REPLIKACJA DNA ORGANIZMÓW EUKARIOTYCZNYCH
Replikacja jest procesem, w którym zachodzi podwojenie ilości materiału genetycznego w komórkach mających wejść w podział - mitotyczny lub mejotyczny - to znaczy będących w fazie S cyklu komórkowego. Znaczenie replikacji jest najwyraźniej widoczne,
kiedy poruszony zostaje temat "losu informacji genetycznej" danego organizmu w rozwoju embrionalnym. Wiadomo jest, że wszystkie organizmy wielokomórkowe ( m.in. ludzie, których ciała liczą biliony komórek ) wzięły swój początek z pojedynczych zygot, w k
tórych zdeponowany został materiał genetyczny obojga rodziców. Kolejne podziały prowadzące do wzrostu liczby komórek związane są z koniecznością podwajania ilości DNA w komórkach rosnącego zarodka. Za powielanie informacji zgromadzonej w DNA odpowiedzial
ne są enzymy zwane polimerazami DNA, których działanie jest bardzo precyzyjne. Dzięki temu materiał genetyczny w każdej komórce jest w zasadzie identyczny, a zatem niesie identyczną informację.
Czy wiesz, że:
Polimeraza DNA błędny nukleotyd wstawia raz na miliard włączonych
prawidłowo. Zważywszy, że diploidalna komórka ludzka zawiera ok. 7
miliardów par zasad ( DNA jądrowego ), w czasie jednej rundy replikacyjnej zaledwie kilka ( do kilkunastu ) nukleotydów jest
wbudowanych mylnie. Tak wysoka wierność replikacji wynika z
korekcyjnej aktywności polimerazy.
Ponieważ replikacją w całym świecie ożywionym rządzą te same prawa, o których mowa jest w dziale poświęconym genetyce Procaryota, poniżej opisane zostaną jedynie co istotniejsze elementy charakterystyczne dla eukariontów.
REPLIKACJA A WIELKOŚĆ I ORGANIZACJA GENOMU EUKARIOTYCZNEGO
Proces podwajania ilości DNA rozpoczyna się w tzw. miejscach inicjacji, których w DNA eukariotycznym ze względu na jego długość jest bardzo wiele. I tak dla przykładu, w największym spośród czterech chromosomów Drosophila liczącm 62 mln. p.z. repli
kacja startuje z ponad 6 tys. miejsc ( tzw. Ori ). U eukariontów Ori znajdują się w strefach międzygenowych i nie są tak ściśle sprecyzowane jak w przypadku Procaryota. Oznacza to, że replikacja określonego fragmentu może rozpocząć się w jednym z kilku mi
ejsc.
Strzałkami oznaczono potencjalne Ori.
Podczas replikacji ( jak również innych procesów związanych z DNA m.in. transkrypcji ) konieczne jest rozluźnienie strukury chromatyny w celu umożliwienia oddziaływań aparatu enzymatycznego ( replikacyjnego ) z DNA. Rozluźnienie to dotyczy poszczeg
ólnych fragmentów, przez które - w danym momencie - przechodzą widełki replikacyjne, a nie całego chromosomu. Eliminację struktur nukleosomowych, a co za tym idzie wypętlenie odcinka mającego ulec replikacji, umożliwiają tzw. białka struktur jądrowych. D
emontaż rdzenia nukleosomowego prawdopodobnie zainicjowany jest dysocjacją bądź usunięciem dimeru H2A : H2B. Dopiero do tak wyeksponowanego nagiego DNA mają dostęp białka replikacyjne. Po przejściu przez dany fragment widełek replikacyjnych tj. po dosynte
tyzowaniu nowych nici DNA ( tzw. potomnych ) następuje odbudowa struktury nukleosomowej. Interesujący jest fakt, że "stare" histony ( tj. pochodzące z demontażu ) wykorzystywane są przez tę cząsteczkę DNA, która zawiera nić wiodącą ( patrz Genetyka moleku
larna Procaryota ).
Nić opóźniona - złożona z fragmentów Okazaki - wychwytuje histony syntetyzowane de novo specjalnie na potrzebę replikacji tj. w trwającej fazie S. Przy podwajaniu ilości DNA bowiem, dwukrotnie wzrasta zapotrzebowanie na histony i stąd konieczność do
syntetyzowania brakującej porcji białek zasadowych.
EUCARYOTA POSIADAJĄ CZTERY RÓŻNE REPLIKAZY
Spośród pięciu rodzajów polimeraz DNA występujących w komórkach eukariotycznych, cztery są enzymami zaangażowanymi w proces replikacji. Trzy z nich a, d, e oddzaływuj
ą z DNA jądrowym, natomiast czwarta pełni rolę replikazy na terenie mitochondriów i chloroplastów.
Aktywność polimeraz regulowana jest przez białka wspomagające.
W poniższej tabeli przedstawiono wybrane cechy jądrowych enzymów replikacyjnych.
Zdolność polimerazy ( do syntezy starterów ( krótkich fragmentów RNA a nie DNA ! ) wynika z jej współdziałania z primazami - enzymami bezpośrednio odpowiedzialnymi za tworzenie odcinków RNA i występującymi z nią w kompleksie. Polimeraza ( jedynie d
obudowuje do starterów krótkie fragmenty DNA, które są w dalszych etapach replikacji eliminowane razem z odcinkami RNA ( wycinanie starterów ). Powstałe w ten sposób luki wypełnia najprawdopodobniej - nienależąca do replikaz - polimeraza (.
Ponieważ chromosomy eukariotyczne są cząsteczkami liniowymi, narażone są na niebezpieczeństwo stopniowego skracania - w kolejnych rundach replikacyjnych - które dla komórki mogłoby być brzemienne w skutki. Niebezpieczeństwo to związane jest z brakie
m możliwości wypełniania luki po wycięciu skrajnego startera występującego
na 5' końcu nici opóźnionej.
Zabudowanie tej luki jest niemożliwe, ponieważ polimeraza działająca w kierunku 5'Ž 3'wymaga na 5' końcu "zaczepienia"( którego w tym przypadku nie ma ), a nie istnieje enzym, mogący polimeryzować w kierunku 3'Ž 5'. Radą na tego typu zagrożenie jest
obecność na końcach chromosomów telomerów. Są to długie odcinki powtarzającej się setki razy sekwencji 6- nukleotydowej, która u człowieka ma postać - AGGGTT. Odcinki te dobudowywane są przez telomerazę. Jest to enzym zawierający w swojej budowie fragmen
t RNA komplementarny do sekwencji telomerowej tj. matrycę do syntezy telomerów.
1. Replikacja to proces podwajania ilości DNA przed nastąpieniem podziału komórkowego.
2. W czasie replikacji - dzięki istnieniu mechanizmów kontrolujących poprawność włączania kolejnych nukleotydów - informacja zawarta w macierzystym DNA zostaje skopiowana z dużą dokładnością.
3. Ogólny schemat replikacji jest taki sam dla Procaryota i Eucaryota, a istniejące różnice wynikają przede wszystkim z wielkości i sposobu upakowania genomu obu grup organizmów.