Le mutazioni sono dei cambiamenti ereditabili della sequenza di basi che modificano l’informazione contenuta nel DNA

Le mutazioni che osserviamo sono in sostanza danni al DNA che non sono stati riparati. Molti errori vengono corretti perché: 1. La DNA polimerasi ha un sistema di correzione degli errori (attività esonucleasica 3’ → 5’)

2. Ci sono altri sistemi di riparazione per correzione diretta che ripristinano le condizioni iniziali della doppia elica 3. Ci sono sistemi di riparazione per escissione che rimuovono la regione danneggiata producendo un gap che viene in seguito colmato per nuova sintesi di DNA

Riparazione per correzione diretta Tramite fotoriattivazione: In vari procarioti ed Eucarioti, dimeri di timina vengono riparati grazie all’enzima fotoliasi, che scinde il dimero grazie all’energia rilasciata da un fotone (λ=320-370 nm). (Nell’uomo esiste un meccanismo simile, ma non l’enzima fotoliasi). Tramite metiltransferasi: In molti procarioti, l’effetto degli agenti alchilanti viene annullato da un enzima (metilguanina-metiltransferasi) che rimuove il gruppo metilico dalla guanina

Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A Molti ceppi di E. coli sono in grado di correggere i dimeri di timina anche al buio. Perciò devono disporre di un sistema di riparazione non attivato dalla luce: riparazione per escissione. Il sistema comprende, oltre a DNA P I e ligasi, 4 enzimi: UvrA, UvrB, UvrC e UvrD e opera tagliando una sola elica intorno al dimero di timina. Figura 7.16 Peter J Russell, Genetica © 2010 Pearson Italia S.p.A 8

Types of DNA Damage Summarised C T dsDNA Break Mismatch C-U deamination Covalent X-linking Thymidine dimer AP site ss Break

Sistema di riparazione dell’appaiamento errato in E. coli

Gli Eucarioti hanno gli omologhi di mutS e mutL ma non mutH. Il sistema di riparazione dell’appaiamento errato consiste nell’escissione del segmento di DNA che contiene il nucleotide sbagliato e nella successiva sintesi del nuovo filamento riparato. In E. coli il taglio viene effettuato sul filamento ipo-metilato in corrispondenza della sequenza GATC più vicina al sito di errore. Un’esonucleasi rimuove i nucleotidi successivi fino al sito dell’errore. La porzione che ne risulta a singolo filamento viene prontamente riparata. Ogni filamento può essere tagliato e corretto, ma lo stato di ipo-metilazione del filamento neosintetizzato ne favorisce l’escissione. Gli Eucarioti hanno gli omologhi di mutS e mutL ma non mutH.

Single strand repair Base excision repair A base-specific DNA glycosylase detects an altered base and removes it AP endonuclease and phosphodiesterase remove sugar phosphate DNA Polymerase fills and DNA ligase seals the nick

Action of DNA glycosylases These enzymes hydrolyze the glycosidic bond of their corresponding altered base (red) to yield an AP site. Page 1177

Structure of human uracil–DNA glycosylase (UDG) in complex with a 10-bp DNA containing a U·G base pair.

Double strand repair Nonhomologous end-joining two broken ends of DNA are joined together some nucleotides are cut from both of the strands ligase joins the strands together

DSB repair by Non Homologous End Joining A single Ku heterodimer binds to each free DNA end of a DSB and recruits DNA-PKcs, resulting in the formation of the DNA-PK complex. Subsequently, Xrcc4 /Ligase IV complex binds to each of the DNA ends and interacts to form a tetramer that may serve to bridge the DNA ends. Other repair proteins are likely involved in this pathway, including the Mre11/Rad50/Nbs1 (Xrs2) complex.

Double strand repair Homologous recombination damaged site is copied from the other chromosome by special recombination proteins

Homologous recombination (HR) Homologous recombination (HR) is a multistep process that is mediated by the sequential accumulation of proteins. After detection of the DNA double-strand break (DSB) and resection of the DNA in the 5'3' direction, RAD51 binds to single-stranded (ss)DNA and displaces replication protein A (RPA), which leads to RAD51 polymerization (this phase is referred to as the presynaptic phase). Once the homology search is successful, the duplex is captured and the RAD51 filament invades it to form the heteroduplex structure (synaptic phase). RAD54, a DNA-dependent ATPase, stabilizes the RAD51–ssDNA complex, thereby promoting this process. Heteroduplex DNA extension and branch migration normally occurs during the postsynaptic phase of HR.

DNA polymerases use the intact copy to re-synthesize the deleted DNA sequences, DNA ligases join the newly synthesized fragments and the junctions are resolved by specific endonucleases that are known as resolvases.

Homologous recombination (HR) is a multistep process that is mediated by the sequential accumulation of proteins. After detection of the DNA double-strand break (DSB) and resection of the DNA in the 5'3' direction, RAD51 binds to single-stranded (ss)DNA and displaces replication protein A (RPA), which leads to RAD51 polymerization (this phase is referred to as the presynaptic phase). Although RAD52 stimulates the polymerization of RAD51, wild-type p53 can control the process in vivo (the steps in the HR process that are controlled by p53 are shown) by its direct binding to RAD51. Once the homology search is successful, the duplex is captured and the RAD51 filament invades it to form the heteroduplex structure (synaptic phase). RAD54, a DNA-dependent ATPase, stabilizes the RAD51–ssDNA complex, thereby promoting this process. RAD54 can itself bind to p53 and scan the heteroduplex, a process that is probably regulated by p53 alone, or preferably targeted by RAD51. Depending on the extent of the damage, the mismatch is either corrected exonucleolytically by p53 or it can restrain the exchange of imperfectly homologous sequences. Heteroduplex DNA extension and branch migration normally occurs during the postsynaptic phase of HR, and wild-type p53 can inhibit the RAD51-promoted branch-migration process. The effect of p53 on heteroduplex or RAD51-mediated branch migration has been shown in in vitro studies. DNA polymerases use the intact copy to re-synthesize the deleted DNA sequences, DNA ligases join the newly synthesized fragments and the Holliday junctions are resolved by specific endonucleases that are known as resolvases.