معلومة

تكرار الحمض النووي - علم الأحياء

تكرار الحمض النووي - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

1. وصف النسخ المتماثل للحمض النووي

ينتج جسم الإنسان بلايين من الخلايا الجديدة كل يوم. ولكن قبل الخضوع للانقسام الخلوي ، يجب على الخلية أولاً نسخ المعلومات الجينية الموجودة في نواة الخلية - الحمض النووي الخاص بها. في غضون 6-8 ساعات فقط ، تكون الخلية قادرة على نسخ جينومها بالكامل. لتحقيق ذلك ، يبدأ تكرار الحمض النووي في مواقع متعددة على طول كل كروموسوم. عندما يتم تفكيك خيوط الحمض النووي ، يبدأ النسخ بمعدل حوالي 50 نيوكليوتيد في الثانية!

أساسيات الحمض النووي

يقوم الحمض النووي بتشفير المعلومات اللازمة لبناء البروتينات وتنظيم العمليات الفسيولوجية والحفاظ على التوازن في أجسامنا. المكونات الكيميائية الأساسية للحمض النووي هي فوسفات, ديوكسيريبوز (سكر) و 4 قواعد نيتروجينية: الأدينين (A) ، الجوانين (G) ، السيتوزين (C) والثيمين (T).

الحمض النووي هو جزيء مزدوج تقطعت به السبل مع وجود خيطين مضاد لبعضهم البعض (هم موازون لبعضهم البعض لكنهم يركضون في اتجاهين متعاكسين). يلتف شريطا الحمض النووي معًا لتشكيل حلزون مزدوج - هيكل يشبه الدرج الحلزوني.

الشكل ( PageIndex {1} ). التركيب الكيميائي للحمض النووي (CC BY-NC-SA ؛ جنون)

الشكل ( PageIndex {2} ). النسخ المتماثل شبه المحافظ (CC BY-NC-SA ؛ جنون)

تعد خيوط الحمض النووي مكملة لبعضها البعض أيضًا بسبب الاقتران الأساسي المحدد بين الخيطين: سوف يتزاوج الأدينين الموجود على خيط واحد دائمًا مع الثايمين على الشريط المعاكس والسيتوزين سيرتبط دائمًا بالجوانين.

الشكل ( PageIndex {3} ). تكرار الحمض النووي (CC BY-NC-SA ؛ LadyofHats)

أثناء عملية تكرار الحمض النووي ، ينفصل الحمض النووي الأبوي ، وبما أن النيوكليوتيدات لها شركاء حصريون ، يمكن لكل DNA أن يعمل كقالب خاص به للتكرار. يتكون كل من جزيئي الحمض النووي الجديدين من خيط أبوي واحد وخيط آخر مصنوع حديثًا. هذا هو المعروف باسم تكرار الحمض النووي شبه المحافظ.

الشكل ( PageIndex {4} ). الحلزون المزدوج للحمض النووي (CC BY-NC-SA ؛ فورلوفوفت)

أهم اللاعبين في استنساخ الحمض النووي

DNA Helicase: يكسر روابط الهيدروجين بين خيوط الحمض النووي (يفك الحمض النووي)

توبويزوميراز: يخفف من الالتواء الإيجابي (التواء الحمض النووي) قبل شوكة النسخ المتماثل

بروتينات ربط أحادية السلسلة (SSBPs): يبقي السلاسل الأبوية متباعدة

بريماز: يقوم بتوليف RNA التمهيدي (يبدأ تركيب خيط جديد)

بوليميريز الحمض النووي الثالث: يقوم بتوليف ضفيرة ابنة من الحمض النووي

بوليميراز الحمض النووي I: يقطع الاشعال RNA ويملأ بالحمض النووي

ligase DNA: يربط تساهميًا شظايا Okazaki معًا

آلية تكرار الحمض النووي

بدء النسخ المتماثل

يبدأ تكرار الحمض النووي في مواقع خاصة تسمى أصول النسخ المتماثل. تحتوي البكتيريا ، التي تحتوي على كروموسومات دائرية صغيرة نسبيًا ، على أصل واحد للتكاثر. تحتوي الكروموسومات حقيقية النواة ، وهي سلاسل طويلة وخطية من الحمض النووي ، على العديد من أصول النسخ المتماثل على طول خيوط الحمض النووي (انظر أدناه). ترتبط البروتينات التي تتعرف على أصول النسخ المتماثل بهذه التسلسلات وتفصل بين الخيطين ، مما يفتح "فقاعة" نسخ متماثل. ثم يستمر النسخ المتماثل في كلا الاتجاهين حتى يتم نسخ الجزيء بأكمله.

الشكل ( PageIndex {5} ). فقاعات النسخ المتماثل (CC BY-NC-SA ؛ بومفريفر)

في نهاية كل فقاعة تكرار يكون ملف شوكة النسخ المتماثل، وهي منطقة على شكل Y حيث يتم فك الخيوط الأبوية للحمض النووي بحيث تتمكن آلية النسخ المتماثل من نسخ الحمض النووي. Helicases هي إنزيمات مسؤولة عن فك اللولب المزدوج في شوكات النسخ ، وفصل السلاسل وجعلها متاحة لتكون بمثابة قوالب لتكرار الحمض النووي. يؤدي فك اللولب المزدوج بواسطة الهليكاز إلى التواء إضافي لجزيء الحمض النووي قبل شوكة النسخ. توبويزوميراز هو الإنزيم الذي يساعد على تخفيف هذه السلالة عن طريق تكسير وفك وضم خيوط الحمض النووي. بعد أن تم فصل خيوط الوالدين بواسطة هيليكاز ، بروتينات ربط واحدة تقطعت بهم السبل تلتزم بسلسلة الوالدين لمنعهم من إعادة التواصل مع بعضهم البعض.

الشكل ( PageIndex {6} ). تشكيل شوكة النسخ المتماثل (CC BY-NC-SA ؛ سيزار بينيتو خيمينيز)

أصبحت السلاسل الأبوية غير الملتفة جاهزة الآن للنسخ ، لكن DNA Polymerase ، الإنزيم المسؤول عن نسخ الحمض النووي ، لا يمكنه بدء تركيب الحمض النووي ، يمكنه فقط إضافة النيوكليوتيدات إلى سلسلة موجودة من النيوكليوتيدات. لحل هذه المشكلة، بريماز الحمض النووي الريبي يضع سلسلة قصيرة من الحمض النووي الريبي المكمل للحمض النووي النموذجي ، يسمى التمهيدي الذي يمكن استخدامه لبدء تكرار الحمض النووي. ثم يصبح بوليميراز الدنا قادرًا على تخليق دنا جديد عن طريق إضافة نيوكليوتيدات إلى هذه السلسلة الموجودة مسبقًا.

صنع خيط DNA جديد

كما ذكر أعلاه، بوليميرات الحمض النووي تحفيز تخليق الحمض النووي الجديد عن طريق إضافة نيوكليوتيدات إلى أساس RNA الذي تم وضعه بواسطة RNA Primase. تجدر الإشارة إلى أنه في الإشريكية القولونية ، هناك العديد من بوليميرات الحمض النووي المختلفة ، ولكن يبدو أن اثنين يلعبان أدوارًا رئيسية: DNA Pol III و DNA Pol I. في حقيقيات النوى ، يكون الوضع أكثر تعقيدًا ، حيث تم اكتشاف 11 بوليميرا مختلفًا على الأقل حتى الآن ، لكن المبادئ العامة التي سنناقشها في هذا البرنامج التعليمي قابلة للتطبيق على كلا النظامين.

في الإشريكية القولونية ، يضيف DNA Pol III نوكليوتيد DNA إلى الطرف الثالث من التمهيدي RNA ثم يواصل إضافة نيوكليوتيدات الحمض النووي التكميلية إلى حبلا القالب. كما ذكرنا سابقًا ، فإن طرفي خيط DNA مختلفان ، من حيث أنهما متوازيان مع بعضهما البعض. هذا الاتجاه مهم لتخليق الحمض النووي ، لأن بوليميراز الحمض النووي يمكنه فقط إضافة نيوكليوتيدات إلى الطرف 3 من خيط DNA المتنامي (وليس نهاية 5). هكذا، لا يمكن صنع خيط DNA جديد إلا في اتجاه 5 "إلى 3".

خيوط رائدة ومتأخرة

الشكل ( PageIndex {7} ). شوكة النسخ المتماثل (CC BY-NC-SA ؛ سيزار بينيتو خيمينيز)

إذا نظرنا إلى شوكة النسخ المتماثل ، فإننا نرى أن اتجاه 5 "إلى 3" هذا يطرح مشكلة. على طول أحد خيوط القالب ، يمكن لـ DNA Pol III تصنيع خيط تكميلي بشكل متواصل عن طريق إطالة الحمض النووي الجديد في اتجاه 5 إلى 3. هذا يسمى الساحل الرئيسي ويتطلب الأمر إجراء تمهيدي واحد فقط من الحمض النووي الريبي لبدء النسخ المتماثل. ومع ذلك ، لإطالة الخيط الآخر في اتجاه 5 "إلى 3" ، يجب على DNA Pol III إطالة حبلا DNA الجديد في اتجاه معاكس لحركة شوكة النسخ المتماثل. يُعرف هذا الخيط باسم حبلا متخلفة. بينما يستمر نموذج النسخ ويكشف قسمًا جديدًا من قالب الشريط المتأخر ، يجب أن يضع RNA Primase أساسًا جديدًا لاستطالة DNA Pol III. بهذه الطريقة ، يتم الانتهاء من الخيط المتأخر في ملف متقطع طريقة. تسمى شظايا الحمض النووي المركبة على الخيط المتأخر شظايا أوكازاكي. بوليميريز DNA آخر ، DNA بول أنا هو المسؤول عن إزالة المواد الأولية من الحمض النووي الريبي واستبدالها بالحمض النووي. ligase DNA ثم يسد الفجوات بين شظايا أوكازاكي لإكمال الخيط المتأخر المركب حديثًا.

