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13.6: 진핵 생물에서의 복제
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Biology

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Replication in Eukaryotes
 
전사물

13.6: Replication in Eukaryotes

13.6: 진핵 생물에서의 복제

Overview

In eukaryotic cells, DNA replication is highly conserved and tightly regulated. Multiple linear chromosomes must be duplicated with high fidelity before cell division, so there are many proteins that fill specialized roles in the replication process. Replication occurs in three phases: initiation, elongation, and termination, and ends with two complete sets of chromosomes in the nucleus.

Many Proteins Orchestrate Replication at the Origin

Eukaryotic replication follows many of the same principles as prokaryotic DNA replication, but because the genome is much larger and the chromosomes are linear rather than circular, the process requires more proteins and has a few key differences. Replication occurs simultaneously at multiple origins of replication along each chromosome. Initiator proteins recognize and bind to the origin, recruiting helicase to unwind the DNA double helix. At each point of origin, two replication forks form. Primase then adds short RNA primers to the single strands of DNA, which serve as a starting point for DNA polymerase to bind and begin copying the sequence. DNA can only be synthesized in the 5’ to 3’ direction, so replication of both strands from a single replication fork proceeds in two different directions. The leading strand is synthesized continuously, while the lagging strand is synthesized in short stretches 100-200 base pairs in length, called Okazaki fragments. Once the bulk of replication is complete, RNase enzymes remove the RNA primers and DNA ligase joins any gaps in the new strand.

Dividing the Work of Replication among Polymerases

The workload of copying DNA in eukaryotes is divided among multiple different types of DNA polymerase enzymes. Major families of DNA polymerases across all organisms are categorized by the similarity of their protein structures and amino acid sequences. The first families to be discovered were termed A, B, C, and X, with families Y and D identified later. Family B polymerases in eukaryotes include Pol α, which also functions as a primase at the replication fork, and Pol δ and ε, the enzymes that do most of the work of DNA replication on the leading and lagging strands of the template, respectively. Other DNA polymerases are responsible for such tasks as repairing DNA damage,copying mitochondrial and plastid DNA, and filling in gaps in the DNA sequence on the lagging strand after the RNA primers are removed.

Telomeres Protect the Ends of the Chromosomes from Degradation

Because eukaryotic chromosomes are linear, they are susceptible to degradation at the ends. To protect important genetic information from damage, the ends of chromosomes contain many non-coding repeats of highly conserved G-rich DNA: the telomeres. A short single-stranded 3’ overhang at each end of the chromosome interacts with specialized proteins, which stabilizes the chromosome within the nucleus. Because of the manner in which the lagging strand is synthesized, a small amount of the telomeric DNA cannot be replicated with each cell division. As a result, the telomeres gradually get shorter over the course of many cell cycles and they can be measured as a marker of cellular aging. Certain populations of cells, such as germ cells and stem cells, express telomerase, an enzyme that lengthens the telomeres, allowing the cell to undergo more cell cycles before the telomeres shorten.

개요

진핵 세포에서 DNA 복제는 매우 보존되고 엄격하게 규제됩니다. 다중 선형 염색체는 세포 분열 전에 높은 충실도로 복제되어야 하므로 복제 과정에서 특수 한 역할을 채우는 많은 단백질이 있습니다. 복제는 개시, 신장 및 종단의 세 단계로 발생하며 핵에 있는 두 개의 완전한 염색체 세트로 끝납니다.

많은 단백질이 원점에서 복제를 오케스트레이션합니다.

진핵 복제는 원핵 DNA 복제와 같은 원리의 많은 따릅니다, 그러나 게놈이 훨씬 더 크고 염색체가 원형보다는 선형이기 때문에, 프로세스는 더 많은 단백질을 요구하고 몇몇 중요한 다름이 있습니다. 복제는 각 염색체를 따라 여러 원점에서 동시에 발생합니다. 이니에이터 단백질은 DNA 이중 나선을 풀기 위해 헬리콥터를 모집하여 기원을 인식하고 결합합니다. 각 원점에서 두 개의 복제 포크가 형성됩니다. 그런 다음 Primase는 DNA 폴리머라아제의 시작점으로 서열을 결합하고 복사하기 시작하는 DNA의 단일 가닥에 짧은 RNA 프라이머를 추가합니다. DNA는 5' ~ 3' 방향으로만 합성될 수 있으므로 단일 복제 포크에서 두 가닥을 복제하면 두 가지 방향으로 진행됩니다. 선행 가닥은 지속적으로 합성되며, 뒤쳐지는 가닥은 오카자키 조각이라고 불리는 길이100-200개의 기본 쌍으로 짧은 길이로 합성됩니다. 복제의 대부분이 완료되면, RNase 효소는 RNA 프라이머를 제거하고 DNA 리갈아제는 새로운 가닥의 간격에 합류한다.

복제 작업을 중합체로 나누기

진핵생물에 있는 DNA를 복사하는 워크로드는 DNA 폴리머라제 효소의 다중 다른 모형 사이에서 분할됩니다. 모든 유기체에 걸쳐 DNA 중합체의 주요 가족은 단백질 구조와 아미노산 서열의 유사성에 의해 분류됩니다. 발견된 첫 번째 가족은 A, B, C, X로 불려졌으며, 나중에 Y와 D 가족이 확인되었다. 진핵생물의 패밀리 B 폴리머라제에는 복제 포크에서 프리마아제로서 기능하는 Pol α, 폴 δ 및 θ, 템플릿의 선행 및 지연 가닥에 대한 DNA 복제의 대부분의 작업을 수행하는 효소가 각각 포함된다. 그밖 DNA 폴리머는 RNA 프라이머가 제거된 후에 DNA 손상을 복구하고, 미토콘드리아 및 플라스티드 DNA를 복사하고, 뒤쳐지는 가닥에 DNA 순서에 있는 간격을 채우는 것과 같은 업무를 책임집니다.

텔로미어는 염색체의 끝을 분해로부터 보호합니다.

진핵 염색체는 선형이기 때문에 끝에 저하되기 쉽습니다. 손상으로부터 중요한 유전 정보를 보호하기 위해 염색체의 끝에는 고도로 보존된 G-풍부한 DNA인 텔로미어의 많은 비코딩 반복이 포함되어 있습니다. 염색체의 각 끝에 있는 짧은 단 하나 좌초 3' 오버행은 핵 내의 염색체를 안정시키는 전문화한 단백질과 상호 작용합니다. 지연 가닥이 합성되는 방식 때문에 소량의 텔로머 DNA는 각 세포 분열로 복제 할 수 없습니다. 그 결과, 텔로미어는 많은 세포 주기의 과정을 통해 점차적으로 짧아지고 세포 노화의 마커로 측정될 수 있습니다. 세균 세포 및 줄기 세포와 같은 세포의 특정 인구는 텔로미어를 길게 하는 효소인 텔로머라아제를 표현하여 세포가 텔로미어가 단축되기 전에 더 많은 세포 주기를 겪을 수 있게 합니다.


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