Кіріспе
Молекулалық кешен
Реплисома – ДНК-ның көшірмеленуін жүзеге асыратын күрделі молекулалық машина. Реплисома ең бастап қос спиральды ДНК-ны екі жеке тізбекке айналдырады. Нәтижеде пайда болған әрбір жеке тізбек үшін ДНК-ның жаңа толықтырылатын тізбегі синтезделеді. Соның нәтижесінде бастапқы қос спиральды ДНК тізбегінің нақты көшірмелері болып табылатын екі жаңа қос спиральды ДНК тізбегі пайда болады. Құрылымы тұрғысынан, реплисома екі көшірме полимераза кешенінен тұрады, олардың біреуі жетекші тізбекті, ал екіншісі артта қалған тізбекті синтездейді. Реплисоманың құрамына геликаза, RFC, PCNA, гираза/топоизомераза, SSB/RPA, примаза, ДНК полимераза III, РНКаза H және ДНК лигаза сияқты бірнеше белоктар кіреді.
Прокариоттық ДНК репликация процесінің жалпы сипаттамасы
Прокариоттар үшін әр бөлінетін нуклеоид (ядро емес, генетикалық материалды қамтитын аймақ) екі бағытты репликация үшін екі реплисома қажет етеді. Екі реплисома жасушаның ортасындағы екі тораптан да репликацияны жалғастырады. Ақырында, тоқтату орны репликацияланғанда, екі реплисома ДНК-дан ажырасады. Реплисома жасуша мембранасына бекітілген, жасушаның ортасындағы тұрақты орнында қалады, ал ДНК матрицасы оның ішінде өтеді. ДНК жасуша мембранасында орналасқан тұрақты реплисома жұбы арқылы беріледі.
Эукариотикалық ДНК репликация процесінің жалпы сипаттамасы
Эукариоттар үшін хромосома бойында репликация бастамаларында көптеген репликациялық көпіршіктер қалыптасады. Прокариоттардағы сияқты, әрбір репликация бұршағында, репликациялық көпіршіктің соңында екі реплисома қажет. Хромосома өлшемдеріндегі маңызды айырмашылықтар және жоғары тығыздықталған хромосомалардың күрделілігіне байланысты, эукариоттардағы ДНК репликация процесінің түрлі аспектілері, соның ішінде соңғы фазалары, прокариоттарға қарағанда жақсы сипатталмаған.
ДНҚ-ның репликациясын жүргізудегі қиындықтарды шешу
Көптеген құрылымдық және химиялық проблемалар, ДНҚ репликациясымен байланысты, түрлер арасында жоғары сақталатын молекулалық машинариямен шешіледі. Бұл бөлім репликасома факторларының ДНҚ репликациясының құрылымдық және химиялық қиындықтарын қалай еңсеріп, шешетінін талқылайды.
Екі қабатты бөлме
ДНҚ екі антипараллель тізбектен тұратын дуплекс болып табылады. Меселсон-Сталдың көрсетуінше, ДНК репликациясы жартылай сақталушы болып келеді, яғни репликация барысында бастапқы ДНК дуплексі екі ұрпақ тізбекке (жетекші және артта қалған тізбек қалыптары деп аталады) ажыратылады. Әрбір ұрпақ тізбек жаңа ДНК дуплексінің құрамына кіреді. Дюплексті айналдырып бөлуге арналған, геликазалар деп жалпылама аталатын факторлар қатысады.
Геликастар
Геликаза - ДНК-ның ортасындағы негіз жұптары арасындағы сутекті байланыстарды үзуге қабілетті фермент. Оның донат тәрізді құрылымы ДНК-ны орап алып, ДНК синтезі алдында екі жіпті бөліп тұрады. Эукариоттарда Mcm2-7 комплексі геликаза қызметін атқарады, алайда геликаза активтілігі үшін қандай суббірліктер қажет екені толыққанды анықталмаған. Бұл геликаза ДНК полимеразамен бір бағытта жылғалыстайды (шаблондық жіпке қатысты 3'-ден 5'-ке қарай). Прокариоттарда геликазалар жақсырақ зерттелген, олардың қатарында ДНК полимеразаға қарама-қарсы жіпте 5'-ден 3'-ке қарай жылғалыстайтын dnaB бар.
Суперкольді және тізбекті ажырату
Геликаза екі спиральды айналдырғанда, геликазаның айналма қозғалысынан туындайтын топологиялық өзгерістер геликаза алдындағы суперкоилдің қалыптасуына себеп болады (жіпті бұрағанда болатын жағдайға ұқсас).
Гиразалар мен топоизомеразалар
Гираза (топоизомеразаның бір түрі) геликазаның қызметінен туындаған суперспиральдік ширығуды босатады және жояды. Ол ДНК тізбектерін кесіп, олардың айналуына және суперспиральдік ширығудың тоқтауына мүмкіндік береді, содан кейін тізбектерді қайта қосады. Гираза көбінесе репликация шанышқысының алдында, суперспиральдер қалыптасатын жерде кездеседі.
Примаза
Прокариоттарда примаза жаңа бөлінген жетекші және артта қалған тізбектердің басында РНҚ праймерін синтездейді.