الشكل ( PageIndex {8} ). (CC BY-NC-SA)


دروس النسخ المتماثل للحمض النووي الدكتورة كاثرين هاريس مرخص بموجب أ المشاع الإبداعي Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Unported License.

تم تمويل هذا البرنامج التعليمي من خلال منحة V-STEM Grant # P031S090007.


تكرار الحمض النووي

1. هيليكاز الحمض النووي (إنزيم) يريح الحمض النووي. يسمى التقاطع أ شوكة النسخ المتماثل.
2. بوليميريز الحمض النووي يضيف النيوكليوتيدات التكميلية ويربط السكريات والفوسفات. ينتقل بوليميريز الحمض النووي من 3 إلى 5 نهاية. يسمى الحمض النووي نموذج ساحل.
3. يضيف بوليميراز الحمض النووي مكمل النيوكليوتيدات على الجانب الآخر من السلم. السفر في الاتجاه المعاكس.
4. جانب واحد هو الساحل الرئيسي - إنها تتبع الهليكاز أثناء استرخائها.
5. الجانب الآخر هو حبلا متخلفة - الابتعاد عن الهليكاز (في اتجاه 5 إلى 3).

يسمى النسخ المتماثل شبه محافظ، لأن نصف الشريط الأصلي دائمًا ما يتم حفظه ، أو & quot الحفاظ عليه & quot

المشكلة: تصل إلى شوكة النسخ المتماثل ، لكن الهليكاز يتحرك في الاتجاه المعاكس. يتوقف ، ويترابط بوليميراز آخر أسفل السلسلة.

هذه العملية تخلق عدة شظايا تسمى شظايا أوكازاكي، المرتبطين معًا ligase DNA.

6. أثناء التكرار ، هناك العديد من النقاط على طول الحمض النووي التي يتم تصنيعها في نفس الوقت (شوكات النسخ المتعددة). سيستغرق الانتقال من طرف إلى آخر إلى الأبد ، ومن الأفضل فتح عدة نقاط في وقت واحد.

أخطاء النسخ المتماثل - يمكن أن تسبب طفرة وراثية
- يمنع التخمير بالبوليميراز عدم التطابق
- يمكن أن تقوم إنزيمات إصلاح الحمض النووي بإصلاح الحمض النووي التالف أيضًا

/> هذا العمل مرخص بموجب رخصة المشاع الإبداعي Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.


محتويات

يوجد الحمض النووي كهيكل مزدوج تقطعت به السبل ، حيث يتم لف كلا الخيوط معًا لتشكيل اللولب المزدوج المميز. كل خيط من الحمض النووي عبارة عن سلسلة من أربعة أنواع من النيوكليوتيدات. تحتوي النيوكليوتيدات الموجودة في الحمض النووي على سكر ديوكسيريبوز وفوسفات وقاعدة نوكليوباز. تتوافق الأنواع الأربعة من النوكليوتيدات مع القواعد النووية الأربعة: الأدينين والسيتوزين والجوانين والثايمين ، والتي يشار إليها عادةً بالاختصار A و C و G و T. تشكل هذه النيوكليوتيدات روابط فوسفوديستر ، مما يخلق العمود الفقري للفوسفات-ديوكسيريبوز للحلزون المزدوج للحمض النووي مع القواعد النووية التي تشير إلى الداخل (أي نحو الشريط المقابل). تتم مطابقة القواعد النووية بين خيوط من خلال روابط هيدروجينية لتشكيل أزواج قاعدية. أزواج الأدينين مع الثايمين (رابطان هيدروجين) ، وأزواج الجوانين مع السيتوزين (ثلاث روابط هيدروجينية).

تمتلك خيوط الحمض النووي اتجاهية ، وتسمى النهايات المختلفة للخيط الفردي "3 ′ (ثلاثة أجزاء رئيسية) نهاية" و "5 ′ (خمسة أجزاء رئيسية)". حسب الاصطلاح ، إذا تم إعطاء التسلسل الأساسي لخيط واحد من DNA ، فإن الطرف الأيسر من التسلسل هو 5 ′ end ، بينما الطرف الأيمن من التسلسل هو 3 end. خيوط اللولب المزدوج غير متوازية بحيث يكون أحدهما 5 إلى 3 ، والشريط المقابل 3 إلى 5. تشير هذه المصطلحات إلى ذرة الكربون في الديوكسيريبوز التي يرتبط بها الفوسفات التالي في السلسلة. للاتجاه عواقب في تخليق الحمض النووي ، لأن بوليميراز الدنا يمكن أن يصنع الحمض النووي في اتجاه واحد فقط عن طريق إضافة نيوكليوتيدات إلى الطرف الثالث من خيط DNA.

يعني اقتران القواعد التكميلية في الحمض النووي (من خلال الرابطة الهيدروجينية) أن المعلومات الموجودة داخل كل خيط زائدة عن الحاجة. روابط الفوسفوديستر (داخل حبلا) أقوى من روابط الهيدروجين (بين حبلا). تتمثل الوظيفة الفعلية لروابط Phosphodiester في المكان الذي تقوم فيه بوليمرات الحمض النووي بتوصيل 5 'كربون لنيوكليوتيد واحد بـ 3' كربون لنيوكليوتيد آخر ، بينما تعمل روابط الهيدروجين على تثبيت حلزونات الحمض النووي المزدوجة عبر المحور الحلزوني ولكن ليس في اتجاه المحور 1 . [11] هذا يسمح بفصل الخيوط عن بعضها البعض. لذلك يمكن استخدام النيوكليوتيدات الموجودة على خيط واحد لإعادة بناء النيوكليوتيدات على خيط شريك تم تصنيعه حديثًا. [12]

بوليميرات الحمض النووي هي عائلة من الإنزيمات التي تقوم بجميع أشكال تكرار الحمض النووي. [14] لا يمكن لبوليميرات الدنا بشكل عام أن تبدأ تخليق خيوط جديدة ، ولكن يمكنها فقط تمديد خيط DNA أو RNA موجود مقترنًا بحبل قالب. لبدء التخليق ، يجب إنشاء جزء قصير من الحمض النووي الريبي ، يسمى التمهيدي ، وإقرانه مع خيط DNA النموذجي.

يضيف بوليميراز الحمض النووي خيطًا جديدًا من الحمض النووي عن طريق تمديد الطرف الثالث لسلسلة نيوكليوتيد موجودة ، وإضافة نيوكليوتيدات جديدة مطابقة لقالب القالب واحدًا تلو الآخر عن طريق إنشاء روابط فوسفوديستر. تأتي الطاقة اللازمة لعملية بلمرة الحمض النووي هذه من التحلل المائي لروابط الفوسفات عالية الطاقة (الفوسفوهيدريد) بين الفوسفات الثلاثة المرتبطة بكل قاعدة غير مدمجة. تسمى القواعد الحرة مع مجموعات الفوسفات المرتبطة بها بالنيوكليوتيدات على وجه الخصوص ، وتسمى القواعد التي تحتوي على ثلاث مجموعات فوسفات متصلة بالنيوكليوزيد ثلاثي الفوسفات. عندما يتم إضافة نيوكليوتيد إلى حبلا الحمض النووي المتنامي ، فإن تكوين رابطة فوسفوديستر بين الفوسفات القريبة من النيوكليوتيد إلى سلسلة النمو يكون مصحوبًا بالتحلل المائي لرابطة فوسفات عالية الطاقة مع إطلاق اثنين من الفوسفات البعيدة مثل بيروفوسفات . التحلل المائي الأنزيمي لبيروفوسفات الناتج إلى فوسفات غير عضوي يستهلك رابطة فوسفات ثانية عالية الطاقة ويجعل التفاعل فعالًا لا رجوع فيه. [ملاحظة 1]

بشكل عام ، تعد بوليمرات الحمض النووي عالية الدقة ، مع معدل خطأ جوهري أقل من خطأ واحد لكل 10 7 نيوكليوتيدات مضافة. [15] بالإضافة إلى ذلك ، تتمتع بعض بوليميرات الحمض النووي أيضًا بقدرة على التدقيق اللغوي حيث يمكنها إزالة النيوكليوتيدات من نهاية خيط النمو من أجل تصحيح القواعد غير المتطابقة. أخيرًا ، تراقب آليات إصلاح عدم التطابق بعد النسخ المتماثل الحمض النووي بحثًا عن الأخطاء ، وتكون قادرة على تمييز حالات عدم التطابق في حبلا الحمض النووي المركب حديثًا عن تسلسل الشريط الأصلي. معًا ، تتيح خطوات التمييز الثلاث هذه دقة النسخ المتماثل لأقل من خطأ واحد لكل 10 9 نيوكليوتيدات مضافة. [15]

تم قياس معدل تكرار الحمض النووي في الخلية الحية لأول مرة كمعدل استطالة الحمض النووي للعاثية T4 في المصابين بالعدوى. بكتريا قولونية. [16] خلال فترة زيادة الحمض النووي الأسي عند 37 درجة مئوية ، كان المعدل 749 نيوكليوتيد في الثانية. معدل الطفرة لكل زوج أساسي لكل تكرار أثناء تخليق DNA T4 هو 1.7 لكل 10 8. [17]

يستمر تكرار الحمض النووي ، مثل جميع عمليات البلمرة البيولوجية ، في ثلاث خطوات محفزة ومنسقة إنزيمياً: البدء والاستطالة والإنهاء.

