DNA og RNA feilkontroll og reparasjon, fantastiske bevis på design
Oversatt herfra.
Bilde 1. DNA-replikasjon
1. Organismer utsettes hele tiden for ulike miljøer, og krever for å overleve, å kunne tilpasse seg til ytre forhold.
2. Livet, må replikere, for å kunne vare. Det inkluderer DNA, som må replikeres med ekstrem nøyaktighet. På en eller annen måte vet cellen når DNA er nøyaktig replikert, og når det ikke er det. Det er ekstremt komplekse kvalitets-kontrollmekanismer på plass, som kontinuerlig overvåker prosessen. Minst 3 feilkontroll- og reparasjonsmekanismer holder feil under replikering nede på 1 feil for 10 milliarder replikerte nukleotider.
3. Disse reparasjonsmekanismene, sofistikerte proteiner, er også kodet i DNA. Så proteiner kreves for å feilsjekke og reparere DNA, mens nøyaktig replikert DNA er nødvendig for å lage proteinene som reparerer DNA. (høne-egg problem)
4. Det er en alt-eller-ingenting-virksomhet. Derfor måtte disse sofistikerte systemene dukke opp på en gang, og krever en designer.
Fra Rob Stadler, The Stairway To Life:
Heldigvis er levende organismer utstyrt med et bredt utvalg av spesialiserte DNA-reparasjonsmekanismer for å motvirke disse daglige angrepene: baseeksisjons-reparasjon, nukleotideksisjons-reparasjon, homolog rekombinasjons-reparasjon, mismatch reparasjon, fotoreaktivering, ikke-homolog ende-sammenføyning, translesjons-syntese og prosessering av MRN kompleks. Baseeksisjons-reparasjonsmekanismen forekommer i prokaryoter og eukaryoter og krever koordinert innsats fra minst fem enzymer for å gjøre små reparasjoner på DNA. Reparasjonsmekanismen for nukleotideksisjon, som også er svært utbredt gjennom hele livet, er rettet mot mer omfattende skade. I E. coli krever nukleotideksisjons-reparasjon fem enzymer for å erstatte en stripe med tolv nukleotider, når DNA-skade oppdages. Disse reparasjonsveiene bevarer informasjon via svært spesifikke anvendelser av energi; produksjon og funksjon av enzymene krever begge energi.
Bilde 2. Høne-egg problematikk
I tillegg til å reparere skader på eksisterende DNA, har levende organismer mekanismer for å rette opp feil under reproduksjon. Bakterier har tre typer DNA-polymerase, alle i stand til å oppdage en feil baseparing, sikkerhetskopiere ett trinn for å fjerne feil nukleotid, og deretter gå videre i en prosess som kalles korrekturlesing. Korrekturlesingstrinnet reduserer feilraten i bakterier fra omtrent én feil i 100 tusen basepar til én feil i 10 millioner basepar. Den kritiske betydningen av DNA-reparasjonsmekanismer i alle levende organismer produserer umiddelbart en gåte: DNA-reparasjonsmekanismene er i seg selv kodet i DNA som krever reparasjonsmekanismer. Tenk deg at verden er full av tyver, og du har verdens første idé om et sikkerhetssystem som vil avskrekke alle tyver. Du planlegger å produsere sikkerhetssystemet på en fabrikk. Men når du begynner å bygge fabrikken, stjeler tyver kontinuerlig tegningene, råvarene, til og med midlene som trengs for å bygge fabrikken. Fabrikken vil aldri stå ferdig, og et sikkerhetssystem vil aldri bli produsert. På samme måte kunne ikke DNA-reparasjonsmekanismer ha utviklet seg uten beskyttelsen av DNA-reparasjonsmekanismer. Og vanlig DNA kunne ikke ha utviklet seg før DNA-reparasjonsgener utviklet seg.
Å opprettholde den genetiske stabiliteten som en organisme trenger for å overleve krever ikke bare en ekstremt nøyaktig mekanisme for å replikere DNA, men også mekanismer for å reparere de mange tilfeldige lesjonene som oppstår kontinuerlig i DNA. Det er tydelig at reparasjonsmekanismen er avgjørende for at cellen skal overleve. Det kunne ikke ha utviklet seg etter at livet oppsto, men må ha blitt til før. Mekanismen er svært kompleks og utdypet, som en konsekvens er designslutningen berettiget og ser ut til å være den beste måten å forklare dens eksistens på.
