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7.6: DNA-Reparatur - Biologie


Streng definiert verwendet der einfachste Reparaturmechanismus kein Enzym. Dealkylierung oder Entfernung von Alkylgruppen (wie -CH3 oder —C2h5) beinhaltet nur die Übertragung einer Alkylgruppe von einem O6-Methylguanin oder O6-Ethylguanin auf die O6-Alkylguanyl-DNA-Alkyltransferase. Trotz des Namens ist die Alkyltransferase kein wirkliches Enzym, da sie durch die Reaktion permanent verändert und inaktiviert wird und daher nicht in die Definition eines Katalysators passt. Beachten Sie, dass dies die Alkylierung an N7 oder anderen Stellen nicht beseitigt, sondern nur an den O6-verknüpften.

Der nächste einfachste Reparaturmechanismus ist die Entkupplung von Pyrimidin-Cyclobutyl-Dimeren. Dies kann durch die Aktivität der DNA erreicht werden Photolyasen, auch als photoreaktivierende Enzyme bekannt. Diese werden nicht nur deshalb benannt, weil die Bildung der Pyrimidin-Cyclobutyl-Dimere normalerweise durch UV-Licht-Exposition erfolgt, sondern weil die Reparaturenzyme selbst Licht (300-500 nm, nahes UV bis sichtbares Blau) benötigen, um die Dimerspaltungsreaktion zu katalysieren .

Genauer gesagt sind DNA-Photolyasen (ein ~60 kD Protein) nicht kovalent mit einem Chromophor (N5,N10-Methylenyltetrahydrofolat oder 5-Deazaflavin) und ein FADH-. Die Photolyase bindet licht- und sequenzunabhängig an das Pyrimidin-Cyclobutyl-Dimer von einzelsträngiger oder doppelsträngiger DNA. Es katalysiert jedoch keine Bindungsänderung, bis das Licht vom Chromophor absorbiert wird, der dann die Energie auf FADH überträgt –, wodurch es ein Elektron an das Dimer ausstößt und es so zerbricht.

Während Dealkylierung und Dimerlyse relativ einfache Prozesse sind, die nur eine geringfügige Veränderung der DNA bewirken, sind Exzisionsreparaturmechanismen komplizierter und erfordern mehrere enzymatische Schritte, um abgeschlossen zu werden. Wenn eine kleine (nicht sterisch sperrige) Läsion auf eine einzelne Base beschränkt ist, sei es bei der Depurination fehlend oder aufgrund von Desaminierung oder Fehlinkorporation falsch gebildet, wird der als Reparatur der Basisexzision (BER) ist besetzt. Wie in Abbildung (PageIndex{20}) dargestellt, wird eine nicht-konventionelle Basis, wenn sie erkannt wird, durch eine entsprechende DNA-Glykosylase. Gegenwärtig (Genbank-Suche, Juli 2009) gibt es mindestens 8 spezifische Gene, die für menschliche DNA-Glykosylasen kodieren, obwohl drei für Glykosylasen kodieren, die Uracil in verschiedenen Situationen erkennen. Sobald die Base durch die Glycosylase entfernt wurde, wird eine Endonuklease eingesetzt, um die Phosphodiesterbindungen zu brechen und die nun leere Phosphodesoxyribose zu halten. Die entstandene Lücke in der DNA wird durch eine DNA-Polymerase aufgefüllt und schließlich wird der Strang durch DNA-Ligase wieder verbunden.

Bei voluminösen Läsionen, die die physikalische Präsentation der DNA gegenüber den Polymerasen und anderen Enzymen, die DNA verarbeiten, signifikant verändern, ist eine andere Art von Reparaturprozess beteiligt. Nukleotid-Exzisions-Reparatur (NER), vielleicht besser benannt polyNukleotidexzisionsreparatur, beinhaltet die Entfernung der Läsion sowie einiger der Nukleotide in unmittelbarer Nähe. Es gibt zwei Hauptinitiatoren von NER: Entweder wird ein nicht transkriptionell aktiver Teil der DNA durch XPC gescannt (Abbildung (PageIndex{21})A), das eine voluminöse Läsion erkennt und den Reparaturkomplex rekrutiert, oder als Gen transkribiert wird, läuft die RNA-Polymerase in eine Läsion und rekrutiert dann den Reparaturkomplex über CSA und CSB (Abbildung (PageIndex{21})F und G). Wenn der Nachweis durch XPC erfolgt, ist einer der frühen Reparaturfaktoren, die für die Stelle rekrutiert werden, der Transkriptionsfaktor IIH/XPB/XPD, eine DNA-Helikase (Abbildung (PageIndex{21})B). Diese Art der globalen Genomerkennung ist ineffizient und relativ langsam, bietet jedoch eine grundlegende Fehlerprüfung für die gesamte DNA. Bei der Transkription von DNA enthält der RNA-Polymerase-Komplex bereits TFIIH, zu dem XPB und XPD gehören. Dieser transkriptionsgerichtete Nachweis ist effizienter und zielt auf die Teile der DNA ab, die in einer bestimmten Zelle am meisten verwendet werden. Im nächsten Schritt (Abbildung (PageIndex{21})C) exzidieren XPG, assoziiert mit BRCA1/2, und XPF, assoziiert mit ERCC1, einen Teil des betroffenen Strangs, einschließlich, aber nicht beschränkt auf die Läsion selbst. DNA-Polymerase δ oder ε kann dann basierend auf der komplementären Strangsequenz an das freie 3’OH addieren, um die Lücke zu füllen (Abbildung (PageIndex{21})D). Schließlich wird die Reparatur an ihrem 3’-Ende durch DNA-Ligase mit dem Rest des Strangs verbunden (Abbildung (PageIndex{21})E).

