11.2: Реплікація ДНК

Last updated
Save as PDF

Page ID: 3918

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Поясніть значення напівконсервативної реплікації ДНК
Поясніть, чому реплікація ДНК є двонаправленою і включає як провідну, так і відстаючу нитку
Поясніть, чому утворюються фрагменти Окадзакі
Опишіть процес реплікації ДНК та функції задіяних ферментів
Визначте відмінності між реплікацією ДНК у бактерій та еукаріотів
Поясніть процес тиражування кочення кола

Роз'яснення структури подвійної спіралі Джеймсом Уотсоном і Френсісом Криком в 1953 році дало натяк на те, як копіюється ДНК в процесі реплікації. Відокремлення ниток подвійної спіралі надало б два шаблони для синтезу нових взаємодоповнюючих ниток, але як саме були побудовані нові молекули ДНК, все ще незрозуміло. В одній моделі, напівконсервативної реплікації, дві нитки подвійної спіралі відокремлюються під час реплікації ДНК, і кожна нитка служить шаблоном, з якого копіюється нова комплементарна нитка; після реплікації кожна двониткова ДНК включає одну батьківську або «стару» нитку і одну «нову» нитку. Також було запропоновано дві конкуруючі моделі: консервативна і дисперсійна, які показані на малюнку\(\PageIndex{1}\).

Діаграма, що показує 3 моделі реплікації ДНК. У консервативній моделі оригінальна подвійна спіраль випускає дві подвійні спіралі; одна з яких має дві батьківські пасма і одна з яких має дві нові пасма. Інший раунд виробляє 4 спіралі; одна з яких має дві батьківські нитки і три з яких мають всі нові пасма. У напівконсервативної реплікації перший раунд призводить до двох подвійних спіралей, кожна з однією старою пасмом і однією новою пасмом. Наступний раунд призводить до чотирьох подвійних спіралей; дві з них мають стару і нову пасмо, а дві - всі нові пасма. При дисперсійної реплікації кожен новий раунд реплікації призводить до ниток з випадковими бітами з батьківського нитка і випадковими бітами нових ниток. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Для реплікації ДНК було запропоновано три моделі. У консервативній моделі батьківські нитки ДНК (сині) залишалися асоційованими в одній молекулі ДНК, тоді як нові дочірні нитки (червоні) залишалися пов'язаними з новоутвореними молекулами ДНК. У напівконсервативній моделі батьківські пасма відокремили і направили синтез дочірньої нитки, причому кожна результуюча молекула ДНК є гібридом батьківської нитки і дочірньої нитки. У дисперсійній моделі всі отримані нитки ДНК мають ділянки дволанцюгової батьківської ДНК та області дволанцюгової дочірньої ДНК.

Метью Месельсон (1930—) та Франклін Шталь (1929—) розробили експеримент у 1958 році, щоб перевірити, яка з цих моделей правильно представляє реплікацію ДНК (рис.\(\PageIndex{2}\)). Вони вирощували кишкову паличку протягом декількох поколінь у середовищі, що містить «важкий» ізотоп азоту (¹⁵ N), який був включений в азотисті основи і, врешті-решт, в ДНК. Це позначено батьківською ДНК. Потім культура кишкової палички була переведена в середовище, що містить ¹⁴ N, і дозволила рости протягом одного покоління. Клітини були зібрані, а ДНК виділена. ДНК відокремлювалася ультрацентрифугуванням, в ході якої ДНК утворила смуги відповідно до її щільності. Очікується, що ДНК, вирощена в ¹⁵ N, утворює смугу в більш високому положенні щільності, ніж вирощена в ¹⁴ Н. Месельсон і Шталь зазначили, що після одного покоління зростання в ¹⁴ Н, одна смуга, що спостерігається, була проміжною в положенні між ДНК клітин, вирощених виключно в ¹⁵ N або ¹⁴ N. Це припускало або напівконсервативний, або дисперсійний режим реплікації. Деяким клітинам дозволили рости ще на одне покоління в ¹⁴ Н і знову закручувалися. ДНК, зібрана з клітин, вирощених протягом двох поколінь в ¹⁴ N, утворила дві смуги: одна група ДНК перебувала в проміжному положенні між ¹⁵ N і ¹⁴ N, а інша відповідала смузі ¹⁴ N ДНК. Ці результати можна пояснити лише в тому випадку, якщо ДНК реплікується напівконсервативним способом. Тому дві інші моделі були виключені. В результаті цього експерименту ми тепер знаємо, що під час реплікації ДНК кожна з двох ниток, що складають подвійну спіраль, служить шаблоном, з якого копіюються нові нитки. Нова пасмо буде доповнювати батьківську або «стару» пасмо. Отримані молекули ДНК мають однакову послідовність і поділяються порівну на дві дочірні клітини.