5' => 3' polymerisasjon 1 feil av 100.000
3ʹ => 5ʹ eksonukleolytisk korrekturlesing 1 av 100
Strand-rettet mismatch reparasjon 1 til 1000
Kombinert 1 til 10.000.000.000
Fra Jon Lieff MD: DNA Proofreading, Correcting Mutations during Replication, Cellullar Self Directed Engineering
Under replikasjon kopieres nukleotider, som utgjør DNA. Når E coli lager en kopi av sitt DNA, gjør det omtrent én feil for hver milliard nye nukleotider. Den kan kopiere omtrent 2000 bokstaver per sekund, og fullføre hele replikeringsprosessen på mindre enn en time. Sammenlignet med human engineering er denne feilraten utrolig lav. E coli gjør så få feil fordi DNA blir korrekturlest på flere måter. Et enzym, DNA-polymerase, beveger seg langs DNA-trådene for å begynne å kopiere koden fra hver DNA-streng. Denne prosessen har en feilrate på omtrent én til 100 000: ganske høy. Når det oppstår en feil, registrerer DNA-polymerase uregelmessigheten som en forvrengning av den nye DNA-strukturen og stopper det det gjør. Hvordan et protein kan føle dette er ikke klart. Andre molekyler kommer så for å fikse feilen, fjerne den feilaktige nukleotidbasen og erstatte den med den riktige. Etter korreksjon fortsetter polymerasen. Denne korrigeringsmekanismen øker nøyaktigheten 100 til 1000 ganger.
En andre runde med korrekturlesing
Det er imidlertid fortsatt noen feil som unnslipper den forrige mekanismen. For disse går tre andre komplekse proteiner over den nylig kopierte DNA-sekvensen. Det første proteinet, kalt MutS (for mutator), registrerer en forvrengning i helixformen til det nye DNA-et og binder seg til regionen med de feilaktige nukleotidene. Det andre proteinet, MutL, registrerer at 
broren S er festet og bringer et tredje protein over og fester de to. Det tredje molekylet kutter faktisk feilen på begge sider. De tre proteinene merker deretter den ukorrekte delen med en metylgruppe. I mellomtiden opprettes en annen del av DNA for den aktuelle regionen, og et annet sett med proteiner kutter ut den nøyaktige mengden DNA som trengs for å fylle gapet. Med både det feilaktige stykket og det nylig pregede riktige stykket til stede, bestemmer enda et protein hvilket som er det riktige ved hjelp av metyl-taggen. Det vil si at den riktige ikke har metyl-taggen på seg. Denne nye, korrekte delen bringes deretter over og legges til den originale DNA-strengen. Denne andre korrekturlesingen er i seg selv 99 % effektiv og øker den totale nøyaktigheten av replikering med ytterligere 100 ganger.
Bilde 3. Prosess ved DNA-reparasjon
Flere sensorer
Det er flere steder hvor et protein 'sanser' hva som må gjøres. Den datamaskinlignende sansingen av den opprinnelige feilen kan ikke styres av det originale DNA. Det er tydeligvis andre kilder til beslutningstaking i en celle. Mens DNAs 'kvalitetskontroll' er ekstremt kompleks i E.Coli, er den samme prosessen enda mer kompleks i menneskecellen. Menneskeceller inneholder mange forskjellige polymeraser og mange andre enzymer for å kutte og reparere feil. Det er til og med forskjellige Mut-type systemer som, sammen med annen korrekturlesing, gjør menneskelig DNA-replikasjon utrolig nøyaktig. Helt nyere forskning har vist noen av de komplekse mekanismene til MutL-familien av mutasjonskorreksjonsmolekyler. Den viser at et energimolekyl ATP stimulerer prosessen der MutL kutter DNAet rundt feilen. Det er to riller i MutL-molekylet, ett for ATP og ett for DNA-tråden. Når ATP binder seg til MutL, endrer det proteinets form som gjør at skjæringen kan skje. Hos mennesker når MutL ikke fungerer som det skal, er det kjent å forårsake kreft.