بدء تحرير

لكي تنقسم الخلية ، يجب عليها أولاً أن تنسخ الحمض النووي الخاص بها. [18] تكرار الحمض النووي هو عملية الكل أو لا شيء بمجرد أن يبدأ النسخ المتماثل ، وتنتهي. بمجرد اكتمال النسخ المتماثل ، لا يحدث مرة أخرى في نفس دورة الخلية. أصبح هذا ممكنًا عن طريق تقسيم بدء مجمع ما قبل النسخ المتماثل.

تحرير مجمع ما قبل النسخ المتماثل

في وقت متأخر من الانقسام الفتيلي ومراحل G1 المبكرة ، يتجمع مجمع كبير من البروتينات البادئة في مجمع ما قبل النسخ المتماثل في نقاط معينة في الحمض النووي ، والمعروفة باسم "الأصول". [7] في بكتريا قولونية البروتين البادئ الأساسي هو DnaA في الخميرة ، وهذا هو معقد التعرف على الأصل. [19] تميل التسلسلات التي تستخدمها البروتينات البادئة إلى أن تكون "غنية بـ AT" (غنية بقواعد الأدينين والثايمين) ، لأن أزواج القاعدة AT تحتوي على رابطتين هيدروجينيتين (بدلاً من الروابط الثلاثة المتكونة في زوج CG) وبالتالي يكون من السهل حبالها -منفصل. [20] في حقيقيات النوى ، يحفز مجمع التعرف على الأصل تجميع البروتينات البادئة في مجمع ما قبل النسخ المتماثل. ثم يقترن Cdc6 و Cdt1 بمركب التعرف على الأصل المرتبط في الأصل من أجل تكوين معقد أكبر ضروري لتحميل مجمع Mcm على الحمض النووي. مجمع Mcm هو الهليكس الذي سيفكك لولب الحمض النووي في أصول النسخ المتماثل وشوكات النسخ المتماثل في حقيقيات النوى. يتم تجنيد مجمع Mcm في مرحلة G1 المتأخرة وتحميله بواسطة مجمع ORC-Cdc6-Cdt1 على الحمض النووي عبر إعادة تشكيل البروتين المعتمد على ATP. يشير تحميل مجمع Mcm على الحمض النووي الأصلي إلى اكتمال تكوين مجمع ما قبل النسخ المتماثل. [21]

إذا كانت الظروف البيئية مناسبة في أواخر المرحلة G1 ، يتم تنشيط مجمعات G1 و G1 / S cyclin-Cdk ، والتي تحفز التعبير عن الجينات التي تشفر مكونات آلية DNA الاصطناعية. يعزز تنشيط G1 / S-Cdk أيضًا التعبير عن مجمعات S-Cdk وتفعيلها ، والتي قد تلعب دورًا في تنشيط أصول النسخ المتماثل اعتمادًا على الأنواع ونوع الخلية. يختلف التحكم في هذه الأقراص المدمجة باختلاف نوع الخلية ومرحلة التطور. يُفهم هذا التنظيم على أفضل وجه في الخميرة الناشئة ، حيث تكون S cyclins Clb5 و Clb6 مسؤولة بشكل أساسي عن تكرار الحمض النووي. [22] تعمل مجمعات Clb5،6-Cdk1 مباشرة على تنشيط أصول النسخ المتماثل ، وبالتالي فهي مطلوبة طوال المرحلة S لتنشيط كل أصل مباشرة. [21]

بطريقة مماثلة ، مطلوب Cdc7 أيضًا خلال المرحلة S لتنشيط أصول النسخ المتماثل. لا يكون Cdc7 نشطًا طوال دورة الخلية ، ويتم تنشيطه في توقيت صارم لتجنب البدء المبكر لتكرار الحمض النووي. في أواخر G1 ، ارتفع نشاط Cdc7 بشكل مفاجئ نتيجة ارتباطه بالوحدة الفرعية التنظيمية Dbf4 ، التي تربط Cdc7 مباشرة وتعزز نشاط بروتين كينيز. تم العثور على Cdc7 ليكون منظمًا يحد من معدل نشاط المنشأ. معًا ، يتعاون G1 / S-Cdks و / أو S-Cdks و Cdc7 لتنشيط أصول النسخ المتماثل مباشرةً ، مما يؤدي إلى بدء تخليق الحمض النووي. [21]

تحرير مجمع Preinitiation

في مرحلة S المبكرة ، يؤدي تنشيط S-Cdk و Cdc7 إلى تجميع مجمع ما قبل التأسيس ، وهو مجمع بروتين ضخم يتكون في الأصل. يؤدي تكوين مجمع ما قبل التهيئة إلى إزاحة Cdc6 و Cdt1 من مجمع تكرار الأصل ، مما يؤدي إلى تعطيل وتفكيك مجمع ما قبل النسخ المتماثل. يؤدي تحميل معقد التأسيس إلى الأصل إلى تنشيط هليكس Mcm ، مما يتسبب في فك حلزون الحمض النووي. يحمّل مجمع preinitiation أيضًا α-primase و polymerases DNA الأخرى على الحمض النووي. [21]

بعد أن تقوم α-primase بتوليف البادئات الأولى ، تتفاعل وصلات القالب التمهيدي مع محمل المشبك ، الذي يقوم بتحميل المشبك المنزلق على الحمض النووي لبدء تخليق الحمض النووي. تظل مكونات مجمع preinitiation مرتبطة بشوكات النسخ المتماثل أثناء انتقالها من الأصل. [21]

تحرير الاستطالة

بوليميراز الدنا له نشاط 5 – 3. تتطلب جميع أنظمة تكرار الحمض النووي المعروفة مجموعة 3-هيدروكسيل مجانية قبل أن يبدأ التوليف (ملاحظة: يُقرأ قالب الحمض النووي في اتجاه 3 إلى 5 بينما يتم تصنيع خيط جديد في اتجاه 5 إلى 3 - وهذا غالبًا ما يكون مشوش). تم التعرف على أربع آليات متميزة لتخليق الحمض النووي:

  1. تستخدم جميع أشكال الحياة الخلوية والعديد من فيروسات الحمض النووي والعاثيات والبلازميدات مادة أولية لتركيب مادة أولية قصيرة من الحمض النووي الريبي مع مجموعة 3 ′ OH مجانية والتي يتم استطالةها لاحقًا بواسطة بوليميريز DNA.
  2. تستخدم العناصر الرجعية (بما في ذلك الفيروسات القهقرية) نقل الحمض النووي الريبي الذي يهيئ تكرار الحمض النووي من خلال توفير 3 ′ OH المجاني الذي يستخدم للاستطالة بواسطة النسخ العكسي.
  3. في الفيروسات الغدية وعائلة φ29 من العاثيات ، يتم توفير مجموعة 3 ′ OH من خلال السلسلة الجانبية للحمض الأميني للبروتين المرتبط بالجينوم (البروتين الطرفي) الذي تمت إضافة النيوكليوتيدات إليه بواسطة بوليميريز الحمض النووي لتشكيل حبلا جديد.
  4. في فيروسات الحمض النووي المنفردة العالقة - وهي مجموعة تشمل فيروسات الدورة ، والفيروسات الجيمينية ، والفيروسات الصغيرة وغيرها - وكذلك العديد من العاثيات والبلازميدات التي تستخدم آلية تكرار الدائرة المتدحرجة (RCR) ، يخلق نوكلياز RCR شقًا في خيط الجينوم (الفيروسات المنفردة التي تقطعت بها السبل) أو أحد خيوط الحمض النووي (البلازميدات). يتم نقل الطرف 5 من الخيط المكسور إلى بقايا التيروزين على نوكلياز ثم يتم استخدام مجموعة 3 ′ OH المجانية بواسطة بوليميراز DNA لتركيب الخيط الجديد.

الأول هو أشهر هذه الآليات وتستخدمه الكائنات الخلوية. في هذه الآلية ، بمجرد فصل الخيوط ، يضيف primase مواد أولية RNA إلى خيوط القالب. يتلقى الخيط الرئيسي مادة أولية من الحمض النووي الريبي بينما يتلقى الخيط المتأخر عدة مواد أولية. يتم تمديد الخيط الرئيسي باستمرار من التمهيدي بواسطة بوليميراز DNA عالي القدرة ، بينما يتم تمديد الخيط المتأخر بشكل متقطع من كل مادة أولية مكونة شظايا Okazaki. يزيل RNase شظايا الحمض النووي الريبي التمهيدي ، ويدخل بوليميراز DNA منخفض القدرة المتميز عن البوليميراز المتماثل لملء الفجوات. عند اكتمال ذلك ، يمكن العثور على شق واحد على الشريط الرئيسي والعديد من النكات على الشريط المتأخر. يعمل Ligase على ملء هذه النتوءات ، وبالتالي إكمال جزيء DNA المكرر حديثًا.

يختلف البريميز المستخدم في هذه العملية اختلافًا كبيرًا بين البكتيريا والعتائق / حقيقيات النوى. تستخدم البكتيريا بريماز ينتمي إلى عائلة بروتين DnaG التي تحتوي على مجال تحفيزي من نوع طية TOPRIM. [23] تحتوي طية TOPRIM على قلب α / بأربعة خيوط محفوظة في طوبولوجيا تشبه روسمان. تم العثور على هذا الهيكل أيضًا في المجالات التحفيزية لـ topoisomerase Ia و topoisomerase II و nucleases من عائلة OLD وبروتينات إصلاح الحمض النووي المتعلقة ببروتين RecR.

