Welke mechanismen zorgen voor de nauwkeurigheid van DNA-replicatie?

Deoxyribonucleïnezuur, of DNA, bevat de genetische informatie die van generatie op generatie wordt doorgegeven. In je lichaam bevat elke cel ten minste één set van je volledige genetische complement, gehuisvest in 23 verschillende chromosomen. In feite hebben de meeste van je cellen twee sets, één van elke ouder. Voordat een cel zich kan delen, moet het zijn DNA nauwkeurig repliceren, zodat elke dochtercel volledige en correcte genetische informatie ontvangt. DNA-replicatie omvat een proefleesproces dat helpt om de nauwkeurigheid te garanderen.

DNA is een lang molecuul met een ruggengraat van afwisselende suiker- en fosfaatgroepen. Een van de vier nucleotidebasen - adenine (A), guanine (G), cytosine (C) en thymine (T) - hangt aan elke suikereenheid. De volgorde van de vier basen creëert de genetische code voor het maken van eiwitten. De nucleotiden van twee DNA-strengen binden aan elkaar om de bekende dubbele helixstructuur te vormen. De regels voor basenparen vereisen dat A alleen bindt met T en C alleen bindt met G. De cel moet tijdens de replicatie aan deze paarregels voldoen om de nauwkeurigheid te behouden en mutaties te voorkomen.

Replicatie is semi-conservatief: nieuw gerepliceerde helices bevatten een originele streng en een nieuw gesynthetiseerde. De originele streng dient als sjabloon voor het maken van de nieuwe streng. Helicase-enzymen ritsen de dubbele helixstructuur open om de twee sjabloonstrengen bloot te leggen. Het enzym DNA-polymerase is verantwoordelijk voor het lezen van elk nucleotide op een matrijsstreng en het toevoegen van de complementaire base op de langwerpige nieuwe streng. Wanneer het polymerase bijvoorbeeld een G-base op een matrijsstreng tegenkomt, voegt het aan de nieuwe streng een suikerfosfaateenheid toe die een C-base bevat.

DNA-polymerase is een opmerkelijk enzym. Niet alleen assembleert het nieuwe DNA-strengen één base tegelijk, het proeft ook de nieuwe streng terwijl het vordert. Het enzym kan een onjuiste base op de nieuwe streng detecteren, één suikereenheid terugzetten, de slechte base wegknippen, deze vervangen door de juiste base en doorgaan met het repliceren van de sjabloonstreng. Het vermogen om de verkeerde base eruit te knippen, exonuclease-activiteit genaamd, is ingebouwd in de DNA-polymerasecomplexen. Proeflezen resulteert in een nauwkeurigheid van ongeveer 99 procent.

Nauwkeurige replicatie is belangrijk genoeg dat cellen een secundair foutcorrectiemechanisme hebben ontwikkeld, DNA-mismatch-reparatie genaamd, om de fouten te herstellen die DNA-polymerase mist. De reparatiemachine detecteert mismatches door de DNA-helixstructuur te inspecteren op misvormingen. De Mut-familie van enzymen detecteert een mismatch, identificeert de nieuw gekopieerde streng, vindt een geschikte locatie om de streng te splitsen en verwijdert het gedeelte dat de mismatch bevat. DNA-polymerase hersynthetiseert vervolgens het verwijderde deel. In tegenstelling tot de enkelvoudige basereparatie die DNA-polymerase uitvoert tijdens het proeflezen, kan het mismatch-reparatiemechanisme duizenden basen vervangen om één reparatie uit te voeren.