DNA:n korjauksen ja mutageneesin indusoituva SOS-vastejärjestelmä Escherichia coli -bakteerissa

PDF

Int J Biol Sci 2008; 4(6):338-344. doi:10.7150/ijbs.4.338

Katsaus

Celina Janion

Institute of Biochemistry and Biophysics, Polish Academy of Sciences, Pawinskiego 5a, 02-106 Warszawa, Puola

Kromosomaalinen DNA altistuu jatkuville vaurioille ja korjauksille. Soluissa on useita proteiineja ja erityisiä DNA:n korjausjärjestelmiä, jotka auttavat ylläpitämään sen oikeaa rakennetta. SOS-vaste oli ensimmäinen Escherichia coli -bakteerissa kuvattu DNA:n korjausjärjestelmä, joka indusoituu, kun bakteereita käsitellään DNA:ta vahingoittavilla aineilla, jotka pysäyttävät DNA:n replikaation ja solun jakautumisen. SOS-vasteen induktioon osallistuu yli neljäkymmentä itsenäistä SOS-geeniä, joista useimmat koodaavat proteiineja, jotka osallistuvat DNA:n suojaamiseen, korjaamiseen, replikaatioon, mutageneesiin ja aineenvaihduntaan. Normaaleissa kasvuolosuhteissa SOS-geenit ilmentyvät perustasolla, joka kasvaa selvästi SOS-vasteen indusoituessa. SOS-vastetta on havaittu monissa bakteerilajeissa (esim. Salmonella typhimurium, Caulobacter crescentus, Mycobacterium tuberculosis), mutta ei eukaryoottisoluissa. Kaikkien valtakuntien lajeissa on kuitenkin joitakin DNA:n korjaukseen osallistuvia SOS:n kaltaisia proteiineja, joilla on aminohappohomologiaa ja entsymaattisia aktiviteetteja, jotka ovat samankaltaisia kuin E. coli -bakteerissa, mutta jotka eivät ole järjestäytyneet SOS-järjestelmään. Tässä artikkelissa esitetään lyhyt ajantasainen katsaus, jossa kuvataan SOS-järjestelmän löytymistä, SOS-induktion fysiologiaa, sen määritysmenetelmiä ja joidenkin SOS-indusoitujen geenien roolia.

Avainsanat: SOS-vaste, DNA:n korjaus, DNA-mutaatiot, virhealtis korjaus, mutageeniset DNA-polymeraasit

Historiallinen yleiskatsaus

Kun huomattiin, että geenit koostuvat DNA:sta (Oswald T. Avery, 1940), DNA:n kemiallisten ominaisuuksien selvittämiseksi suoritettiin lukuisia kokeita, enimmäkseen käsittelemällä bakteereja ja bakteriofageja erilaisilla aineilla ja kemikaaleilla, kuten UV-valolla, mitomysiini C:llä (MC:llä) jne. Tämän seurauksena saatiin kasvava luettelo bakteerimutanteista, joilla oli uusia ja epätavallisia ominaisuuksia, ja niiden ominaisuudet määritettiin myöhemmin.

SOS-vasteen hypoteesi kehitettiin seuraavien tietojen perusteella: (i) Jean Weiglen vuonna l953 tekemä havainto siitä, että UV-säteilytetyn faagi λ:n reaktivoituminen lisääntyi huomattavasti, kun säteilytetyt faagit istutettiin aiemmin säteilytettyihin E. coli -isäntäsoluihin. Tätä ilmiötä kutsuttiin myöhemmin W- tai Weigle-reaktivoinniksi ; ii) profaagi λ:n indusoituminen ja bakteerien lyysi (muutos lysogeenisestä kehityksestä lyyyttiseen kehitykseen), kun E. coli -bakteerien lysogeeneja säteilytettiin UV-säteilyllä , ja iii) E. coli B-solujen filamenttisen kasvun havaitseminen UV-säteilyn seurauksena, mikä viittaa yhteyteen solunjakautumisen pysäyttämisen, λ- profaagin indusoitumisen mekanismien ja UV-säteilyn aikaansaaman mutaation välillä. . Nämä tiedot saivat Miroslav Radmanin päättelemään, että E. coli -bakteerissa on olemassa LexA- ja RecA-proteiineista riippuvainen DNA:n korjausjärjestelmä, joka indusoituu, kun DNA vaurioituu vakavasti ja sen synteesi pysähtyy, ja tämän järjestelmän induktio on yhteydessä mutaatioiden induktioon. Radman nimesi sen ”SOS-korjaukseksi” ja ”SOS-replikaatioksi” kansainvälisen lennättimen (tai optisen) hätäsignaalin ”SOS” mukaan, joka on kirjoitettu Morseaakkosin (kolme pistettä, kolme viivaa, kolme pistettä).

