Rola polimeraz DNA i innych enzymów replikacyjnych. Nici wiodąca i opóźniona i fragmenty Okazaki. Tłumaczenie na język polski zrealizowane przez Fundację Edukacja dla Przyszłości dzięki wsparciu Fundacji „HASCO-LEK".

Kluczowe punkty:

  • Replikacja DNA jest semikonserwatywna. Każda nić w podwójnej helisie działa jako matryca do syntezy nowej, komplementarnej nici.
  • Nowe DNA jest tworzone przez enzymy nazywane polimerazami DNA, które wymagają matrycy i primera (startera) i syntetyzują DNA w kierunku od 5' do 3'.
  • Podczas replikacji DNA, jedna nowa nić (nić wiodąca) jest tworzona jako fragment ciągły. Druga (nić opóźniona) jest tworzona w małych kawałkach.
  • Replikacja DNA wymaga innych enzymów oprócz polimerazy DNA, w tym prymazy DNA, helikazy DNA, ligazy DNA i topoizomerazy.

Wstęp

Replikacja DNA, czyli kopiowanie DNA komórki, nie jest prostym zadaniem! Jest blisko 33 miliardy\text{miliardy} par zasad w Twoim genomie, wszystkie z nich muszą być dokładnie skopiowane, kiedy jedna z Twojego tryliona komórek dzieli się1^1.
Podstawowe mechanizmy replikacji DNA są podobne między organizmami. W tym artykule, skupimy się na tej replikacji DNA, która zachodzi w bakterii E. coli, ale mechanizmy replikacji są podobne u ludzi i innych eukariotów.
Spójrzmy na białka i enzymy, które przeprowadzają replikację, obserwując jak współpracują między sobą, aby zapewnić dokładną i kompletną replikację DNA.

Podstawowa idea

Replikacja DNA jest semikonserwatywna, co znaczy, że każda nić w podwójnej helisie działa jako matryca w syntezie nowej, komplementarnej nici.
Ten proces przenosi nas od jednej początkowej cząsteczki do dwóch cząsteczek "potomnych", każdej z nowo utworzoną podwójną helisą zawierającą jedną nową i jedną starą nić.
W pewnym sensie, to wszystko dzieje się w związku z replikacją DNA! Ale tym, co jest najbardziej interesujące w tym procesie, jest to, jak odbywa się on w komórce.
Komórki potrzebują kopiować swój DNA bardzo szybko i z bardzo małą ilością błędów (czyli niskim ryzykiem wystąpienia problemów takich jak nowotwór). Aby to osiągnąć, używają różnych enzymów i białek, które pracują razem, aby upewnić się, czy replikacja DNA odbywa się sprawnie i dokładnie.

Polimeraza DNA

Jedną z kluczowych cząsteczek w replikacji jest enzym polimeraza DNA. Polimeraza DNA jest odpowiedzialna za syntezę DNA: dodaje nukleotydy jeden za drugim do rosnącego łańcucha DNA, włączając tylko te, które są komplementarne do matrycy.
Oto kilka kluczowych cech polimeraz DNA:
  • Zawsze potrzebują matrycy
  • Mogą tylko dodawać nukleotydy do końca 3' nici DNA
  • Nie mogą zacząć tworzyć łańcucha DNA od zera, a wymagają wcześniej istniejącego łańcucha lub krótkiego odcinka nukleotydów nazywanego starterem
  • Dokonują korekty, czyli sprawdzają swoje własne działanie, usuwając znaczną większość "złych" nukleotydów, które są przypadkowo dodawane do łańcucha
Dodawanie nukleotydów wymaga energii. Ta energia pochodzi z samych nukleotydów, które mają trzy grupy fosforanowe dołączone do nich (podobnie jak niosąca energię cząsteczka ATP). Kiedy wiązanie między grupami fosforanowymi pęka, uwolniona energia jest wykorzystywana do tworzenia wiązania pomiędzy następnym nukleotydem i wydłużającym się łańcuchem.
U prokariotów takich jak E. coli, są dwie główne polimerazy DNA zaangażowane w replikację DNA: polimeraza DNA III (główny producent DNA) i polimeraza DNA I, która odgrywa kluczową rolę drugoplanową, którą później omówimy.

