Replicatie in eukaryoten

In eukaryotische cellen is de DNA-replicatie in hoge mate geconserveerd en strak gereguleerd. Meerdere lineaire chromosomen moeten vóór de celdeling met hoge betrouwbaarheid worden gedupliceerd, dus er zijn veel eiwitten die een gespecialiseerde rol vervullen in het replicatieproces. Replicatie vindt plaats in drie fasen: initiatie, verlenging en beëindiging, en eindigt met twee volledige sets chromosomen in de kern.

Veel eiwitten orkestreren de replicatie bij de oorsprong

Eukaryotische replicatie volgt veel van dezelfde principes als prokaryotische DNA-replicatie, maar omdat het genoom veel groter is en de chromosomen lineair zijn in plaats van circulair, vereist het proces meer eiwitten en kent het een paar belangrijke verschillen. Ten eerste vindt replicatie bij eukaryoten, in tegenstelling tot prokaryoten, gelijktijdig plaats op meerdere replicatie-oorsprongen langs elk chromosoom. Initiatoreiwitten herkennen en binden zich aan deze oorsprong en recruteren helicase-eiwitten om de dubbele DNA-helix af te wikkelen. Op elk punt van oorsprong vormen zich twee replicatievorken. Primase voegt vervolgens korte RNA-primers toe aan de afzonderlijke DNA-strengen, die dienen als startpunt voor DNA-polymerase om te binden en de sequentie te kopiëren. DNA kan alleen in de 5'-naar-3'-richting worden gesynthetiseerd, dus de replicatie van beide strengen vanaf een enkele replicatievork verloopt in twee verschillende richtingen. De leidende streng wordt continu gesynthetiseerd, terwijl de achterblijvende streng wordt gesynthetiseerd in korte stukken van 100-200 basenparen lang, de zogenaamde Okazaki-fragmenten. Zodra het grootste deel van de replicatie voltooid is, verwijderen RNase-enzymen de RNA-primers, vult DNA-polymerase de gaten op en dicht DNA-ligase de gaten in de nieuwe streng af.

Het verdelen van het replicatiewerk over polymerasen

De werklast van het kopiëren van DNA in eukaryoten is verdeeld over meerdere verschillende soorten DNA-polymerase-enzymen. Grote families van DNA-polymerasen in alle organismen worden gecategoriseerd op basis van de gelijkenis van hun eiwitstructuren en aminozuursequenties. De eerste families die ontdekt werden, werden A, B, C en X genoemd, terwijl de families Y en D later werden geïdentificeerd. Familie B-polymerasen in eukaryoten omvatten Pol α, dat ook functioneert als een primase bij de replicatievork, en Pol δ en ε, de enzymen die het meeste werk van DNA-replicatie op respectievelijk de leidende en achterblijvende strengen van de matrijs doen. Andere DNA-polymerasen zijn verantwoordelijk voor taken als het repareren van DNA-schade, het kopiëren van mitochondriaal en plastide-DNA en het opvullen van gaten in de DNA-sequentie op de achterblijvende streng nadat de RNA-primers zijn verwijderd.

Telomeren beschermen de uiteinden van de chromosomen tegen afbraak

Omdat eukaryote chromosomen lineair zijn, zijn ze aan de uiteinden vatbaar voor afbraak. Om belangrijke genetische informatie tegen schade te beschermen, bevatten de uiteinden van chromosomen veel niet-coderende herhalingen van sterk geconserveerd G-rijk DNA, de telomeren. Een korte enkelstrengige 3'-overhang aan elk uiteinde van het chromosoom interageert met gespecialiseerde eiwitten, die het chromosoom in de kern stabiliseren. Vanwege de manier waarop de achterblijvende streng wordt gesynthetiseerd, kan een kleine hoeveelheid van het telomere DNA niet bij elke celdeling worden gerepliceerd. Als gevolg hiervan worden de telomeren in de loop van vele celcycli geleidelijk korter, en kunnen ze dus worden gemeten als een marker voor cellulaire veroudering. Bepaalde celpopulaties, zoals kiemcellen en stamcellen, brengen telomerase tot expressie, een enzym dat de telomeren verlengt, waardoor de cel meer celcycli kan ondergaan voordat de telomeren korter worden.