonden
aan het gebroken DNA. Een nuclease vernietigt de eindes die aan
Spo11 gebonden zijn. Bepaalde eiwitten kunnen aan holliday juncties
(plekken van cross-streng uitwisseling) binden en een reactie
katalyseren genaamd branch migration. Hierbij wordt ATP
gehydrolyseerd om de regio heteroduplex DNA te vergroten.
Afhankelijk van hoe een holliday junctie wordt opgelost,
ontstaat een crossover of niet.
Homologe recombinatie leidt tot de
formatie van een heteroduplex
regio, waarvan de reparatie kan
leiden tot gen conversie.
Genconversie treedt op tijdens de
meiose wanneer homologe
recombinatie tussen heterozygote
locaties resulteert in een mismatch
in de baseparing. Deze fout wordt
dan herkend en gecorrigeerd door het cellulaire mechanisme waardoor een van de allelen wordt
omgezet naar de andere.
4
