Theoretical Biology & Medical Modelling, 2005; 2: 15-15 (más artículos en esta revista)

Ubicación de los daños de ADN encargados por el intercambio de las enzimas de reparación: cooperativity efectos de la ubicación en el tiempo

BioMed Central
Kasper Astrup Eriksen (kasper.eriksen @ thep.lu.se) [1]
[1] Departamento de Física Teórica, Universidad de Lund, Sölvegatan 14A, SE-223 62 Lund, Suecia

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Resumen
Antecedentes

¿Cómo encontrar las enzimas de reparación del ADN relativamente raros los sitios de los daños no se conoce con gran detalle. Los recientes experimentos y los datos moleculares sugieren que las enzimas de reparación individuales no funcionan con independencia unas de otras, sino que interactúan unos con otros a través de las tarifas a lo largo del intercambio de ADN. Un sitio dañado en el ADN dificulta este intercambio. La hipótesis es que el encargado de cambio libera rápidamente las enzimas de reparación de los tramos libres de errores de la DNA. De esta manera, los sitios de los daños se encuentran más rápidamente, pero ¿cuánto más rápidamente no se conoce, ni se sabe si el mecanismo de intercambio de carga tiene otras consecuencias observables.

Resultados

Aquí el tamaño de la velocidad adquirida en marcha de este mecanismo de intercambio de carga se calcula la duración y las características y escalas de tiempo que se han identificado. En particular, para la Escherichia coli, la estimación de la velocidad es de hasta 50000 / N, donde N es el número de la reparación de las enzimas que participan en el mecanismo de intercambio de carga. N Aunque no es exactamente conocida, una velocidad de hasta de orden 10 no es totalmente irrazonable. Además, a lo largo de toda la expresión de las enzimas de reparación, la localización varía en el tiempo sólo como N -1 / 2 y no como 1 / N.

Conclusión

La revolucionaria hipótesis de que las enzimas de reparación del ADN uso cargo de cambio a lo largo de ADN para localizar lugares dañados de manera más eficiente es, en realidad, desde un punto de vista puramente racional punto de vista teórico. Además, predijo el comportamiento colectivo de la ubicación en el tiempo es importante evaluar el impacto del estrés-ful y ambientes radiactivos en las tasas de mutación de células individuales.

Antecedentes

Bases en el ADN sufre daños tanto de las normales funciones celulares, como el metabolismo y externos de estrés oxidativo y de la radiación. Naturalmente, la célula tiene varias líneas de defensa contra las lesiones y directa que se mutágenas mispairings [1 - 3]. Oxidación de la base guanina (G), a menudo resulta en la formación de 8-oxo-G (7,8-dihidro-8-oxo-2 '-deoxyguanosine) [4]. Durante la replicación, 8-oxo-G puede par ambos con cytosine (C) y adenina (A) [5]. Tras otra ronda de replicación, la 8-oxo-G: A dar lugar a pares G: C de la T: A mutaciones (si no es corregida). En Escherichia coli, 8-oxo-G: C pares son detectados por el DNA glycosylase MutM (formamidopyrimidine glycosylase), que posteriormente, los impuestos especiales sobre la 8-oxo-G de la ADN abasic dejando un sitio donde la rama es mellas, tanto en el 3 ' Y 5 'termina [6]. Abasic El sitio es además por la vía de la escisión de base (BER), y llevarían a la inserción de una G enfrente de la C. El resto de la acción de MutM eleva el número de adenines A misincorporated frente 8-oxo-G durante la replicación a unos Uno por un millón de bases, en las células, incluso impugnada por el H 2 O 2 [7, 8]. En E. Coli el 8-oxo-G: A pares son detectados por otro DNA glycosylase, MutY [9, 10], que los impuestos especiales sobre el mispaired adenina A lo que deja un abasic sitio. El sitio abasic frente a la unpaired 8-oxo-G es además por la vía de REC, lo que da un 8-oxo-G: C par. Si por el otro lado, una G en la piscina dGTP es inicialmente oxidado y posteriormente frente a una A en la réplica, la acción de MutY mutagénicos aumenta la tasa de conversión de T: A de G: C. Experimentalmente, esto se ve en las cepas que carecen de la enzima MutT [11] responsable de la hidrólisis de 8-oxo-dGTP a 8-oxo-dGMP [12].