Mens mutasjoner hjelper til med å bestemme evolusjonær variasjon, vet vi fortsatt ikke hvordan disse svært forseggjorte og flerlags kvalitetskontrollene ble til og hvordan de er rettet. Er det mulig for DNA å styre sin egen redigering? På en eller annen måte vet disse prosessene hvilke som er passende DNA-sekvenser og hvilke som ikke er det.
Bilde 4. DNA's reparasjons ligase
Cellular reparasjonsevner. (20)
For det første har alle celler fra bakterier til menneske en virkelig forbløffende rekke reparasjonssystemer som tjener til å fjerne tilfeldige og stokastiske mutasjonskilder. Flere nivåer av korrekturlesingsmekanismer gjenkjenner og fjerner feil som uunngåelig oppstår under DNA-replikasjon. Disse korrekturlesingssystemene er i stand til å skille mellom nylig syntetiserte og foreldrelige tråder av DNA-dobbelhelixen, så de fungerer effektivt for å rette opp i stedet for å fikse resultatene av utilsiktede feilinkorporeringer fra feil nukleotid. Andre systemer skanner ikke-replikerende DNA for kjemiske endringer som kan føre til feilkoding og fjerner modifiserte nukleotider, mens tilleggsfunksjoner overvåker bassengene av forløpere og fjerner potensielt mutagene forurensninger. I påvente av kjemiske og fysiske fornærmelser mot genomet, som alkyleringsmidler og ultrafiolett stråling.
Ytterligere reparasjonssystemer er kodet i genomet og kan induseres til å korrigere skade når den oppstår. Det har vært en overraskelse å finne ut hvor grundig cellene beskytter seg mot nettopp den typen tilfeldige genetiske endringer som, ifølge konvensjonell teori, er kildene til evolusjonær variasjon. I kraft av sine korrektur- og reparasjonssystemer er ikke levende celler passive ofre for kjemiens og fysikkens tilfeldige krefter. De bruker store ressurser på å undertrykke tilfeldig genetisk variasjon og har kapasitet til å sette nivået på bakgrunnslokalisert mutabilitet ved å justere aktiviteten til reparasjonssystemene deres -lenke.
BIlde: DNA-3-kvalitets-steg-i-tilvirkning (biologi)
DNA-skade er en endring i den kjemiske strukturen til DNA, for eksempel et brudd i en DNA-streng, en base som mangler fra ryggraden til DNA, eller en kjemisk endret base. Naturlig forekommende DNA-skader oppstår mer enn 60 000 ganger per dag per pattedyrcelle. DNA-skader ser ut til å være et grunnleggende problem for livet. DNA-skader er en hovedårsak til kreft. DNA-skader gir opphav til mutasjoner og epi-mutasjoner. Mutasjonene, hvis de ikke korrigeres, ville bli forplantet gjennom påfølgende cellegenerasjoner. En så høy grad av tilfeldige endringer i DNA-sekvensen ville ha katastrofale konsekvenser for en organisme
Det finnes forskjellige veier for DNA-reparasjon,
Nukleotideksisjons-reparasjon (NER), Base excision reparasjon (BER), DNA-mismatch reparasjon (MMR),
Reparasjon gjennom blant annet alkyltransferase-lignende proteiner (ATL).
Base excision repair (BER) involverer en kategori av enzymer kjent som DNA-N-glykosylaser.
Ett eksempel på DNAs automatiske feilrettingsverktøy er nok til å få fantasien til å steile. Det er dusinvis av reparasjonsmekanismer for å beskytte vår genetiske kode mot skade; én av dem ble fremstilt i Nature i termer som burde vekke ærefrykt.
Fra Nature artikkelen:
Strukturen til et reparasjonsenzym som undersøker uskadet DNA belyser gjenkjennelse av skadet DNA (11)
Hvordan DNA-reparasjonsproteiner skiller mellom de sjeldne skadestedene og det store området med normalt DNA er dårlig forstått. å gjenkjenne den mutagene lesjonen 8-oksoguanin (oxoG) representerer en spesielt formidabel utfordring, fordi denne oksiderte nukleobasen skiller seg med bare to atomer fra sin normale motpart, guanin (G). Røntgenstrukturen til det fangede komplekset har en mål-G-nukleobase ekstrudert fra DNA-helixen, men nektet innsetting i lesjonsgjenkjenningslommen til enzymet. Beregninger av fri energiforskjell viser at både attraktive og frastøtende interaksjoner har en viktig rolle i den foretrukne bindingen av oxoG sammenlignet med G til det aktive stedet. Strukturen avslører en bemerkelsesverdig effektiv portholdingsstrategi for lesjonsdiskriminering og foreslår en mekanisme for oxoG-innsetting i det aktive hOGG1-stedet.