Діаграма, що пояснює експеримент Месельсона Шталя. У першій частині експерименту ДНК реплікується в присутності важкого 15N середовища. При цьому утворюються всі важкі нитки ДНК. Далі вони перемістили клітини на світле середовище 14N. Якби ДНК була реплікована консервативно, можна було б очікувати побачити одну важку смугу та одну легку смугу. Однак вони побачили лише смугу середнього розміру. Це узгоджується з напівконсервативною і дисперсійною реплікацією. Нарешті, вони дозволили бактеріям пройти черговий виток реплікації в легкому середовищі. Якби ДНК була реплікована дисперсійно, можна було б очікувати лише смуги середнього розміру. Однак вони побачили середню смугу і легку смугу. Єдиним механізмом, який пояснює ці результати, є напівконсервативна реплікація. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Месельсон і Шталь експериментували з *кишковою паличкою*, вирощеною спочатку у важкому азоті (¹⁵ Н), потім у ¹⁴ Н. ДНК, вирощена в ¹⁵ Н (синя смуга), була важчою, ніж ДНК, вирощена в ¹⁴ Н (червона смуга), і осідала до нижчого рівня при ультрацентрифугуванні. Після одного раунду реплікації ДНК осідала на півдорозі між рівнями ¹⁵ N і ¹⁴ N (фіолетова смуга), виключаючи консервативну модель реплікації. Після другого раунду реплікації дисперсійна модель реплікації була виключена. Ці дані підтримували напівконсервативну модель реплікації.

Вправа\(\PageIndex{1}\)

Яким був би висновок експерименту Месельсона і Шталя, якби після першого покоління вони знайшли дві смуги ДНК?

Реплікація ДНК у бактерій

Реплікація ДНК була добре вивчена у бактерій насамперед через невеликий розмір генома та мутантів, які доступні. E. coli має 4,6 мільйона пар основ (Mbp) в одній круговій хромосомі, і вся вона тиражується приблизно за 42 хвилини, починаючи від одного походження реплікації і протікаючи по колу двонаправлено (тобто в обох напрямках). Це означає, що в секунду додається приблизно 1000 нуклеотидів. Процес досить швидкий і відбувається з невеликою кількістю помилок.

Для реплікації ДНК використовується велика кількість білків і ферментів (табл.\(\PageIndex{1}\)). Одним з ключових гравців є фермент ДНК-полімераза, також відомий як ДНК-пол. У бактерій відомі три основні типи ДНК-полімераз: ДНК пол I, ДНК пол II і ДНК пол III. Зараз відомо, що DNA pol III є ферментом, необхідним для синтезу ДНК; ДНК pol I і DNA pol II в першу чергу необхідні для відновлення. DNA pol III додає дезоксирибонуклеотиди кожен доповнює нуклеотид на нитку шаблону, один за іншим до групи 3'-OH зростаючого ланцюга ДНК. Додавання цих нуклеотидів вимагає енергії. Ця енергія присутня в зв'язках трьох фосфатних груп, прикріплених до кожного нуклеотиду (трифосфатного нуклеотиду), подібно до того, як енергія зберігається в фосфатних зв'язках аденозинтрифосфату (АТФ) (рис.\(\PageIndex{3}\)). Коли зв'язок між фосфатами порушується і дифосфат вивільняється, енергія, що виділяється, дозволяє сформувати ковалентний фосфодіефірний зв'язок шляхом синтезу зневоднення між вхідним нуклеотидом і вільною групою 3'-OH на зростаючому ланцюжку ДНК.