Rozpoczęcie replikacji DNA

Jak polimeraza DNA i inne czynniki replikacyjne wiedzą, gdzie mają zacząć działać? Replikacja zawsze rozpoczyna się w specyficznym miejscu na DNA, które jest nazywane miejscem rozpoczęcia replikacji i jest rozpoznawane przez jego sekwencję.
E. coli, jak większość bakterii, ma pojedyncze miejsce rozpoczęcia replikacji na swoim bakteryjnym chromosomie. Miejsce rozpoczęcia replikacji ma długość około 245245 par zasad i ma głównie pary zasad A/T (które są połączone ze sobą przez słabsze wiązania wodorowe niż między parami zasad G/C), tworząc nici DNA łatwiejsze do rozdzielenia.
Wyspecjalizowane białka rozpoznają miejsce rozpoczęcia replikacji, przyłączają się do niego i otwierają DNA. Jak DNA otwiera się, tworzone są dwie struktury przypominające literę Y nazywane widełkami replikacyjnymi, tworzącymi razem to, co nazywa się oczkiem replikacyjnym. Widełki replikacyjne będą poruszały się w przeciwnych kierunkach jak będzie kontynuowany proces replikacji.
Jak w rzeczywistości rozpoczyna się replikacja w widełkach? Helikaza jest pierwszym enzymem replikacyjnym, który jest umiejscawiany w miejscu rozpoczęcia replikacji3^3. Zadaniem helikazy jest przesuwanie widełek replikacyjnych dalej poprzez "odwracanie" DNA (zrywanie wiązań wodorowych pomiędzy zasadami azotowymi).
Białka nazywane białkami wiążącymi jednoniciowy DNA okrywają oddzielone nici DNA blisko widełek replikacyjnych, przeciwdziałając powracaniu ich do struktury podwójnej helisy.

Startery i prymaza

Polimerazy DNA może tylko dodawać nukleotydy do końca 3' istniejącej już nici. (Wykorzystują wolną grupę -OH znajdującą się na końcu 3' jako "hak", dodając nukleotyd do tej grupy w reakcji polimeryzacji.). Jak zatem polimeraza DNA dodaje pierwszy nukleotyd w nowych widełkach replikacyjnych?
Samodzielnie nie może! Problem jest rozwiązywany z pomocą enzymu nazywanego prymazą.Prymaza tworzy startery RNA, czyli krótkie odcinki kwasu nukleinowego komplementarne do matrycy, które zapewniają końcowi 3' to, że polimeraza DNA będzie funkcjonować. Typowy starter ma około pięć do dziesięciu nukleotydów długości. Starter rozpoczyna syntezę DNA, np. to teraz zaszło.
Kiedy starter RNA jest na swoim miejscu, polimeraza DNA "przedłuża" go przez dodawanie nukleotydu za nukleotydem, aby utworzyć nową nić DNA, która jest komplementarna do nici matrycowej.

Nici wiodąca i opóźniona

W E. coli polimeraza DNA, która zajmuje się większością syntezy, to polimeraza DNA III. Są dwie cząsteczki polimerazy DNA III w widełkach replikacyjnych, każda z nich ciężko pracuje nad jedną z dwóch nowych nici DNA.
Polimerazy DNA mogą tylko wytwarzać DNA w kierunku od 5' do 3' i to powoduje problem podczas replikacji. Podwójna helisa DNA jest zawsze antyrównoległa; innymi słowy, jedna nić biegnie w kierunku 5' do 3', kiedy druga biegnie w kierunku 3' do 5'. To sprawia, że jest niezbędne dla dwóch nowych nici, które są także antyrównoległe do swych matryc, aby były wytwarzane na nieco dwa różne sposoby.
Jedna nowa nić, która biegnie w kierunku od 5' do 3' ku widełkom replikacyjnym, jest tą łatwiejszą. Ta nić jest tworzona ciągle, ponieważ polimeraza DNA porusza się w tym samym kierunku, co widełki replikacyjne. Ta ciągle syntetyzowana nić jest nazywana nicią wiodącą.
Druga nowa nić, która biegnie od 5' do 3' oddala się od widełek, jest trudniejsza. Ta nić jest tworzona we fragmentach, ponieważ kiedy widełki replikacyjne poruszają się dalej, polimeraza DNA (która oddala się od widełek) musi odłączyć się i przemieścić w nowe, wyeksponowane DNA. Ta trudniejsza nić, która jest tworzona we fragmentach, jest nazywana nicią opóźnioną.
Małe fragmenty są określane fragmentami Okazaki, nazwane od japońskiego naukowca, który je odkrył. Nić wiodąca może wydłużać się od tylko jednego startera, kiedy nić opóźniona potrzebuje nowego startera dla każdego krótkiego fragmentu Okazaki.

