DNR replikacija: procesas, mechanizmas ir kontrolė ląstelėse

DNR replikacija – tai dvigubos grandininės DNR molekulės kopijavimo procesas, kurio metu kiekviena pradinės dvigubos grandinės grandis tarnauja kaip šablonas priešingos grandinės sintezei. Dėl to replikacija vadinama pusiau konservatyvia: naujoje DNR molekulėje viena grandis yra iš pradinės molekulės, kita – naujai susintetinta. Replikacija yra gyvybiškai svarbi procesas, leidžiantis ląstelėms dalintis ir perduoti genetinę informaciją dukterinėms ląstelėms.

Kur ir kaip prasideda replikacija

Replikacija prasideda genomo specifinėse vietose, vadinamose pradžiomis (origins). Ląstelėje DNR branduoliukas arba nukleoidėse esančios pradinės vietos žymi vietas, kur DNR dviguba grandinė pradinama išvynioti. Išvyniojimo vietoje atsiranda replikacijos burbulas ir du replikacijos šakutės, kuriose vyksta naujų grandinių sintezė. Replikacija dažnai yra bidirekcinė: nuo vienos pradžios šakutės progresuoja dvi kryptys.

Pagrindiniai fermentai ir kiti baltymai

Replikacijos šakutėje veikia daug baltymų ir fermentų. Be minėtų DNR polimerazių, svarbūs komponentai yra:

Helikazės – atpina dvigubą grandinę ir atskiria grandines.
Single-strand binding (SSB) baltymai – prisijungia prie viengrandžių regionų ir stabdo jų vėl susijungimą arba susidarymą antrinių struktūrų.
Primazė (RNA primazė) – sintetina trumpus RNR pradmenis (primerus), kurių reikia DNR polimerazėms pradėti sintezę.
DNR polimerazės – prideda nukleotidus naujai grandinei, visada sintezuodamos 5'→3' kryptimi; daugeliui jų būdinga koreguojanti 3'→5' exonukleazės aktyvumo forma, leidžianti pašalinti klaidas (proofreading).
Topomerazės / gyrazės – mažina supjaudytos grandinės įtampą, kuri susidaro vykstant atvėrimui ir sintezei.
DNR ligazė – sujungia Okazaki fragmentus antrajame grandyje, sudarydama vientisą fosfodiesterinę grandinę.
Kiti fermentai – padeda pradėti ir tęsti sintezę bei dalyvauja tikrinimo ir taisymo procesuose.

Veda ir atsilikusi grandinė: kaip sintezuojamos dvi grandys

DNR polimerazė gali sintezuoti grandinę tik 5'→3' kryptimi. Kadangi dvi pradinės grandinės yra antiparalelės, vienoje šakutės pusėje susiformuoja vedančioji (leading) grandinė, kuri sintezuojama nuolat, o priešingoje pusėje – atsilikusi (lagging) grandinė, kuri sintezuojama diskretiškai trumpais Okazaki fragmentais. Kiekvienam Okazaki fragmentui pradėti reikalingas naujas RNR pradmuo, o vėliau RNR iškarpoma ir vietoj jos įterpiami DNR nukleotidai; fragmentai sujungiami DNR ligazės.

Iniciacijos skirtumai: prokariotai ir eukariotai

Replikacijos valdymas skiriasi tarp organizmų. Replikacijos kontrolė prokariotiniuose ir eukariotiniuose organizmuose šiek tiek skiriasi:

Prokariotams (pvz., E. coli) dažniausiai užtenka vienos arba kelių pradžių, replikacija yra greita ir dažnai vyksta nuo vieno pradžios taško bidirekciškai. Kai kuriose bakterijose terminacija kontroliuojama specifinėmis ter vietomis ir baltymais (pvz., Tus).
Eukariotai turi daug pradžių (tūkstančiai) per chromosomą, todėl replikacija vyksta iš kelių vietų vienu metu. Iniciacijai būtinas sudėtingas lizikas: pradžių atpažinimo kompleksas (ORC), lizavimo baltymai (Cdc6, Cdt1) ir MCM helicazės apsirūpinimas. Be to, pirmyn žengia griežta laiko tvarka – replikacijos pradžios aktyvacija vyksta S fazėje ir reguliuojama fosforilinimo vandens bei ciklinkinazių (CDK) ir DDK aktyvumo.

Kontrolė, tikrinimo mechanizmai ir klaidų taisymas

Norint išlaikyti genomą stabilų, ląstelėse veikia keli kontrolės lygiai:

Proofreading: dauguma DNR polimerazių turi 3'→5' exonukleazės aktyvumą, kuris pašalina neteisingai įterptus nukleotidus.
Mismatch repair (MMR): po replikacijos atpažįsta ir taiso likusias bazines poras, kurios neatitinka, mažindamas mutacijų dažnį.
Replikacijos kontrolės taškai (checkpoints): esant replikacijos streso ar DNR pažeidimų, suaktyvinami signaliniai keliai (pvz., ATR/ATM eukariotams), kurie stabdo ciklą, kad būtų suteiktas laikas taisymui.
Licencijavimas (eukariotams): pradinės vietos yra „paruošiamos“ tik tam tikru ląstelės ciklo momentu, kad būtų išvengta replikuotos srities dubliavimo per tą patį ciklą.

