РЕПЛИКАЦИЯ (УДВОЯВАНЕ) НА ДНК – ОБЩИ ОСОБЕНОСТИ И ОСНОВНИ ТИПОВЕ
1. Общи особености на репликацията
Въпреки че всеки индивид е сравнително малък и недълговечен, животът на Земята продължава милиарди години и обхваща всички достъпни пространства. Неограниченото самовъзпроизводство на живите същества се основава на възможността всеки добър запис на генетична информация, веднъж получен в един екземпляр, да се размножи в произволен "тираж". Това става чрез матрична синтеза на ДНК, наречена репликация или удвояване.
Репликацията се основава на комплементарността на базите в състава на ДНК. Двете вериги се разделят в присъствие на предшественици на ДНК (дезоксирибонуклеотиди). Тези мономери намират комплементарни нуклеотиди във веригите и се присъединяват към тях с водородни връзки. Остава ензим да свърже нуклеотидите ковалентно, за да се получат две нови ДНК-вериги върху двете стари. Така възникват две молекули ДНК там, където по-рано е имало само една. Тъй като всяка от новите двойни спирали има 1 нова и 1 стара верига, казва се, че репликацията е полуконсервативна. Следователно в поколенията родителската ДНК не се губи, а само се "разрежда". ДНК дори от най-древните ни предшественици на теория присъства в някои наши клетки, макар и мутирала до неузнаваемост, раздробена от рекомбинации и постепенно подменена при репарацията (поправянето на увредена ДНК).
По механизма си репликацията много напомня транскрипцията. Субстрат отново са нуклеозидтрифосфати, макар и не рибо-, а дезоксирибонуклеозидтрифосфати. Те се свързват помежду си с фосфодиестерни връзки и се отделя пирофосфат, който се разгражда. Новата верига расте в посока от 5' към 3'. Ензимът, който образува фосфодиестерните връзки, се нарича ДНК-зависима ДНК-полимераза, за по-кратко само ДНК-полимераза.
Съществува и ензим РНК-зависима ДНК-полимераза, наречен още обратна транскриптаза или ревертаза. Някои РНК-вируси го кодират и го носят във вириона си. Когато проникнат в клетката-гостоприемник, върху геномната им РНК се синтезира комплементарна ДНК (кДНК). Първо се получава хибрид кДНК-РНК, после РНК се разгражда и на нейно място се синтезира втора верига кДНК. Двуверижната кДНК се включва в хромозома на гостоприемника. Нови копия от вирусния геном се получават чрез обикновена транскрипция. Тези вируси се наричат ретровируси (съкр. от англ. reverse transcriptase – обратна транскриптаза). Най-известният им представител е HIV, причинителят на СПИН. Освен това всички изучени онкогенни РНК-вируси са ретровируси. Засега изоставяме обратната транскриптаза и ще обсъждаме само ДНК-зависимата ДНК-полимераза.
При репликацията е нужна много по-голяма точност, отколкото при транскрипцията. Докато дефектната мРНК би дала в най-лошия случай няколко десетки негодни полипептиди (за другите РНК е аналогично), грешка в синтезата на ДНК може да обрече едната дъщерна клетка. За да се избягнат грешките, ДНК-полимеразата има способност да разкъсва последната фасфодиестерна връзка – 3'-5' екзонуклеазна активност, наричана още редакторска активност. Понякога (макар и рядко) срещу нуклеотид от матрицата застава свободен нуклеотид, който не му е комплементарен. Ензимът може да се "излъже" и да го свърже към растящата верига. Грешката обаче веднага излиза наяве. Неправилно сдвоеният нуклеотид леко стърчи навън. Задната част на ДНК-полимеразата образува около ДНК толкова тесен тунел, че само безупречна двойна спирала може да се провре бързо. Ензимът се опитва да мине напред, но погрешният нуклеотид се заклещва. ДНК-полимеразата се задържа на място за известно време. То обикновено е достатъчно, за да може 3'-5' екзонуклеазната активност да влезе в действие и да изреже нуклеотида.
Репликацията започва от определени ДНК-участъци, наречени начала. Тяхната последователност се разпознава от специален белтък, наречен инициатор на репликацията. След като намери началото, инициаторът се настанява там и сам започва да служи като ориентир, разпознаван от следващите участници в събитията.
Следващото, което трябва да се направи, е да се разделят комплементарните вериги ДНК. С тази функция е натоварен белтък, наречен хеликаза. Той се движи по протежение на ДНК като машинка на цип, оставяйки зад себе си разделени вериги.
