DNS replikācija: definīcija, mehānisms un šūnu kontrole

Uzziniet DNS replikācijas definīciju, mehānismus un šūnu kontroli — soli pa solim pārskats par sākumpunktiem, enzīmiem un regulāciju prokariotiem un eikariotiem.

DNS replikācija ir procesu kopums, kurā tiek precīzi nokopēta DNS molekula, lai katrai meitas šūnai nodrošinātu pilnu ģenētisko informāciju. Process ir daļēji konservatīvs — katra jaunā dvīnvirkne sastāv no viena vecā pavediena un viena nesen sintezēta pavediena — un parasti notiek divvirzienu no replikācijas cilmes vietām uz abām pusēm.

Galvenie enzīmi un to loma

Replikācijas dakšiņā darbojas vairāki būtiski fermenti un proteīni:

• Helikāze atdala divkāršoto DNS virkni, lai veidotos replikācijas dakšiņa.
• Primāze (RNS primāze) sintezē īsus RNS "primus", kas nepieciešami, lai DNS polimerāze varētu sākt jaunu pavedienu sintēzi.
• DNS polimerāzes sintezē jaunos DNS pavedienus; daudzas no tām satur 3'→5' eksonukleāzes aktivitāti, kas nodrošina kļūdu labošanas (proofreading) funkciju.
• DNS ligāze sasaista Okazaki fragmentus uz lagging pavediena, lai veidotu nepārtrauktu pavedienu.
• Topoisomerāzes novērš pārliekas spriedzes un superpagriezienus, kas rodas virzienā uz priekšpusi, kad helikāze atdala pavedienus.

Vadošais un sekojošais pavediens

No katras cilmes vietas veidojas divas replikācijas dakšiņas, un katrā no tām sintezējas viens vadošais (leading) pavediens — nepārtraukta sintēze virzienā 5'→3' — un viens sekojošais (lagging) pavediens, kas tiek sintezēts diskrēti kā īsi Okazaki fragmenti, kuri vēlāk tiek savienoti ar DNS ligāzes palīdzību.

Atšķirības prokariotos un eikariotos

DNS replikācija notiek visās dzīvajās šūnās, taču tās regulācija un organizācija atšķiras:

• Prokarioti (piemēram, baktērijas) parastiem ir viena cirkulāra hromosoma ar vienu cilmes vietu (piem., oriC Escherichia coli), un replikācija parasti norit ļoti ātri (aptuveni 500–1000 nukleotīdu sekundē uz dakšiņu).
• Eikariotiem (šūnas ar kodolu) ir vairākas lineāras hromosomas un daudzas cilmes vietas; replikācijas ātrums uz dakšiņu ir lēnāks (parasti desmitiem līdz dažiem simtiem nukleotīdu sekundē), taču tiek iesaistīti daudzi replikācijas kompleksi vienlaikus, lai replikācija pabeigtos laikā.

Šūnu cikla kontrole un replikācijas uzsākšana

Eikariotu šūnās DNS replikācija notiek S fāzē (sintēzes fāze) un ir stingri regulēta. Pirms replikācijas sākuma tiek izveidots priekšlicencēšanas komplekss (licensing), kas ietver proteīnus, piemēram, MCM kompleksu. Ciklīnu atkarīgās kināzes (CDK) un citas kināzes (piem., ATR/ATM) kontrolē replikācijas sākumu, novērš multiplu replikācijas uzsākšanu vienā šūnas ciklā un aktivē replikācijas šūnas pārbaudes punktus, ja rodas DNS bojājumi vai replikācijas stresors.

Problēmas replikācijas laikā un labošanas mehānismi

Kaut arī replikācija ir ļoti precīza, var rasties kļūdas vai bojājumi. Šūna izmanto vairākus labošanas mehānismus:

• Proofreading — DNS polimerāzes 3'→5' eksonukleāzes aktivitāte izņem nepareizi pievienotus nukleotīdus.
• Mismatch repair (neatbilstošu bāzu labošanas sistēma) atpazīst un labo kādu nepareizu pāru izveidi pēc replikācijas.
• Citas labošanas sistēmas (piem., bāzu izgriešanas vai nukleotīdu izgriešanas labošanas ceļi) novērš ķīmiskus bojājumus vai lūzumus.

Telomēru problēma un telomerāze

Lineārajām hromosomām eikariotos ir īpašas galu struktūras — telomēri. Katra replikācija saīsina hromosomu galus (end-replication problem), jo lagging pavediena pēdējos fragmentus nevar pilnībā aizstāt ar primusu. Speciāls fermentu komplekss — telomerāze — papildina telomērus dažās šūnās (piem., dzimumšūnās, cilmes šūnās, dažos audzējos), tādējādi kompensējot saīsināšanos.

Praktiska nozīme un medicīniski aspekti

DNS replikācijas mehānismi ir būtiski ne tikai normālai šūnu dalīšanai, bet arī vēža un ģenētisku slimību izpratnei. Replikācijas kļūdas un nepilnības labošanā var novest pie mutācijām, kas uzkrājas un veicina onkogēno procesu. Tāpēc replikācijas komponenti bieži ir mērķi pretvēža terapijā (piem., topoisomerāžu inhibitori).

Šūnā DNS replikācija sākas noteiktās genoma vietās, ko sauc par cilmes vietām. Kad DNS sākumstadijā atzarojas, replikācijas dakšiņā veidojas jaunu pavedienu sintēze. Papildus DNS polimerāzei dakšiņā atrodas arī citi fermenti, kas palīdz sākt un turpināt DNS sintēzi. DNS replikācijas kontrole prokariotu un eikariotu organismos nedaudz atšķiras, taču pamatprincipi — precizitāte, kļūdu labošanas sistēmas un sinhronizācija ar šūnu ciklu — saglabājas vispārīgi.

DNS polimerāze

DNS polimerāzes ir enzīmu grupa, kas veic visu veidu DNS replikāciju. Tomēr DNS polimerāze var tikai pagarināt esošo DNS virkni, kas savienota pārī ar matricas virkni; tā nevar sākt jaunas virknes sintēzi. Lai sāktu sintēzi, tiek izveidots īss DNS vai RNS fragments, ko sauc par "praimeru", un tas tiek savienots pārī ar šablona DNS virkni.

Kopumā DNS polimerāzes ir ļoti precīzas, pieļaujot mazāk nekā vienu kļūdu uz katriem 10⁷ (10 miljoniem) pievienoto nukleotīdu. Tomēr dažām DNS polimerāzēm piemīt arī "korektūras" spēja: tās var noņemt nukleotīdus no virknes beigām, lai labotu nesakritīgās bāzes.

DNS replikācijas dakšiņā ir iesaistīti daudzi enzīmi.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir DNS replikācija?

J: Kas DNS replikācijas laikā kalpo kā šablons pretējās virknes pavairošanai?

J: Kāpēc DNS replikāciju dažkārt sauc par "daļēji konservatīvu replikāciju"?

J: Kurās dzīvības formās notiek DNS replikācija?

Vai ir kādas atšķirības DNS replikācijas kontrolē prokariotu un eikariotu organismos?

J: Kur šūnā sākas DNS replikācija?

J: Kādi enzīmi, izņemot DNS polimerāzi, palīdz sākt un turpināt DNS sintēzi DNS replikācijas dakšiņā DNS replikācijas laikā?

Meklēt pēc burta