Bilde 5. Skjema for nukleotide-reparasjon
Av de fire basene i DNA (C, G, A og T) skal cytosin eller C alltid sammenkobles med guanin, G, og adenin, A, er alltid ment å sammenkobles med tymin, T. Enzymet studert av Banerjee et. al. i naturen er en av en rekke molekylære maskiner kalt BER-glykosylaser; denne kalles humant oxoG-glykosylase-reparasjonsenzym (hOGG1), og den er spesialisert for å finne en bestemt type feil: en oksidert G-base (guanin). Oksidasjonsskader kan være forårsaket av eksponering for ioniserende stråling (som solbrenthet) eller frie radikaler som streifer rundt i cellekjernen. Den normale G blir oxoG, noe som gjør den veldig litt ute av form. Det kan være én av en million av disse på en DNA-streng. Selv om det virker som en mindre skrivefeil, kan det faktisk føre til at oversettelsesmaskineriet setter inn feil aminosyre i et protein, med katastrofale resultater, for eksempel tykktarmskreft. (12)
Maskinen låses fast på DNA-dobbelthelixen og jobber seg nedover tråden, og kjenner hver base på veien. Når den fortsetter, knekker den DNA-tråden til en skarp vinkel. Den er bygget for å ignorere T- og A-basene, men når den føles som en C, vet den at det skal være en G festet. Maskinen har presisjonskontaktpunkter for C og G. Når C-en kobles inn, vippes basen som er sammenkoblet med den, opp ut av helixen og inn i en spalte inne i enzymet som er fint laget for å pare seg med en ren, ren G. Hvis alt er vel, den snur G-en tilbake i DNA-helixen og går videre. Hvis basen er en oxoG, blir imidlertid basen snudd inn i et annet spor lenger inne, hvor kraftige krefter drar den feilaktige basen ut av strengen slik at andre maskiner kan sette inn den riktige.
Nå er alt dette fantastiske så langt, men som med mange ting i levende celler, ligger det sanne underet i detaljene. De termodynamiske energiforskjellene mellom G og oxoG er ekstremt små – oxoG inneholder bare ett ekstra oksygenatom – og likevel er denne maskinen i stand til å skille mellom dem med høy nøyaktighet.
Forfatteren, David, sier i Nature-artikkelen:
Strukturell biologi: DNA-søk og redning
DNA-reparasjonsenzymer forbløffer oss med deres evne til å søke gjennom store DNA-områder for å finne subtile anomalier i strukturen. Det menneskelige reparasjonsenzymet 8-oksoguaninglykosylase (hOGG1) er spesielt imponerende i denne forbindelse fordi det effektivt fjerner 8-oksoguanin (oxoG), en skadet guanin (G)-base som inneholder et ekstra oksygenatom, og ignorerer uskadede baser.
Naturlig seleksjon kan ikke virke uten nøyaktig replikering, men proteinmaskineriet for nøyaktighetsnivået som kreves er i seg selv bygget av selve den genetiske koden den er designet for å beskytte. Det er en catch22-situasjon. Det ville vært utfordrende nok å forklare nøyaktig transkripsjon og oversettelse alene med naturlige midler, men som følge av UV-stråling ville den raskt blitt ødelagt gjennom akkumulering av feil. Så nøyaktig replikering og korrekturlesing er nødvendig for livets opprinnelse. Hvordan i all verden kunne korrekturlesende enzymer dukke opp, spesielt med denne grad av troskap, når de er avhengige av selve informasjonen de er laget for å beskytte? Tenk på det.... Dette er enda et prima facie eksempel på høne- og egg-situasjon. Hva er den alternative forklaringen til design? Korrekturlesing av DNA ved en tilfeldighet? Og en kompleks serie med oversettelses-maskineri uten designer?