Діаграма ДГТП. У центрі знаходиться дезоксирибоза, яка являє собою п'ятикутну форму цукру. Верхня точка має кисень. Потім, рухаючись по фігурі, йдуть вуглеці 1, 2, 3 і 4; вуглець 5 прикріплюється до вуглецю 4, але не в кільці. До вуглецю 1 прикріплюється конструкція, виконана з 2 вуглецевих і азотних кілець, пов'язаних уздовж їх кінців; це гуанін. Carbon 2 має тільки Hs прикріплений до нього. Вуглець 3 має Н і ОН. Вуглець 4 має N і Carbon 5. Вуглець 5 приєднується до 3 фосфатних груп в ряд (маркується трифосфат). Кожна фосфатна група складається з фосфору, приєднаного до 4 атомів кисню. — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Ця структура показує гуанозинтрифосфат дезоксирибонуклеотид, який включений у зростаючу нитку ДНК шляхом відщеплення двох кінцевих фосфатних груп від молекули та передачі енергії до цукрово-фосфатного зв'язку. Інші три нуклеотиди утворюють аналогічні структури.

Ініціація

Ініціювання реплікації відбувається при певній нуклеотидній послідовності, яка називається походженням реплікації, де різні білки зв'язуються, щоб почати процес реплікації. Кишкова паличка має єдине походження реплікації (як і більшість прокаріотів), зване OriC, на своїй одній хромосомі. Походження реплікації становить приблизно 245 пар основи і багате послідовностями аденін-тиміну (АТ).

Деякі білки, які зв'язуються з походженням реплікації, важливі для того, щоб зробити одноланцюгові області ДНК доступними для реплікації. Хромосомна ДНК, як правило, обертається навколо гістонів (у еукаріотів та архей) або гістоноподібних білків (у бактерій), і перекручується, або широко загортається і скручується на себе. Ця упаковка робить інформацію в молекулі ДНК недоступною. Однак ферменти, звані топоізомеразами, змінюють форму і суперколювання хромосоми. Для початку реплікації бактеріальної ДНК суперспіральна хромосома розслабляється топоізомеразою II, яку також називають ДНК-гіразою. Потім фермент під назвою helicase відокремлює нитки ДНК, розриваючи водневі зв'язки між парами азотистих основ. Нагадаємо, що послідовності АТ мають менше водневих зв'язків і, отже, мають слабші взаємодії, ніж послідовності гуанін-цитозин (ГК). Ці ферменти вимагають гідролізу АТФ. Коли ДНК відкривається, утворюються Y-подібні структури, які називаються реплікаційною вилкою. У початку реплікації утворюються дві вилки реплікації, що дозволяє двонаправлену реплікацію та формування структури, яка виглядає як міхур при перегляді за допомогою просвічувального електронного мікроскопа; в результаті ця структура називається бульбашкою реплікації. ДНК біля кожної вилки реплікації покрита одноланцюговими зв'язуючими білками, щоб запобігти перемотуванню одноцепочечной ДНК в подвійну спіраль.

Після того, як одноцепочечная ДНК буде доступна на початку реплікації, може початися реплікація ДНК. Однак ДНК pol III здатний додавати нуклеотиди тільки в напрямку 5' до 3' (нова нитка ДНК може бути розширена тільки в цьому напрямку). Це пов'язано з тим, що ДНК-полімераза вимагає вільної групи 3'-OH, до якої вона може додавати нуклеотиди, утворюючи ковалентний фосфодіефірний зв'язок між кінцем 3'-OH та 5' фосфатом наступного нуклеотиду. Це також означає, що він не може додавати нуклеотиди, якщо вільна група 3'-OH недоступна, що стосується однієї нитки ДНК. Проблема вирішується за допомогою послідовності РНК, що забезпечує вільний кінець 3'-ОН. Оскільки ця послідовність дозволяє почати синтез ДНК, її відповідним чином називають праймером. Грунтовка має довжину від п'яти до 10 нуклеотидів і доповнює батьківську або шаблонну ДНК. Він синтезується РНК-примазою, яка є РНК-полімеразою. На відміну від ДНК-полімераз, РНК-полімерази не потребують вільної групи 3'-ОН для синтезу молекули РНК. Тепер, коли праймер забезпечує вільну групу 3'-OH, ДНК-полімераза III тепер може розширити цей праймер РНК, додаючи нуклеотиди ДНК один за іншим, які доповнюють нитку шаблону (рис.\(\PageIndex{1}\)).