Miroslav Radmanin SOS-hypoteesi esitettiin alun perin julkaisemattomassa kirjeessä, joka lähetettiin lukuisille tutkijoille vuonna l970 ja joka sittemmin julkaistiin vasta vuonna1974 . Evelyn Witkin esitti jo aiemmin hypoteesin, että säikeiden muodostumisella ja profaagien induktiolla säteilytetyissä E. coli B-soluissa voisi olla samankaltainen mekanismi. Radmanin alkuperäinen kirje ja Witkinin varhainen artikkeli, joita pidetään perustana SOS-vasteilmiön löytämiselle, julkaistiin äskettäin uudelleen Bryn A. Bridgesin artikkelissa . Tämän suuntainen jatkotyö vahvisti ja kehitti tätä hypoteesia. E. coli -bakteerissa kuvattua SOS-vastetta jossakin suhteessa muistuttavien järjestelmien havaittiin myöhemmin toimivan myös eukaryoottisoluissa, mutta bakteeri- ja eukaryoottivasteet eroavat itse asiassa huomattavasti toisistaan.

SOS-induktion mekanismi: RecA*-koproteaasin ja LexA-repressoriproteiinin rooli

RecA- ja LexA-geenien tunnistettiin ensimmäisenä osallistuvan SOS-induktioon. Näiden geenien mutaatiot tekevät soluista erittäin herkkiä UV-säteilylle. 27 kDa:n LexA- ja 36 kDa:n RecA-proteiinit tunnettiin aiemmin rekombinaatioproteiineina, jotka toimivat bakteerien sukupuolielämässä ja geenivaihdossa . Nykyään tiedetään, että RecA-proteiini osallistuu myös geneettiseen DNA:n vaihtoon, recF-, recO-, recR-, recN- ja ruvABC-riippuvaiseen rekombinaationaaliseen DNA:n korjaukseen ja että sillä on yhdessä LexA-proteiinin kanssa merkittävä rooli SOS-vasteen säätelyssä. SOS-indusoitujen geenien alas- ja ylössäätely on pohjimmiltaan kahden proteiinin, LexA-repressorin ja RecA*:n, vuorovaikutusta, jossa LexA on transkriptionaalinen repressoriproteiini ja RecA* on koproteaasi, joka auttaa LexA:n autokatalyyttistä itseselvittelyä .

Agentteja, jotka kykenevät indusoimaan SOS-vastejärjestelmän, ovat mm, UV-säteily, MC, metyylimetaanisulfonaatti (MMS) ja monet muut kemikaalit, jotka häiritsevät DNA:ta, pysäyttävät DNA-synteesin ja solunjakautumisen ja johtavat yksisäikeisen (ss) DNA:n kertymiseen. RecA-proteiinin määrä bakteerisoluissa (kuten UvrD-eliksaasi II:nkin) on hyvin korkea. RecA-proteiinilla on voimakas taipumus muodostaa nukleoproteiinifilamentteja ssDNA:n päälle ja paljon heikompi taipumus rikkinäisen, kaksisäikeisen (ds) DNA:n kanssa . Tämä luultavasti suojaa DNA:ta tuhoutumiselta, ja sitä tarvitaan RecA:n toiminnan kaikilla osa-alueilla. RecA:n kokoaminen ssDNA:han tapahtuu 5′-3′-suunnassa suhteessa 1 molekyyli RecA:ta kolmea DNA-emästä kohti, ja se vaatii dATP:tä tai ATP:tä, mutta ei ATP-aseaktiivisuutta. Purkaminen sitä vastoin vaatii ATP:n hydrolyysin ADP:ksi ja etenee paljon hitaammin kuin kokoaminen. ssDNA:lle koottu RecA saa koproaasiaktiivisuuden, RecA*, joka helpottaa LexA-proteiinin itsestään tapahtuvaa pilkkoutumista, mikä johtaa SOS-säädeltyjen geenien derepressioon. LexA-proteiinilla on heikko itsestään tapahtuva pilkkoutumisaktiivisuus, mutta sen pilkkoutuminen ja SOS-geenien derepressio tapahtuvat vain RecA*-koproteaasin läsnä ollessa.

Kullakin SOS-indusoituvalla vaurio-indusoituvalla (din) tai sos-geenillä on promoottorinsa/operaattoripaikkansa lähellä spesifinen 20 nukleotidin pituinen ”SOS-box” (myös LexA-box), johon LexA-repressoriproteiini sitoutuu estäen RNA-polymeraasin sitoutumisen ja geenin ilmentymisen . SOS-boksilla on palindrominen rakenne, mikä viittaa siihen, että LexA-repressori sitoutuu dimeerinä, kuten myöhemmin vahvistettiin . RecA*-koproteaasin tehtävänä SOS-indusoiduissa soluissa on siis: 1. avustaa LexA-proteiinin (202 aminohappoa) pilkkoutumisessa Ala84-Gly85-kohdassa, mikä aiheuttaa SOS-geenien purkautumisen ; 2. estää SOS-geenien purkautumisen; 3. auttaa SOS-geenien purkautumisen estossa, mikä aiheuttaa SOS-geenien purkautumisen. pilkkoa λ-lambda-faagin CI-repressoria, joka muuttaa faagin lysogeenisestä muodosta lyyyttiseen muotoon ; 3. prosessoida UmuD → UmuD’ nikkaroimalla UmuD:tä Cys24-Gly25-kohdassa, mikä on edellytys SOS-indusoidun mutageenisen DNA-polymeraasi V:n (Pol V) kokoonpanolle, joka koostuu UmuD’2C:stä. Pol V:n synteesin nopeutta rajoittava vaihe on UmuD→ UmuD’ -prosessointi, joka tapahtuu paljon hitaammin kuin LexA:n itsestään tapahtuva pilkkoutuminen. Pol V:n rooli mutageneesissä on translesionisynteesi (TLS) templaatti-DNA:n vaurion yli, mikä mahdollistaa DNA:n replikaation, usein mutaatioihin johtavan uskollisuuden kustannuksella. Kaikki nämä proteiinit, λ-faagin CI-repressori ja LexA-repressori, UmuD, PolB/DinA (Pol II) ja DinB (Pol IV) -proteiinit ovat homologisia karboksiterminaalisten domeeniensa osalta, ja kaikkia koodaavat SOS-vasteen säätelemät din (sos) -geenit.