Bilde 6. Perfekt ezzym-substrat tilpasning
Jeg liker å lære om underverket med disse utrolige mekanismene. Hvis apostelen Paulus kunne forstå at skapelsen krever en Skaper som han skrev i Romerbrevet kapittel 1, vers 18, hvor mye mer vi i dag med alle åpenbaringene om cellebiologi og molekylære maskiner?
https://reasonandscience.catsboard.com/t2043-dna-repair#3475
DNA-reparasjonsmekanismer, designet med spesiell forsiktighet for å gi integritet til DNA, og essensielle for levende organismer av alle domener.
Naturen bruker faktisk spesielle proteiner kalt 'korrekturlesende enzymer' for å forhindre at det oppstår små endringer i sekvensen når DNA replikeres.
Unøyaktig replikering ville sannsynligvis ha begrenset størrelsen på progenote-genomet på grunn av risikoen for 'feilkatastrofe', akkumulering av så mange genetiske feil at organismen ikke lenger er levedyktig. For å illustrere dette poenget, vurder problemet med å replikere et genom på en million baser, som er tilstrekkelig til å kode noen hundre RNA-er og proteiner. (Det minste kjente genomet for en eksisterende frittlevende bakterie er det til Pelagibacter ubique, som består av 1,3 millioner baser.) Hvis replikasjonen til og med var beskjeden trofast, med en feilfrekvens på 0,1 %, ville hver replikasjon av et genom bestå av 1 million. baser vil resultere i 1000 feil, omtrent en eller to i hvert gen. Noen av disse feilene ville ha vært ufarlige, og noen få kan ha vært fordelaktige, men mange ville ha vært skadelige, og ført til makromolekyler med nedsatt funksjon.
DNA-skade og reparasjon
Lenke 1. Lenke 2.
Replikasjonsgafler kan stoppe ofte og kreve en form for reparasjon for å tillate fullføring av kromosomal duplisering. Unnlatelse av å løse disse replikative problemene har en høy pris, med konsekvensene som genom-ustabilitet, celledød og, i høyere organismer, kreft. Reparasjon av replikasjonsgaffel og dermed omlasting av DnaB kan være nødvendig borte fra oriC når som helst i kromosomet og på et hvilket som helst stadium under kromosomal duplisering. De potensielt katastrofale effektene av ukontrollert initiering av kromosomal duplisering på genomstabilitet antyder at replikasjonsstart må reguleres like tett som DnaA-rettet replikasjonsinitiering ved oriC. Dette innebærer at omlasting av DnaB bare må skje på ssDNA ved reparerte gafler eller D-løkker i stedet for på andre regioner av ssDNA, slik som de som er opprettet av blokker til etterslepende trådsyntese. Dermed brukes et alternativt replikasjonsinitiatorprotein, PriA-helikase, under replikering start på nytt for å laste DnaB tilbake til kromosomet
Spørsmål: Kan den første cellen, med det nødvendige komplementet av gener kodet for av DNA, ha reprodusert seg i et betydelig antall generasjoner uten en korrekturlesingsfunksjon? Et ytterligere spørsmål er hvordan funksjonen til syntese av den etterslepende tråden kunne ha oppstått, og maskineriet for å gjøre det. Det vil si primosomet og funksjonen til polymerase I for å fjerne de korte fredene av RNA som cellen bruker for å prime replikasjon, slik at polymerase III-funksjonen kan fylle gapet. Disse funksjonene krever alle presis regulering og koordinerte funksjonelle maskinlignende trinn. Disse er alle komplekse, avanserte funksjoner og måtte være til stede helt fra begynnelsen. Hvordan kunne dette komplekse maskineriet ha oppstått på en gradvis måte? Primosomet måtte være fullt funksjonelt, ellers kunne polymeriseringen ikke ha startet, siden en primesekvens er nødvendig.