Das „XP“ in XPC, XPB, XPD und den anderen in Abbildung (PageIndex{21}) bezieht sich auf Xeroderma pigmentosa, eine weitere autosomal-rezessiv vererbte Erkrankung, deren Hauptmerkmal die Bildung von Hautkarzinomen in jungen Jahren ist . Da NER (neben Photolyasen) eine Hauptform der Pyrimidin-Dimer-Reparatur ist, führt seine Zerstörung durch Mutationen an einem oder mehreren der XP-Gene zu einer extremen Empfindlichkeit gegenüber UV-induzierten Läsionen. Betroffene Personen müssen die Sonneneinstrahlung minimieren. Der Name der Krankheit leitet sich von den charakteristischen pigmentierten Läsionen (Keratosen) ab, die sich bei Sonneneinstrahlung häufig auf der Haut bilden.

CSA und CSB sind nach dem Cockayne-Syndrom benannt, einer autosomal-rezessiven Alterungsstörung. Mutationen in beiden Genen können die Störung verursachen, die durch vorzeitiges Altern, verkümmertes Wachstum, Lichtempfindlichkeit und Entwicklungsdefekte des Nervensystems gekennzeichnet ist. Vermutlich führt das Ausschalten der DNA-Reparaturfähigkeit von CSA oder CSB zu einer schnellen Akkumulation von Schäden, der Unfähigkeit, benötigte Gene zu transkribieren, und schließlich zum Zelltod.

Eine Art Variation von NER ist die Mismatch-Reparatur (MMR)-System. Dies wird am besten in Prokaryoten verstanden: in E coli, MutS ist ein kleines Protein, das an Fehlpaarungsstellen Homodimere bildet. Die MutS-Dimere rekrutieren zwei MutL-Proteine, von denen jedes mit einer der MutS-Einheiten interagiert. Jeder MutS/MutL-Komplex schiebt die DNA nach innen durch und bildet eine Schleife mit der Fehlpaarung in der Mitte der Schleife. Dies geht so lange, bis einer der MutS/MutL-Komplexe auf a . trifft halbmethyliert GATC-Sequenz. Dies bewirkt die Rekrutierung von MutH, einer hochspezialisierten Endonuklease, die einen einzelsträngigen Nick im Rückgrat des nicht methylierten Strangs macht. Dies bietet eine Öffnung für die 3’-5’-Exonuklease I oder die 5’-3’-Exonuklease VII (oder RecJ), um den Strang vom Nick bis zum Punkt der Fehlpaarung abzubauen. Diese wird dann, wie Sie vielleicht vermutet haben, durch DNA-Polymerase aufgefüllt und das Rückgrat durch Ligase verbunden. In Eukaryoten wurden mehrere Homologe zu den MutS- und MutL-Proteinen entdeckt und der Prozess ist ähnlich, aber noch nicht klar verstanden, da noch kein Homolog zu MutH entdeckt wurde.

Erinnere dich daran, dass in E coli, Dam-Methyltransferasen methylieren schließlich die DNA, um ihr Genom zu schützen, aber neu synthetisierte DNA wird nicht methyliert. Daher wird angenommen, dass der methylierte Strang die ursprüngliche und korrekte Base enthält, während die Fehlpaarung auf einen Fehleinbau in den neueren Strang zurückzuführen ist.

Ein weiteres prokaryontisches DNA-Reparatursystem ist die SOS-Antwort. Wie in Abbildung (PageIndex{23}) unten dargestellt, ist RecA inaktiv, wenn kein Schaden vorliegt, sodass das LexA-Protein die Produktion von mehr SOS-Reparaturproteinen unterdrücken kann. Kommt es jedoch zu einer Schädigung, binden RecA-Proteine ​​an die einzelsträngige DNA und werden aktiviert. Sie wiederum spalten den LexA-Repressor und ermöglichen so die Produktion einer Reihe von DNA-Reparaturgenen.

Bisher basierten die Reparaturen auf der Annahme, dass eine Läsion nur einen Strang betrifft und der andere Strang eine zuverlässige Vorlage für die Durchführung von Reparaturen ohne Informationsverlust bieten kann. Leider ist dies nicht immer der Fall und einige Läsionen und Reparaturprozesse führen zwangsläufig zu einem Sequenzverlust. Wenn ein Doppelstrangbruch auftritt, vielleicht als Folge ionisierender Strahlung, ist der häufigste Reparaturmechanismus bekannt als nicht homologe Endverbindung (NHEJ). Die doppelsträngigen Enden werden zuerst von Ku erkannt, einem heterodimeren ringförmigen Protein, das die DNA-Enden bindet. Ku rekrutiert dann die Kinase DNA-PKCS. Die DNA-PKCS fungiert als Brücke, um die beiden Enden zusammenzubringen, und eine DNA-Ligase kann die Enden dann zusammenfügen. Wenn die Stränge an verschiedenen Stellen gebrochen wurden, was zu komplementären einzelsträngigen Überhängen an jedem Ende führte (wie sie von einigen Restriktionsendonukleasen erzeugt werden), ist die Reparatur oft perfekt, da die komplementären Sequenzen die beiden Enden korrekt an ihren ursprünglichen Positionen ausrichten. Wenn jedoch die Strangenden bereits von Nukleasen beaufschlagt wurden und nicht mehr komplementär sind, führt das Wiederverbinden der Enden wahrscheinlich zu einem Informationsverlust. In einigen Teilen der DNA hätte dies nur geringe Auswirkungen, aber wenn es innerhalb eines Gens passiert, könnte das mutierte Genprodukt eine abnormale oder beeinträchtigte Funktion haben.