SOS-vasteen indusoituminen etenee 45-60 minuuttiin asti siitä, kun bakteereita on käsitelty SOS:ää indusoivilla aineilla, minkä jälkeen indusoituminen pysähtyy äkillisesti. Tässä ajassa suurin osa vaurioista on korjattu. Yksittäisten din-geenien derepression ajoitus riippuu LexA-repressorin sitoutumisen voimakkuudesta SOS-laatikkoon ja siitä, miten helposti LexA-repressori irtoaa tietystä SOS-laatikosta.

3.1. Din::lacZ-muodostelmalla ja β-galaktosidaasimäärityksellä

SOS-vastetta tutkittiin aiemmin testaamalla din-geenien ilmentymisen lisääntymistä joko luonnollisista geeneistä tai käyttämällä reportterigeenikonstruktiota esim. fuusioimalla oletettu din-promoottori promoottorin ja β-galaktosidaasia koodaavan promoottorittoman lacZ-geenin kanssa. Graham Walker ja työtoverit käyttivät ensimmäisenä tähän tehtävään Casadabanin ja Cohenin konstruoimaa viallista faagia, Mu1d(Ap,lacZ) , joka asettuu helposti satunnaisesti E. coli K12:n kromosomiin ja aiheuttaa mutaation. Tässä faagissa on promoottoriton lacZ-geeni, joten β-galaktosidaasi ei ilmentyisi. Kun Mu-faagi kuitenkin sattumalta integroituu din-geenin promoottorin alle muodostaen toimivan din::Mu-1d(Ap,lacZ)-operonin, β-galaktosidaasi syntetisoituu vastauksena DNA-vaurioon.

Koska β-galaktosidaasin substraatin (o-nitrofenyyli-β-galaktosidi) hydrolyysi muodostaa keltaisia pesäkkeitä, din::Mu-lacZ-fuusiota kantavat pesäkkeet ovat helposti valittavissa agar-levyillä; DNA-vaurion seurauksena ilmentyvän β-galaktosidaasin tarkka määrä voidaan sen jälkeen mitata tarkasti nestemäisessä väliaineessa (ks. kuva 1). lisätietoja). Tällä tavoin havaittiin yli kymmenen uutta din-geeniä ja useimmat niistä tunnistettiin myöhemmin.

Viime aikoina on kehitetty uusi menetelmä, jolla voidaan mitata SOS-geenien ilmentymistä ja promoottoriaktiivisuutta (esim, recA, lexA, umuDC) käyttämällä plasmidia, jossa on tutkittava SOS-promoottori fuusioituna reportterigeeniin gfp, joka koodaa vihreää fluoresoivaa proteiinia (GFP) . Näin voidaan mitata SOS-geenien promoottoriaktiivisuutta yksittäisessä bakteerisolussa sekä SOS-induktion paikallisuutta ja kestoa. Näyttää siltä, että SOS-geenien induktio ei tapahdu yksittäisenä tapahtumana, vaan se etenee useissa toistettavissa olevissa vaiheissa, joiden modulaatio riippuu SOS-indusoivasta annoksesta, DNA:n vaurioitumisasteesta ja UmuD’-proteiinin kertymisestä. Tämä menetelmä avaa uuden tavan mitata SOS-vasteen dynamiikkaa.

3.2. Etsimällä SOS-laatikoita: Heterologiaindeksin (HI)

Heterologiaindeksin (HI) määrittäminen

DNA:n sekvensoinnin kehittyminen ja SOS-geenisekvenssien tyypillisten elementtien tunteminen mahdollistivat SOS-indusoituvien geenien suoran laskennallisen etsinnän. Kun 33 % E. colin kromosomaalisesta DNA:sta oli sekvensoitu, Lewis et al. paikansivat sekvenssianalyysin ja kvantitatiivisten DNA-sidontakokeiden avulla kuusi uutta, mahdollisesti LexA-reguloitua geeniä ja nimesivät ne sosA-F:ksi. Kahden näistä, sosC:n ja sosD:n, osalta kirjoittajat vahvistivat kokeellisesti, että ne sitoivat voimakkaasti puhdistettua LexA-repressoria.

Vertailemalla 19:n tuolloin tunnetun din-geenin (mukaan lukien sosA-sosF) SOS-boksin sekvenssejä he totesivat, että SOS-boksin konsensussekvenssi on täydellinen palindromi TACTG(TA)5CAGTA ; ja Bergin ja von Hippelin teorian perusteella he laskivat matemaattisesti kullekin SOS-boksille heterologiaindeksin (HI). Tämä indeksi osoittaa SOS-laatikon poikkeaman konsensuksesta, ja kun sen arvo on alhainen, geeni on tiukasti tukahdutettu ja kun sen arvo on korkea, se on helpommin tukahdutettu. Jos HI-arvo on yli 15, LexA-repressori ei sitoudu SOS-boksiin. Näin ollen HI-arvo mittaa LexA-repressorin sitoutumisen suhteellista voimakkuutta tiettyyn SOS-laatikkoon, ja se on vastuussa derepressiopotentiaalin vaihtelusta.

