Введение

Транзиентные компоненты отстающей нити ДНК – это короткие последовательности нуклеотидов ДНК (приблизительно 150–200 пар оснований у эукариот), которые синтезируются дискontинуозно и впоследствии соединяются ферментом ДНК-лигазой для создания отстающей нити во время репликации ДНК. Они были открыты в 1960-х годах японскими молекулярными биологами Рейдзи и Цунеко Оказаки при содействии их коллег. Во время репликации ДНК двойная спираль раскручивается, а комплементарные нити разделяются ферментом ДНК-геликазой, образуя так называемую вилку репликации ДНК. За этой вилкой примаза ДНК и ДНК-полимераза начинают действовать, создавая новую комплементарную нить. Поскольку эти ферменты могут работать только в направлении 5’–3’, две раскрученные матричные нити реплицируются по-разному. Одна нить, ведущая нить, подвергается непрерывному процессу репликации, поскольку ее матричная нить имеет направленность 3’–5’, что позволяет полимеразе, собирающей ведущую нить, следовать за вилкой репликации без прерывания. Однако отстающая нить не может быть создана непрерывно, потому что ее матричная нить имеет направленность 5’–3’, что означает, что полимераза должна работать в обратном направлении от вилки репликации. Это вызывает периодические разрывы в процессе создания отстающей нити. Примаза и полимераза движутся в направлении, противоположном движению вилки, поэтому ферментам приходится неоднократно останавливаться и начинать снова, пока ДНК-геликаза разделяет нити. После образования фрагментов ДНК-лигаза соединяет их в единую непрерывную нить. Весь процесс репликации считается «полудисконтинуозным», поскольку одна из новых нитей формируется непрерывно, а другая – нет. Чтобы экспериментально различить метод репликации, используемый ДНК, команда импульсно метила вновь реплицированные участки хромосом Escherichia coli, денатурировала и извлекла ДНК. Большое количество коротких радиоактивных единиц указывало на то, что метод репликации, вероятно, был дискontинуозным. Гипотеза была дополнительно подтверждена открытием полинуклеотидной лигазы, фермента, который соединяет короткие цепи ДНК. В 1968 году Рейдзи и Цунеко Оказаки собрали дополнительные доказательства существования зарождающихся нитей ДНК. Они предположили, что если в синтезе ДНК используется механизм дискontинуозной репликации, включающий короткие цепи ДНК, связанные полинуклеотидной лигазой, то «новые короткие цепи ДНК будут накапливаться в клетке в условиях временного нарушения функции лигазы». E. coli были инфицированы бактериофагом T4, который производит полинуклеотидную лигазу, чувствительную к температуре. Клетки, инфицированные фагами T4, накапливали большое количество коротких, вновь синтезированных цепей ДНК, как и предсказывалось в гипотезе, при воздействии высоких температур. Этот эксперимент дополнительно подтвердил гипотезу Оказаки о дискontинуозной репликации и соединении полинуклеотидной лигазой. Он опроверг предположение о том, что короткие цепи образуются также в процессе экстракции. Эксперименты Оказаки предоставили обширную информацию о процессе репликации ДНК и о существовании коротких, вновь синтезированных цепей ДНК, которые позже стали известны как фрагменты Оказаки.

Пути

Для обработки фрагментов Оказаки предложено два механизма: путь короткой оттяжки и путь длинной оттяжки.

Короткий путь к крылью

В коротком пути эукариот отстающая нить ДНК инициализируется короткими интервалами. Только в коротком пути участвует нуклеаза FEN1. Pol δ часто встречает последующий инициализированный фрагмент Оказаки и вытесняет РНК/ДНК-инициаторный праймер, формируя 5'-выступ. Эндонуклеаза FEN1 5’→3’ распознает вытесненный 5'-выступ и осуществляет расщепление, создавая субстрат для лигации. В этом методе удаляется праймер, синтезированный Pol α. Исследования FEN1 позволяют предположить модель "отслеживания", в которой нуклеаза перемещается от 5'-выступа к его основанию для осуществления расщепления. Pol δ не обладает нуклеазной активностью для расщепления вытесненного выступа. FEN1 расщепляет короткий выступ сразу после его формирования. Расщепление ингибируется, когда 5'-конец ДНК-выступа блокирован комплементарным праймером или биотиноконъюгированным стрептавидином. ДНК-лигаза запечатывает разрыв, образованный FEN1, и создает функциональную непрерывную двухцепочечную ДНК. PCNA имитирует ферментативные функции белков как для FEN1, так и для ДНК-лигазы. Это взаимодействие критически важно для обеспечения правильной лигации отстающей нити ДНК. Последовательное вытеснение нити Pol δ и последующее расщепление FEN1 помогают удалить всю инициаторную РНК перед лигацией. Для удаления инициаторного праймера требуется множество вытеснений и реакций расщепления. Выступ формируется, обрабатывается и созревает посредством короткого пути обработки выступа.

Длинный путь клопа

В некоторых случаях FEN1 сохраняется лишь короткое время и отсоединяется от комплекса репликации. Это приводит к задержке в разрезании, из-за чего вытесненные Pol δ одноцепочечные фрагменты становятся длинными. Когда RPA достигает достаточной длины, она может стабильно связываться. Когда одноцепочечные фрагменты, связанные с RPA, подвергаются рефакторингу для разрезания FEN1, для их дальнейшей обработки требуется другая нуклеаза, идентифицированная как DNA2. У DNA2 наблюдаются дефекты при сверхэкспрессии DEN1. DNA2 работает совместно с FEN1 для обработки длинных одноцепочечных фрагментов. DNA2 может диссоциировать RPA от длинного фрагмента, используя механизм, аналогичный FEN1. Она связывается с фрагментом и "нанизывает" его 5'-конец. Нуклеаза разрезает фрагмент, делая его слишком коротким для связывания с RPA, а короткий фрагмент становится доступным для FEN1 и лигирования. Этот процесс известен как метод обработки длинных фрагментов. DNA2 может выполнять функцию FEN1 в качестве резервной нуклеазы, но это менее эффективный процесс.

Альтернативный путь

До недавнего времени было известно только два механизма обработки фрагментов Оказаки. Однако, современные исследования показали, что существует новый механизм фрагментации Оказаки и репликации ДНК. Этот альтернативный механизм включает ферменты Pol δ и Pif1, которые осуществляют удаление выступов аналогично Pol δ и FEN1.

Примаза

Примаза добавляет РНК-праймеры на отстающую нить, что позволяет синтезировать фрагменты Оказаки от 5' к 3'. Однако примаза создает РНК-праймеры значительно медленнее, чем ДНК-полимераза синтезирует ДНК на ведущей нити. ДНК-полимераза на отстающей нити также должна постоянно отсоединяться и вновь присоединяться для синтеза фрагментов Оказаки вслед за РНК-праймерами. Это делает скорость синтеза отстающей нити существенно ниже, чем скорость синтеза ведущей нити. Чтобы решить эту проблему, примаза действует как временный сигнал остановки, кратковременно замедляя продвижение репликационной вилки во время репликации ДНК. Этот молекулярный процесс предотвращает обгон ведущей нити отстающей.

ДНК полимераза δ

Новая ДНК синтезируется в этой фазе ферментами, которые осуществляют синтез ДНК в направлении от 5’ к 3’. ДНК-полимераза необходима как для ведущей цепи, которая образуется как непрерывная нить, так и для отстающей цепи, которая синтезируется небольшими фрагментами в процессе синтеза ДНК. Этот процесс происходит для удлинения вновь синтезированного фрагмента и удаления РНК- и ДНК-праймера. Синтез происходит в 3 фазы с участием двух различных полимераз: ДНК-полимеразы α-примазы и ДНК-полимеразы δ. Этот процесс начинается с высвобождения α-примазы из РНК-ДНК праймера посредством репликационного эффекта загрузчика скользящей зажимной структуры. Этот эффект направляет скользящую зажимную структуру к ДНК. После этого ДНК-полимераза δ переходит в свою голоферментную форму, после чего начинается синтез. Процесс синтеза продолжается до тех пор, пока не будет достигнут 5'-конец предыдущего фрагмента Оказаки. По достижении этого, обработка фрагмента Оказаки начинается с присоединения вновь синтезированного фрагмента к отстающей цепи. Последняя функция ДНК-полимеразы δ – служить дополнительным фактором для активности 5'-флап эндонуклеазы FEN1/RAD27. Аллель rad27 p летален в большинстве комбинаций, но жизнеспособен в сочетании с полимеразой rad27 p и exo1. И rad27 p полимераза, и exo1 демонстрируют выраженный синергический эффект в увеличении частоты мутаций, приводящих к дупликации CAN 1. Единственная причина, по которой эта мутация жизнеспособна, заключается в наличии генов репарации двухцепочечных разрывов RAD50, RAD51 и RAD52. RAD27/FEN1 создает ники между соседними фрагментами Оказаки, минимизируя вытеснение цепи на отстающей цепи.

ДНК лигаза I

Во время синтеза отстающей цепи ДНК лигаза I соединяет фрагменты Оказаки после замены РНК-праймеров на ДНК-нуклеотиды ДНК-полимеразой δ. Нелигированные фрагменты Оказаки могут приводить к разрывам обеих цепей ДНК, что приводит к её фрагментации. Поскольку допускается лишь небольшое количество разрывов обеих цепей, и лишь небольшое количество из них может быть восстановлено, недостаточное лигирование может быть летальным для клетки. Дальнейшие исследования указывают на вспомогательную роль пролиферативного клеточного ядерного антигена (PCNA) в функции ДНК лигазы I по соединению фрагментов Оказаки. Когда сайт связывания PCNA на ДНК лигазе I неактивен, способность ДНК лигазы I соединять фрагменты Оказаки значительно снижается. Таким образом, предлагается следующий механизм: после того, как комплекс ДНК-полимеразы δ и PCNA синтезирует фрагменты Оказаки, ДНК-полимераза δ высвобождается. Затем ДНК лигаза I связывается с PCNA, закреплённым на разрезах отстающей цепи, и катализирует образование фосфодиэфирных связей.

Флэп эндонуклеаза 1

Флаповая эндонуклеаза 1 (FEN1) отвечает за обработку фрагментов Оказаки. Она работает совместно с ДНК-полимеразой для удаления РНК-праймера фрагмента Оказаки и способна удалять 5'-рибонуклеотид и 5'-выступы, образующиеся при смещении цепей ДНК-полимеразой в процессе синтеза отстающей цепи. Удаление этих выступов включает процесс, называемый трансляцией разреза, и создает разрыв для последующей лигации. Таким образом, функция FEN1 необходима для созревания фрагментов Оказаки и формирования длинной непрерывной цепи ДНК. Аналогично, во время репарации ДНК поврежденный нуклеотид вытесняется в виде выступа и впоследствии удаляется FEN1.

Эндонуклеаза Dna2

Эндонуклеаза Dna2 не имеет четко выраженной структуры, и её свойства изучены недостаточно, однако её можно охарактеризовать как одноцепочечную ДНК с свободными концами (ssDNA). Эндонуклеаза Dna2 необходима для расщепления длинных ДНК-фрагментов, остающихся после работы FEN1 в процессе Оказаки. Эндонуклеаза Dna2 отвечает за удаление инициаторного РНК-фрагмента с фрагментов Оказаки. Кроме того, эндонуклеаза Dna2 играет важную роль в промежуточных соединениях, образующихся в ходе различных метаболизмов ДНК, и участвует в поддержании теломер. Эндонуклеаза Dna2 активируется при присоединении концевого РНК-фрагмента к 5'-концу, поскольку она транслоцируется в направлении 5'–3'. В присутствии одноцепочечного белка, связывающего ДНК, RPA, 5'-фрагменты ДНК становятся слишком длинными, и разрывы перестают быть подходящим субстратом для FEN1. Это препятствует удалению 5'-фрагментов FEN1. Таким образом, роль Dna2 заключается в укорачивании 3'-конца этих фрагментов, что позволяет FEN1 разрезать фрагменты и повысить эффективность созревания фрагмента Оказаки. В процессе Оказаки Dna2-геликаза и эндонуклеаза действуют совместно. Активность эндонуклеазы Dna2 не зависит от наличия 5'-концевой структуры с "хвостом". Известно, что непродуктивное связывание может создавать препятствия для расщепления и отслеживания FEN1. Установлено, что АТФ снижает активность, но способствует высвобождению метки с 3'-конца. Исследования позволяют предположить, что новая модель, учитывающая совместную работу эндонуклеазы Dna2 и FEN1, частично отвечает за созревание фрагментов Оказаки.

Биологическая функция

Новая синтезированная ДНК, также известная как фрагменты Оказаки, связывается ДНК-лигазой, которая формирует новую цепь ДНК. При синтезе ДНК образуются две цепи. Ведущая цепь синтезируется непрерывно и удлиняется в процессе этого, обнажая матрицу, используемую для отстающей цепи (фрагменты Оказаки). В ходе репликации ДНК ДНК- и РНК-праймеры удаляются с отстающей цепи ДНК, чтобы фрагменты Оказаки могли связаться. Поскольку этот процесс очень распространен, созревание фрагментов Оказаки происходит около миллиона раз при одном завершении репликации ДНК. Для созревания фрагментов Оказаки РНК-праймеры должны создавать сегменты на фрагментах, которые предстоит лигировать. Это служит строительным блоком для синтеза ДНК на отстающей цепи. На матричной цепи полимераза синтезирует в направлении, противоположном репликационной вилке. Как только матрица становится прерывистой, формируется фрагмент Оказаки. Дефекты в созревании фрагментов Оказаки потенциально могут приводить к разрывам цепей ДНК и вызывать различные формы хромосомных аномалий. Эти мутации в хромосомах могут влиять на внешний вид, число наборов или число отдельных хромосом. Поскольку число хромосом фиксировано для каждого конкретного вида, это также может изменить ДНК и вызвать дефекты в генофонде этого вида.

Различия прокариот и эукариот

Фрагменты Оказаки присутствуют как у прокариот, так и у эукариот. Молекулы ДНК у эукариот отличаются от кольцевых молекул прокариот тем, что они больше и обычно имеют несколько начал репликации. Это означает, что каждая эукариотическая хромосома состоит из множества репликационных единиц ДНК с несколькими началами репликации. В отличие от этого, прокариотическая ДНК имеет только одно начало репликации. У эукариот эти многочисленные репликационные вилки образуют "пузыри" в ДНК во время репликации. Репликационная вилка формируется в определенной точке, называемой автономно реплицирующимися последовательностями (АРС). Эукариоты имеют комплекс клампоулодера и шестикомпонентный кламп, называемый пролиферативным клеточным ядерным антигеном. Эффективное движение репликационной вилки также критически зависит от быстрого размещения скользящих зажимов на вновь праймированных участках отстающей цепи ДНК комплексами клампоулодеров, зависимыми от АТФ. Это означает, что поэтапное формирование фрагментов Оказаки может идти в ногу с непрерывным синтезом ДНК на ведущей цепи. Эти комплексы клампоулодеров характерны для всех эукариот и отражают некоторые незначительные различия в синтезе фрагментов Оказаки у прокариот и эукариот. Длина фрагментов Оказаки у прокариот и эукариот также различается. У прокариот фрагменты Оказаки значительно длиннее, чем у эукариот. У эукариот фрагменты Оказаки обычно имеют длину от 100 до 200 нуклеотидов, в то время как у прокариотической кишечной палочки они могут достигать 2000 нуклеотидов. Причина этого расхождения неизвестна. Каждая эукариотическая хромосома состоит из множества репликационных единиц ДНК с несколькими началами репликации. В отличие от этого, хромосома прокариотической кишечной палочки имеет только одно начало репликации. Репликация у прокариот происходит внутри цитоплазмы и начинается с формирования репликации, состоящей примерно из 100-200 или более нуклеотидов. Молекулы эукариотической ДНК содержат значительно большее количество репликонов – около 50 000 или более; однако репликация не происходит одновременно на всех репликонах. У эукариот репликация ДНК происходит в ядре. Множество репликационных вилок формируется в одной репликационной молекуле ДНК, а начало репликации ДНК смещается многосубъединичным белком. Этот процесс репликации протекает медленно, иногда добавляется около 100 нуклеотидов в секунду. Отсюда следует, что прокариотические клетки имеют более простое строение, не имеют ядра, органелл и содержат мало ДНК в виде одной хромосомы. Эукариотические клетки имеют ядро с множеством органелл и большим количеством ДНК, организованной в линейные хромосомы. Также очевидно, что размер является еще одним отличием между прокариотическими и эукариотическими клетками. В средней эукариотической клетке содержится примерно в 25 раз больше ДНК, чем в прокариотической клетке. Репликация происходит гораздо быстрее в прокариотических клетках, чем в эукариотических; бактерии иногда завершают ее всего за 40 минут, в то время как животным клеткам может потребоваться до 400 часов. Эукариоты также имеют особый механизм репликации теломер на концах своих хромосом. У прокариот хромосомы кольцевые, поэтому концов для синтеза нет. Прокариоты имеют короткий процесс репликации, который происходит непрерывно, в то время как эукариотические клетки осуществляют репликацию ДНК только во время S-фазы клеточного цикла. Сходство заключается в этапах репликации ДНК. Как у прокариот, так и у эукариот репликация осуществляется путем раскручивания ДНК ферментом, называемым ДНК-геликазой. Новые цепи создаются ферментами, называемыми ДНК-полимеразами. Оба процесса следуют аналогичной схеме, называемой полуконсервативной репликацией, в которой отдельные цепи ДНК синтезируются в разных направлениях, образуя ведущую и отстающую цепи. Отстающие цепи синтезируются путем образования фрагментов Оказаки, которые вскоре соединяются. Оба организма начинают новые цепи ДНК, которые также включают короткие фрагменты РНК.

Медицинские понятия, связанные с фрагментами Оказаки

Хотя клетки проходят несколько этапов, чтобы гарантировать отсутствие мутаций в генетической последовательности, иногда специфические делеции и другие генетические изменения во время созревания фрагментов Оказаки остаются незамеченными. Поскольку фрагменты Оказаки представляют собой набор нуклеотидов для отстающей цепи, любое изменение, включая делеции, вставки или дупликации по сравнению с исходной цепью, может вызвать мутацию, если оно не будет обнаружено и исправлено. Другие причины мутаций – проблемы с белками, участвующими в репликации ДНК. Например, мутация, связанная с примазой, влияет на удаление РНК-праймеров и может сделать цепь ДНК более хрупкой и подверженной разрывам. Другая мутация затрагивает полимеразу α, которая нарушает редактирование последовательности фрагмента Оказаки и включение белка в генетический материал. Оба изменения могут привести к хромосомным аберрациям, нежелательной генетической перестройке и различным видам рака в более позднем возрасте. Чтобы проверить влияние мутаций белков на живые организмы, исследователи генетически модифицировали лабораторных мышей, сделав их гомозиготными по другой мутации белка, связанного с репликацией ДНК, – флэп-эндонуклеазы 1, или FEN1. Результаты варьировались в зависимости от конкретных изменений в генах. Гомозиготные мыши с нокаутом гена FEN1 демонстрировали «нарушение пролиферации клеток» и «раннюю эмбриональную летальность» (27). Мыши с мутацией F343A и F344A (также известной как FFAA) умирали сразу после рождения из-за осложнений при родах, включая панцитопению и гипоплазию легких. Это связано с тем, что мутация FFAA препятствует взаимодействию FEN1 с PCNA (пролиферационным клеточным ядерным антигеном), что не позволяет ему выполнять свою функцию во время созревания фрагментов Оказаки. Взаимодействие с этим белком считается ключевой молекулярной функцией FEN1. Мутация FFAA вызывает дефекты в удалении РНК-праймеров и восстановлении длинных участков ДНК, что приводит к многочисленным разрывам в ДНК. При тщательном наблюдении клетки, гомозиготные по мутациям FFAA в гене FEN1, демонстрируют лишь частичные дефекты созревания, что означает, что мыши, гетерозиготные по этой мутации, могут выжить до взрослого возраста, несмотря на наличие множества небольших повреждений в своих геномах. Однако неизбежно, эти повреждения препятствуют дальнейшей репликации ДНК, поскольку разрыв приводит к коллапсу репликативной вилки и образованию разрывов двойной спирали в последовательности ДНК. Со временем эти повреждения также вызывают полные хромосомные разрывы, что может привести к серьезным мутациям и раку. Другие мутации были введены с использованием измененных версий полимеразы α, что привело к аналогичным результатам.