7 Lebensmittel, die DNA-Schäden umkehren

Gute Gene zu haben hängt nicht nur vom Glück ab. Während Sie vielleicht mit braunen Augen und der schlanken Gestalt Ihrer Mutter feststecken, sind viele überrascht zu erfahren, dass nicht alle DNA nicht bearbeitet werden kann. Epigenetik – die Untersuchung, wie externe Faktoren die DNA verändern, indem sie Gene ein- und ausschalten – zeigt uns genau, wie unsere Ernährung unseren genetischen Code beeinflussen kann.

"'Was man isst und nicht isst, kann beeinflussen, welche Gene wann aktiviert werden'", sagte Kevin L. Schalinske, Ph.D., Professor am Department of Food Science and Human Nutrition an der Iowa State University gegenüber David Zinczenko in Zero Belly Diät. "'Die falschen Lebensmittel zu essen, Mängel in der Ernährung und Lebensstilentscheidungen wie Rauchen können die Dinge anstellen.'"

Anstatt also Ihre DNA durch Rauchen von Tabak, übermäßiges Sonnenbaden oder Bevorratung verarbeiteter Lebensmittel zu schädigen, können Sie Ihre Gewohnheiten ändern, um Ihre genetische Ausstattung zu verbessern und dadurch möglicherweise chronischen Krankheiten wie Diabetes, Fettleibigkeit und Alzheimer vorzubeugen.

Ja, Sie haben richtig gelesen: Die genetische Hand, die Sie bei der Geburt erhalten haben, ist nicht Ihr Schicksal.

Anstatt sich also zu wünschen, die Genlotterie gewonnen zu haben, können Sie damit beginnen, Ihre Einkaufsliste zu überarbeiten. Bestimmte Lebensmittel, wie die, die wir unten zusammengestellt haben, sind wissenschaftlich bewiesen, dass sie DNA-Schäden verhindern und reparieren, die durch viele dieser schlechten Gewohnheiten verursacht werden, die Sie fett machen. Werfen Sie einen Blick auf diese Lebensmittel, die DNA-Schäden rückgängig machen, werfen Sie sie zum Abendessen zusammen und treten Sie die schlechten Gewohnheiten an den Bordstein – und Sie sind auf dem Weg zu gesünderen Genen, eine Doppelhelix nach der anderen.


High School Chemie und Biologie und BIOC300.1x ODER Verständnis und Kenntnis der Proteinstruktur und -funktion

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Sobre este curso

DNA kodiert unsere genetische Information und wird innerhalb von Zellen weitergegeben, um lebende Organismen zu erhalten und die nächste Generation hervorzubringen. Die Anerkennung der DNA als genetisches Material und die darauffolgende Identifizierung ihrer Struktur und ihres Kodierungsmechanismus waren sowohl revolutionär als auch grundlegend. Diese Entdeckungen führten zu einer transformativen Integration in den biologischen Wissenschaften mit einem gemeinsamen Verständnis dieser grundlegenden Einheit des Lebens! Nehmen Sie an dieser Erkundung der DNA-Struktur, Verpackung, Replikation und Manipulation teil.

Der Kurs verwendet Videovorträge, Forschungsartikel, Fallstudien und molekulare Modelle, um Informationen zu vermitteln. Die Kursnote basiert auf Fragen zu jeder Videovorlesung, Quizfragen, Hausaufgaben und einer Abschlussprüfung.

Más información sobre este curso

Lo que aprenderás

  • Methoden, die DNA als genetisches Material identifizierten
  • Struktur der DNA und Methoden zum Verpacken von DNA in die Zelle
  • Auswirkungen der Verpackung auf die DNA-Expression in höheren Organismen und die Weitergabe von Informationen ohne Veränderung der DNA (Epigenetik)
  • Ortsspezifische DNA-Expression in der Zelle
  • Maschinen zur DNA-Replikation mit extrem geringer Fehlerquote
  • Ursprungsort und Zeitpunkt der DNA-Replikation
  • Mechanismen zum „Erhalten“ der Enden linearer DNA
  • Arten von Schäden, die die DNA-Struktur und die Bewegung der DNA beeinflussen
  • Verfahren zur Amplifikation von DNA-Sequenzen und zur Bestimmung der Basensequenz
  • Enzyme zum Fragmentieren der DNA in bestimmte Segmente, die getrennt werden können
  • Methoden zur Rekombination von DNA-Segmenten aus verschiedenen Quellen
  • Möglichkeiten, rekombinierte DNA in Zellen einzuführen, einschließlich menschlicher Zellen

Ampliar lo que aprenderás

Plan de estudios

Die aus nur vier Monomeren bestehende DNA dient als genetisches Material lebender Organismen. Wir untersuchen, wie DNA als genetisches Material identifiziert wurde, untersuchen die Eigenschaften und Struktur der DNA, untersuchen die in diesem interessanten Makromolekül kodierten Informationen und untersuchen die Auswirkungen von Variationen in der DNA-Größe und -Sequenz.