Kun koko E. coli K12 -kromosomin DNA-sekvenssi on määritetty, Fernandez de Henestrosa et al. paikallistivat etsimällä avoimiin lukukehyksiin liittyviä potentiaalisia SOS-laatikoita 69 potentiaalista SOS-laatikkoa, joiden HI-arvo on ≤ 15. Mukana oli kaikki aiemmin tunnetut ja seitsemän uutta. Uusista geeneistä analysoitiin sen jälkeen niiden kyky ilmentyä MC-käsittelyn yhteydessä, ilmentyneen mRNA:n pituus ja HI-arvot (kuva 2). Analyysit tehtiin kolmessa isogeenisessä E. coli -kannassa, jotka erosivat toisistaan lexA-alleelin suhteen: lexA+(villityyppi) SOS-indusoituva, SOS-indusoitumaton lexA3(Ind-) ja konstitutiivisesti ilmentyvä lexA51(Def)-alleeli. Uusien ja vanhojen geenien mahdollisia toimintoja karakterisoitiin edelleen; ja niistä keskusteltiin. Tulokset vahvistivat, että kukin uusista SOS-laatikkoa sisältävistä geeneistä oli todellakin LexA-riippuvainen geeni, ja sen ilmentyminen indusoitui MC:n vaikutuksesta vain lexA+-kannassa; muutoin ne eivät ilmentyneet (lexA3) tai ilmentyivät täydellisesti (lexA51) riippumatta siitä, käsiteltiinkö bakteereja MC:llä vai ei (ks. tarkemmin kuva 2).

YdjQ-geenin (vaihtoehtoiset nimet b1741 sosD) nukleotidisekvenssistä päätellään, että se koodaa 295 aminohapon pituista proteiinia, jolla on merkittävää homologiaa UvrC-proteiinin N -terminaalipuoliskon kanssa . UvrABC-sinukleaasin (joka koostuu UvrA-, UvrB- ja UvrC-proteiineista) tiedettiin osallistuvan nukleotidien erkautumiskorjaukseen (NER), joka poistaa suurikokoisia addukteja tai rakenteeseen vaikuttavia vaurioita (esim. pyrimidiinidimeerejä, pyrimidiini(6-4)-fototuotteita ja abasisia kohtia) muunnetusta DNA:sta . Tiedettiin myös, että UvrC:n N-osa viiltää ssDNA:ta aluksi vaurion 3′-puolella ja sitten UvrC:n C-osa viiltää DNA:ta vaurion 5′-puolella. Äskettäin Moolenaar et al. nimesivät YdjQ-proteiinin uudelleen nimellä Cho (UvrC-homologin mukaan) ja tutkivat sen entsymaattista aktiivisuutta. He vahvistivat, että Cho-proteiini viiltää UvrB-DNA-esiintymäkomplekseja vain vaurion 3′-puolella; Cho-proteiini viiltää kuitenkin erittäin tehokkaasti joitakin DNA:n vaurioita, joita UvrC-proteiini viiltää hyvin huonosti. Cho-proteiini lisää siis huomattavasti substraattivalikoimaa NER-järjestelmän suorittamassa DNA:n korjauksessa. Geenit uvrA, uvrB ja ydjQ (mutta ei uvrC) ovat SOS-indusoituja geenejä.

3.3. JOHDANTO (Klikkaa kuvaa suurentaaksesi.)

. Din geenien lokalisointi mikrosirutekniikoilla

Mikrosirutekniikan avulla voidaan seurata suurta määrää geenejä yhdessä kokeessa. Courcelle et al. käyttivät mikrosiruja, jotka sisälsivät monistettuja E coli DNA:n kromosomifragmentteja, joissa oli avoimet lukukehykset 4101 geenistä (95,5 % kokonaismäärästä), mitatakseen kaikkien geenien ilmentymistä UV-säteilytetyissä ja säteilyttämättömissä SOS-indusoituvissa (lexA+) ja ei-indusoituvissa lexA1(Ind-) -kannoissa. Kirjoittajat tunnistivat UV-säteilytetyssä lexA+-kannassa 17 uutta lexA-riippuvaista SOS-indusoitua geeniä aiemmin tunnettujen 26:n lisäksi, joten SOS-indusoituvien geenien kokonaismäärä E. colissa on todennäköisesti 43. Samassa julkaisussa kirjoittajat totesivat, että ssDNA:ta sitovaa proteiinia koodaava ssb-geeni ei ole SOS-indusoituva, kuten aiemmin on luultu. He havaitsivat myös useita geenejä, joiden ilmentyminen lisääntyi (yleensä enintään kaksinkertaiseksi) UV-säteilytetyissä soluissa, mutta joita LexA-proteiini ei säätele. He havaitsivat, että monien LexA:n säätelemättömien geenien proteiinien transkriptiot vähenivät UV-säteilyn jälkeen, ja päättelivät, että UV-säteily todennäköisesti joko vahingoitti tai hajotti näitä transkriptejä. He tunnistivat myös kolmekymmentä geeniä, joilla oli potentiaalisia SOS-laatikon kaltaisia rakenteita, mutta jotka eivät olleet LexA:n säätelemiä.

