DNA replication is carried out by a large complex of proteins that act in a coordinated matter to achieve high-fidelity DNA replication. Together this complex is known as the DNA replication machinery or the replisome.
The synthesis of the leading and lagging strands is a highly coordinated process. To explain this, the “Trombone model” was proposed by Bruce Alberts in 1980. The DNA loop formation starts when a primer is synthesized on the parent lagging strand. The loop grows with the synthesis of an Okazaki fragment and finally dissolves when synthesis of the fragment ends. The DNA polymerase then attaches to another primer and the whole cycle, from loop formation to collapse, is repeated. The replisome allows all of the activities to be coordinated as a replication machinery complex.
Replisome components
Helicases unwind and separate double-stranded DNA These enzymes are present as a single hexamer ring in prokaryotes and as a double hexamer ring in eukaryotes. Eukaryotic helicases depend on additional proteins, Cdc45 and GINS, to function. Single-stranded DNA binding (SSB) proteins keep the DNA strands from reannealing. In prokaryotes, SSBs consist of a single subunit, whereas in eukaryotes, they are a heterotrimeric protein known as replication protein A (RPA).
Primase adds an RNA primer to where DNA synthesis will originate. In prokaryotes, primase is present as a single subunit enzyme called DnaG, which synthesizes an RNA primer of around 12 nucleotides. In eukaryotes, a multisubunit enzyme, DNA polymerase-α primase, synthesizes an RNA-DNA hybrid primer of around 25 nucleotides. In addition to polymerase-α, replicative polymerase will extend the newly synthesized DNA. While a single type of replicative polymerase, DNA polymerase III, is present in prokaryotes, two different types of replicative polymerases, Pol ε and Pol δ, are present in eukaryotes, for leading strand and lagging strand synthesis, respectively.
Sliding Clamp proteins keep the polymerases attached to the DNA template. β-clamp, a homodimeric protein, acts as the clamp in prokaryotes. In eukaryotes, the same task is performed by proliferating cell nuclear antigen (PCNA), a homotrimeric protein. The central pore of the sliding clamp is positively charged, which enables it to have electrostatic interactions with the negatively charged phosphate backbone of the DNA. The clamp is attached to the DNA by a Clamp Loader. These pentameric proteins belong to the AAA+ class of ATPases. The eukaryotic clamp loader is known as replication factor C, while the prokaryotic E. coli clamp loader is known as the γ complex; however, the clamp proteins and clamp loaders are thought to be evolutionary homologs unlike many other components of the replisome.
DNA 복제는 DNA 복제 기계 또는 리플리솜(replisome)으로 알려진 고도로 조정된 다중 단백질 어셈블리에 의해 수행되며, 이는 DNA 복제의 효율성을 높입니다.
이 기계의 핵심 구성 요소는 헬리카제(helicase), 단일 가닥 DNA 결합 단백질(single-strand DNA binding protein), DNA 프리마제(DNA primase), 슬라이딩 클램프(sliding clamp), 클램프 로더(clamp loader) 및 다중 DNA 중합효소(multiple DNA polymerase)이며, 이들은 모두 복제 포크 근처에서 서로 연결되어 있습니다.
복제 DNA 중합효소는 약 10개의 뉴클레오티드의 진행도를 가지며, 이는 템플릿 가닥에서 해리되기 전에 딸 가닥에 추가할 수 있는 뉴클레오티드의 수입니다.
이것은 합리적인 시간 내에 전체 게놈을 복사하는 데 너무 비효율적이며 이 문제는 슬라이딩 클램프 단백질의 도움으로 해결됩니다.
ATP가 클램프 로더 단백질과 결합할 때, 이 단백질은 슬라이딩 클램프에 결합하고 이를 열어 고리 모양의 구조가 프라이머-템플릿 DNA 복합체를 둘러쌀 수 있도록 합니다. 일단 결합되면, 클램프 로더는 ATP를 ADP로 가수분해하여 클램프 로더가 분리되고 클램프가 DNA 주위에서 닫히게 합니다.
그런 다음 DNA 중합효소는 클램프 단백질에 결합하고 함께 주형 DNA를 따라 미끄러지면서 DNA 중합효소를 가닥에 묶고 진행도를 최대 1000개의 뉴클레오티드까지 증가시킵니다.
이렇게 증가된 진행도를 통해 DNA 중합효소는 선행 가닥에서 연속적인 DNA 복제를 수행할 수 있습니다.
그러나 지연 가닥 주형에서 다른 DNA 중합효소는 DNA 중합효소 분자가 선행 가닥과 지연 가닥을 동시에 합성할 수 있도록 하는 방식으로 불연속 DNA 복제를 수행합니다. 이 과정은 때때로 “트롬본 모델”로 설명됩니다.
지연된 가닥과 그 주형 가닥은 DNA 중합효소가 RNA 프라이머에서 오카자키 단편 합성을 시작할 때 루프를 형성합니다.
DNA 루프는 헬리카제가 DNA를 풀고 지연 가닥이 합성됨에 따라 양방향에서 성장합니다.
DNA 중합효소가 다음 RNA 프라이머를 만나면 템플릿 가닥에서 분리됩니다.한편, primase는 지연 가닥에 또 다른 프라이머를 추가하고 성장하는 DNA 루프가 해제됩니다.
클램프 및 클램프 로더 단백질을 사용하면 DNA 중합효소가 프라이밍된 DNA 템플릿과 빠르게 재결합할 수 있습니다.
DNA 루프의 형성 및 부분 서열 붕괴는 각각의 새로운 오카자키 단편의 합성과 함께 반복됩니다.
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