على النقيض من ذلك ، تحتوي البادئة المستخدمة من قبل البدئيات وحقيقيات النوى على نسخة مشتقة للغاية من عزر التعرف على الحمض النووي الريبي (RRM). يشبه هذا البريميز من الناحية الهيكلية العديد من بوليميرات الحمض النووي الريبي المعتمد على الحمض النووي الريبي ، والنسخ العكسية ، والنيوكليوتيدات الحلقية التي تولد الحلقات وبوليميرات الحمض النووي لعائلات A / B / Y التي تشارك في تكرار وإصلاح الحمض النووي. في تكاثر حقيقيات النوى ، تشكل البريميز معقدًا مع Pol α. [24]

تأخذ بوليميرات الحمض النووي المتعددة أدوارًا مختلفة في عملية تكرار الحمض النووي. في بكتريا قولونية، DNA Pol III هو إنزيم البوليميراز المسؤول بشكل أساسي عن تكرار الحمض النووي. يتجمع في مجمع النسخ المتماثل في شوكة النسخ المتماثل الذي يعرض عملية معالجة عالية للغاية ، ويبقى سليماً لدورة النسخ المتماثل بأكملها. في المقابل ، فإن DNA Pol I هو الإنزيم المسؤول عن استبدال بادئات RNA مع DNA. يحتوي DNA Pol I على نشاط 5 إلى 3 نوكلياز خارجي بالإضافة إلى نشاط البوليميراز الخاص به ، ويستخدم نشاط نوكليازه الخارجي لتحطيم بادئات الحمض النووي الريبي التي تسبقه لأنه يمد حبلا DNA خلفه ، في عملية تسمى ترجمة نيك. يعتبر Pol I أقل معالجة من Pol III لأن وظيفته الأساسية في تكرار الحمض النووي هي إنشاء العديد من مناطق الحمض النووي القصيرة بدلاً من مناطق قليلة طويلة جدًا.

في حقيقيات النوى ، يساعد إنزيم المعالجة المنخفضة ، Pol α ، على بدء النسخ المتماثل لأنه يشكل معقدًا مع primase. [25] في حقيقيات النوى ، يُعتقد أن بول هو من أجرى عملية توليف الجدائل الرائدة ، ومع ذلك ، فقد تم تحدي هذا الرأي مؤخرًا ، مما يشير إلى دور Pol. [26] تم الانتهاء من إزالة البرايمر Pol [27] بينما يتم إكمال إصلاح الحمض النووي أثناء النسخ المتماثل بواسطة Pol.

مع استمرار تخليق الحمض النووي ، تستمر خيوط الحمض النووي الأصلية في الاسترخاء على كل جانب من الفقاعة ، وتشكل شوكة تكرار ذات شقين. في البكتيريا ، التي لها أصل واحد من النسخ المتماثل على كروموسومها الدائري ، تخلق هذه العملية "بنية ثيتا" (تشبه الحرف اليوناني ثيتا: θ). في المقابل ، تمتلك حقيقيات النوى صبغيات خطية أطول وتبدأ النسخ المتماثل في أصول متعددة داخل هذه الكروموسومات. [28]

تحرير شوكة النسخ المتماثل

شوكة النسخ هي بنية تتشكل داخل الحمض النووي الحلزوني الطويل أثناء تكرار الحمض النووي. يتم إنشاؤه بواسطة الهليكازات ، التي تكسر الروابط الهيدروجينية التي تربط شريطي الحمض النووي معًا في الحلزون. البنية الناتجة لها "شوكات" متفرعة ، كل واحدة تتكون من خيط واحد من DNA. يعمل هذان الشريطان كقالب للخيوط الرائدة والمتأخرة ، والتي سيتم إنشاؤها لأن بوليميراز الحمض النووي يطابق النيوكليوتيدات التكميلية مع القوالب ، وقد يُشار إلى القوالب بشكل صحيح على أنها قالب الشريط الرئيسي وقالب الخيط المتأخر.

تتم قراءة الحمض النووي بواسطة بوليميراز الحمض النووي في اتجاه 3 إلى 5 ، مما يعني أن الخيط الجديد يتم تصنيعه في اتجاه 5 'إلى 3'. نظرًا لأن قوالب الجدائل الرائدة والمتأخرة موجهة في اتجاهين متعاكسين عند شوكة النسخ المتماثل ، فإن المشكلة الرئيسية هي كيفية تحقيق توليف الحمض النووي الجديد المتأخر ، والذي يكون اتجاهه في التوليف معاكسًا لاتجاه شوكة النسخ المتماثل المتنامي.

يؤدي حبلا تحرير

الخيط الرئيسي هو خيط الحمض النووي الجديد الذي يتم تصنيعه في نفس اتجاه شوكة النسخ المتماثل المتنامي. هذا النوع من تكرار الحمض النووي مستمر.

تحرير حبلا متخلفة

الشريط المتأخر هو خيط الحمض النووي الجديد الذي يكون اتجاهه في التوليف معاكسًا لاتجاه شوكة النسخ المتماثل المتنامي. نظرًا لاتجاهها ، يكون تكرار الخيط المتأخر أكثر تعقيدًا مقارنةً بالخيط الرئيسي. نتيجة لذلك ، يُنظر إلى بوليميراز الدنا الموجود على هذا الخيط على أنه "متأخر" عن الخيط الآخر.

يتم تصنيع الخيط المتأخر في مقاطع قصيرة ومنفصلة. على الخيط المتأخر نموذج، "يقرأ" البادء الحمض النووي النموذجي ويبدأ تخليقًا لبادئ قصير من الحمض النووي الريبي التكميلي. يقوم بوليميراز الدنا بتمديد الأجزاء الأولية ، مكونًا شظايا أوكازاكي. يتم بعد ذلك إزالة بادئات RNA واستبدالها بالحمض النووي ، ويتم ربط أجزاء الحمض النووي معًا بواسطة DNA ligase.

ديناميات في شوكة النسخ المتماثل تحرير

في جميع الحالات ، تتكون الهليكاز من ستة عديدات ببتيدات تلتف حول خيط واحد فقط من الحمض النووي الذي يتم نسخه. يرتبط البوليميرازان بهيكسيمر هيليكاز. في حقيقيات النوى ، يلتف هيليكاز حول الخيط الرئيسي ، وفي بدائيات النوى يلتف حول الشريط المتأخر. [29]

بينما يزيل الهليكاز الحمض النووي عند مفترق النسخ ، يضطر الحمض النووي أمامه إلى الدوران. تؤدي هذه العملية إلى تراكم التقلبات في الحمض النووي في المستقبل. [30] هذا التراكم يشكل مقاومة الالتواء التي من شأنها أن توقف في النهاية تقدم شوكة النسخ المتماثل. إن الإنزيمات Topoisomerases هي إنزيمات تكسر خيوط الحمض النووي مؤقتًا ، مما يخفف من التوتر الناجم عن فك خيوط حلزوني DNA اللولبي (بما في ذلك DNA gyrase) لتحقيق ذلك عن طريق إضافة ملفات سالبة إلى حلزون DNA. [31]

يميل الحمض النووي العاري أحادي الجديلة إلى الانحناء مرة أخرى على نفسه مكونًا هياكل ثانوية يمكن أن تتداخل هذه الهياكل مع حركة بوليميراز الحمض النووي. لمنع ذلك ، ترتبط بروتينات الربط أحادية الخيط بالحمض النووي حتى يتم تصنيع خيط ثان ، مما يمنع تكوين البنية الثانوية. [32]

يتم لف الحمض النووي المزدوج الشريطة حول الهيستونات التي تلعب دورًا مهمًا في تنظيم التعبير الجيني ، لذلك يجب أن يتم لف الحمض النووي المكرر حول هيستونات في نفس أماكن الحمض النووي الأصلي. لضمان ذلك ، يقوم مرافقي الهيستون بتفكيك الكروماتين قبل تكراره واستبدال الهستونات في المكان الصحيح. بعض الخطوات في إعادة التجميع هذه تخمينية إلى حد ما. [33]

تشكل بروتينات المشبك مشبكًا منزلقًا حول الحمض النووي ، مما يساعد بوليميريز الحمض النووي على الحفاظ على الاتصال بقالبه ، وبالتالي المساعدة في العملية. يمكّن الوجه الداخلي للمشبك من تمرير الحمض النووي من خلاله. بمجرد أن يصل البوليميراز إلى نهاية القالب أو يكتشف الحمض النووي المزدوج الذي تقطعت به السبل ، يخضع المشبك الانزلاقي لتغيير تكويني يطلق بوليميراز الحمض النووي. تُستخدم بروتينات تحميل المشبك لتحميل المشبك مبدئيًا ، مع التعرف على الوصلة بين القالب والبادئات RNA. [6]: 274-5

تحرير بروتينات تكرار الحمض النووي

عند شوكة النسخ ، تتجمع العديد من إنزيمات النسخ على الحمض النووي في آلة جزيئية معقدة تسمى الريبليزوم. فيما يلي قائمة بإنزيمات النسخ المتماثل للحمض النووي التي تشارك في الريبليزوم: [34]