Подовження

Під час подовження в реплікації ДНК приєднання нуклеотидів відбувається з максимальною швидкістю близько 1000 нуклеотидів в секунду. ДНК-полімераза III може поширюватися лише в напрямку 5' до 3', що створює проблему на розвилці реплікації. Подвійна спіраль ДНК є антипаралельною; тобто одна нитка орієнтована в напрямку 5' до 3', а інша орієнтована в напрямку 3' до 5' (див. Структура і функція ДНК). Під час реплікації одна нитка, яка доповнює батьківську ДНК 3 'до 5', синтезується безперервно до вилки реплікації, оскільки полімераза може додавати нуклеотиди в цьому напрямку. Ця безперервно синтезована пасмо відома як провідна пасмо. Інша нитка, що доповнює батьківську ДНК від 5 'до 3', відростає від вилки реплікації, тому полімераза повинна рухатися назад до вилки реплікації, щоб почати додавати основи до нового праймера, знову в напрямку від вилки реплікації. Робить це до тих пір, поки не вдариться в раніше синтезовану пасмо, а потім знову повернеться назад (рис.\(\PageIndex{4}\)). Ці кроки виробляють невеликі фрагменти послідовності ДНК, відомі як фрагменти Окадзакі, кожен розділений праймером РНК. Окадзакі фрагменти названі на честь японської дослідницької групи і подружньої пари Рейдзі і Цунеко Окадзакі, які вперше виявили їх в 1966 році. Пасмо з фрагментами Окадзакі відома як відстаюча пасмо, і її синтез, як кажуть, переривчастий.

Провідну пасмо можна продовжити з одного праймера самостійно, тоді як відстає пасмо потребує нового праймера для кожного з коротких фрагментів Окадзакі. Загальний напрямок відставання пасма буде 3' до 5', а провідної пасма 5' до 3'. Білок, який називається ковзаючим затискачем, утримує ДНК-полімеразу на місці, оскільки він продовжує додавати нуклеотиди. Зсувний затискач являє собою кільцеподібний білок, який зв'язується з ДНК і утримує полімеразу на місці. Крім своєї ролі в ініціації, топоізомераза також запобігає перемотуванню подвійної спіралі ДНК перед виделкою реплікації, коли ДНК відкривається; це робить, викликаючи тимчасові уколи в спіралі ДНК, а потім перегерметизуючи її. У міру протікання синтезу праймери РНК замінюються ДНК. Праймери видаляються екзонуклеазної активністю ДНК-полімерази I, а проміжки заповнюються. Ніки, які залишаються між новосинтезованою ДНК (яка замінила праймер РНК) та раніше синтезованою ДНК, запечатані ферментом ДНК-лігазою, яка каталізує утворення ковалентного зв'язку фосфодіефіру між 3'-OH кінцем одного фрагмента ДНК та 5-футовим фосфатним кінцем іншого фрагмента, стабілізації цукрово-фосфатного хребта молекули ДНК.