Tanto las funciones bioquímicas y mecanicista de la escisión y el proceso de reconocimiento específico de la base de que se han sido extirpados para descifrar muchos de ADN glycosylases [7, 13, 14]. El principal paso es tirar la base para ser extirpada de ADN y en una fisura en el DNA glycosylase. Este extra-helicoidal estado está asociado con un acodamiento del ADN a través de un ángulo de 60 ° -80 ° en función de la DNA glycosylase. Aunque aún quedan preguntas por responder en este ámbito, el principal desafío es entender cómo el mal oxidadas base par se encuentra entre todos los normales, correctamente enlazado queridos [13]. Visualización directa utilizando la microscopia de fuerza atómica (AFM) revela que los humanos 8-oxo-G DNA glycosylase hOGGl y la E. Coli DNA glycosylase AlkA acodadura libre de errores de ADN de la misma manera que durante el retorcimiento de ADN escisión de una base dañada [15]. Por lo tanto, es probable que algunos de ADN glycosylases también flip-pares de bases correctamente en el sitio activo fisura durante su búsqueda de la escisión objetivos [16]. Además, los estudios in vitro indican que algunos de ADN glycosylases incluidos MutY moverse a lo largo de la DNA durante la exploración de su integridad [17].

Hasta hace poco era más o menos implícitamente supone [16] que el individuo ADN ADN dañado glycosylases localizar sitios con independencia unas de otras. Sin embargo, una nueva y atrevida hipótesis sugiere una cierta sub-clase de ADN glycosylases podría cooperar con el fin de localizar los lugares dañados más rápidamente [18]. Esta sub-clase se define por la presencia de un bien conservado evolutivamente [4Fe-4S] 2 + y el grupo incluye MutY y endonucleasa III, pero no MutM o AlkA [1]. Endonucleasa III reconoce oxidado y anillo-pyrimidines fragmentados, mientras que AlkA reconoce un amplio espectro de alkanated base aductos (ambos alkanated purines y pyrimidines). Así, el [4Fe-4S] cluster no es, obviamente, relacionados con el reconocimiento de substratos específicos. Las investigaciones iniciales sugirieron que el grupo no es redox activa bajo condiciones fisiológicas [19]. Esto dio lugar a la especulación de que la [4Fe-4S] 2 + grupo podría ser un raro ejemplo de un grupo de metal con una función puramente estructural [20]. Sin embargo, se acaba de poner de manifiesto in vitro que en el momento de unión de MutY de ADN, un electrón se inyecta en el ADN y la [4Fe-4S] el grupo está involucrado en esta reacción redox, presumiblemente, la modificación de su nivel de oxidación de 2 + 3 + [ 18]. Los autores entonces pasó a la hipótesis de que las enzimas MutY comunicarse a través de las corrientes en el ADN y de esta manera acelerar el proceso de la ubicación de error. Un error sin tramo de ADN es un buen conductor, mientras que un par defectuoso base introduce una enorme resistencia [21], si una enzima MutY recibe un electrón de una enzima MutY aguas arriba, el tramo de ADN antes de lo que es por lo tanto, libre de errores . Presumiblemente el electrón recibido desestabiliza la unión de la MutY a este tramo libre de errores de ADN cambiando el nivel de oxidación de la [4Fe-4S] 3 + de nuevo a la categoría 2 +. Así, el efecto neto de los cargos de cambio es rápido destacamento de la MutY moléculas de ADN libre de errores, seguido por el carácter vinculante y de exploración en otros lugares. Intuitivamente, este rápido destacamento de las enzimas de MutY libre de errores tramos de ADN acelera la localización de pares de bases dañadas. Quizás convenga aquí hizo hincapié en que el mecanismo propuesto es especulativa y aún no ha sido verificada experimentalmente firmemente. No obstante, es de interés para estimar el alcance de las posibilidades de velocidad en marcha y estudiar si hay otros biológicamente relevantes y comprobables experimentalmente consecuencias de la propuesta de mecanismo de intercambio de carga. Como se examina en detalle más adelante hay dos escalas de tiempo relevante en el proceso propuesto. La primera, τ, es el tiempo que tarda en darse cuenta de que un tramo de ADN está libre de errores, es decir, τ es el tiempo de embargo de una enzima MutY atribuyen a un error sin trozo de ADN hasta el destacamento y vinculante a otro sitio. La segunda, T, es el tiempo medio que se tarda en localizar un par dañados por la lentitud de escaneo de ADN, sin utilizar el mecanismo de intercambio de carga. En este documento, se muestra que el tiempo que tarda MutY para localizar un par dañados base es aproximadamente , Que corresponde a una velocidad de hasta - . Esta expresión de la velocidad-up sigue siendo válida en la presencia de muchos otros tipos de carga el intercambio de las enzimas de reparación. Sin embargo, en este caso, T es el tiempo promedio que se toma para cualquier reparación de la enzima para localizar el error por sí solo escaneo. En segundo lugar, también señalar que el mecanismo de intercambio de carga altera la respuesta a la sobre-expresado las enzimas de reparación. Como el número total de las enzimas de reparación es el aumento de la eficiencia del mecanismo de intercambio de carga disminuye. De esta manera, duplicar el número de las enzimas de reparación sólo acorta el tiempo de ubicación en un 30%, no un 50% como en el escenario de exploración independiente. El beneficio relativo a la independencia de escaneo escenario es, pues, más pequeños.