Vorlesung 2: DNA-Organisation

Wir erforschen, wie DNA innerhalb der Zelle angeordnet, verpackt und organisiert ist. Wir untersuchen die Chromatinarchitektur, wie Chromatin durch Histone verändert wird und wie die Epigenetik die Genexpression beeinflussen kann.

Vorlesung 3: DNA-Replikation I

Wir untersuchen die Mechanismen, durch die DNA kopiert wird, und die Komplikationen, die aufgrund des asymmetrischen Aufbaus der DNA in Bezug auf ihre 3'- und 5'-Enden entstehen. Wir untersuchen die dynamische Natur der Replikationsproteine ​​und die exquisite Spezifität, mit der diese Proteine ​​essentielle biochemische Reaktionen katalysieren können, und wie enzymatische Aktivität im größeren Kontext der Zelle reguliert werden kann.

Vorlesung 4: DNA-Replikation II

Wir erforschen weiter die Replikationsmaschinerie, die die Koordination der Synthese von führenden und nacheilenden Strängen während der DNA-Replikation ermöglicht, ein Merkmal sowohl der prokaryotischen als auch der eukaryotischen DNA-Replikation. Wir untersuchen die Initiation der DNA-Replikation an den Replikationsursprüngen. Wir diskutieren auch die Beteiligung von Nukleosomen und Histone an diesem Prozess, der ein einzigartiges Merkmal der eukaryotischen DNA ist. Wir untersuchen auch die Beendigung der DNA-Replikation und die Beteiligung von Telomerase bei der Lösung eines einzigartigen Problems der eukaryotischen DNA-Replikation: die Verkürzung der chromosomalen Enden während der DNA-Replikation.

Vorlesung 5: DNA-Manipulation

Wir untersuchen die Manipulation von DNA. Die Zelle kann DNA wiederherstellen (oder manchmal verändern), indem sie Schäden aus einer Vielzahl von Umweltquellen repariert. Die Reparatur von Doppelstrangbrüchen umfasst die Rekombination (oder den Austausch von DNA-Sequenzen zwischen zwei verschiedenen dsDNAs). Wir untersuchen Methoden der DNA-Amplifikation, Analyse, "Klonierung" und Sequenzierung. Diese Formen der "Manipulation" von DNA verwenden Enzyme und funktionelle Eigenschaften, die wir besprochen haben. Unsere immer effizientere und kostengünstigere Fähigkeit, DNA-Fragmente zu sequenzieren und zu rekombinieren, hat die biologischen und biomedizinischen Wissenschaften verändert und es bleibt noch viel zu entdecken!


Reparatur und Regeneration

Die Wiederherstellung der normalen Sehnenfunktion nach einer Verletzung erfordert die Wiederherstellung der Sehnenfasern und des Gleitmechanismus zwischen der Sehne und ihren umgebenden Strukturen.24, 25, 26 Das Anfangsstadium der Reparatur beinhaltet die Bildung von Narbengewebe, das an der Verletzungsstelle für Kontinuität sorgt 27 jedoch fehlt Ein mechanischer Reiz auf die Sehne führt zu einer Vermehrung von Narbengewebe und nachfolgenden Adhäsionen, die unerwünscht und schädlich sind, da sie die normale Sehnenfunktion behindern, insbesondere bei


71 DNA-Reparatur

Am Ende dieses Abschnitts können Sie Folgendes tun:

Die DNA-Replikation ist ein hochpräziser Prozess, aber gelegentlich können Fehler auftreten, wie beispielsweise das Einfügen einer falschen Base durch eine DNA-Polymerase. Nicht korrigierte Fehler können manchmal zu schwerwiegenden Folgen wie Krebs führen. Reparaturmechanismen korrigieren die Fehler. In seltenen Fällen werden Fehler nicht korrigiert, in anderen Fällen kommt es zu Mutationen, Reparaturenzyme sind selbst mutiert oder defekt.

Die meisten Fehler während der DNA-Replikation werden sofort durch die Korrekturlesefähigkeit der DNA-Polymerase selbst korrigiert. ((Abbildung)). Beim Korrekturlesen liest der DNA-Pol die neu hinzugefügte Base, bevor die nächste hinzugefügt wird, sodass eine Korrektur vorgenommen werden kann. Die Polymerase überprüft, ob die neu hinzugefügte Base korrekt mit der Base im Template-Strang gepaart wurde. Wenn es die richtige Base ist, wird das nächste Nukleotid hinzugefügt. Wurde eine falsche Base hinzugefügt, schneidet das Enzym an der Phosphodiesterbindung und setzt das falsche Nukleotid frei. Dies wird durch die 3′ Exonuklease-Aktion von DNA pol. Sobald das falsche Nukleotid entfernt wurde, kann es durch das richtige ersetzt werden.


Einige Fehler werden während der Replikation nicht korrigiert, sondern nach Abschluss der Replikation korrigiert. Diese Art der Reparatur wird als Reparatur von Fehlanpassungen bezeichnet ((Abbildung)). Spezifische Reparaturenzyme erkennen das fehlgepaarte Nukleotid und entfernen einen Teil des Strangs, der es enthält, die ausgeschnittene Region wird dann erneut synthetisiert. Bleibt die Fehlpaarung unkorrigiert, kann dies zu dauerhafteren Schäden führen, wenn die fehlgepaarte DNA repliziert wird. Wie erkennen Mismatch-Repair-Enzyme, welche der beiden Basen die falsche ist? In E coli, nach der Replikation erhält die stickstoffhaltige Base Adenin eine Methylgruppe, der elterliche DNA-Strang hat Methylgruppen, während sie dem neu synthetisierten Strang fehlen. Somit ist die DNA-Polymerase in der Lage, die falsch eingebauten Basen aus dem neu synthetisierten, nicht methylierten Strang zu entfernen. Bei Eukaryoten ist der Mechanismus nicht sehr gut verstanden, aber es wird angenommen, dass er die Erkennung von unversiegelten Kerben im neuen Strang sowie eine kurzfristige fortgesetzte Assoziation einiger der Replikationsproteine ​​mit dem neuen Tochterstrang nach Abschluss der Replikation beinhaltet .