След като хеликазата извади на показ матриците, може да започне синтезата на новите вериги. Тук обаче е налице усложнение, липсващо при транскрипцията. Както стана дума по-горе, ДНК-полимеразата работи много точно и изрязва нуклеотидите, които не са правилно свързани. Но когато матричната синтеза започва, първите няколко нуклеотида не изглеждат безупречни, дори и да са. С навика си вечно да поглежда назад ДНК-полимеразата може само да удължава и е неспособна да започне нова верига.
Проблемът е заобиколен, като първо друг ензим синтезира къса верига РНК (обикновено десетина нуклеотида), а после ДНК-полимеразата я продължава с дезоксирибонуклеотиди. Късата верига се означава като зародиш или праймер (от англ. prime – зареждам, подготвям за работа). Ензимът, който я синтезира, се нарича праймаза.
След като се синтезира праймерът, ДНК-полимеразата може да продължи. Мястото, където се синтезира ДНК, има Y-образна форма и затова се нарича репликационна вилка. ДНК-полимеразата, хеликазата и другите белтъци, действащи там, се обединяват под името реплизома. Те не са означени на долната рисунка.
На схемата освен това тактично е пропусната втората дъщерна верига. Изглежда, че тя би трябвало да напредва в посока 3' – 5'. ДНК-полимеразата обаче синтезира само в посока 5' – 3'. Същото важи за РНК-полимеразата, но тя не среща проблем, тъй като транскрипцията винаги върви в удобната посока. Репликацията обаче трябва да обхване и двете матрични ДНК-вериги в цялата им дължина.
Доколкото няма ензим, способен да наслагва нуклеотиди в посока 3' – 5', и двете вериги се изграждат в посока 5' – 3'. Докато обаче едната се удължава плавно, другата се синтезира във вид са отделни парчета, които започват от репликационната вилка и продължават назад. Те се наричат фрагменти на Оказаки по името на откривателя си и са сравнително къси (при бактериите 1000-2000 нуклеотида). Дъщерната верига, която напредва непрекъснато в посока към вилката, се нарича водеща, а тази, която се изгражда от фрагменти на Оказаки – изоставаща.
На схемата е дадена синтезата на изоставащата верига (долната). Периодично от репликационната вилка назад се синтезират праймери. ДНК-полимеразата ги удължава, докато опре в 5’-края на предидущия праймер. Този праймер, който отдавна е изиграл ролята си, се отстранява от ензим – нуклеаза. Празното му място се запълва с дезоксирибонуклеотиди от ДНК-полимераза, която удължава съседния участък от ДНК-веригата, както е показано на схемата. Така се стига до два допрени фрагмента ДНК. Трябва им само една фосфодиестерна връзка, за да се слеят. Тя се образува с помощта на ензим, наречен ДНК-лигаза (от лат. ligo – свързвам). Така изоставащата верига се удължава на тласъци в посока 3' – 5', макар че отделните фрагменти на Оказаки се синтезират в единствено разрешената посока 5' – 3'.
2. Основни типове репликация
Как ще изглежда удвояващата се ДНК, зависи от взаимодействието между матрицата и репликационната вилка. По-точно важно е дали старата ДНК е линейна или пръстенна и дали новата ДНК се синтезира върху двете родителски вериги или само върху едната. Основните модели на репликация са око, търкалящо се колело и D-бримка.
2.1. Око (мехурче, тета-репликация)
Репликацията тип око (мехурче) всъщност беше описана по-горе. Тя започва с разтваряне на двойната спирала в областта на началото. И двете ДНК-вериги служат като матрици. Докато репликацията напредва, структурата наистина напомня уголемяващо се око (вж. схемата). По модела око се реплицира огромното мнозинство от ДНК-молекули – както линейни, така и пръстенни. Пръстенните ДНК по време на процеса наподобяват буквата тета, затова репликацията от тип око се означава и като тета-репликация.
2.2. Търкалящо се колело (сигма-репликация)
Репликацията от тип търкалящо се колело е свойствена на някои малки пръстенни ДНК. Започва се със скъсване на едната верига. Такава едноверижна дупчица на мястото на една фосфодиестерна връзка се нарича ник. ДНК-полимеразата се свързва със свободния 3’-край, все едно той е праймер. След това започва да го удължава, при което обикаля несрязаната верига и избутва навън 5’-края. Ензимът най-често прави няколко обиколки и изгражда дълга водеща верига, в която една и съща последователност се повтаря тандемно няколко пъти. Изоставащата верига се изгражда или едновременно с водещата, както е дадено на схемата, или по-късно. След това специфична ендонуклеаза може да нареже продукта на единични копия и те да се затворят в пръстени.