إنزيم وظيفة في تكرار الحمض النووي
هيليكاز الحمض النووي يُعرف أيضًا باسم إنزيم اللولب المزعزع للاستقرار. يفصل Helicase خيطي الحمض النووي في Replication Fork خلف topoisomerase.
بوليميريز الحمض النووي الإنزيم المسؤول عن تحفيز إضافة ركائز النوكليوتيدات إلى الحمض النووي في اتجاه 5 إلى 3 أثناء تكرار الحمض النووي. يقوم أيضًا بإجراء تدقيق القراءة وتصحيح الأخطاء. توجد العديد من الأنواع المختلفة من بوليميريز الحمض النووي ، كل منها يؤدي وظائف مختلفة في أنواع مختلفة من الخلايا.
مشبك الحمض النووي بروتين يمنع استطالة بوليميرات الدنا من الانفصال عن خيط الدنا الأم.
بروتين ربط الحمض النووي أحادي الخيط يرتبط بـ ssDNA ويمنع الحلزون المزدوج للحمض النووي من إعادة التلدين بعد أن يزيله هليكاز الحمض النووي ، وبالتالي الحفاظ على فصل الخصلة ، وتسهيل توليف الخيط الجديد.
توبويزوميراز يريح الحمض النووي من طبيعته فائقة الالتفاف.
جريز الحمض النووي يخفف إجهاد الفك بواسطة هليكاز الحمض النووي ، وهو نوع محدد من توبويزوميراز
ligase DNA يعيد تشكيل الخيوط شبه المحافظة وينضم إلى شظايا Okazaki من الخصلة المتخلفة.
بريماز يوفر نقطة انطلاق لـ RNA (أو DNA) لبوليميراز DNA لبدء تخليق خيط DNA الجديد.
تيلوميراز يطيل الحمض النووي التيلومري عن طريق إضافة متواليات النوكليوتيدات المتكررة إلى نهايات الكروموسومات حقيقية النواة. هذا يسمح للخلايا الجرثومية والخلايا الجذعية بتجنب حد Hayflick على انقسام الخلايا. [35]

تعديل آلات النسخ المتماثل

آليات النسخ المتماثل تتكون من العوامل المشاركة في تكرار الحمض النووي والظهور على قالب ssDNAs. تشتمل آليات النسخ المتماثل على إنزيمات النسخ المتماثل ، وهي إنزيمات النسخ المتماثل ، وبوليميراز الحمض النووي ، وهليكازات الحمض النووي ، ومشابك الحمض النووي ، ومقاطع DNA topoisomerases ، وبروتينات النسخ المتماثل ، على سبيل المثال. بروتينات ربط الحمض النووي أحادية السلسلة (SSB). في آليات النسخ تنسق هذه المكونات. في معظم البكتيريا ، توجد جميع العوامل المشاركة في تكرار الحمض النووي على شوكات النسخ وتبقى المجمعات على الشوكات أثناء تكرار الحمض النووي. تسمى آليات النسخ هذه يعاد أو أنظمة نسخ الحمض النووي. هذه المصطلحات هي مصطلحات عامة للبروتينات الموجودة على شوكات النسخ المتماثل. في حقيقيات النوى وبعض الخلايا البكتيرية ، لا تتشكل البدائل.

نظرًا لأن آليات النسخ لا تتحرك نسبيًا إلى قوالب الحمض النووي مثل المصانع ، يطلق عليها اسم مصنع النسخ المتماثل. [36] في شكل بديل ، تشبه مصانع الحمض النووي أجهزة العرض والحمض النووي تشبه الأفلام السينمائية التي تنتقل باستمرار إلى أجهزة العرض. في نموذج مصنع النسخ المتماثل ، بعد تحميل كل من هليكات الحمض النووي للخيوط الرائدة والخيوط المتأخرة على الحمض النووي للقالب ، تعمل الهليكسات على طول الحمض النووي في بعضها البعض. تظل الطائرات الهليكوبتر مرتبطة لبقية عملية النسخ المتماثل. بيتر مايستر وآخرون. لاحظ مواقع النسخ المتماثل مباشرة في الخميرة الناشئة عن طريق مراقبة البروتينات الفلورية الخضراء (GFP) الموسومة ببوليميراز الحمض النووي α. اكتشفوا تكرار الحمض النووي لأزواج من المواقع الموسومة متباعدة بشكل متماثل من أصل النسخ المتماثل ووجدوا أن المسافة بين الأزواج انخفضت بشكل ملحوظ بمرور الوقت. [37] تشير هذه النتيجة إلى أن آلية تكرار الحمض النووي تتماشى مع مصانع الحمض النووي. أي أن أزواج مصانع النسخ يتم تحميلها على أصول النسخ والمصانع المرتبطة ببعضها البعض. أيضًا ، تنتقل قوالب الحمض النووي إلى المصانع ، مما يؤدي إلى قذف القالب ssDNAs والحمض النووي الجديد. اكتشاف مايستر هو أول دليل مباشر على نموذج مصنع النسخ المتماثل. أظهرت الأبحاث اللاحقة أن هليسات الحمض النووي تشكل ثنائيات في العديد من الخلايا حقيقية النواة وتبقى آليات النسخ البكتيرية في موقع واحد داخل النواة أثناء تخليق الحمض النووي. [36]

تقوم مصانع النسخ بفك تشابك الكروماتيدات الشقيقة. يعتبر فك التشابك ضروريًا لتوزيع الكروماتيدات في الخلايا الوليدة بعد تكرار الحمض النووي. لأن الكروماتيدات الشقيقة بعد تكرار الحمض النووي تمسك ببعضها البعض كوهيسين الحلقات ، هناك الفرصة الوحيدة لفك التشابك في تكاثر الحمض النووي. يمكن أن يؤدي إصلاح آليات النسخ كمصانع استنساخ إلى تحسين معدل نجاح تكرار الحمض النووي. إذا كانت شوكات النسخ تتنقل بحرية في الكروموسومات ، فإن تسلسل النوى يتفاقم ويعيق الفصل الانقسامي. [37]

تحرير الإنهاء

تبدأ حقيقيات النوى في تكرار الحمض النووي عند نقاط متعددة في الكروموسوم ، لذلك تلتقي شوكات النسخ وتنتهي عند نقاط عديدة في الكروموسوم. نظرًا لأن حقيقيات النوى تحتوي على كروموسومات خطية ، فإن تكرار الحمض النووي غير قادر على الوصول إلى نهاية الكروموسومات. بسبب هذه المشكلة ، يتم فقد الحمض النووي في كل دورة تكرار من نهاية الكروموسوم. التيلوميرات هي مناطق من الحمض النووي المتكرر قريبة من النهايات وتساعد على منع فقدان الجينات بسبب هذا التقصير. تقصير التيلوميرات هو عملية طبيعية في الخلايا الجسدية. هذا يقصر التيلوميرات لكروموسوم DNA الابنة. نتيجة لذلك ، لا يمكن للخلايا أن تنقسم إلا لعدد معين من المرات قبل أن يمنع فقدان الحمض النووي المزيد من الانقسام. (يُعرف هذا باسم حد Hayflick.) ضمن خط الخلية الجرثومية ، الذي يمرر الحمض النووي إلى الجيل التالي ، يقوم التيلوميراز بتمديد التسلسلات المتكررة لمنطقة التيلومير لمنع التدهور. يمكن أن يصبح التيلوميراز نشطًا عن طريق الخطأ في الخلايا الجسدية ، مما يؤدي أحيانًا إلى تكوين السرطان. زيادة نشاط التيلوميراز هي إحدى السمات المميزة للسرطان.

يتطلب الإنهاء أن يتوقف تقدم شوكة تكرار الحمض النووي أو يتم حظره. يتضمن الإنهاء في موضع معين ، عند حدوثه ، التفاعل بين مكونين: (1) تسلسل موقع النهاية في الحمض النووي ، و (2) بروتين يرتبط بهذا التسلسل لإيقاف تكاثر الحمض النووي فعليًا. In various bacterial species, this is named the DNA replication terminus site-binding protein, or Ter protein.

نظرًا لأن البكتيريا تحتوي على كروموسومات دائرية ، فإن إنهاء التكاثر يحدث عندما تلتقي شوكة النسخ المتماثل بعضها البعض على الطرف الآخر من الكروموسوم الأبوي. بكتريا قولونية regulates this process through the use of termination sequences that, when bound by the Tus protein, enable only one direction of replication fork to pass through. نتيجة لذلك ، يتم تقييد شوكات النسخ المتماثل للالتقاء دائمًا داخل منطقة إنهاء الكروموسوم. [38]

حقيقيات النوى تحرير

Within eukaryotes, DNA replication is controlled within the context of the cell cycle. As the cell grows and divides, it progresses through stages in the cell cycle DNA replication takes place during the S phase (synthesis phase). The progress of the eukaryotic cell through the cycle is controlled by cell cycle checkpoints. Progression through checkpoints is controlled through complex interactions between various proteins, including cyclins and cyclin-dependent kinases. [39] Unlike bacteria, eukaryotic DNA replicates in the confines of the nucleus. [40]

The G1/S checkpoint (or restriction checkpoint) regulates whether eukaryotic cells enter the process of DNA replication and subsequent division. Cells that do not proceed through this checkpoint remain in the G0 stage and do not replicate their DNA.