Mekanismi ja spesifisyys, jolla LexA-repressori sitoutuu SOS-laatikoihin

Sen uskotaan, että kaikkien potentiaalisten SOS-laatikoiden sekvenssit E. coli -kromosomissa on tunnistettu. Taulukossa 1 esitetään joitakin esimerkkejä SOS-laatikoista, jotka sitovat (A) tai eivät sitoudu (B ja C) LexA-repressoriin, sekä HI-arvot ja mismatchien (NM) määrä. NM tarkoittaa täydellisestä palindromista poikkeavien SOS-laatikoiden paikkojen lukumäärää. Sekä yhteensopimattomuuksien määrä että malli voivat olla avainasemassa LexA-proteiinin sitoutumisen spesifisyydessä kuhunkin yksittäiseen SOS-laatikkoon. Vaikuttaa siltä, että tämä hypoteesi on hyvä selitys LexA-proteiinin sitoutumisen spesifisyydelle ja erilaiselle voimakkuudelle SOS-laatikoiden sekvensseihin. Tämä olisi kuitenkin vahvistettava.

Voidaan nähdä, että yleisesti ottaen, kun SOS-ruutujen HI-arvot ovat alhaiset, välillä 2,7-12, ne voivat sitoa LexA-repressoria (taulukko 1A); ja kun HI-arvo on yli 16,4 (taulukko 1B), ne eivät ilmeisesti pysty sitomaan LexA-repressoria. Joissakin tapauksissa (esitetty osassa C), kuten yigN- (vaihtoehtoinen nimi sosB) ja dinJ- (sosA) geeneissä, SOS-laatikot eivät kuitenkaan sitoudu LexA-repressoriin huolimatta niiden kohtalaisista HI-arvoista (9,27 ja 7,06).

Joidenkin SOS-indusoitujen geenien ominaispiirteet

SOS-vastausgeenejä on hajallaan E. coli -kromosomissa yksittäisinä geeneinä, jotka sijaitsevat yksittäisissä operoneissa. Kuusi niistä, umuDC (Pol V:n lähde), ruvAB (katalysoi haarojen siirtymistä Holliday-rakenteissa) ja ysdAB (jolla on tuntematon funktio) koodataan operonin muodostavien geeniparien avulla. Yleensä yhdessä operonissa on vain yksi SOS-box. Poikkeuksia ovat lexA- ja ydjM-geenit (b1728), joissa kummassakin on kaksi SOS-laatikkoa (yhden ja kahden emäksen päässä toisistaan), sekä recN, jossa on kolme SOS-laatikkoa. Yhdessä geenissä olevien SOS-laatikoiden sekvenssit ovat erilaisia . YdjM:n tapauksessa kaksi dimeeristä LexA-repressoria sitoutuu yhteistoiminnallisesti kuhunkin SOS-laatikkoon, ja arviolta molemmat ovat toiminnallisia . Yhden geenin SOS-laatikoiden sekvenssit eroavat toisistaan 2-4 emästä. Miten ja miksi ylimääräiset SOS-boksit geeneissä syntyvät ja miten ne vaikuttavat geenin ilmentymispotentiaaliin, ovat kysymyksiä, joihin on vielä saatava vastaus.

SOS-indusoitujen geenien derepressioon tarvittava aika

Geenin derepressioon ja SOS-indusoitujen proteiinien synteesiin tarvittava aika-asteikko vaihtelee yksittäisissä geeneissä. Nopeimmin derepressoituneita geenejä (<1 min SOS-induktion jälkeen) ovat: LexA-repressoriproteiinia koodaava LexA (hajoaa nopeasti SOS-indusoituneissa soluissa), NER-korjaukseen osallistuvat uvrAB, cho ja uvrD, DNA:n rekombinaatiokorjaukseen osallistuva ruvAB, Pol II:ta koodaava PolB ja Pol IV:tä koodaava dinB sekä dinI, jonka tuote estää UmuD:n prosessoinnin UmuD’:ksi. UmuD’-proteiini on välttämätön mutageenisen Pol V:n (UmuD’2C) synteesille. Siksi DinI-proteiini hidastaa Pol V:n synteesiä. Rekombinaatio- ja rekombinaatiokorjausproteiineja koodaavien recA- ja recN-geenien ilmentyminen tapahtuu 5 minuutin kuluttua SOS-induktiosta, kun taas sulA:n (vanha nimi sfiA) ja umuDC:n ilmentyminen tapahtuu SOS-induktion myöhäisimmässä vaiheessa . SulA-proteiini on solunjakautumisen estäjä, joka aiheuttaa solujen filamenttikasvua ja pidentää aikaa, jonka aikana solun DNA:ta voidaan korjata.