Eine andere Art von Reparaturmechanismus, die Nukleotidexzisionsreparatur, ähnelt der Mismatch-Reparatur, außer dass sie verwendet wird, um beschädigte Basen zu entfernen, und nicht fehlgepaarte Basen. Die Reparaturenzyme ersetzen abnormale Basen, indem sie sowohl am 3′ als auch am 5′ Ende der beschädigten Basis einen Schnitt machen ((Abbildung)). Das DNA-Segment wird entfernt und durch die Wirkung von DNA pol durch die korrekt gepaarten Nukleotide ersetzt. Nach dem Auffüllen der Basen wird die verbleibende Lücke mit einer durch DNA-Ligase katalysierten Phosphodiesterbindung verschlossen. Dieser Reparaturmechanismus wird häufig verwendet, wenn UV-Exposition die Bildung von Pyrimidin-Dimeren verursacht.


Ein gut untersuchtes Beispiel dafür, dass Fehler nicht korrigiert werden, ist bei Menschen mit Xeroderma pigmentosa zu sehen ((Abbildung)). Betroffene Personen haben eine Haut, die sehr empfindlich auf UV-Strahlen der Sonne reagiert. Wenn Personen UV-Licht ausgesetzt werden, werden Pyrimidindimere, insbesondere des Thymins, gebildet. Menschen mit Xeroderma pigmentosa sind nicht in der Lage, den Schaden zu reparieren. Diese werden aufgrund eines Defekts in den Nukleotidexzisionsreparaturenzymen nicht repariert, wohingegen bei normalen Individuen die Thymindimere ausgeschnitten und der Defekt korrigiert wird. Die Thymindimere verzerren die Struktur der DNA-Doppelhelix, was zu Problemen bei der DNA-Replikation führen kann. Menschen mit Xeroderma pigmentosa haben möglicherweise ein höheres Risiko, an Hautkrebs zu erkranken, als diejenigen, die diese Erkrankung nicht haben.


Fehler bei der DNA-Replikation sind nicht der einzige Grund, warum Mutationen in der DNA entstehen. Mutationen, Variationen in der Nukleotidsequenz eines Genoms, können auch aufgrund von DNA-Schäden auftreten. Solche Mutationen können von zwei Arten sein: induziert oder spontan. Induzierte Mutationen sind solche, die aus einer Exposition gegenüber Chemikalien, UV-Strahlen, Röntgenstrahlen oder anderen Umwelteinflüssen resultieren. Spontane Mutationen treten ohne Exposition gegenüber Umwelteinflüssen auf und sind das Ergebnis natürlicher Reaktionen im Körper.

Mutationen können vielfältige Auswirkungen haben. Punktmutationen sind solche Mutationen, die ein einzelnes Basenpaar betreffen. Die häufigsten Nukleotidmutationen sind Substitutionen, bei denen eine Base durch eine andere ersetzt wird. Diese Substitutionen können von zwei Arten sein, entweder Übergänge oder Transversionen. Übergangssubstitution bezieht sich auf ein Purin oder Pyrimidin, das durch eine Base der gleichen Art ersetzt wird, beispielsweise kann ein Purin wie Adenin durch das Purin Guanin ersetzt werden. Transversionssubstitution bezieht sich auf das Ersetzen eines Purins durch ein Pyrimidin oder umgekehrt, beispielsweise wird Cytosin, ein Pyrimidin, durch Adenin, ein Purin, ersetzt. Einige Punktmutationen werden nicht exprimiert, diese werden als stille Mutationen bezeichnet. Stille Mutationen sind normalerweise auf eine Substitution in der dritten Base eines Codons zurückzuführen, die oft dieselbe Aminosäure wie das ursprüngliche Codon darstellt. Andere Punktmutationen können dazu führen, dass eine Aminosäure durch eine andere ersetzt wird, was die Funktion des Proteins verändern kann. Punktmutationen, die ein Stoppcodon erzeugen, können ein Protein vorzeitig beenden.

Einige Mutationen können zu einer erhöhten Anzahl von Kopien desselben Codons führen. Diese werden als Trinukleotid-Wiederholungserweiterungen bezeichnet und führen zu wiederholten Regionen derselben Aminosäure. Mutationen können auch das Ergebnis des Hinzufügens einer Base, bekannt als Insertion, oder das Entfernen einer Base, auch bekannt als Deletion, sein. Wenn eine Insertion oder Deletion zu einer Veränderung des translationalen Leserasters führt (eine Leserastermutation), ist das resultierende Protein normalerweise nicht funktionsfähig. Manchmal kann ein DNA-Stück von einem Chromosom auf ein anderes Chromosom oder in eine andere Region desselben Chromosoms verlagert werden. Dies wird auch als Translokation bezeichnet. Diese Mutationstypen sind in (Abbildung) dargestellt.


Eine Frameshift-Mutation, die zur Insertion von drei Nukleotiden führt, ist oft weniger schädlich als eine Mutation, die zur Insertion eines Nukleotids führt. Wieso den?

Mutationen in Reparaturgenen können Krebs verursachen. Viele mutierte Reparaturgene wurden mit bestimmten Formen von Bauchspeicheldrüsenkrebs, Dickdarmkrebs und Dickdarmkrebs in Verbindung gebracht. Mutationen können entweder Körperzellen oder Keimzellen betreffen. Wenn sich in einer Körperzelle viele Mutationen anhäufen, können sie zu Problemen wie der bei Krebs beobachteten unkontrollierten Zellteilung führen. Findet eine Mutation in Keimzellen statt, wird die Mutation wie bei Hämophilie und Xeroderma pigmentosa an die nächste Generation weitergegeben.

Abschnittszusammenfassung

DNA-Polymerase kann beim Hinzufügen von Nukleotiden Fehler machen. Es bearbeitet die DNA, indem es jede neu hinzugefügte Base Korrektur liest. Falsche Basen werden entfernt und durch die richtige Basis ersetzt, bevor mit der Dehnung fortgefahren wird. Die meisten Fehler werden während der Replikation korrigiert, wenn dies jedoch nicht geschieht, wird der Mismatch-Reparaturmechanismus verwendet. Mismatch-Reparaturenzyme erkennen die falsch eingebaute Base und schneiden sie aus der DNA heraus, indem sie sie durch die richtige Base ersetzen. Bei einer weiteren Art der Reparatur, der Nukleotidexzisionsreparatur, wird eine beschädigte Base zusammen mit einigen Basen am 5′- und 3′-Ende entfernt und diese durch Kopieren der Matrize mit Hilfe der DNA-Polymerase ersetzt. Die Enden des neu synthetisierten Fragments werden mit DNA-Ligase an den Rest der DNA angehängt, wodurch eine Phosphodiester-Bindung entsteht.

Die meisten Fehler werden korrigiert, und wenn nicht, können sie zu einer Mutation führen, die als dauerhafte Veränderung der DNA-Sequenz definiert ist. Mutationen können von vielen Typen sein, wie beispielsweise Substitution, Deletion, Insertion und Trinukleotid-Repeat-Erweiterungen. Mutationen in Reparaturgenen können zu schwerwiegenden Folgen wie Krebs führen. Mutationen können induziert werden oder spontan auftreten.

Fragen zur visuellen Verbindung

(Abbildung) Eine Frameshift-Mutation, die zur Insertion von drei Nukleotiden führt, ist oft weniger schädlich als eine Mutation, die zur Insertion eines Nukleotids führt. Wieso den?

(Abbildung) Wenn drei Nukleotide hinzugefügt werden, wird eine zusätzliche Aminosäure in die Proteinkette eingebaut, aber der Leseraster verschiebt sich nicht.

Rezensionsfragen

Welches der folgenden Enzyme liest beim Korrekturlesen die DNA?

Der anfängliche Mechanismus zur Reparatur von Nukleotidfehlern in der DNA ist ________.

  1. Reparatur von Fehlanpassungen
  2. Korrekturlesen der DNA-Polymerase
  3. Nukleotidexzisionsreparatur
  4. Thymin-Dimere

Ein Wissenschaftler erzeugt Fruchtfliegenlarven mit einer Mutation, die die Exonuklease-Funktion von DNA pol III eliminiert. Welche Vorhersage über die Mutationslast bei den adulten Fruchtfliegen ist am ehesten richtig?

  1. Die Erwachsenen mit der DNA-Pol-III-Mutation haben deutlich mehr Mutationen als der Durchschnitt.
  2. Die Erwachsenen mit der DNA-Pol-III-Mutation haben etwas mehr Mutationen als der Durchschnitt.
  3. Die Erwachsenen mit der DNA-Pol-III-Mutation haben im Durchschnitt die gleiche Anzahl von Mutationen.
  4. Die Erwachsenen mit der DNA-Pol-III-Mutation haben weniger Mutationen als der Durchschnitt.

Fragen zum kritischen Denken

Was ist die Folge einer Mutation eines Mismatch-Repair-Enzyms? Wie wirkt sich dies auf die Funktion eines Gens aus?

Mutationen werden nicht wie bei Xeroderma pigmentosa repariert. Die Genfunktion kann beeinträchtigt oder nicht exprimiert werden.

Ein Erwachsener mit einer Vorgeschichte des Gerbens lässt sein Genom sequenzieren. Der Anfang einer proteinkodierenden Region seiner DNA lautet ATGGGGATATGGCAT. Wenn die proteinkodierende Region eines gesunden Erwachsenen ATGGGGATATGAGCAT lautet, identifizieren Sie die Stelle und den Typ der Mutation.

Dies ist eine Frameshift-Mutation mit einer Deletion eines "A" an der 12. Position der kodierenden Region.

Glossar


  • Durch die Analyse genomischer Daten von Würmern haben die Wissenschaftler detailliert beschrieben, wie Mutationen durch eine Kombination aus DNA-Schäden und ungenauer Reparatur verursacht werden
  • Dies zeigt, dass ein einzelnes DNA-schädigendes Agens eine Vielzahl von Mutationssignaturen erzeugen kann, abhängig von den Reparaturmechanismen, die an der Behebung des ursprünglichen Schadens beteiligt sind
  • Die Forschung könnte dazu beitragen, die Ursachen von Mutationen in den Genomen von Krebspatienten und gesunden Personen zu lokalisieren

1. Mai 2020, Cambridge – Forscher des European Bioinformatics Institute (EMBL-EBI) des EMBL, der University of Dundee und des Wellcome Sanger Institute analysierten über 2700 Genome von C. elegans Würmer, um die Ursachen von Mutationen besser zu verstehen. Ihre heute in Nature Communications veröffentlichten Ergebnisse charakterisieren, wie DNA-Mutationen aus der kombinierten Wirkung von DNA-Schäden und ungenauen DNA-Reparaturmechanismen resultieren.