After passing through the G1/S checkpoint, DNA must be replicated only once in each cell cycle. When the Mcm complex moves away from the origin, the pre-replication complex is dismantled. Because a new Mcm complex cannot be loaded at an origin until the pre-replication subunits are reactivated, one origin of replication can not be used twice in the same cell cycle. [21]

Activation of S-Cdks in early S phase promotes the destruction or inhibition of individual pre-replication complex components, preventing immediate reassembly. S and M-Cdks continue to block pre-replication complex assembly even after S phase is complete, ensuring that assembly cannot occur again until all Cdk activity is reduced in late mitosis. [21]

In budding yeast, inhibition of assembly is caused by Cdk-dependent phosphorylation of pre-replication complex components. At the onset of S phase, phosphorylation of Cdc6 by Cdk1 causes the binding of Cdc6 to the SCF ubiquitin protein ligase, which causes proteolytic destruction of Cdc6. Cdk-dependent phosphorylation of Mcm proteins promotes their export out of the nucleus along with Cdt1 during S phase, preventing the loading of new Mcm complexes at origins during a single cell cycle. Cdk phosphorylation of the origin replication complex also inhibits pre-replication complex assembly. The individual presence of any of these three mechanisms is sufficient to inhibit pre-replication complex assembly. However, mutations of all three proteins in the same cell does trigger reinitiation at many origins of replication within one cell cycle. [21] [41]

In animal cells, the protein geminin is a key inhibitor of pre-replication complex assembly. Geminin binds Cdt1, preventing its binding to the origin recognition complex. In G1, levels of geminin are kept low by the APC, which ubiquitinates geminin to target it for degradation. When geminin is destroyed, Cdt1 is released, allowing it to function in pre-replication complex assembly. At the end of G1, the APC is inactivated, allowing geminin to accumulate and bind Cdt1. [21]

Replication of chloroplast and mitochondrial genomes occurs independently of the cell cycle, through the process of D-loop replication.

Replication focus Edit

In vertebrate cells, replication sites concentrate into positions called replication foci. [37] Replication sites can be detected by immunostaining daughter strands and replication enzymes and monitoring GFP-tagged replication factors. By these methods it is found that replication foci of varying size and positions appear in S phase of cell division and their number per nucleus is far smaller than the number of genomic replication forks.

P. Heun et al., [37] (2001) tracked GFP-tagged replication foci in budding yeast cells and revealed that replication origins move constantly in G1 and S phase and the dynamics decreased significantly in S phase. [37] Traditionally, replication sites were fixed on spatial structure of chromosomes by nuclear matrix or lamins. The Heun's results denied the traditional concepts, budding yeasts do not have lamins, and support that replication origins self-assemble and form replication foci.

By firing of replication origins, controlled spatially and temporally, the formation of replication foci is regulated. D. A. Jackson et al.(1998) revealed that neighboring origins fire simultaneously in mammalian cells. [37] Spatial juxtaposition of replication sites brings clustering of replication forks. The clustering do rescue of stalled replication forks and favors normal progress of replication forks. Progress of replication forks is inhibited by many factors collision with proteins or with complexes binding strongly on DNA, deficiency of dNTPs, nicks on template DNAs and so on. If replication forks stall and the remaining sequences from the stalled forks are not replicated, the daughter strands have nick obtained un-replicated sites. The un-replicated sites on one parent's strand hold the other strand together but not daughter strands. Therefore, the resulting sister chromatids cannot separate from each other and cannot divide into 2 daughter cells. When neighboring origins fire and a fork from one origin is stalled, fork from other origin access on an opposite direction of the stalled fork and duplicate the un-replicated sites. As other mechanism of the rescue there is application of dormant replication origins that excess origins do not fire in normal DNA replication.

Bacteria Edit

Most bacteria do not go through a well-defined cell cycle but instead continuously copy their DNA during rapid growth, this can result in the concurrent occurrence of multiple rounds of replication. [42] In بكتريا قولونية, the best-characterized bacteria, DNA replication is regulated through several mechanisms, including: the hemimethylation and sequestering of the origin sequence, the ratio of adenosine triphosphate (ATP) to adenosine diphosphate (ADP), and the levels of protein DnaA. All these control the binding of initiator proteins to the origin sequences.

لأن بكتريا قولونية methylates GATC DNA sequences, DNA synthesis results in hemimethylated sequences. This hemimethylated DNA is recognized by the protein SeqA, which binds and sequesters the origin sequence in addition, DnaA (required for initiation of replication) binds less well to hemimethylated DNA. As a result, newly replicated origins are prevented from immediately initiating another round of DNA replication. [43]

ATP builds up when the cell is in a rich medium, triggering DNA replication once the cell has reached a specific size. ATP competes with ADP to bind to DnaA, and the DnaA-ATP complex is able to initiate replication. A certain number of DnaA proteins are also required for DNA replication — each time the origin is copied, the number of binding sites for DnaA doubles, requiring the synthesis of more DnaA to enable another initiation of replication.

In fast-growing bacteria, such as بكتريا قولونية, chromosome replication takes more time than dividing the cell. The bacteria solve this by initiating a new round of replication before the previous one has been terminated. [44] The new round of replication will form the chromosome of the cell that is born two generations after the dividing cell. This mechanism creates overlapping replication cycles.


تكرار الحمض النووي في بدائيات النوى

Recall that the prokaryotic chromosome is a circular molecule with a less extensive coiling structure than eukaryotic chromosomes. كروموسوم حقيقيات النواة خطي وملفوف بدرجة عالية حول البروتينات. في حين أن هناك العديد من أوجه التشابه في عملية تكرار الحمض النووي ، فإن هذه الاختلافات الهيكلية تتطلب بعض الاختلافات في عملية تكرار الحمض النووي في هذين الشكلين من أشكال الحياة.

تمت دراسة تكرار الحمض النووي بشكل جيد للغاية في بدائيات النوى ، ويرجع ذلك أساسًا إلى صغر حجم الجينوم والعدد الكبير من المتغيرات المتاحة. الإشريكية القولونية يحتوي على 4.6 مليون زوج أساسي في كروموسوم دائري واحد ، ويتم تكرار كل ذلك في حوالي 42 دقيقة ، بدءًا من أصل واحد للنسخ المتماثل والتقدم حول الكروموسوم في كلا الاتجاهين. هذا يعني أنه يتم إضافة ما يقرب من 1000 نيوكليوتيد في الثانية. هذه العملية أسرع بكثير من حقيقيات النوى. [link] summarizes the differences between prokaryotic and eukaryotic replications.

Differences between Prokaryotic and Eukaryotic Replications
ملكية Prokaryotes Eukaryotes
أصل النسخ المتماثل غير مرتبطة عديد
معدل التكرار 1000 نيوكليوتيدات / ثانية من 50 إلى 100 نيوكليوتيدات / ثانية
هيكل الكروموسوم circular خطي
Telomerase غير موجود Present

انقر من خلال برنامج تعليمي حول تكرار الحمض النووي.


بكتيريا

The single molecule of DNA that is the بكتريا قولونية genome contains 4.7 x 10 6 nucleotide pairs. DNA replication begins at a single, fixed location in this molecule, the replication origin, proceeds at about 1000 nucleotides per second, and thus is done in no more than 40 minutes. And thanks to the precision of the process (which includes a "proof-reading" function), the job is done with only about one incorrect nucleotide for every 10 9 nucleotides inserted. In other words, more often than not, the بكتريا قولونية genome (4.7 x 10 6 ) is copied without error!

Eukaryotes

The average human chromosome contains 150 x 10 6 nucleotide pairs which are copied at about 50 base pairs per second. The process would take a month (rather than the hour it actually does) but for the fact that there are thousands of places on the eukaryotic chromosome, called أصول النسخ المتماثل, where replication can begin and then proceed in both directions. Replication begins at some replication origins earlier in S phase than at others, but the process is completed for all by the end of S phase. As replication nears completion, "bubbles" of newly replicated DNA meet and fuse, finally forming two new molecules.


The end replication problem

The limitations of the polymerase enzyme come to a head at the end of DNA replication, when, travelling along the template 5’-3’ strand, the enzyme at last reaches the strand’s 3’ riboxyl end. The DNA polymerase enzyme requires RNA fragments to begin replication, and there is nothing for such a fragment to attach to at the 3’ end of the DNA strand. Therefore, with every round of replication, a small fragment of the DNA is lost from the end of the chromosome, since it cannot be replicated. The cell solves this problem by having telomeres at the ends of chromosomes, where they prevent the loss of valuable genetic information by acting as a disposable buffer. Over time, with each successive round of DNA replication, the telomeric DNA shortens until finally there is no more disposable buffer, at which point the cell stops dividing and enters senescence. For a visualisation of the end replication problem check out this YouTube video:


يمكن أن يخطئ بوليميراز الحمض النووي أثناء إضافة النيوكليوتيدات. It edits the DNA by proofreading every newly added base. Incorrect bases are removed and replaced by the correct base, and then polymerization continues (Figure 3a). Most mistakes are corrected during replication, although when this does not happen, the إصلاح عدم التطابق mechanism is employed. Mismatch repair enzymes recognize the wrongly incorporated base and excise it from the DNA, replacing it with the correct base (Figure 3b). In yet another type of repair, إصلاح الختان النوكليوتيدات, the DNA double strand is unwound and separated, the incorrect bases are removed along with a few bases on the 5′ and 3′ end, and these are replaced by copying the template with the help of DNA polymerase (Figure 3c). Nucleotide excision repair is particularly important in correcting thymine dimers, which are primarily caused by ultraviolet light. In a thymine dimer, two thymine nucleotides adjacent to each other on one strand are covalently bonded to each other rather than their complementary bases. If the dimer is not removed and repaired it will lead to a mutation. Individuals with flaws in their nucleotide excision repair genes show extreme sensitivity to sunlight and develop skin cancers early in life.

الشكل 3. Proofreading by DNA polymerase (أ) corrects errors during replication. In mismatch repair (ب), the incorrectly added base is detected after replication. تكتشف بروتينات إصلاح عدم التطابق هذه القاعدة وتزيلها من الخيط المركب حديثًا عن طريق عمل نوكلياز. The gap is now filled with the correctly paired base. Nucleotide excision (ج) repairs thymine dimers. When exposed to UV, thymines lying adjacent to each other can form thymine dimers. In normal cells, they are excised and replaced.