Resultados
Modelo

El modelo se presenta en la figura 1. La reparación contiene una enzima MutY bien conservadas evolutivamente [4Fe-4S] grupo que se sospecha que cambiar la configuración de su cargo a partir del 2 + 3 + a la unión a ADN [18]. Por lo tanto, es vinculante asociado a la emisión de un electrón en el ADN, mientras que a partir de la recepción de un electrón de la ADN-ADN MutY vinculante complejo es desestabilizado. Como sólo libre de errores tramos de ADN son capaces de transportar los electrones de un MutY enzima a una vecina uno [21], este intercambio permite a cargo MutY a liberar rápidamente de los recursos de exploración libre de errores tramos de ADN [18]. Para hacer el argumento y los cálculos lo más transparente posible, en primer lugar, examinar la situación en la que sólo MutY enzimas participar en el intercambio de cargos. Sin embargo, en las células reales, muchos tipos diferentes de las enzimas de reparación cada una se espera que participen en el intercambio de cargos, cada uno especializado para la fijación de un tipo específico de daños. Este cuadro más generalizado es el centro de atención de la siguiente sección. Por último, el efecto de una longitud finita de exploración antes de MutY espontáneamente separa del ADN se considera.

Estimación de orden de magnitud

Dado que no existen datos experimentales y para τ l, la eficiencia del mecanismo de intercambio de carga, Eq. (8), debe ser estimado. Δ El numerador es la más pequeña de la máxima longitud de 100 bp de exploración y de la distancia de acoplamiento . Supongo ≤ 100 bp, con la igualdad como la opción más probable es que, como cualquier otra cosa parece ineficiente. La distancia l se calcula como la distancia promedio entre las enzimas de reparación vT = L / N. Con estas aproximaciones, la reducción es de vT / 100 pb = 5,10 4 / N, donde N es el número total de las enzimas de reparación con un cargo similar al mecanismo de intercambio de MutY. He asumido que la duración de E. Coli del ADN, L, es 5,10 6 pares de bases. Lamentablemente N es desconocido. Los números de los dos [4Fe-4S] 2 + que contienen las enzimas de reparación, y MutY endonucleasa III, se estiman en 30 y 500, respectivamente, y el número de MutM las enzimas de reparación se calcula en 400 [22]. El objetivo principal de MutM, 8-oxo-G, se calcula que constituyen el 5% de todos los aductos debido al daño oxidativo [4]. Con todo, parece razonable que el número total de la reparación de las enzimas que participan en el mecanismo de intercambio de carga es considerablemente más reducido que el 50000, y que una velocidad de hasta de orden 10 es realista. Aviso de que esto corresponde a una típica longitud de exploración que es 10 veces más pequeña que la máxima de una (100 pb) y que l ≈ 1000 pb.

Discusión

Las implicaciones de una propuesta de intercambio de carga mediada la cooperación entre las enzimas de reparación en la localización de defectos en la única de pares de bases se han considerado. Desde el punto de vista teórico adoptado aquí, este mecanismo es probable que se acelere la ubicación por orden de un factor 10 en comparación con los tradicionales escenarios en los que la exploración de las enzimas de reparación del genoma de los errores independiente. En este trabajo la velocidad-hasta se cuantificó en términos de tiempo que se tarda en localizar un par dañados base t ubicación. T ubicación tiene que ser considerablemente más corto que el tiempo de replicación, que en el E. Coli es del orden de una hora. Para ser concretos, asumir t ubicación es de 20 minutos. A los 30 MutY enzimas en el E. Coli calculó la eficiencia del mecanismo de intercambio de carga se traduce en una reducción de la velocidad de exploración necesario de 125 bp / s a 13 bp / s. Por comparación, la velocidad de escaneo de la RNA polimerasa es 50 1000 bp / s.

En el tradicional escenario de la digitalización independiente de la ubicación tiempo T es inversamente proporcional a la cantidad de las enzimas de reparación. Tras la sobre expresión de todas las enzimas de reparación efectiva la distancia a la que el cargo se llevan a cabo intercambios, l, y se reduce la eficiencia de la cooperación se reduce (Eq. 8). Así, la disminución de la ubicación de tiempo Es más pequeño cambio en el cargo que en el escenario tradicional de exploración independiente-escenario, pero t ubicación sigue siendo más corto que T. Tenga en cuenta que si sólo una pequeña subclase, como MutY, es más-expresó, la situación es todavía tiempo inversamente relacionado con el número de moléculas. Suponiendo que la duración típica de exploración v τ permanece constante durante más de expresión de la ubicación de tiempo es inversamente proporcional a la raíz cuadrada del número total de las enzimas de reparación. Lo importante no es exactamente la raíz cuadrada comportamiento, pero la relativa falta de sensibilidad simultánea a la sobre-expresión de todas las enzimas de reparación. Fisiológicamente, oxidativo y ambientes de radiación puede resultar en un incremento en la expresión de las enzimas de reparación [23], de modo que la relativa insensibilidad de la ubicación y el tiempo de acoplamiento de la eficacia de diferentes tipos de enzimas de reparación son potencialmente de gran importancia para las tasas de mutación en este tipo Plena ambientes de estrés.

Conclusión

Me han demostrado que el mecanismo de carga de transporte de hecho, ofrece un gran potencial de beneficio para la célula. Sin embargo, sólo el más experimentación puede confirmar su cargo los mecanismos de transporte, la situación actual de la que debe ser llamado especulativo. Además, he señalado que el cargo de transporte hipótesis, de ser válida, tiene consecuencias en la respuesta al estrés celular-ful entornos. Además, el modelo es un modelo simple de la proteína cooperativity y uno podría preguntarse si los principios en que podría ser de utilidad práctica en ingeniería de problemas aparentemente no relacionados.

Conflicto de intereses

Los autores declaran que no tienen intereses en conflicto.

Material suplementario
Archivo Adicional 1
Contiene una descripción más detallada de la derivación Eq. (1), mantiene un registro de todos los factores numéricos. 1 página.
Agradecimientos

Kasper Astrup Eriksen reconoce el apoyo tanto del danés Consejo de Investigación de Ciencias Naturales de subvención y el número 21-03-0284 Bio + IT en el marco del programa de Øresund Ciencia y Øforsk Región.