مواضيع المحاضرة:
background image

 

6

 

Lec.2 DNA REPAIR 

 

  Despite the proofreading system employed during DNA 

synthesis, incorrect mismatch of base-pairing or insertion of 
one or few extra nucleotides occurs. In addition, DNA is 
constantly being subjected to environmental insults that cause 
the alteration or removal of nucleotide bases. The damaging 
agents can be either chemical, for example, nitrous acid, or 
radiation, for example, ultraviolet light, which can fuse two 
adjacent pyrimidine to each other in the DNA or it could be 
high-energy radiation, which can cause double-strand breaks. 
Bases are also altered or lost spontaneously from DNA. 

  if the damage is not repaired, a permanent mutation may be 

introduced that can result in a number of deleterious effects, 
including loss of control over the proliferation of the mutated 
cell, leading to cancer. Luckily, cells are efficient at repairing 
the mismatches and other damage done to their DNA.  
The repair enzymes are involved in 

  recognizing the lesion,  

  excising the damaged section of the DNA strand, &  

  using the sister strand as a template to fill the gap left by 

the excision of the abnormal DNA.  

 

A. Methyl-directed mismatch repair 
system 
 

Sometimes replication errors escape the proofreading function 
during DNA synthesis, causing a mismatch of one to several 
bases this occurs by: 
 
1. Identification of the error (the mismatched strand):  
we have a protein called (Mut) protein that identify the 
mispaired nucleotides , Mut protein discriminate between the 
correct strand and the strand with mismatch, discrimination is 
based on the degree of methylation of the two strand (the 
newly synthesized and the parentral strand)  because the 
parental strand is methylated, whereas the newly synthesized 
strand is not yet methylated , the parentral strand is assumed to 
be the correct while the daughter strand need to be corrected. 
Then the next step is: 

 
2. Repair of damaged DNA: When the new strand containing 
the mismatch is identified, an endonuclease removes the 
mismatched base. The gap left by removal of the mismatched 
nucleotide is filled, using the sister

 

strand as a template, by a 

using the enzyme DNA polymerase then the newly 
synthesized piece is joined to the original DNA strand by DNA 
ligase
, A defect in mismatch repair in humans has been shown 
to cause hereditary nonpolyposis colon cancer (HNPCC), 
one of the most common inherited cancers. 
 

B. Repair of damage caused by ultraviolet 
light (UV):
 

  Exposure of a cell to ultraviolet light can result in the covalent 

joining of two adjacent (usually thymines), producing 
(dimer)
 these thymine dimers prevent DNA polymerase from 
replicating the DNA strand beyond the site of dimer 
formation. Thymine dimers must be excised and the process is 
called (nucleotide excision repairwhich involves the 

following mechanism 

  Recognition and excision of dimers by UV-specific 

endonuclease: First, a UV-specific endonuclease (called 
uvrABC ase) recognizes the dimer, and cleaves the damaged 
strand at phosphodiester bonds on both side of the dimer. The 
damaged oligonucleotide is released, leaving a gap in the 
DNA strand,the gap left is filled, by a using the enzyme DNA 
polymerase
 then the newly synthesized piece is joined to the 
original DNA strand by DNA ligase. 

  Ultraviolet radiation and cancer: Pyrimidine dimers can be 

formed in the skin cells when exposed to unfiltered sunlight. 
In the genetic disease xeroderma pigmentosum, the cells 
cannot repair the damaged DNA, resulting in extensive 
accumulation of mutations and, consequently, skin cancers. 
 

C. Correction of base alterations (base 
excision repair)
 

The bases of DNA can be altered, either spontaneously or by 
the action of chemicals as nitrous acid, as is the case with 
cytosine, which slowly undergoes deamination to form uracil 
(Normally DNA doesn’t contain uracil), also Bases can also 
be lost spontaneously. Lesions involving base alterations or 
loss can be corrected by the following mechanisms.   
1. Removal of abnormal bases: Abnormal bases, such as 
uracil, which can occur in DNA by for example deamination 
of cytosine synthesis, are recognized by specific glycosylases 
that cleave them from the strand. This leaves an apyrimidinic 
or apurinic site, called an AP-site. 
2. Recognition and repair of an AP-site: Specific enzyme 
called AP- endonucleases recognize that a base is missing and 
initiate the process of excision and gap filling deoxyribose-
phosphate lyase
 removes the single, empty, sugar-phosphate 
residue. DNA polymerase and DNA ligase complete the 
repair process. 

 

D .Repair of double-strand breaks  

High-energy radiation or oxidative free radicals can cause 
double-strand breaks in DNA, which are potentially lethal to 
the cell. Double-strand breaks also occur naturally during gene 
rearrangements. Double-strand DNA breaks cannot be 
corrected by the previously described strategy of excising the 
damage on one strandand using the remaining strand as a 


background image

 

7

 

template for replacing the missing nucleotides. Instead, 
double-strand breaks are repaired by one of two systems.  