Problemos replikacijos metu ir jų sprendimas

Replikacijos metu gali kilti kliūčių: DNR pažeidimai, antrinės struktūros (pvz., G-quadrupleksai), susidūrimas su transkripcija ar ribosomomis. Ląstelės naudoja topomerazes, specialius rekombinacijos mechanizmus ir DNR taisymo kelius, kad išspręstų šias problemas ir užkirstų kelią chromosomų suskaidymui arba genominiam nestabilumui.

Terminatoriai ir telomerai

Replikacijos užbaigimas (terminacija) gali vykti skirtingais būdais: prokariotams dažnai yra specifinės ter vietos, o eukariotams dvi replikuojančios šakutės susitinka ir yra sujungtos. Lineariose eukariotų chromosomose kyla vadinamasis end‑replication problem – po kiekvienos replikacijos trumpėja chromosomų telomerai. Šią problemą sprendžia telomerazė, fermentas, kuris sintetina papildomą DNR telomerinėse sekose ir taip apsaugo chromosomos galus nuo nuolatinio trumpėjimo.

Replikacijos reikšmė ir pasekmės

Tikslingas ir kontroliuojamas DNR kopijavimas yra būtinas gyvūnų, augalų, bakterijų ir kitų organizmų gyvybei. Net nedidelis klaidų lygio padidėjimas gali sukelti mutacijas, kurios prisideda prie ligų (įskaitant vėžį) atsiradimo. Todėl replikacijos mechanizmų supratimas yra svarbus tiek pagrindinei biologijai, tiek medicinai ir biotechnologijoms.

DNR replikacija. Dviguba spiralė išvyniojama ir kiekviena grandinė veikia kaip šablonas. Bazės suderinamos, kad būtų galima sintetinti naujas partnerių grandines.

DNR polimerazė

DNR polimerazės - tai fermentų šeima, vykdanti visas DNR replikacijos formas. Tačiau DNR polimerazė gali tik pratęsti esamą DNR grandinę, suporuotą su šablono grandine; ji negali pradėti naujos grandinės sintezės. Norint pradėti sintezę, sukuriamas trumpas DNR arba RNR fragmentas, vadinamas "pradmeniu", kuris suporuojamas su šablonine DNR grandine.

Apskritai DNR polimerazės yra labai tikslios - jos padaro mažiau nei vieną klaidą iš 10⁷ (10 milijonų) pridėtų nukleotidų. Nepaisant to, kai kurios DNR polimerazės taip pat turi "korektūros" gebėjimą: jos gali pašalinti nukleotidus iš grandinės galo, kad ištaisytų nesutampančias bazes.

DNR replikacijos šakutėje dalyvauja daug fermentų.

DNR remontas

Ląstelėse esanti DNR yra nuolat pažeidžiama. Ląstelių branduolyje yra daugybė taisomųjų mechanizmų, kurie ištaiso beveik visus šiuos pažeidimus. "Didelis DNR taisymo fermentų rinkinys nuolat skenuoja DNR ir taiso visus pažeistus nukleotidus".

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra DNR replikacija?

A: DNR replikacija - tai dvigubos grandinės DNR molekulės kopijavimo procesas.

K.: Kas yra šablonas priešingos grandinės atkūrimui DNR replikacijos metu?

A: Replikacijos metu abi grandinės yra šablonai priešingos grandinės atkūrimui.

K: Kodėl DNR replikacija kartais vadinama "pusiau konservatyvia replikacija"?

A: DNR replikacija kartais vadinama "pusiau konservatyvia replikacija", nes naujoje DNR iš pradinės grandinės yra pusė pradinės ir pusė naujai susintetintos DNR.

K: Kokiose gyvybės formose vyksta DNR replikacija?

A: DNR replikacija vyksta visose gyvybės formose, turinčiose DNR.

K: Ar skiriasi DNR replikacijos kontrolė prokariotiniuose ir eukariotiniuose organizmuose?

A: Taip, prokariotinių ir eukariotinių organizmų DNR replikacijos kontrolė šiek tiek skiriasi.

K: Kur ląstelėje prasideda DNR replikacija?

A: Ląstelėje DNR replikacija prasideda tam tikrose genomo vietose, vadinamose pradžiomis.

K: Kokie fermentai, be DNR polimerazės, padeda pradėti ir tęsti DNR sintezę replikacijos šakutėje DNR replikacijos metu?

A: Be DNR polimerazės, kiti fermentai šakutėje padeda pradėti ir tęsti DNR sintezę.