Діаграма реплікації ДНК. Невелика вставка вгорі показує подвійну нитку ДНК, відокремлену в центрі, утворюючи міхур; ДНК подвійно скручена по обидва боки міхура. Походження реплікації знаходиться в середній точці міхура. На верхній пасмо суцільна стрілка вказує вліво від початку; це провідна пасмо. Праворуч від початку реплікації розташовані короткі стрілки, що вказують вліво; це відстає пасмо. На нижній пасмі суцільною стрілкою, що вказує вправо від початку, маркується провідна пасмо і короткими стрілками, що вказують вправо з іншого боку від початку, позначені відстаючі пасма. Більша картинка показує тільки ліву половину міхура. Подвійна багатонитка ДНК знаходиться на крайньому лівому краю і позначена 5' для верхньої нитки і 3' для нижньої нитки. Фермент в дуже далекому лівому I позначається топоізомераза/гіраза. У точці, де подвійні багатожильні області розщеплюються, є форма трикутника, позначена helicase. Поруч з цим розташовуються менші форми, позначені одножильні зв'язуючі білки. Верхня пасмо показує безперервний синтез провідної пасма; це показано як суцільна стрілка під верхньою пасмом. Стрілка має 5' на правому кінці і 3' на лівому кінці. Пасмо шаблону вгорі має 3' праворуч і 5' ліворуч. На кінці стрілки (поблизу місця, де ДНК знову відокремлюється спіраллю) знаходиться ДНК-полімераза 3 і ковзний затискач, який охоплює обидві нитки. Нижня нитка ДНК має більше компонентів. Відразу після одножильного зв'язування білків відбувається РНК примаза, яка приєднує РНК праймер (показаний у вигляді зеленої стрілки). Далі вниз по відстаючому шаблону нитки знаходиться існуючий РНК-праймер з ДНК-полімеразою III і ковзаючим затискачем, що охоплює праймер і шаблонну нитку. Полімераза будує нову нитку ДНК з лівого боку (5') до правого боку (3'). Далі праворуч знаходиться довгий шматок, зроблений з грунтовки РНК, потім нова ДНК, потім РНК праймер, потім нова ДНК все пов'язано. Кожна з комбінацій ДНК/РНК - це фрагменти окадзакі, виконані в переривчастому синтезі відстаючої пасма. ДНК-полімераза I прикріплюється до праймера РНК в центрі і замінює його нуклеотидами ДНК. ДНК-лігаза потім пов'язує окремі нитки нової ДНК разом. Це показано крупним планом у вигляді двох подвійних спіралей, які мають всі правильні літери на місці, але в одній відсутня зв'язок між двома нуклеотидами (це називається одножильний розрив). ДНК-лігаза утворює цю останню зв'язок і щілину герметизують. — Малюнок\(\PageIndex{4}\): У зародження реплікації топоізомераза II розслабляє суперспіральну хромосому. Дві вилки реплікації утворюються відкриттям дволанцюгової ДНК на початку, а helicase відокремлює нитки ДНК, які покриті однонитковими зв'язуючими білками, щоб зберегти нитки відокремленими. Реплікація ДНК відбувається в обох напрямках. РНК-праймер, що доповнює батьківську нитку, синтезується примазою РНК і подовжується ДНК-полімеразою III шляхом додавання нуклеотидів до кінця 3'-OH. На провідній нитці ДНК синтезується безперервно, тоді як на відстаючої пасма ДНК синтезується короткими відрізками, які називаються фрагментами Окадзакі. РНК-праймери всередині відстаючої нитки видаляються екзонуклеазної активністю ДНК-полімерази I, а фрагменти Окадзакі з'єднуються ДНК-лігазою.

Припинення

Після того, як повна хромосома буде реплікована, має відбутися припинення реплікації ДНК. Хоча про ініціювання реплікації відомо багато, про процес припинення відомо менше. Після реплікації отримані повні кругові геноми прокаріотів об'єднуються, що означає, що кругові хромосоми ДНК зблоковані і повинні бути відокремлені один від одного. Це досягається завдяки активності бактеріальної топоізомерази IV, яка вводить дволанцюгові розриви в молекули ДНК, дозволяючи їм відокремлюватися один від одного; фермент потім повторює кругові хромосоми. Дозвіл конкатемерів - це питання, унікальне для реплікації прокаріотичної ДНК через їх кругові хромосом. Оскільки як бактеріальна ДНК-гіраза, так і топоізомераза IV відрізняються від своїх еукаріотичних аналогів, ці ферменти служать мішенями для класу антимікробних препаратів, які називаються хінолонами.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Молекулярна техніка, що бере участь у реплікації бактеріальної ДНК
Фермент або фактор	Функція
ДНК-пул I	Екзонуклеазна активність видаляє праймер РНК і замінює його новосинтезованою ДНК
ДНК-пол III	Основний фермент, який додає нуклеотиди в напрямку 5' до 3'
Хелікейс	Відкриває спіраль ДНК шляхом розриву водневих зв'язків між азотистими основами
Лігаза	Заклеює проміжки між фрагментами Окадзакі на відстаючої пасма, щоб створити одну суцільну нитку ДНК
Примаза	Синтезує праймери РНК, необхідні для початку реплікації
Одножильні зв'язуючі білки	Зв'язуйтеся з одноцепочечной ДНК, щоб запобігти водневому зв'язку між нитками ДНК, реформуючи дволанцюгову ДНК
Розсувний затискач	Допомагає утримувати ДНК pol III на місці, коли нуклеотиди додаються
Топоізомераза II (ДНК-гіраза)	Розслаблює суперспіральну хромосому, щоб зробити ДНК більш доступною для ініціації реплікації; допомагає зняти стрес на ДНК при розмотуванні, викликаючи розриви, а потім перегерметизуючи ДНК
Топоізомераза IV	Вводить однонитковий розрив на конкатеновані хромосоми, щоб звільнити їх один від одного, а потім повторює ДНК