Enzymene som kopierer DNA til DNA, eller DNA til RNA, er virkelig veldig smarte. De kan merke på flere stadier under syntesen om noe går galt; for eksempel hvis de har lagt til eller er i ferd med å legge til feil base, i henhold til Watson-Crick-reglene for paring. Dessuten er det "reparasjons"-enzymer som går rundt og korrigerer sporadiske feil med kopiering eller "mismatching". Dermed strekker naturen seg langt for å unngå feil i kopieringen av DNA, selv om atomene i DNA-strukturen faktisk er ganske tolerante for mismatching. Disse enzymene er ekstremt effektive i å gjøre jobben sin, men ingen vet nøyaktig hvordan de fungerer.
Bilde 7. Feil til retting
Bevisene gjennom DNA-reparasjon
1. ødelagte eller feiltilpassede DNA-tråder kan føre til alvorlige sykdommer og til og med død. Det er viktig at DNA-skader gjenkjennes og repareres raskt.
2. Et team ved Rockefeller University og Harvard Medical School som fant to essensielle proteiner som fungerer som "molekylære skreddere" som kan klippe ut en feil og sy den opp igjen med de riktige molekylene.
3. Disse proteinene, FANC1 og FANCD2, reparerer tverrbindinger mellom tråder, "en av de mest dødelige typene av DNA-skade." Dette problemet "oppstår når de to trådene i den doble helixen er koblet sammen, og blokkerer replikasjon og transkripsjon."
4. Hver av cellene dine vil sannsynligvis motta 10 alarmanrop om dagen for tverrkoblinger mellom tråder.
5. FANC1 og FANCD2 kobler sammen og forbinder andre medlemmer av reparasjonsveien, og er intimt involvert i utskjærings- og innsettingstrinnene.
6. En reparasjonsoperasjon krever 13 proteindeler.
7. "Hvis noen av de 13 proteinene i denne banen er skadet, er resultatet Fanconi-anemi, en blodsykdom som fører til benmargssvikt og leukemi, blant andre kreftformer, så vel som mange fysiologiske defekter."
a) "Våre resultater viser at flere trinn i den essensielle S-fase ICL-reparasjonsmekanismen mislykkes når Fanconi-anemibanen er kompromittert."
8. I den vitenskapelige artikkelen og pressemeldingen ble heller ikke Darwin eller den mulige måten på hvordan dette tett integrerte systemet kan ha utviklet seg nevnt.
9. Den absolutte nødvendigheten av FANC1 og FANCD2 er veldig tydelig fra denne oppdagelsen, ikke bare i én art, men i alle som har DNA. Deres avgjørende rolle for artens overlevelse kan ikke avvises.
10. Det må ha eksistert som perfekt funksjonelle enheter fra tidspunktet for opptreden av en hvilken som helst art på denne planeten, ellers ville eksistens ikke vært mulig.
11. Dette innebærer skapelse det som videre innebærer at Gud nødvendigvis eksisterer.
Bilde 8. Gudsargumenter
Argument fra deteksjons-/korrigeringskoder
1. Den binære GCL-representasjonen muliggjør eksistensen av feildeteksjons-/korrigeringskoder som opererer langs DNA-trådene.
2. "En feilkontrollmekanisme innebærer organisering av redundansen på en matematisk strukturert måte," og "den genetiske koden viser en sterk matematisk struktur som er vanskelig å sette i forhold til andre biologiske fordeler enn feilkorrigering."
3. En særegen og unik matematisk modell står for nøkkelegenskapene til den genetiske koden som viser symmetri, organisert redundans og en matematisk struktur som er avgjørende for eksistensen av feilkodingsteknikker som opererer langs DNA-trådene.
4. DNA-dataene som ble testet med denne modellen ga en sterk indikasjon på at feilkodingsteknikker eksisterer.
5. En slik fantastisk design indikerer målrettet skapelse som ytterligere indikerer Guds eksistens.
6. Gud eksisterer mest sannsynlig.
Relevant video: Homolog rekombinasjon for brudd på DNA-molekyl. Del 1.Lenke.
Bilde 9. Slutning fra Nobel-prisvinner
Referanse:
1. Knipscheer et al, “The Fanconi Anemia Pathway Promote Replication-Dependent DNA Interstrand Cross-Link Repair,” Science, 18 December 2009: Vol. 326. no. 5960, pp. 1698-1701, DOI: 10.1126/science.1182372.
Lenker:
Oversettelse og bilder ved Asbjørn E. Lund