  The first is nonhomologous end-joining repair, in which the 

ends of two DNA fragments are brought together by a group 
of proteins. This system does not require that the two DNA 
sequences have any sequence homology. However, this 
mechanism of repair, which is the main repair mechanism in 
humans, is error prone and mutagenic. Defects in this repair 
system are associated with a predisposition to cancer and 
immunodeficiency syndromes.  

  The second repair system is homologous recombination 

repair, uses the enzymes that normally perform genetic 
recombination between homologous chromosomes during 
meiosis,this system is less error prone because any DNA that 
was lost is replaced using DNA as template 

 

Transcription 

  Transcription (RNA synthesis): 

Is the process of RNA synthesis directed by a DNA ,DNA is 
copied to RNA by an enzyme called RNA polymerase and 
occurs in three phases: initiation, elongation and termination. 

  RNA structures: The DNA and RNA polynucleotide chains 

have similar structures except for the presence of uridine in 
RNA (instead of thymine in DNA) and for the presence of the 
ribose sugar in the RNA instead of deoxyribose in the DNA, 
also DNA   present as double strand while RNA as single 
strand. 

  The major types of RNA are 

  rRNA is a component of the ribosomes. 
  tRNA serves as an molecule that carries a specific     amino 

acid to the site of protein synthesis.  

  mRNA carries genetic information from the DNA to the 

cytosol, where it is used as the template for protein 
synthesis.  

  small nucleus(snRNA) &small nucleolus(snoRNA) 

  During transcription, a DNA sequence is read by an RNA 

polymerase, which produces a complementary, antiparallel 
RNA strand. transcription results in an RNA complement that 
contains uracil (U) instead of thymine (T) .  

  There are four distinct classes of RNA polymerase in the 

eukaryotic cells.  

1)  RNA polymerase I: This enz synthesizes the rRNA.  
2)  RNA polymerase II: This enzyme synthesizes the mRNAs 

that are subsequently translated to produce proteins. 
Polymerase II also synthesizes certain small nuclear RNAs 
(snRNA)  

3)  RNA polymerase III: This enzyme produces tRNAs, and 

some snRNAs. 

4)  4.Mitochondrial RNA polymerase 

  Transcription is the first step in gene expression,The part of 

DNA transcribed into an RNA molecule is called a 
transcription unit and encodes at least one gene. If the gene 
transcribed encodes a protein, the result of transcription is 
messenger RNA (mRNA), which will then be used to create 
that protein by the process of translation. Alternatively, the 
transcribed gene may encode for ribosomal RNA (rRNA) or 
transfer RNA (tRNA)  

 

During DNA replication the whole double stranded genome of 
DNA needs to be replicated, but during transcription only 
small portion of genome is transcribed in response to need

  A transcription unit encoding for a protein contains : 

  The coding sequence: which is the sequence that will later 

translate into the protein. 

  The regulatory sequences that regulate the synthesis of that 

protein. The regulatory sequence before (upstream from) 
the coding sequence is called the five prime untranslated 
region (5'UTR), and the sequence following (downstream 
from) the coding sequence is called the three prime 
untranslated region (3'UTR)..  

  Although DNA is arranged as two antiparallel strands in a 

double helix, both can be used in transcription but only one of 
the two DNA strands is used for transcription (called the 
template strand or the antisense strand), this is because RNA is 
only single-stranded, the other DNA strand is called the( 
coding strand or the sense strand)  

  Transcription is divided into: initiation, elongation and 

termination 

 

 

Initiation: 

  The initiation of transcription, requires the presence of a 

1. Promoter Sequence  
2. Transcription Factors  
3. RNA Polymerase  
4. Activators and Repressors. 

 

  Promoters are special nucleotides sequence in DNA that 

allows transcription Promoters are usually rich in thymine and 
adenine in repeating pattern and called TATA box, another 
consensus sequence or promoter is known as the CAAT box, 
in other genes no TATA box is found instead a GC-rich region 
(GC box) may be found  as promoters ,promoters are located 
immediately upstream of transcription start site, which is the 
site where the first ribonucleotide unit is paired with the 
template strand . 

  RNA polymerase cannot recognize the promoter sequences. 

Instead, a  special collection of proteins called transcription 
factors (TF) mediate the binding of RNA polymerase and the 
initiation of transcription, these transcription factors 
recognizes the promoter & bring RNA Polymerase II to the 


background image

 

8

 

promoter, also TF regulate the frequency of initiation, and 
mediate the response to signals as hormones.  

  Only after certain transcription factors are attached to the 

promoter then the RNA polymerase bind to it. The completed 
assembly of transcription factors and RNA polymerase bind to 
the promoter, forming a transcription initiation complex 

  The TATA box, as a promoter, is the binding site for a protein 

known as TATA-binding protein (TBP) which is a type of TF 
then more transcription factors(TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF, 
TFIIH) (TF means transcription factor) and RNA polymerase 
combine around the TATA box in a series of stages 

to form a 

preinitiation complex

. Some transcription factor, has a 

helicase activity and so is involved in the separating of 
double-stranded DNA,  

  Specific transcription factors bind to other proteins 

(Coactivators) recruit them to the transcription complex.  