Вправа\(\PageIndex{2}\)

Який фермент розриває водневі зв'язки, що утримують дві нитки ДНК разом, так що може відбутися реплікація?
Це відстаюча пасмо або провідна пасмо, яка синтезується в напрямку до відкриття вилки реплікації?
Який фермент відповідає за видалення праймерів РНК у нещодавно реплікованої бактеріальної ДНК?

Реплікація ДНК у еукаріотів

Еукаріотичні геноми набагато складніші і більші, ніж прокаріотичні геноми, і зазвичай складаються з множинних лінійних хромосом (табл.\(\PageIndex{2}\)). Наприклад, геном людини має 3 мільярди пар основ на гаплоїдний набір хромосом, а 6 мільярдів пар основ вставляються під час реплікації. Існує кілька джерел реплікації на кожній еукаріотичної хромосомі (рис.\(\PageIndex{5}\)); геном людини має від 30 000 до 50 000 походження реплікації. Швидкість реплікації становить приблизно 100 нуклеотидів в секунду - 10 разів повільніше, ніж реплікація прокаріотів.

Діаграма, що показує дві нитки батьківської ДНК. Потім стрілка показує кілька бульбашок реплікації з походженням реплікації в кожному. Стрілки вказують вліво і вправо від кожного походження реплікації. Показано, що утворюються нові нитки ДНК. Один з бульбашок має ліву половину міхура в коробці з написом вилка реплікації. Наступне зображення показує, що бульбашки реплікації стають довшими. Остаточне зображення показує дві нові нитки ДНК, кожна з яких має одну стару пасмо і одну нову пасмо. — Малюнок\(\PageIndex{5}\): Еукаріотичні хромосоми, як правило, лінійні, і кожна з них містить множинне походження реплікації.

Істотні етапи реплікації у еукаріотів такі ж, як і у прокаріотів. Перш ніж реплікація може початися, ДНК повинна бути доступна як шаблон. Еукаріотична ДНК сильно перекручена і упакована, чому сприяють багато білків, включаючи гістони (див. Структура і функція клітинних геномів). За походженням реплікації комплекс пререплікації, що складається з декількох білків, включаючи геліказу, утворює та набирає інші ферменти, що беруть участь у ініціюванні реплікації, включаючи топоізомеразу для розслаблення суперколінгу, одноцепочечного зв'язуючого білка, РНК-примази та ДНК-полімерази. Після початку реплікації, в процесі, подібному до того, що виявлено у прокаріотів, подовженню сприяють еукаріотичні ДНК-полімерази. Провідна нитка безперервно синтезується ензимом еукаріотичної полімерази pol δ, в той час як відстаюча пасмо синтезується pol ε. Білок ковзного затиску утримує ДНК-полімеразу на місці, щоб вона не відпадала з ДНК. Фермент рибонуклеаза Н (РНАза Н) замість ДНК-полімерази, як у бактерій, видаляє праймер РНК, який потім замінюється нуклеотидами ДНК. Прогалини, які залишилися, герметизуються ДНК-лігазою.

Оскільки еукаріотичні хромосоми є лінійними, можна очікувати, що їх реплікація буде більш простою. Як і у прокаріотів, еукаріотична ДНК-полімераза може додавати нуклеотиди лише в напрямку 5' до 3'. У провідній пасмі синтез триває до тих пір, поки не досягне або кінця хромосоми, або іншої вилки реплікації, що прогресує в протилежному напрямку. На відстає пасма синтезується ДНК короткими відрізками, кожен з яких ініціюється окремим праймером. Коли вилка реплікації досягає кінця лінійної хромосоми, ніде зробити праймер для фрагмента ДНК, який буде скопійований в кінці хромосоми. Таким чином, ці кінці залишаються непарними, і з часом вони можуть ставати поступово коротшими, оскільки клітини продовжують ділитися.

Кінці лінійних хромосом відомі як теломери і складаються з некодуючих повторюваних послідовностей. Теломери захищають послідовності кодування від втрати, оскільки клітини продовжують ділитися. У людей послідовність шести базових пар, TTAGGG, повторюється від 100 до 1000 разів, щоб сформувати теломер. Відкриття ферменту теломерази (рис.\(\PageIndex{6}\)) прояснило наше розуміння того, як підтримуються кінці хромосоми. Теломераза містить каталітичну частину і вбудований шаблон РНК. Він прикріплюється до кінця хромосоми, а додаткові основи до шаблону РНК додаються на 3' кінці ланцюга ДНК. Після того, як 3-футовий кінець шаблону відстаючого пасма досить витягнутий, ДНК-полімераза може додати нуклеотиди, що доповнюють кінці хромосом. Таким чином відбувається реплікація кінців хромосом. У людей теломераза, як правило, активна в статевих клітині і стовбурових клітині дорослих; вона не активна в соматичних клітині дорослих і може бути пов'язана зі старінням цих клітин. Еукаріотичні мікроби, включаючи гриби та найпростіші, також виробляють теломеразу для підтримки цілісності хромосом. За відкриття теломерази та її дії Елізабет Блекберн (1948—) отримала Нобелівську премію з медицини та фізіології в 2009 році.

Діаграма теломерази. На верхньому зображенні показана довга нитка ДНК з 5' ліворуч і 3' праворуч. Додаткова пасмо набагато коротше і показує 3 'зліва і 5' праворуч. Коло, позначене теломеразою, містить додаткову пасмо, яка відповідає 3' кінця верхньої пасма, а також простягається повз 3' кінця верхньої пасма. Підпис: Теломераза має асоційовану РНК, яка доповнює 3' звис в кінці хромосоми. Далі верхня нитка ДНК повторюється за допомогою звису пасма всередині теломерази. Підпис: Шаблон РНК використовується для синтезу комплементарної нитки. Далі теломераза рухається до нового 3' кінця верхньої пасма. Підпис: Теломераза зрушується і процес повторюється. Нарешті, верхня нитка ДНК має кілька розширень. РНК праймер зв'язується біля 3' кінця і будує нову нитку ДНК зліва, поки вона не зустрінеться з існуючою ниткою. Підпис: Примаза і ДНК-полімераза синтезують комплементарну нитку. — Малюнок\(\PageIndex{6}\): У еукаріотів кінці лінійних хромосом підтримуються дією ферменту теломерази.

Таблиця\(\PageIndex{2}\): Порівняння бактеріальної та еукаріотичної реплікації
Нерухомість	Бактерії	Еукаріот
будова геному	Одинарна кругова хромосома	Множинні лінійні хромосоми
Кількість походження на хромосому	Одномісний	Множинні
Швидкість реплікації	1000 нуклеотидів в секунду	100 нуклеотидів в секунду
Теломераза	Ні	Подарунок
Видалення грунтовки РНК	ДНК-пул I	Рнза H
подовження пасом	ДНК-пол III	пол δ, пол ε

Вправа\(\PageIndex{3}\)

Чим відрізняється походження реплікації між еукаріотами і прокаріотами?
Які ферменти полімерази відповідають за синтез ДНК при еукаріотичної реплікації?
Що виявляється на кінцях хромосом у еукаріот і чому?

Реплікація ДНК екстрахромосомних елементів: плазміди та віруси

Для копіювання своїх нуклеїнових кислот, плазміди та віруси часто використовують варіації шаблону реплікації ДНК, описані для геномів прокаріотів. Для отримання додаткової інформації про широкий спектр стратегій реплікації вірусів див. Життєвий цикл вірусу.

Коло кочення реплікації

Тоді як багато бактеріальних плазмід (див. Унікальні характеристики прокаріотичних клітин) відтворюються процесом, подібним до того, який використовується для копіювання бактеріальної хромосоми, інших плазмід, декількох бактеріофагів та деяких вірусів еукаріотів використовують реплікацію кочення кола (рис.\(\PageIndex{7}\)). Циркулярний характер плазмід і циркуляризація деяких вірусних геномів при зараженні роблять це можливим. Реплікація прокатного кола починається з ферментативного защемлення однієї нитки двожильної кругової молекули на місці двожильного походження (dso). У бактерій ДНК-полімераза III зв'язується з групою 3'-OH вирізаної нитки і починає однонаправлено тиражувати ДНК, використовуючи невирізану нитку як шаблон, витісняючи нитку, як це робить. Завершення реплікації ДНК на місці вихідного ніка призводить до повного зміщення вирізаної нитки, яка потім може рециркуляризуватися в одноцепочечную молекулу ДНК. РНК примаза потім синтезує праймер для ініціювання реплікації ДНК на одноланцюговому місці походження (sso) молекули одноцепочечной ДНК (ssDNA), в результаті чого дволанцюгова молекула ДНК (dsDNA) ідентична іншій круговій молекулі ДНК.

Діаграма реплікації ДНК. Коло з подвійною багатонитковою ДНК має область, позначену SSO поблизу області, позначеної DSO. Нік утворюється в DSO і ДНК-полімераза III починає копіювати і витісняти вирізану нитку. Це утворює нове кільце, виготовлене зі старої та нової нитки ДНК; друга стара нитка ДНК знаходиться поза цим кільцем, але врешті-решт знову приєднується до вирізаної нитки. Потім ДНК-лігаза відокремлює dsDNA (синтез першої нитки) і самотню SSDNA. Потім SSDNA синтезує другу нитку і також стає ДНК ds. — Малюнок\(\PageIndex{7}\): Процес реплікації кочення кола призводить до синтезу єдиної нової копії кругової молекули ДНК, як показано тут.

Вправа\(\PageIndex{4}\)

Чи є відстаюча пасмо в коченому колі реплікації? Чому чи чому ні?

Ключові поняття та резюме

Процес реплікації ДНК є напівконсервативним, в результаті чого дві молекули ДНК, кожна з яких має одну батьківську нитку ДНК і одну знову синтезовану нитку.
У бактерій ініціювання реплікації відбувається у походження реплікації, де суперспіральна ДНК розмотується ДНК-гіразою, зроблена однониткової геліказою, і пов'язана однонитковим зв'язуючим білком для підтримки його одно- багатожильний стан. Примаза синтезує короткий праймер РНК, забезпечуючи вільну 3'-OH групу, до якої ДНК-полімераза III може додавати нуклеотиди ДНК.
Під час подовження провідна нитка ДНК синтезується безперервно з одного праймера. Відстаюча пасмо синтезується розривно короткими фрагментами Окадзакі, кожен вимагає свого праймера. РНК-праймери видаляються і замінюються ДНК-нуклеотидами бактеріальною ДНК-полімеразою I, а ДНК-лігаза ущільнює проміжки між цими фрагментами.
Припинення реплікації у бактерій передбачає дозвіл кругових конкатемерів ДНК топоізомеразою IV для звільнення двох копій кругової хромосоми.
Еукаріоти зазвичай мають кілька лінійних хромосом, кожна з яких має множинне походження реплікації. В цілому реплікація у еукаріотів подібна до реплікації у прокаріотів.
Лінійний характер еукаріотичних хромосом обумовлює необхідність теломерів для захисту генів поблизу кінця хромосом. Теломераза розширює теломери, запобігаючи їх деградації, в деяких типах клітин.
Реплікація коченого кола - це тип швидкого однонаправленого синтезу ДНК кругової молекули ДНК, що використовується для реплікації деяких плазмід.