Търкалящото се колело се нарича още сигма-репликация, тъй като в началото се образува структура, подобна на буквата сигма.Всъщност картината най-много напомня макара, дръпната за края на конеца, но това не е достатъчно авторитетна аналогия.
Търкалящото се колело се използва от някои фаги и вируси. Освен това F-факторът, който в обичайния живот на бактерията се реплицира по обичайния тета-начин, при преминаване в друга клетка прибягва до сигма-репликация. Щом някоя F-пила образува мостче, на F-фактора започва да му се търкаля колелото и едноверижният 5’-край навлиза в тунела. Комплементарната верига се изгражда едва в клетката-реципиент (бившата F–). Така F+-клетката не обеднява откъм F-фактор, макар че осигурява едно копие за F–-клетката.
Пренос на F-фактора от една бактерия в друга. По Ayala & Kiger (1984) с изменения.
Когато F-факторът е интегриран в хромозомата, преносът започва по същия начин. Близо до средата на F-фактора започва сигма-репликация и едноверижният ДНК-продукт се изнизва през мостчето. Сега обаче репликацията продължава по дължината на Hfr-хромозомата. Така клетката-реципиент, след като се сдобие с част от F-фактора, получава все по-дълга част от хромозомата на клетката-донор (Hfr). Ако двете клетки останат сближени достатъчно дълго, би могла да се пренесе цялата хромозома, при което донорът няма да загуби нищо от нея. Обикновено обаче партньорите се разделят по-рано, вероятно стръскани при Брауновото движение, така че се предава само част от Hfr-хромозомата. Изглежда, F-факторът не печели от това, тъй като част от него се пренася първа, но останалата част е последна наред и не успява да се пренесе; така реципиентът остава F–.
Начални етапи на бактериална конюгация. В Hfr-клетката мястото, където ще се образува ник, е означено с чертичка. По Ayala & Kiger (1984) с изменения.
Известен е и пример за търкалящо се колело при еукариотни хромозоми. В овоцитите на риби и жаби трябва да се натрупат бързо голям брой рибозоми. Гените за рРНК са повторени, но би било добре да бъдат още по-повторени. Така и става – те се амплифицират. В областта на нуклеоларните организатори започва репликация, но не продължава на голямо разстояние. Полученото парче ДНК се откъсва, затваря се в пръстен и търпи сигма-репликация. Амплифицираните парчета ДНК се транскрибират толкова успешно, колкото и изходната хромозомна ДНК. Около тях се образуват голям брой (понякога хиляди) ядърца, които за разлика от обикновените ядърца не са свързани с никоя хромозома.
2.3. D-бримка
Геномите на органелите имат интересна особеност: двете вериги на тяхната ДНК имат различни, и то неравностойни начала на репликация. В този случай репликацията протича по модел, наречен D-бримка.
Матричната синтеза започва върху веригата, съдържаща “по-активното” начало. Новосинтезираната ДНК измества старата допълнителна верига. Оттам идва името D-бримка (съкр. от англ. displacement – изместване), макар че за него може да е допринесла и формата на получената структура, напомняща буквата D. За разлика от търкалящото се колело тук изместваната верига запазва целостта си.
D-бримката постепенно се разширява и в един момент обхваща второто начало на репликация, което е в изместваната верига. Тогава върху тази верига също започва да се синтезира ДНК. Не след дълго двете дъщерни молекули се разделят и се довършват по цялата си обиколка.
Характерно за репликацията тип D-бримка е, че макар едната верига да изостава във времето, тя не се държи като изоставаща, т.е. не се изгражда от отделни фрагменти на Оказаки. И двете вериги използват само по един праймер и се синтезират цялостно.
Повече няма да се занимаваме с репликацията в органелите.
Основни източници
Марков Г. Тайните
на клетката. 3. осн. прераб. изд. Народна просвета, София, 1984.
Alberts B., D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts,
J.D. Watson. Molecular Biology of the Cell. 3rd Edition. Garland Publishing
Inc., New York, London, 1994. [Online] http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowSection&rid=cell
Ayala F.J., J.A. Kiger. Modern Genetics. 2nd
Edition. Benjamin/Cummings Pub. Co., Mehlo Park, 1984.
Lewin B. Genes. John Wiley & Sons Inc., New
York, 1983.
URL http://www.mayamarkov.com/biology/12Replicat1/12Replicat1.htm
Публикувано 2003
Copyright © Майя Маркова