Die DNA einer Zelle ist ständig physikalischen und chemischen Belastungen – oder Genotoxinen – ausgesetzt, die sie schädigen und Mutationen verursachen können. Zellen verfügen jedoch über eine Vielzahl von Reparaturmechanismen, um DNA-Läsionen kurz nach ihrer Entstehung zu reparieren. Gelegentlich schlägt der restaurative Reparaturprozess fehl, entweder weil zusätzliche Fehler gemacht werden oder die DNA-Läsionen nicht vollständig erkannt werden. Dies führt zu Mutationen, die die Ursache von Krebs sind.

Es wurde angenommen, dass viele Genotoxine, wie sie im Tabakrauch vorkommen, eine einzigartige Folge von Mutationen im Genom verursachen, die als Mutationssignatur. „Das Erkennen solcher Signaturen bei Krebs ermöglicht es Wissenschaftlern, die Ursache des Schadens überhaupt zu verfolgen und die Prognose und Behandlung zu unterstützen, indem sie auf bestimmte Schwachstellen hinweisen“, erklärt Nadezda Volkova, kürzlich Doktorandin am EMBL-EBI.

Viele in Krebsgenomen beobachtete Mutationssignaturen scheinen sich jedoch nicht auf ein einzelnes Genotoxin zu beziehen, und andere scheinen aus einer Kombination von Faktoren zu resultieren. Um den Ursprung dieser Signaturen zu verstehen, testeten Volkova und Kollegen die Wirkung von mehr als 150 Kombinationen von zwölf Genotoxinen auf C. elegans Würmer, deren DNA-Reparaturmechanismen entweder unverändert oder fehlerhaft waren. Die Wissenschaftler zeigten experimentell, dass Mutationssignaturen aus einer kombinierten Wirkung von DNA-Schäden und spezifischen Reparaturmechanismen resultieren.

DNA-Reparatur und Mutationssignaturen

„Viele DNA-Veränderungen, die wir in unserer Studie beobachtet haben, treten auch bei menschlichem Krebs auf, aber wir haben festgestellt, dass die Mutationssignaturen variabler sind, als wir bisher dachten“, sagt Volkova.

Die Wissenschaftler fanden heraus, dass verschiedene Arten von DNA-Veränderungen, die durch dasselbe Genotoxin verursacht werden, oft durch verschiedene DNA-Reparaturwege behoben werden, einige fehlerfrei, andere fehleranfällig. Infolgedessen kann ein einzelnes Genotoxin je nach Reparaturprozess eine Vielzahl von Mutationssignaturen mit unterschiedlicher Geschwindigkeit hinterlassen.

Während die meisten DNA-Reparaturen Mutationen verhindern, kann sie sie auch verursachen. Volkova und Kollegen zeigten beispielsweise, dass ein bestimmter Mechanismus, der Transläsionssynthese genannt wird, für die Mehrheit der Basenmutationen verantwortlich ist, die durch Genotoxin-Exposition verursacht werden, als Kompromiss für schwerere und potenziell schädlichere Mutationen. Während viele dieser kleinen Mutationen harmlos sind, können sie beim Menschen die Wahrscheinlichkeit erhöhen, einen Tumor zu entwickeln.

„In der Krebsgenomik gibt es die implizite Erwartung, dass man für jede Signatur eine einzige Ursache finden könnte: Unsere Analyse stellt diese Erwartung in Frage. Hinter jedem Muster stecken mindestens zwei Unbekannte: der auftretende Schaden und die Reparaturfähigkeit der Zelle“, sagt Moritz Gerstung, Gruppenleiter am EMBL-EBI.

Zusammenführung von Krebsgenomik und DNA-Reparatur

Während die molekularen Mechanismen der DNA-Reparatur sehr gut etabliert sind, blieben die genauen Arten und die Häufigkeit der Mutationen, die sie erzeugen können, unklar, bis die Hochdurchsatzsequenzierung auf den Markt kam.

Diese Studie kombiniert die Sequenzierung des gesamten Genoms mit einem experimentellen Screen, um die Ursachen von Mutationssignaturen besser zu verstehen. Die Ergebnisse haben potenzielle Auswirkungen auf die Krebsforschung, -diagnose und -behandlung.

„Das Verständnis des Zusammenspiels zwischen DNA-Schäden und -Reparatur hilft, das Risiko einer Krebsprädisposition besser einzuschätzen und das Ansprechen auf eine Krebsbehandlung zu verstehen“, sagt Bettina Meier, Senior Research Associate an der University of Dundee.

Mutationssignaturen sind zu einer Säule der Krebsgenomanalyse geworden, da sie Aufschluss darüber geben können, welchen Karzinogenen Krebszellen ausgesetzt waren und welche Reparaturmechanismen gestört wurden.