Konserwacja i ekipa sprzątająca

Niektóre inne białka i enzymy, oprócz powyższych, są potrzebne, aby utrzymać ciągłe trwanie replikacji DNA. Jednym jest białko nazywane ruchomą obręczą, która utrzymuje polimerazę DNA III w miejscu, w którym syntetyzuje DNA. Ruchoma obręcz jest białkiem przypominającym obrączkę i utrzymuje polimerazę DNA nici opóźnionej przed odłączeniem, kiedy ponownie rozpoczyna syntezę nowego fragmentu Okazaki4^4.
Topoizomeraza także odgrywa ważną rolę konserwacyjną podczas replikacji DNA. Ten enzym przeciwdziała skręcaniu się podwójnej helisy przed widełkami replikacyjnymi, kiedy ta jest otwierana. Działa poprzez tworzenie tymczasowych nacięć w helisie, aby zmniejszyć napięcie, następnie łącząc nacięcia, co przeciwdziała trwałym uszkodzeniom.
Ostatecznie, jest niewiele sprzątania do wykonania, jeśli chcemy DNA, które nie zawiera ani RNA ani przerw. Startery RNA są usuwane i zastępowane przez DNA dzięki aktywności polimerazy DNA I, innej polimerazy zaangażowanej w replikację. Nacięcia, które pozostają po starterach są zastępowane i łączone przez enzym ligazę DNA.

Podsumowanie replikacji DNA w E. coli

Przyjrzyjmy się bliżej i zobaczmy jak enzymy i białka zaangażowane w replikację współpracują, aby syntetyzować nowe DNA.
  • Helikaza otwiera DNA w widełkach replikacyjnych.
  • Białka wiążące jednoniciowy DNA okrywają DNA wokół widełek replikacyjnych przeciwdziałając cofaniu DNA.
  • Topoizomeraza działa w regionie przez widełkami replikacyjnymi, aby przeciwdziałać superskrętom.
  • Prymaza syntetyzuje startery RNA komplementarnie do nici DNA.
  • Polimeraza DNA III wydłuża startery, dodając do końca 3', aby utworzyć większość nowego DNA.
  • Startery RNA są usuwane i zastępowane przez DNA dzięki polimerazie DNA I.
  • Przerwy pomiędzy fragmentami DNA są łączone przez ligazę DNA.

Replikacja DNA u eukariotów

Podstawy replikacji DNA są podobne pomiędzy bakteriami i eukariotami, takimi jak ludzie, ale istnieją także pewne różnice:
  • Eukarioty zwykle mają wiele liniowych chromosomów, każdy z wieloma miejscami rozpoczęcia replikacji. Ludzie mogą mieć do 100,100,000000 miejsc rozpoczęcia replikacji5^5!
  • Większość enzymów E. coli ma swoje odpowiedniki w eukariotycznej replikacji DNA, ale pojedynczy enzym w E. coli może być reprezentowany przez wiele enzymów u eukariotów. Na przykład, jest pięć ludzkich polimeraz DNA z ważnymi rolami w replikacji5^5.
  • Większość enzymów eukariotycznych jest liniowych. Z powodu tego, jak wytwarzana jest nić opóźniona, niektóre DNA jest tracone na końcach liniowych chromosomów (telomery) w każdej rundzie replikacyjnej.
Ładowanie