13.6: Replikacja u eukariontów

Przegląd

W komórkach eukariotycznych replikacja DNA jest wysoce konserwatywna i ściśle regulowana. Wiele chromosomów liniowych musi zostać zduplikowanych z dużą wiernością przed podziałem komórki, dlatego istnieje wiele białek, które pełnią wyspecjalizowane role w procesie replikacji. Replikacja przebiega w trzech fazach: inicjacji, elongacji i terminacji i kończy się dwoma kompletnymi zestawami chromosomów w jądrze.

Wiele białek organizuje replikację w miejscu pochodzenia

Replikacja eukariotyczna opiera się na wielu tych samych zasadach, co replikacja DNA prokariotycznego, ale ponieważ genom jest znacznie większy, a chromosomy są raczej liniowe niż kołowe, proces ten wymaga większej ilości białek i ma kilka kluczowych różnic. Replikacja zachodzi jednocześnie w wielu miejscach początku replikacji wzdłuż każdego chromosomu. Białka inicjujące rozpoznają i wiążą się z początkiem, rekrutując helikazę do rozwinięcia podwójnej helisy DNA. W każdym punkcie początkowym tworzą się dwa widełki replikacyjne. Następnie prymasa dodaje krótkie startery RNA do pojedynczych nici DNA, które służą jako punkt wyjścia dla polimerazy DNA do wiązania się i rozpoczęcia kopiowania sekwencji. DNA można syntetyzować tylko w kierunku od 5’ do 3’, zatem replikacja obu nici z pojedynczego widełka replikacyjnego przebiega w dwóch różnych kierunkach. Nić wiodąca jest syntetyzowana w sposób ciągły, podczas gdy nić opóźniona jest syntetyzowana w krótkich odcinkach o długości 100-200 par zasad, zwanych fragmentami Okazaki. Po zakończeniu większości replikacji enzymy RNazy usuwają startery RNA, a ligaza DNA łączy wszelkie przerwy w nowej nici.

Podział pracy replikacji pomiędzy polimerazy

Nakład pracy związany z kopiowaniem DNA u eukariontów jest podzielony pomiędzy wiele różnych typów enzymów polimerazy DNA. Główne rodziny polimeraz DNA we wszystkich organizmach są klasyfikowane na podstawie podobieństwa ich struktur białkowych i sekwencji aminokwasów. Pierwsze odkryte rodziny nazwano A, B, C i X, a rodziny Y i D zidentyfikowano później. Polimerazy z rodziny B u eukariontów obejmują Pol α, która działa również jako prymaza w widełkach replikacyjnych, oraz Pol δ and ε, enzymy, które wykonują większość pracy związanej z replikacją DNA, odpowiednio na nici wiodącej i opóźnionej matrycy. Inne polimerazy DNA odpowiadają za takie zadania, jak naprawa uszkodzeń DNA, kopiowanie mitochondrialnego i plastydowego DNA oraz wypełnianie luk w sekwencji DNA na nici opóźnionej po usunięciu starterów RNA.

Telomery chronią końce chromosomów przed degradacją

Ponieważ chromosomy eukariotyczne są liniowe, są podatne na degradację na końcach. Aby chronić ważną informację genetyczną przed uszkodzeniem, końce chromosomów zawierają wiele niekodujących powtórzeń wysoce konserwatywnego DNA bogatego w G: telomery. Krótki jednoniciowy zwis 3’ na każdym końcu chromosomu oddziałuje z wyspecjalizowanymi białkami, które stabilizują chromosom w jądrze. Ze względu na sposób syntezy nici opóźnionej niewielka ilość telomerowego DNA nie może być replikowana podczas każdego podziału komórki. W rezultacie telomery stopniowo ulegają skróceniu w trakcie wielu cykli komórkowych i można je zmierzyć jako marker starzenia się komórek. Niektóre populacje komórek, takie jak komórki rozrodcze i komórki macierzyste, wykazują ekspresję telomerazy, enzymu, który wydłuża telomery, umożliwiając komórce przejście większej liczby cykli komórkowych, zanim telomery się skrócą.

Większość czynników prokariotycznych wykorzystywanych podczas replikacji ma odpowiedniki, które odgrywają podobne role w duplikacji eukariotycznego DNA.

Ten proces jest inicjowany w początku replikacji, z którym wiąże się kompleks rozpoznawania. Helikaza jest następnie przyciągana do tego miejsca i oddziela nici DNA, generując bąbel za pomocą dwóch widełek.

Primase również przybywa i generuje startery RNA, które wraz z ruchem helikazy polimeraza DNA wydłuża się z nowym DNA. Podobnie jak u prokariontów, nowo utworzona nić wiodąca rośnie w sposób ciągły, podążając za widełkami replikacyjnymi.

I odwrotnie, opóźniona żyła jest wytwarzana w małych fragmentach Okazaki, poruszających się naprzeciwko widelca.

Ze względu na wiele czynników, matryca DNA używana do generowania nici wiodącej w 1/2 tej struktury tworzy nić opóźnioną w drugiej.

Co ciekawe, na liniowym chromosomie eukariotycznym istnieją różne początki replikacji, a replikacja kończy się, gdy powiązane z nimi sfery łączą się. Startery są następnie eliminowane przez enzymy, takie jak RNAZA i zamieniane na DNA. Następnie ligaza DNA przyłącza dowolne segmenty.

Jednakże, gdy końcowy starter znika z opóźnionej nici, przestrzeń pozostaje pusta, a przylegający do niej jest nieskopiowany odcinek matrycy DNA. Aby temu zapobiec, enzym zwany telomerazą przyłącza się do zwisającego obszaru i wydłuża go za pomocą niekodującej sekwencji DNA.

Prymaza i polimeraza DNA działają na ten rozszerzony region, tworząc czapeczkę telomerową, która chroni przed utratą kodującego DNA z opóźnionej nici podczas wielokrotnych replikacji.

Tak więc replikacja eukariotycznego DNA kończy się dwiema cząsteczkami DNA, z których każda ma nić rodzicielską i nowo zsyntetyzowaną, liczne początki replikacji i telomery.