Proteiineja koodaavien din-geenien kopioluvut

RecA ja UvrD kuuluvat runsaimmin syntetisoituihin proteiineihin. Niiden lukumäärät konstitutiivisella tasolla ovat vastaavasti noin 10 000 ja 8 000 kopiota solua kohti, ja ne kymmenkertaistuvat SOS-induktion jälkeen . RecA-proteiini sitoutuu ssDNA:han ja todennäköisesti suojaa sitä hallitsemattomalta tuhoutumiselta. UvrD, DNA-eliksaasi II, osallistuu dam-ohjeistettuun mutHLS-riippuvaiseen mismatch-korjaukseen (MMR) ja osallistuu UvrABC- ja Cho-riippuvaiseen (NER) korjaukseen syrjäyttämällä vaurioita sisältävän ssDNA:n korjatusta DNA-juosteesta . Indusoimattomissa vs. SOS-indusoiduissa soluissa syntetisoitujen proteiinimolekyylien määrät ovat seuraavat: 20:250 UvrA:lle, 250:1000 UvrB:lle, 40:300 DNA Pol II:lle ja 250:2500 DNA Pol IV:lle (11, 34). UmuD-proteiinia ilmentyy, 180 molekyyliä indusoimatonta solua kohti ja 2400 molekyyliä puuttuvaa toiminnallista LexA-repressorisolua kohti; UmuC-molekyylejä on 200 molekyyliä SOS-indusoitua solua kohti eikä Pol V:tä (< 15 molekyyliä) indusoimattomassa solussa .

Mutageeniset SOS-indusoidut DNA-polymeraasit

E. coli -bakteerissa konstitutiivisesti syntetisoituvan, DNA:ta replikoivan Pol III:n lisäksi on kolme potentiaalisesti mutageenista DNA-polymeraasia, joiden synteesi on lisääntynyt (Pol II ja Pol IV) tai joita esiintyy vain SOS-indusoiduissa soluissa (Pol V). Näistä Pol II on ainoa DNA-polymeraasi, jolla on 3′-5′-eksonukleaasin oikolukuaktiivisuus, ja se on vähiten virhealtis; sen tehtäviin kuuluu myös hajonneen DNA:n palauttaminen replikaatiohaarukoissa. Sekä pol II että pol IV esiintyvät SOS-induktion alkuvaiheessa ja pol V sen loppuvaiheessa . Pol V on virhealttein entsyymi ja tärkein SOS-indusoitujen solujen mutageenisuuden kannalta.

E. coli -bakteerilla, jolla on umuD(C)-defekti, ei indusoida lähes lainkaan mutaatioita UV-säteilytyksen jälkeen, ja MMS-käsittelyn aiheuttamat mutaatiot vähenevät huomattavasti . Tärkeimmät DNA:han UV-säteilytyksen jälkeen muodostuvat mutageeniset vauriot ovat TT-cis-syn-syklobutaanidimeerit ja CT- tai TT-(6-4)-fototuotteet , kun taas MMS-käsittelyn jälkeen todettiin vallitsevasti 3-metyyliadeniinia (3meA), apuriinikohtia sekä 1meA:ta ja 3meC:tä (alkB-mutanttien soluissa). Sekä UV että MMS, kuten monet muutkin mutageenit, ovat SOS-induktoreita, ja vaikka vahingolliset vauriot ovat erilaisia, SOS-indusoivan signaalin on oltava yhteinen; yleisesti hyväksytään, että SOS-indusoivia signaaleja ovat RecA/ssDNA-filamentit, jotka muodostuvat soluihin kertyvästä ssDNA:sta, kun DNA-synteesi on pysähtynyt. Jotkin premutageeniset vauriot vaativat mutageenisia DNA-polymeraaseja johtaakseen mutaatioihin, kun taas toiset eivät. Kuitenkin se, mitä SOS:n indusoimaa, mutageenista DNA-polymeraasia tarvitaan, riippuu vaurion tyypistä.

Johtopäätös

Hypoteesi SOS-vasteesta oli hämmästyttävä, hedelmällinen ja innostava. Keräsimme paljon tietoa DNA:n aineenvaihdunnasta, SOS-indusoitujen geenien ilmentymisestä ja niiden toiminnoista. Silti uusia ideoita on vielä tulossa.

Kiitokset

Olen hyvin kiitollinen professori Graham C.Walkerille, Roger Woodgatelle ja Blackwell Science -kustantamolle uusintapainatusluvista.

Erityisintressien ristiriita

Kirjoittaja on ilmoittanut, että eturistiriitoja ei ole.

1. Weigle JJ. Mutaation indusoiminen bakteeriviruksessa. Proc Natl Acad Sci U S A. 1953;39(7):628-636

2. Proc Natl Acad Sci U S A. 1953;39(7):628-636

. Radman M. Indusoituvan mutageenisen DNA:n korjausreitin fenomenologia Escherichia colissa: SOS-korjaushypoteesi. In: (toim.) Sherman S, Miller M, Lawrence C, Tabor WH. Molecular and Environmental aspects of mutagenesis. Springfield IL: Charles C Thomas publisher. 1974:128-142

3. Borek E, Ryan A. The transfer of irradiation-elicited induction in a lysogenic organism. Proc Natl Acad Sci U S A. 1958;44(5):374-347

4. Hertman I, Luria SE. Transduktiotutkimukset rec+-geenin roolista profaagilambdan ultravioletti-induktiossa. J Mol Biol. 1967;23(2):117-133