Most mistakes are corrected if they are not, they may result in a طفره—defined as a permanent change in the DNA sequence. Mutations in repair genes may lead to serious consequences like cancer.


14.1 | Historical Basis of Modern Understanding

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على:

  • Explain transformation of DNA.
  • Describe the key experiments that helped identify that DNA is the genetic material.
  • State and explain Chargaff’s rules

Modern understandings of DNA have evolved from the discovery of nucleic acids to the development of the double-helix model. In the 1860s, Friedrich Miescher (Figure 14.2), a physician by profession, was the first person to isolate phosphate- rich chemicals from white blood cells or leukocytes. He named these chemicals (which would eventually be known as RNA and DNA) nuclein because they were isolated from the nuclei of the cells.

Figure 14.2 Friedrich Miescher (1844–1895) discovered nucleic acids.

A half century later, British bacteriologist Frederick Griffith was perhaps the first person to show that hereditary information could be transferred from one cell to another “horizontally,” rather than by descent. In 1928, he reported the first demonstration of bacterial تحويل, a process in which external DNA is taken up by a cell, thereby changing morphology and physiology. He was working with Streptococcus pneumoniae, the bacterium that causes pneumonia. Griffith worked with two strains, rough (R) and smooth (S). The R strain is non-pathogenic (does not cause disease) and is called rough because its outer surface is a cell wall and lacks a capsule as a result, the cell surface appears uneven under the microscope. The S strain is pathogenic (disease-causing) and has a capsule outside its cell wall. As a result, it has a smooth appearance under the microscope. Griffith injected the live R strain into mice and they survived. In another experiment, when he injected mice with the heat-killed S strain, they also survived. In a third set of experiments, a mixture of live R strain and heat-killed S strain were injected into mice, and—to his surprise—the mice died. Upon isolating the live bacteria from the dead mouse, only the S strain of bacteria was recovered. When this isolated S strain was injected into fresh mice, the mice died. Griffith concluded that something had passed from the heat-killed S strain into the live R strain and transformed it into the pathogenic S strain, and he called this the transforming principle (شكل 11.3). These experiments are now famously known as Griffith’s transformation experiments.

Figure 14.3 Two strains of S.pneumoniae were used in Griffith’s transformation experiments. The R strain is non- pathogenic. The S strain is pathogenic and causes death. When Griffith injected a mouse with the heat-killed S strain and a live R strain, the mouse died. The S strain was recovered from the dead mouse. Thus, Griffith concluded that something had passed from the heat-killed S strain to the R strain, transforming the R strain into S strain in the process. (credit “living mouse”: modification of work by NIH credit “dead mouse”: modification of work by Sarah Marriage)

Scientists Oswald Avery, Colin MacLeod, and Maclyn McCarty (1944) were interested in exploring this transforming principle further. They isolated the S strain from the dead mice and isolated the proteins and nucleic acids, namely RNA and DNA, as these were possible candidates for the molecule of heredity. They conducted a systematic elimination study. They used enzymes that specifically degraded each component and then used each mixture separately to transform the R strain. They found that when DNA was degraded, the resulting mixture was no longer able to transform the bacteria, whereas all of the other combinations were able to transform the bacteria. This led them to conclude that DNA was the transforming principle.

Experiments conducted by Martha Chase and Alfred Hershey in 1952 provided confirmatory evidence that DNA was the genetic material and not proteins. Chase and Hershey were studying a bacteriophage, which is a virus that infects bacteria. Viruses typically have a simple structure: a protein coat, called the capsid, and a nucleic acid core that contains the genetic material, either DNA or RNA. The bacteriophage infects the host bacterial cell by attaching to its surface, and then it injects its nucleic acids inside the cell. The phage DNA makes multiple copies of itself using the host machinery, and eventually the host cell bursts, releasing a large number of bacteriophages. Hershey and Chase labeled one batch of phage with radioactive sulfur, 35 S, to label the protein coat. Another batch of phage were labeled with radioactive phosphorus, 32 P. Because phosphorous is found in DNA, but not protein, the DNA and not the protein would be tagged with radioactive phosphorus.

Each batch of phage was allowed to infect the cells separately. After infection, the phage bacterial suspension was put in a blender, which caused the phage coat to be detached from the host cell. The phage and bacterial suspension was spun down in a centrifuge. The heavier bacterial cells settled down and formed a pellet, whereas the lighter phage particles stayed in the supernatant (the liquid above the pellet). In the tube that contained phage labeled with 35 S, the supernatant contained the radioactively labeled phage, whereas no radioactivity was detected in the pellet. In the tube that contained the phage labeled with 32 P, the radioactivity was detected in the pellet that contained the heavier bacterial cells, and no radioactivity was detected in the supernatant. Hershey and Chase concluded that it was the phage DNA that was injected into the cell and carried information to produce more phage particles, thus providing evidence that DNA was the genetic material and not proteins (شكل 14.4).

Figure 14.4 In Hershey and Chase’s experiments, bacteria were infected with phage radiolabeled with either 35S, which labels protein, or 32P, which labels DNA. Only 32P entered the bacterial cells, indicating that DNA is the genetic material.

Around this same time, Austrian biochemist Erwin Chargaff examined the content of DNA in different species and found that the amounts of adenine, thymine, guanine, and cytosine were not found in equal quantities, and that it varied from species to species, but not between individuals of the same species. He found that the amount of adenine equals the amount of thymine, and the amount of cytosine equals the amount of guanine, or A = T and G = C. These are also known as Chargaff’s rules. This finding proved immensely useful when Watson and Crick were getting ready to propose their DNA double helix model, discussed in Chapter 5.


التيلوميراز والشيخوخة

تستمر الخلايا التي تخضع للانقسام الخلوي في تقصير التيلوميرات الخاصة بها لأن معظم الخلايا الجسدية لا تصنع التيلوميراز. This essentially means that telomere shortening is associated with aging. مع ظهور الطب الحديث والرعاية الصحية الوقائية وأنماط الحياة الصحية ، زاد العمر الافتراضي للإنسان ، وهناك طلب متزايد على الناس ليبدو أصغر سناً وأن يتمتعوا بنوعية حياة أفضل مع تقدمهم في السن.

في عام 2010 ، وجد العلماء أن الإنزيم تيلوميراز يمكنه عكس بعض الحالات المرتبطة بالعمر في الفئران. قد يكون لهذا إمكانات في الطب التجديدي. 1 Telomerase-deficient mice were used in these studies these mice have tissue atrophy, stem cell depletion, organ system failure, and impaired tissue injury responses. تسبب إعادة تنشيط التيلوميراز في هذه الفئران في تمدد التيلوميرات ، وتقليل تلف الحمض النووي ، وتنكس عصبي معكوس ، وتحسين وظيفة الخصيتين والطحال والأمعاء. Thus, telomere reactivation may have potential for treating age-related diseases in humans.

يتميز السرطان بانقسام الخلايا غير المنضبط للخلايا غير الطبيعية. تتراكم الخلايا الطفرات ، وتتكاثر بشكل لا يمكن السيطرة عليه ، ويمكن أن تهاجر إلى أجزاء مختلفة من الجسم من خلال عملية تسمى ورم خبيث. لاحظ العلماء أن الخلايا السرطانية قد قامت بتقصير التيلوميرات بشكل كبير وأن الإنزيم تيلوميراز نشط في هذه الخلايا. ومن المثير للاهتمام ، أنه فقط بعد تقصير التيلوميرات في الخلايا السرطانية ، أصبح الإنزيم تيلوميراز نشطًا. إذا كان من الممكن إعاقة عمل التيلوميراز في هذه الخلايا عن طريق الأدوية أثناء علاج السرطان ، فمن المحتمل أن يتم إيقاف الخلايا السرطانية من الانقسام الإضافي.

Difference between Prokaryotic and Eukaryotic Replication
ملكية Prokaryotes Eukaryotes
أصل النسخ المتماثل غير مرتبطة عديد
معدل التكرار 1000 نيوكليوتيدات / ثانية من 50 إلى 100 نيوكليوتيدات / ثانية
أنواع بوليميراز الحمض النووي 5 14
Telomerase غير موجود Present
إزالة RNA التمهيدي بول أنا RNase H.
استطالة حبلا DNA pol III Pol δ, pol ε
Sliding clamp Sliding clamp PCNA


علم الأحياء 171

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • ناقش أوجه التشابه والاختلاف بين تكرار الحمض النووي في حقيقيات النوى وبدائيات النوى
  • اذكر دور التيلوميراز في تكرار الحمض النووي

تعتبر جينومات حقيقيات النوى أكثر تعقيدًا وأكبر حجمًا من جينومات بدائية النواة. تحتوي حقيقيات النوى أيضًا على عدد من الكروموسومات الخطية المختلفة. يحتوي الجينوم البشري على 3 مليارات زوج قاعدي لكل مجموعة أحادية الصبغيات من الكروموسومات ، ويتم تكرار 6 مليارات زوج قاعدي خلال المرحلة S من دورة الخلية. هناك أصول متعددة للتكاثر على كل كروموسوم حقيقي النواة يمكن أن يكون لدى البشر ما يصل إلى 100000 أصل من النسخ المتماثل عبر الجينوم. معدل النسخ المتماثل حوالي 100 نيوكليوتيد في الثانية ، أبطأ بكثير من تكرار بدائيات النواة. في الخميرة ، وهي حقيقيات النوى ، توجد تسلسلات خاصة تُعرف باسم تسلسل النسخ الذاتي (ARS) على الكروموسومات. هذه مكافئة لأصل النسخ المتماثل في بكتريا قولونية.