Allerdings sind nicht alle beobachteten Mutationssignaturen und ihre einzelnen Facetten vollständig verstanden. Ein experimenteller Ansatz stellt sicher, dass die beobachteten Muster die direkte Folge der von den Wissenschaftlern gesetzten Bedingungen sind. Es hilft auch zu verstehen, wie mehrere DNA-Reparaturprozesse gemeinsam Mutationssignaturen formen.

„Es hat Jahre gedauert, all diese Reparaturfehler zu generieren C. elegans, sie systematisch einem Panel von Genotoxinen auszusetzen und ihre DNA zu präparieren, zu sequenzieren und zu analysieren. Es ist großartig zu sehen, dass experimentelle Arbeiten an C. elegans ist direkt relevant für die Interpretation von Krebsgenomen“, sagt Anton Gartner, Gruppenleiter an der University of Dundee, kürzlich zum stellvertretenden Direktor des IBS Center for Genomic Integrity an der UNIST Ulsan, Südkorea, ernannt.


Zukünftige Anwendungen

Während DNA-Schäden ein Schlüsselfaktor für die Entwicklung und Evolution von Krebszellen sind, werden fortgesetzte Schäden als Teil der klinischen Behandlung von Krebs verwendet, um bösartige Zellen zur Apoptose oder zum Altern zu zwingen. Viele Chemotherapeutika wie Bleomycin, Mitomycin und Cisplatin sind wirksam, weil sie weitere DNA-Schäden in Krebszellen verursachen, die sich schneller replizieren als das umgebende Gewebe. Zelluläre DNA-Reparaturmechanismen sind ein zweischneidiges Schwert, indem sie Mutationen reduzieren, die zu Krebs führen können. Diese Prozesse streben nach genomischer Integrität, aber die gleichen Mechanismen in bösartigen Zellen ermöglichen es diesen Zellen, zusätzliche DNA-Schäden zu überleben und unkontrolliertes Wachstum fortzusetzen. Um diesen Überlebensmechanismus innerhalb von Krebszellen zu blockieren, werden derzeit klinische Studien mit Inhibitoren gegen bestimmte DNA-Reparaturenzyme, einschließlich MGMT, PARP und DNA-PK, durchgeführt. 35-38


Kunstverbindung

Mutationen können zu Veränderungen der von der DNA kodierten Proteinsequenz führen.

Eine Frameshift-Mutation, die zur Insertion von drei Nukleotiden führt, ist oft weniger schädlich als eine Mutation, die zur Insertion eines Nukleotids führt. Wieso den?

Mutationen in Reparaturgenen können Krebs verursachen. Viele mutierte Reparaturgene wurden mit bestimmten Formen von Bauchspeicheldrüsenkrebs, Dickdarmkrebs und Dickdarmkrebs in Verbindung gebracht. Mutationen können entweder Körperzellen oder Keimzellen betreffen. Wenn sich in einer Körperzelle viele Mutationen anhäufen, können sie zu Problemen wie der bei Krebs beobachteten unkontrollierten Zellteilung führen. Findet eine Mutation in Keimzellen statt, wird die Mutation wie bei Hämophilie und Xeroderma pigmentosa an die nächste Generation weitergegeben.


Die Wiederherstellung mangelhafter DNA-Reparaturgene mildert die Genominstabilität und erhöht die Produktivität von Ovarialzellen des Chinesischen Hamsters

Ovarialzellen des Chinesischen Hamsters (CHO) sind der primäre Wirt, der für die Herstellung von therapeutischen Proteinen verwendet wird. Die Produktionsinstabilität von Zelllinien mit hohem Titer ist jedoch ein Hauptproblem und wird mit der Genominstabilität in Verbindung gebracht, da Chromosomenaberrationen die Transgenkopienzahl und den Proteintiter verringern. Wir analysierten Sequenzierungsdaten des gesamten Genoms von 11 CHO-Zelllinien und fanden schädliche Einzelnukleotidpolymorphismen (SNPs) in DNA-Reparaturgenen. Ein Vergleich mit anderen Säugerzellen bestätigte, dass die DNA-Reparatur bei CHO beeinträchtigt ist. Die Wiederherstellung wichtiger DNA-Reparaturgene durch SNP-Umkehr oder Expression intakter cDNAs verbesserte die DNA-Reparatur und die Genomstabilität. Darüber hinaus milderte die Wiederherstellung von LIG4 und XRCC6 in einer CHO-Zelllinie, die sezernierte alkalische Phosphatase exprimierte, den Transgenkopieverlust und verbesserte die Proteintiterretention. Diese Ergebnisse zeigen zum ersten Mal, dass die Korrektur wichtiger DNA-Reparaturgene zu erheblichen Verbesserungen der Stabilität und Proteinexpression in CHO führt und neue Möglichkeiten für die Entwicklung von Zelllinien und eine effizientere und nachhaltigere Produktion therapeutischer Proteine ​​bietet.

Konkurrierende Zinserklärung

Die Autoren sind als Erfinder in zwei anhängigen Patentanmeldungen der University of Delaware und der University of California aufgeführt, die sich auf die Beobachtungen in diesem Manuskript beziehen.


Die Evolutionsbiologie des Alterns, der sexuellen Fortpflanzung und der DNA-Reparatur.

Die Phänomene des Alterns und der sexuellen Fortpflanzung gehören sicherlich zu den widersprüchlichsten und rätselhaftesten weit verbreiteten Ergebnissen, die sich unter dem Einfluss der natürlichen Auslese entwickelt haben. Why should individuals of most species senesce and die when Darwinian selection seemingly would favor any genetic predisposition for greater longevity and continued reproduction? 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.

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