5. Mm. Defais M, Fauquet P, Radman M, Errera M. Lambdan ultraviolettireaktivointi ja ultraviolettimutageenit eri geenijärjestelmissä. Virology. 1971;43(2):495-503

6. Craig R. Nukleosiditrifosfaatin ja polynukleotidin toiminta Escherichia coli recA-proteiinin ohjaamassa faagin lambda-repressorin pilkkomisessa. J Biol Chem. 1981;256(15):8039-8044

7. Witkin EM. Ultraviolettisäteilyn aiheuttama mutaatio ja DNA:n korjaus. Annu Rev Microbiol. 1969;23:487-514

8. Bridges BA. Virhealtis DNA:n korjaus ja translesioninen DNA-synteesi II: Indusoituva SOS-hypoteesi. DNA Repair (Amst). 2005;4(6):725-739

9. Eller MS, Asarch A, Gilchrest BA. Photoprotection in human skin-A multifaceted SOS response. Phtochem & Photobiol. 2008;84:339-349

10. Clark AJ, Margulies AD. Escherichia coli K12:n rekombinaatiopuutteisten mutanttien eristäminen ja karakterisointi. Proc Natl Acad Sci U S A. 1965;53:451-459

11. Proc Natl Acad Sci U S A. 1965;53:451-459

. Kuzminov A. DNA-vaurioiden rekombinaatiokorjaus Escherichia colissa ja bakteriofagi lambdassa. Microbiol Mol Biol Rev. 1999;63(4):751-813

12. Microbiol Mol Biol Rev. 1999;63(4):751-813

. Horii T, Ogawa T, Nakatani T, Hase T, Matsubara H, Ogawa H. SOS-toimintojen säätely: E. coli LexA-proteiinin puhdistaminen ja sen RecA-proteiinin pilkkoman spesifisen paikan määrittäminen. Cell. 1981;27(3 Pt 2):515-522

13. Little JW, Mount DW. Escherichia colin SOS-säätelyjärjestelmä. Cell. 1982;29(1):11-22

14. Walker GC. Mutageneesi ja indusoituvat vasteet deoksiribonukleiinihappovaurioille Escherichia colissa. Microbiol Rev. 1984;48(1):60-93

15. Microbiol Rev. 1984;48(1):60-93

. Arenson TA, Tsodikov OV, Cox MM. Kvantitatiivinen analyysi RecA-filamenttien ssDNA:sta tapahtuvan päätyriippuvaisen purkautumisen kinetiikasta. J Mol Biol. 1999;288(3):391-401

16. J Mol Biol. 1999;288(3):391-401

. Schlacher K, Pham P, Cox MM, Goodman MF. DNA-polymeraasi V:n ja RecA-proteiinin roolit SOS-vaurion aiheuttamassa mutaatiossa. Chem Rev. 2006;106(2):406-419

17. Chem Rev. 2006;106(2):406-419

. Lewis LK, Harlow GR, Gregg-Jolly LA, Mount DW. Korkean affiniteetin sitoutumiskohtien tunnistaminen LexA:lle, jotka määrittelevät uusia DNA-vaurion indusoimia geenejä Escherichia colissa. J Mol Biol. 1994;241(4):507-523

18. J Mol Biol. 1994;241(4):507-523

. Thliveris AT, Little JW, Mount DW. E coli recA -geenin repressio vaatii vähintään kaksi LexA-proteiinimonomeeria. Biochimie. 1991;73(4):449-456

19. Burckhardt SE, Woodgate R, Scheuermann RH, Echols H. Escherichia coli -bakteerin UmuD-mutageeniproteiini: ylituotanto, puhdistus ja RecA:n pilkkominen. Proc Natl Acad Sci U S A. 1988;85(6):1811-1815

20. Proc Natl Acad Sci U S A. 1988;85(6):1811-1815

. Shinagawa H, Iwasaki H, Kato T, Nakata A. RecA-proteiinista riippuvainen UmuD-proteiinin pilkkominen ja SOS-mutageneesi. Proc Natl Acad Sci USA. 1988;85(6):1806-1810

21. Tang M, Shen X, Frank EG, O’Donnell M, Woodgate R, Goodman MF. UmuD'(2)C on virhealtis DNA-polymeraasi, Escherichia coli pol V. Proc Natl Acad Sci U S A. 1999;96(16):8919-8924

22. Proc Natl Acad Sci U S A. 1999;96(16):8919-8924

. Kenyon CJ, Walker GC. DNA:ta vahingoittavat aineet stimuloivat geeniekspressiota tietyissä lokuksissa Escherichia coli -bakteerissa. Proc Natl Acad Sci U S A. 1980;77(5):2819-2823

23. Casadaban MJ, Cohen SN. Laktoosigeenit fuusioituna eksogeenisiin promoottoreihin yhdessä vaiheessa Mu-lac-bakteriofagin avulla: in vivo koetin transkriptionaalisten kontrollisekvenssien löytämiseksi. Proc Natl Acad Sci U S A. 1979;76(9):4530-4533

24. Proc Natl Acad Sci U S A. 1979;76(9):4530-4533

. Bonner CA, Hays S, McEntee K, Goodman MF. DNA-polymeraasi II:ta koodaa Escherichia colin DNA-vaurioon indusoituva dinA-geeni. Proc Natl Acad Sci USA. 1990;87:7663-7667

25. Wagner J, Gruz P, Kim SR, Yamada M, Matsui K, Fuchs RPP, Nohmi T. DinB-geeni koodaa uutta E. coli DNA-polymeraasia, DNA pol IV, joka osallistuu mutageneesiin. Mol Cell. 1999;4(2):281-286

26. Friedman N, Vardi S, Ronen S, Alin M, Stavans J. Tarkka ajallinen modulaatio SOS DNA:n korjausverkoston vasteessa yksittäisissä bakteereissa. PLoS Biol. 2005;3(7):e238

27. PLoS Biol. 2005;3(7):e238

. Krishna S, Maslov S, Sneppen K. UV:n aiheuttama mutageneesi Escherichia colin SOS-vasteessa: kvantitatiivinen malli. PLoS Comput Biol. 2007;3(3):e41

28. PLoS Comput Biol. 2007;3(3):e41

. Fernandez de Henestrosa AR, Ogi T, Aoyagi S, Chafin D, Hayes JJ, Ohmori H, Woodgate R. Identification of additional genes belonging to the LexA regulon in Escherichia coli. Mol Microbiol. 2000;35(6):1560-1572

29. Selby CP, Sancar A. Transkriptio-korjauskytkennän ja mutaatiotaajuuden vähenemisen mekanismit. Microbiol Rev. 1994;58(3):317-29

30. Microbiol Rev. 1994;58(3):317-29

. Moolenaar GF, van Rossum-Fikkert S, van Kesteren M, Goosen N. Cho, toinen endonukleaasi, joka osallistuu Escherichia coli -bakteerin nukleotidien eksisiokorjaukseen. Proc Natl Acad Sci U S A. 2002;99(3):1467-1472

31. Proc Natl Acad Sci U S A. 2002;99(3):1467-1472

. Courcelle J, Khodursky A, Peter B, Brown PO, Hanawalt PC. Vertailevat geeniekspressioprofiilit UV-altistuksen jälkeen villityyppisessä ja SOS-puutteellisessa Escherichia coli -bakteerissa. Genetics. 2001;158(1):41-64

32. Yasuda T, Morimatsu K, Horii T, Nagata T, Ohmori H. Inhibition of Escherichia coli RecA coprotease by Din I. EMBO J. 1998;17(11):3207-3216

33. Escherichia coli RecA coprotease by Din I. EMBO J. 1998;17(11):3207-3216

. Cooper DL, Lahue R.S, Modrich P. Mismatch repair in replication fidelity, genetic recombination, and cancer biology. Annu Rev Biochem. 1996;65:101-133

34. Kim S.-R, Matsui K, Yamada M, Gruz P, Nohmi T. DNA pol IV:tä koodaavien kromosomaalisten din-geenien roolit kohdennetussa ja kohdentamattomassa mutageneesissä Escherichia colissa. Mol Cell. 1999;4(2):281-286

35. Woodgate R, Ennis DG. Kromosomaalisesti koodattujen Umu-proteiinien tasot ja in vivo UmuD:n pilkkomisen vaatimukset. Mol Gen Genet. 1991;229(1):10-16

36. Rangarajan S, Woodgate R, Goodman MF. Arvoituksellisen DNA-polymeraasi II:n fenotyyppi replikaation uudelleenkäynnistyksessä UV-säteilytetyssä Escherichia colissa. Proc Natl Acad Sci USA. 1999;96(16):9224-9229

37. Kato T, Shinoura Y. Isolation and characterization of mutants of Escherichia coli deficient in induction of mutations by ultraviolet light. Mol Gen Genet. 1977;156(2):121-131

38. Sledziewska-Gojska E, Janion C. Metyylimetaanisulfonaatin indusoiman mutageneesin vaihtoehtoiset reitit Escherichia coli:ssa. Mol Gen Genet. 1989;216(1):126-31

39. Nieminuszczy J, Sikora A, Wrzesinski M, Janion C, Grzesiuk E. AlkB-dioksygenaasi MMS:n aiheuttaman mutageneesin estämisessä Escherichia coli -bakteerissa: Pol V- ja AlkA-proteiinien vaikutus. DNA Repair (Amst). 2006;5(2):181-188

40. Napolitano R, Janel-Bintz R, Wagner J, Fuchs RP. Kaikki kolme SOS-indusoituvaa DNA-polymeraasia (Pol II, Pol IV ja Pol V) osallistuvat indusoituun mutageneesiin. EMBO J. 2000;19(22):6259-6265

41. Fuchs RP, Fujii S, Wagner J. Escherichia colin ominaisuudet ja toiminnot: Pol IV ja Pol V. Adv Protein Chem. 2004;69:229-264

42. Foster PL. Stressin aiheuttama mutageneesi bakteereissa. Crit Rev Biochem Molec Biol. 2007;42:373-397

43. Crit Rev Biochem Molec Biol. 2007;42:373-397

. Iwasaki H, Nakata A, Walker GC, Shinagawa H. Escherichia coli polB-geeni, joka koodaa DNA-polymeraasi II:ta, on SOS-järjestelmän säätelemä. J Bacteriol. 1990;172(11):6268-6273

Author contact

.