عدد بوليميرات الحمض النووي في حقيقيات النوى أكبر بكثير مما هو عليه في بدائيات النوى: 14 معروفة ، منها خمسة معروفة بأدوار رئيسية أثناء التكاثر وقد تمت دراستها جيدًا. هم معروفون باسم بول α، بول β، بول γ، بول δو بول ε.

الخطوات الأساسية للنسخ هي نفسها كما في بدائيات النوى. قبل أن يبدأ النسخ المتماثل ، يجب توفير الحمض النووي كقالب. يرتبط الحمض النووي حقيقيات النوى بالبروتينات الأساسية المعروفة باسم الهيستونات لتشكيل هياكل تسمى النيوكليوسومات. يجب إزالة الهستونات ثم استبدالها أثناء عملية النسخ المتماثل ، مما يساعد على حساب معدل النسخ المنخفض في حقيقيات النوى. قد يخضع الكروماتين (المركب بين الحمض النووي والبروتينات) لبعض التعديلات الكيميائية ، بحيث يمكن للحمض النووي أن ينزلق عن البروتينات أو يكون في متناول إنزيمات آلية تكرار الحمض النووي. في أصل النسخ المتماثل ، يتكون معقد ما قبل النسخ المتماثل ببروتينات بادئ أخرى. Helicase and other proteins are then recruited to start the replication process ((Figure)).

Difference between Prokaryotic and Eukaryotic Replication
ملكية Prokaryotes Eukaryotes
أصل النسخ المتماثل غير مرتبطة عديد
معدل التكرار 1000 نيوكليوتيدات / ثانية من 50 إلى 100 نيوكليوتيدات / ثانية
أنواع بوليميراز الحمض النووي 5 14
Telomerase غير موجود Present
إزالة RNA التمهيدي بول أنا RNase H.
استطالة حبلا DNA pol III بول α ، بول ، بول
Sliding clamp Sliding clamp PCNA

إن الهليكاز الذي يستخدم الطاقة من التحلل المائي ATP يفتح الحلزون DNA. تتشكل شوكات النسخ المتماثل في كل أصل نسخ متماثل مع فك الحمض النووي. يؤدي فتح اللولب المزدوج إلى الالتفاف المفرط ، أو الالتفاف الفائق ، في الحمض النووي قبل شوكة النسخ المتماثل. يتم حلها من خلال عمل الإيزوميراز العلوي. يتم تشكيل الاشعال بواسطة إنزيم بريماز ، وباستخدام التمهيدي ، يمكن لـ DNA pol بدء التوليف. ثم يتم تضمين ثلاثة أنواع رئيسية من بلمرة الحمض النووي: α و و ε. يضيف DNA pol α جزءًا قصيرًا (20 إلى 30 نيوكليوتيد) من الحمض النووي الريبي التمهيدي على كلا الخيوط ، ثم يسلم إلى بوليميراز ثانٍ. بينما يتم تصنيع الخيط الرئيسي بشكل مستمر بواسطة قطب الإنزيم δ، يتم تصنيع الخيط المتأخر بواسطة pol ε. إن بروتين مشبك منزلق يعرف باسم PCNA (مستضد نووي خلوي متكاثر) يحمل بولي DNA في مكانه بحيث لا ينزلق من الحمض النووي. عندما يصطدم pol في RNA التمهيدي على الخيط المتأخر ، فإنه يزيحه من قالب الحمض النووي. يتم بعد ذلك إزالة RNA التمهيدي بواسطة RNase H (نوكلياز رفرف AKA) واستبداله بنكليوتيدات DNA. يتم ربط شظايا أوكازاكي في الخيط المتأخر بعد استبدال البادئات RNA بالحمض النووي. يتم سد الفجوات المتبقية بواسطة DNA ligase ، الذي يشكل رابطة phosphodiester.

Telomere replication

على عكس الكروموسومات بدائية النواة ، فإن الكروموسومات حقيقية النواة خطية. As you’ve learned, the enzyme DNA pol can add nucleotides only in the 5′ to 3′ direction. في الخيط الرئيسي ، يستمر التوليف حتى الوصول إلى نهاية الكروموسوم. على الخيط المتأخر ، يتم تصنيع الحمض النووي في امتدادات قصيرة ، كل منها يبدأ بواسطة برايمر منفصل. عندما تصل شوكة النسخ إلى نهاية الكروموسوم الخطي ، لا توجد طريقة لاستبدال التمهيدي على الطرف 5 من الشريط المتأخر. وهكذا يظل الحمض النووي في نهايات الكروموسوم غير متزاوج ، وبمرور الوقت يتم استدعاء هذه النهايات التيلوميرات قد تصبح أقصر تدريجيًا مع استمرار الخلايا في الانقسام.

تتألف التيلوميرات من تسلسلات متكررة لا ترمز لأي جين معين. في البشر ، يتكرر التسلسل المكون من ستة أزواج أساسية ، TTAGGG ، من 100 إلى 1000 مرة في مناطق التيلومير. بطريقة ما ، تحمي هذه التيلوميرات الجينات من الحذف مع استمرار الخلايا في الانقسام. The telomeres are added to the ends of chromosomes by a separate enzyme, telomerase ((Figure)), whose discovery helped in the understanding of how these repetitive chromosome ends are maintained. يحتوي إنزيم التيلوميراز على جزء محفز وقالب مدمج للحمض النووي الريبي. It attaches to the end of the chromosome, and DNA nucleotides complementary to the RNA template are added on the 3′ end of the DNA strand. Once the 3′ end of the lagging strand template is sufficiently elongated, DNA polymerase can add the nucleotides complementary to the ends of the chromosomes. Thus, the ends of the chromosomes are replicated.


ينشط التيلوميراز عادة في الخلايا الجرثومية والخلايا الجذعية البالغة. لا ينشط في الخلايا الجسدية البالغة. For their discovery of telomerase and its action, Elizabeth Blackburn, Carol W. Greider, and Jack W. Szostak ((Figure)) received the Nobel Prize for Medicine and Physiology in 2009.


التيلوميراز والشيخوخة

تستمر الخلايا التي تخضع للانقسام الخلوي في تقصير التيلوميرات الخاصة بها لأن معظم الخلايا الجسدية لا تصنع التيلوميراز. This essentially means that telomere shortening is associated with aging. مع ظهور الطب الحديث والرعاية الصحية الوقائية وأنماط الحياة الصحية ، زاد العمر الافتراضي للإنسان ، وهناك طلب متزايد على الناس ليبدو أصغر سناً وأن يتمتعوا بنوعية حياة أفضل مع تقدمهم في السن.

في عام 2010 ، وجد العلماء أن الإنزيم تيلوميراز يمكنه عكس بعض الحالات المرتبطة بالعمر في الفئران. قد يكون لهذا إمكانات في الطب التجديدي. 1 Telomerase-deficient mice were used in these studies these mice have tissue atrophy, stem cell depletion, organ system failure, and impaired tissue injury responses. تسبب إعادة تنشيط التيلوميراز في هذه الفئران في تمدد التيلوميرات ، وتقليل تلف الحمض النووي ، وتنكس عصبي معكوس ، وتحسين وظيفة الخصيتين والطحال والأمعاء. Thus, telomere reactivation may have potential for treating age-related diseases in humans.

يتميز السرطان بانقسام الخلايا غير المنضبط للخلايا غير الطبيعية. تتراكم الخلايا الطفرات ، وتتكاثر بشكل لا يمكن السيطرة عليه ، ويمكن أن تهاجر إلى أجزاء مختلفة من الجسم من خلال عملية تسمى ورم خبيث. لاحظ العلماء أن الخلايا السرطانية قد قامت بتقصير التيلوميرات بشكل كبير وأن الإنزيم تيلوميراز نشط في هذه الخلايا. ومن المثير للاهتمام ، أنه فقط بعد تقصير التيلوميرات في الخلايا السرطانية ، أصبح الإنزيم تيلوميراز نشطًا. إذا كان من الممكن إعاقة عمل التيلوميراز في هذه الخلايا عن طريق الأدوية أثناء علاج السرطان ، فمن المحتمل أن يتم إيقاف الخلايا السرطانية من الانقسام الإضافي.

ملخص القسم

Replication in eukaryotes starts at multiple origins of replication. The mechanism is quite similar to that in prokaryotes. A primer is required to initiate synthesis, which is then extended by DNA polymerase as it adds nucleotides one by one to the growing chain. The leading strand is synthesized continuously, whereas the lagging strand is synthesized in short stretches called Okazaki fragments. The RNA primers are replaced with DNA nucleotides the DNA Okazaki fragments are linked into one continuous strand by DNA ligase. The ends of the chromosomes pose a problem as the primer RNA at the 5’ ends of the DNA cannot be replaced with DNA, and the chromosome is progressively shortened. Telomerase, an enzyme with an inbuilt RNA template, extends the ends by copying the RNA template and extending one strand of the chromosome. DNA polymerase can then fill in the complementary DNA strand using the regular replication enzymes. In this way, the ends of the chromosomes are protected.

إستجابة مجانية

How do the linear chromosomes in eukaryotes ensure that its ends are replicated completely?

Telomerase has an inbuilt RNA template that extends the 3′ end, so primer is synthesized and extended. Thus, the ends are protected.

الحواشي

    Jaskelioff et al., “Telomerase reactivation reverses tissue degeneration in aged telomerase-deficient mice,” طبيعة سجية 469 (2011): 102-7.

قائمة المصطلحات


شاهد الفيديو: بنك المعرفهتكرار الحمض النووي (شهر فبراير 2023).