Corectarea erorilor de replicare

Când ADN-ul este copiat, pot apărea greșeli. Unele sunt recunoscute imediat de ADN-polimerază, care poate îndepărta un nucleotid introdus greșit. Alte nepotriviri rămase după replicare pot fi detectate de sisteme de reparare. Celulele pot corecta și leziuni produse de lumină ultravioletă, compuși chimici sau procese metabolice. Mecanismele diferă după tipul de problemă: nu există o singură „gumă de șters” universală.

Repararea scade numărul mutațiilor, dar nu le elimină pe toate. Uneori o leziune este reparată incomplet ori greșit, iar schimbarea se fixează după o nouă replicare. Defectele unor gene de reparare pot crește riscul de cancer, dar nu înseamnă că orice persoană va dezvolta sigur o tumoră. Într-o schemă, distinge eroarea de împerechere apărută la copiere de o leziune a moleculei ADN. Arată apoi cine recunoaște problema, ce segment este îndepărtat și cum este completată secvența. Lecțiile Funcțiile autocatalitică și heterocatalitică ale ADN, Mutațiile: tipuri și efecte și Oncogene și gene supresoare tumorale leagă copierea, persistența erorilor și controlul creșterii celulare.

ADN-polimeraza își verifică și își corectează propriile erori în timpul replicării. Repararea nepotrivirilor corectează erori postreplicative, iar excizia bazelor sau nucleotidelor rezolvă alte leziuni. Rupturile dublei catene pot fi reparate prin recombinare omoloagă sau prin unirea capetelor, cu grade diferite de fidelitate. Gene precum BRCA1/2 participă la repararea prin recombinare omoloagă; variantele patogene pot crește riscul unor cancere.

Sistemele de reparare recunosc leziuni sau nepotriviri de baze, îndepărtează secvența afectată și folosesc catena intactă ca matriță. De exemplu, radiațiile UV pot produce dimeri de pirimidine; repararea prin excizie a nucleotidelor îi elimină. Dacă o leziune rămâne înaintea replicării, poate deveni mutație stabilă în celulele-fiice.

Fidelitatea replicării are trei trepte. ADN-polimeraza alege nucleotidul complementar și greșește o dată la aproximativ $10^5$ nucleotide; activitatea ei exonucleazică $3^{\prime }\to 5^{\prime }$ (corectarea la citire) îndepărtează nucleotidul greșit și reduce rata de erori de aproximativ 100 de ori; sistemul de reparare a nepotrivirilor (MMR) o reduce încă de aproximativ 100 de ori. Rezultatul este o eroare la aproximativ $10^9$–$10^{10}$ nucleotide copiate. Alte sisteme repară leziuni: repararea prin excizia bazelor (BER, glicozilaza îndepărtează baza alterată), repararea prin excizia nucleotidelor (NER, elimină un segment de aproximativ 25–30 de nucleotide, de exemplu dimerii de timină produși de UV) și, pentru rupturile dublei catene, recombinarea omoloagă (necesită gene ca BRCA1 și BRCA2) și unirea capetelor, mai predispusă la erori.

Exemplu rezolvat 1: câte erori rămân după fiecare treaptă? Genomul diploid uman are $6\cdot 10^9$ perechi de baze, care se copiază la fiecare diviziune.

1. Doar polimeraza: $6\cdot 10^9\cdot 10^{-5}=6\cdot 10^4=60000$ de erori.
2. Cu corectarea la citire (de 100 de ori mai puține): $\frac{60000}{100}=600$ de erori.
3. Cu repararea nepotrivirilor (încă de 100 de ori): $\frac{600}{100}=6$ erori nereparate pe diviziune.
4. Concluzie: sistemul combinat lasă câteva erori pe celulă la fiecare replicare; acestea sunt sursa mutațiilor spontane.

Exemplu rezolvat 2: xeroderma pigmentosum. Pacienții au o mutație într-o genă a sistemului NER și nu pot îndepărta dimerii de timină formați de razele UV.

1. UV leagă covalent două timine vecine de pe aceeași catenă (dimer), ceea ce deformează dubla elice și blochează replicarea.
2. La o persoană sănătoasă, NER taie catena în jurul dimerului, îndepărtează segmentul și îl resintetizează după catena intactă, iar ADN-ligaza închide spațiul.
3. La pacient, dimerii rămân; replicarea introduce erori, iar mutațiile se acumulează în pielea expusă la soare.
4. Consecința: risc foarte mare de cancer de piele la vârste tinere, de aceea protecția strictă față de lumina solară este măsura principală de prevenție.

Stabilitate și variabilitate. Fidelitatea înaltă a replicării și mecanismele de corectare a erorilor asigură stabilitatea genetică: informația trece de la o celulă la alta aproape neschimbată, iar organismul supraviețuiește. Erorile rămase nereparate sunt rare, dar inevitabile, așa cum arată exemplul 1. Cele care apar în celulele germinale se transmit descendenților și devin sursă de variabilitate genetică, materia primă pe care acționează selecția naturală. Echilibrul dintre cele două este important: o rată mare de erori ar degrada informația, iar o rată foarte mică ar reduce variabilitatea. Mutațiile în genele sistemului de reparare a nepotrivirilor produc sindromul Lynch, o predispoziție ereditară la cancer colorectal.

Greșeli frecvente

• Greșit: Repararea ADN corectează perfect toate leziunile.
  Corect: Sistemele de reparare reduc erorile, dar nu le elimină pe toate.
• Greșit: Controlul erorilor de către polimerază este același mecanism cu repararea leziunilor UV.
  Corect: Sunt procese distincte de control al integrității ADN.
• Greșit: Defectul genelor de reparare a ADN determină obligatoriu cancerul.
  Corect: El crește riscul, dar apariția cancerului depinde de acumularea mai multor mutații în aceeași celulă.

Înainte și după