ДНК полимераза альфа
Эукариоттарда ДНК полимераза альфа жаңа бөлінген жетекші және артта қалған жіптердің басында РНК праймерін жасайды, және примазадан өзгеше, ДНК полимераза альфа праймер жасағаннан кейін дезоксинуклеотидтердің қысқа тізбегін синтездейді.
Процессивтілік пен синхрондылықты қамтамасыз ету
Процессивтілік ДНК репликациясының жылдамдығы мен үзділігін көрсетеді, ал жоғары процессивтілік уақтылы репликация үшін қажетті шарт. Жоғары процессивтілік, ішінара, сақина тәрізді ақуыздармен қамтамасыз етіледі, олар "қысқыштар" деп аталады және репликациялық полимеразалардың жетекші және кідіріс тізбектерімен байланыста қалуына көмектеседі. Басқа да факторлар бар: химиялық тұрғыдан алғанда, тізбек байланыстыратын ақуыздар полимерленуді ынталандырады және реакция үшін қосымша термодинамикалық энергия ұсынады. Жүйелік тұрғыдан қарағанда, көптеген реплисома факторларының құрылымы мен химиясы (мысалы, жеке қысқыштарды жүктеу суббірліктерінің AAA+ АТФаза ерекшеліктері, олардың қабылдаған спиральді конформациясы), сондай-ақ қысқыштарды жүктеу факторлары мен басқа да қосымша факторлар арасындағы байланыстар процессивтілікті арттырады. Куриян және авторлар тобының зерттеулеріне сәйкес, олардың приминг ферменттері және репликациялық полимеразалар сияқты басқа факторларды тарту және байланыстырудағы рөліне байланысты, қысқыштарды жүктеушілер мен жылғыш қысқыштар реплисома машинасының орталық бөлігін құрайды. Зерттеулер қысқыштарды жүктеу және жылғыш қысқыштар факторлары репликация үшін өте маңызды екенін көрсетті, бұл қысқыштарды жүктеу және жылғыш қысқыштар факторлары үшін байқалатын жоғары құрылымдық сақталу дәрежесін түсіндіреді. Бұл архитектуралық және құрылымдық сақталу бактериялар, фагтар, ашытқылар және адамдар сияқты әртүрлі организмдерде кездеседі. Құрылымдық гомологияның болмауына қарамастан, құрылымдық сақталудың мұндай жоғары деңгейі репликациядағы қиындықтарды шешу үшін осы құрылымдық шешімдердің маңыздылығын одан әрі растайды.
Қалқаны жүктеуші
Клемп жүктеуіші – гамма (бактериялар) немесе RFC (эукариоттар) деп аталатын репликация факторларына қатысты жалпы термин. ДНҚ матрицасы және праймерлік РНК комбинациясы "А формалы ДНК" деп аталады, және клемп жүктеу репликациялық ақуыздары (спиральді гетеропентамерлер) оның пішініне (басты/кіші жолақтың құрылымы) және химиясына (сутекті байланыс донорлары мен акцепторларының схемалары) байланысты А формалы ДНК-мен байланысуға бейім деп саналады. Осылайша, клемп жүктеу ақуыздары жіптің бастамалық аймағымен байланысады, бұл АТФ гидролизіне алып келеді және клемпті ашуға және оны жіпке бекітуге қажетті энергияны қамтамасыз етеді. (ДНҚ полимераза эпсилонмен асимметриялық димер құрайды деп есептеледі.)
ДНК полимераза I
ДНК полимераза I - ДНК-ны жөндеуге арналған фермент.
РНАза H
РНАза H – РНҚ-ДНК дуплексінен РНҚ-ны жоятын фермент.
Көбейту стрессі
Көбейту стресі репликация шанышқысының тоқтауына алып келуі мүмкін. Репликациялық стрестің бір түрі – ДНК зақымдануы, мысалы, жіп аралық байланыстар (ICL). ICL ДНК жіптерінің ажыратылмауынан туындаған репликациялық шанышқы прогресін тоқтатуы мүмкін. Омыртқалы жануарлар жасушаларында ICL-ді қамтитын хроматин үлгісінің көбейтілуі 90-нан астам ДНК жөндеу және геномды сақтау факторларын тартуға әкеледі. Бұл факторларға тізбектей кесулер мен гомологты рекомбинацияны жүзеге асыратын ақуыздар кіреді.
Тарих
Кэтрин Лемон мен Алан Гроссман Bacillus subtilis бактериясын пайдаланып, реплисомалардың рельс бойымен пойыз сияқты қозғалмайтынын, ал ДНК-ның клетка мембранасында орналасқан тұрақты реплисома жұбы арқылы өтетінін көрсетті. Олардың тәжірибесінде B. subtilis реплисомаларының әрқайсысы жасыл флуоресцентті ақуызбен белгіленді, ал кешеннің орналасуы флуоресценттік микроскопия арқылы көбейіп жатқан клеткаларда бақыланды. Егер реплисомалар рельстегі пойыз сияқты қозғалған болса, полимераза GFP ақуызы әр клетканың әртүрлі жерінде табылар еді. Бірақ, керісінше, барлық көбейіп жатқан клеткаларда реплисомалар клетканың ортасында немесе оның жанында орналасқан анық флуоресцентті ошақтар ретінде байқалды. Көк флуоресцентті бояумен (DAPI) боялған клеткалық ДНК цитоплазмалық кеңістіктің көп бөлігін толыққанды алып жатқаны анық көрінді.