 

 

Simple diagram of transcription initiation. RNAP = RNA 
polymerase

Transcription

RNA polymerase

closed promoter complex

open promoter complex

initiation

elongation

termination

RNA product

 

 

 

Elongation 

 

Simple diagram of transcription elongation 

 

  Once the promoter region has been recognized, the RNA 

polymerase begins to synthesize a transcript of the DNA 
sequence. Unlike DNA polymerase, RNA polymerase does not 
require a primer and has no ability to repair mistakes in the 

RNA, as does DNA polymerase during DNA synthesis .One 
strand of the DNA, the template strand (or noncoding strand), 
is used as a template for RNA synthesis. As transcription 
proceeds RNA polymerase traverses the template strand and 
uses base pairing complementarily with the DNA template to 
create an RNA copy. This produces an RNA molecule from 5' 
→ 3', an exact copy of the coding strand (except that thymines 
are replaced with uracils, and the nucleotides are composed of 
a ribose (5-carbon) sugar where DNA has deoxyribose . 

  mRNA transcription can involve multiple RNA polymerases 

on a single DNA template and multiple rounds of transcription 
so many mRNA molecules can be rapidly produced from a 
single copy of a gene. 

 

Termination 

  Transcription termination involves cleavage of the new 

transcript followed by addition of number of(Adenine) at its 
new 3' end, in a process called polyadenylation. 

  Transcriptional control of genetic expression is vital for 

cellular functions, and many diseases and cancers are results 
of defects in the transcriptional control of essentials genes 

  Termination provides a point at which transcription can be 

controlled. Many factors act by decreasing (anti-termination) 
or enhancing termination rates at certain RNA sequences, 
thereby controlling the expression rates of genes.  

  Enhancers are special DNA sequences that increase the 

rate of initiation of transcription by RNA polymerase II. 
Enhancers on the same chromosome as the gene whose 
transcription they stimulate 
(cis-acting). 

  Silencers reduce the level of gene expression.  

Posttranscriptional modification of RNA  

A primary transcript is a linear copy of a transcriptional 
segment of DNA between specific initiation and termination 
sequences. The primary transcripts of RNAs are 
posttranscripitinally modified.  
 

A.  Post transcriptional modification of messenger RNA  

1)  "Capping": This process is the first of the processing 

reactions for mRNA ,The cap is  added by the enzyme 
guanylytransferase  the addition of this7- methylguanosine

 

cap  

  permits the initiation of translation and 

  help stabilization of the mRNA if the mRNA lack the cap 

it is not efficiently translated. 

2)  Addition of a poly A- tail: Most mRNA have a chain of 40 to 

200 adenine nucleotides attached to the 3'-end This poly-A tail 
is not transcribed from the DNA, but rather is added after 
transcriptionThese tails help stabilize the mRNAs and 
facilitate their exit from the nucleus and aid translation, After 
the mRNA enters the cytosol, the poly-A tail is gradually 
shortened.  

 


background image

 

9

 

3)  Removal of introns: Modification involves the removal of 

introns from the primary transcript. (Introns are RNA 
sequences, which do not code for protein) The remaining 
coding sequences, called the exons, are joined together to 
form the mature mRNA. The process of removing introns and 
joining exons is called splicing The molecular machine that 
accomplishes these tasks is known as the spliceosome.This 
process make the mRNA  functional 
and ready for 
translation.  
 
a.Role of small nuclear RNAs (snRNAs): snRNAs, in 
association with proteins, form particles (snRNP). These 
facilitate the splicing(joining) of exon segments by forming 
base pairs with the consensus sequences at each end of the 
intron . 
Effect of splice site mutations: Mutations at splice sites can 
lead to improper splicing and the production of aberrant 
proteins. It is estimated that fifteen percent of all genetic 
diseases are a result of mutations that affect RNA splicing. 

 

4)  Alternative splicing of mRNA molecules: The pre- mRNA 

molecules from some genes can be spliced in two or more 
alternative ways in different tissues. This produces multiple 
variations of mRNA and therefore, of its protein product, this 
appears to be a mechanism for producing a diverse set of 
proteins from a limited set of genes. For example, different 
types of muscle cells all produce the same primary transcript 
from the tropomyosin gene. However, different patterns of 
splicing in the different cell types produce a family of tissue-
specific tropomyosin protein molecules.

 

B.  Post transcriptional modification of Ribosomal RNA  

rRNA are synthesized from long precursor molecules called 
pre-rRNA. The pre-rRNAs are cleaved by ribonucleases to 
yield intermediate-sized pieces of rRNA, which are further 
processed "trimmed by exonucleases and modified at some 
base and sugar facilitated by small nucleolar RNA to produce 
the required rRNA.  

C.  Post transcriptional modification of Transfer RNA  

tRNAs are also made from longer precursor molecules that 
must be modified . An intron must be removed from the 
anticodon by nucleases, some sequences at both the 5'- and the 
3'-ends of the molecule must be removed. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 




رفعت المحاضرة من قبل: Mostafa Altae
المشاهدات: لقد قام 4 أعضاء و 74 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل