如何預(yù)防DNA聚合酶的突變

DNA聚合酶是在DNA復(fù)制過程中負責(zé)將核苷酸堿基添加到生長鏈中的酶。由于基因組的核苷酸序列決定了特定生物體的發(fā)育和功能，因此在DNA復(fù)制過程中合成現(xiàn)有基因組的精確復(fù)制品至關(guān)重要。通常，DNA聚合酶在DNA復(fù)制過程中保持高保真度，每添加109個核苷酸僅摻入單個不匹配的核苷酸。因此，如果除了標(biāo)準(zhǔn)互補堿基對之外，含氮堿基之間發(fā)生錯配，DNA聚合酶將該核苷酸添加到生長鏈中，從而產(chǎn)生頻繁的突變。DNA復(fù)制的錯誤通過兩種機制得到糾正，稱為校對和鏈定向錯配修復(fù)。

校對

校對是指從生長的DNA鏈中糾正錯配堿基對的初始機制，它是由DNA聚合酶進行的。DNA聚合酶分兩步進行校對。第一次校對發(fā)生在向生長鏈添加新核苷酸之前。正確核苷酸對DNA聚合酶的親和力比不正確的核苷酸高許多倍。然而，在傳入的核苷酸通過氫鍵與模板結(jié)合之后，但在核苷酸通過DNA聚合酶的作用與生長鏈結(jié)合之前，酶應(yīng)該經(jīng)歷構(gòu)象變化。在DNA聚合酶的構(gòu)象變化過程中，錯誤堿基的成對核苷酸容易與模板解離。因此，該步驟允許DNA聚合酶在將其永久添加到生長鏈之前“仔細檢查”核苷酸。

校對

第二個校對步驟稱為核苷外校對。在極少數(shù)情況下，它在將不匹配的核苷酸摻入生長鏈后立即發(fā)生。DNA聚合酶無法在不匹配的核苷酸旁邊添加第二個核苷酸。DNA聚合酶的單獨催化位點稱為3′至5′校對核酸外切酶，從生長鏈中消化錯配的核苷酸。

鏈定向錯配修復(fù)

盡管有校對機制，DNA聚合酶在DNA復(fù)制過程中仍可能將不正確的核苷酸摻入生長鏈中。從校對中逃脫的復(fù)制錯誤通過鏈定向錯配修復(fù)刪除。該系統(tǒng)檢測DNA螺旋中由于堿基對不匹配而導(dǎo)致的失真電位。但是，修復(fù)系統(tǒng)應(yīng)在更換不匹配的底座之前從現(xiàn)有底座中識別不正確的底座。通常，大腸桿菌依靠DNA甲基化系統(tǒng)來識別雙螺旋中的舊DNA鏈，因為新合成的鏈可能不會很快發(fā)生DNA甲基化。在大腸桿菌中，GATC的A殘基被甲基化。由于鏈定向錯配修復(fù)系統(tǒng)的作用，DNA復(fù)制的保真度增加了102倍。

在鏈定向錯配修復(fù)中，三種復(fù)雜的蛋白質(zhì)穿過新合成的DNA鏈。第一種稱為MutS的蛋白質(zhì)檢測并結(jié)合DNA雙螺旋中的扭曲。第二種稱為MutL的蛋白質(zhì)檢測并與MutS結(jié)合，吸引第三種稱為MutH的蛋白質(zhì)，用于區(qū)分未甲基化或新合成的鏈。結(jié)合后，MutH切割GATC序列中G殘基上游的未甲基化DNA鏈。核酸外切酶負責(zé)下游鏈的降解到錯配。然而，該系統(tǒng)降解少于10個核苷酸的區(qū)域，這些核苷酸很容易被DNA聚合酶1重新合成。真核生物的Mut蛋白與大腸桿菌的Mut蛋白同源。