DNA-REPLICATIE: MECHANISMEN, IN PROKARYOTEN EN EUKARYOTEN - BIOLOGIE - 2025

De replicatie van DNA (deoxyribonucleïnezuur) is het kopiëren van het genoom, dwz alle genetische informatie in het DNA van een organisme om twee identieke kopieën te produceren. Het genoom heeft de informatie die nodig is om een ​​compleet organisme op te bouwen.

Vóór de celdeling vindt DNA-replicatie plaats. Door meiose worden gameten geproduceerd voor seksuele voortplanting. Door mitose vinden celvervanging (bijv. Huid en bloed) en ontwikkeling (bijv. Weefsels en organen) plaats.

Bron: I, Madprime

Als we de structuur van DNA kennen, kunnen we begrijpen hoe de replicatie ervan plaatsvindt. De structuur van DNA bestaat uit een dubbele helix, samengesteld uit twee antiparallelle ketens van opeenvolgende nucleotiden, waarvan de stikstofbasen elkaar op een specifieke manier aanvullen.

Tijdens replicatie fungeert elke streng van de dubbele DNA-streng als een sjabloon voor de biosynthese van een nieuwe streng. De twee nieuw gesynthetiseerde ketens hebben basen die complementair zijn aan de basen van de matrijsketen: adenine (A) met thymine (T) en cytosine (C) met guanine (G).

Bij de DNA-replicatie zijn verschillende enzymen en eiwitten betrokken. Bijvoorbeeld het openen van de dubbele DNA-helix, het openhouden van het DNA en het toevoegen van deoxyribonucleosides-5′-trifosfaat (dNTP) om de nieuwe streng te vormen.

DNA-replicatie is semi-conservatief

Op basis van de structuur van DNA stelden Watson en Crick voor dat DNA-replicatie semi-conservatief plaatsvindt. Dit werd aangetoond door Meselson en Stahl door het DNA van Escherichia coli te labelen met de zware stikstofisotoop, ¹⁵ N, en gedurende verschillende generaties het distributiepatroon te volgen in een kweekmedium met lichte stikstof, ¹⁴ N.

Meselson en Stahl ontdekten dat in de eerste generatie de twee dochter-DNA-moleculen elk molecuul hadden gelabeld met een ketting met de zware isotoop van stikstof en een andere met de lichte isotoop. In tegenstelling tot het ouder-DNA-molecuul, waarvan beide strengen waren gelabeld met de zware isotoop, ¹⁵ N.

In de tweede generatie was 50% van de DNA-moleculen vergelijkbaar met die van de eerste generatie, en de andere 50% had alleen lichte stikstof. De interpretatie van dit resultaat is dat de dubbele helix van de dochter een bovenliggende ketting heeft (die als sjabloon fungeert) en een nieuwe ketting.

Het semi-conservatieve replicatiemechanisme omvat de scheiding van DNA-strengen en complementaire basenparing door opeenvolgende nucleotidenparing, waardoor twee dochter dubbele helices worden geproduceerd.

Batterijreplicatie

Initiatie van DNA-replicatie in bacteriën

Bacterieel DNA bestaat uit een circulair chromosoom en heeft slechts één plaats van replicatieoorsprong. Vanaf deze locatie vindt de biosynthese van de twee dochterketens bidirectioneel plaats, waarbij twee replicatievorken worden gevormd die in tegengestelde richting bewegen ten opzichte van de oorsprong. Uiteindelijk ontmoeten de haarspeldbochten elkaar en is de replicatie voltooid.

Replicatie begint met de binding van DnaA-eiwitten aan de plaats van oorsprong. Deze eiwitten vormen op hun beurt een complex. Dan komen onder andere de HU- en IHF-eiwitten samen, die samen het DNA buigen, waardoor de twee DNA-strengen van elkaar scheiden in een gebied dat rijk is aan thymine en adenine.

Vervolgens binden DNaC-eiwitten, waardoor de DNA-helicases binden. Ze helpen bij het afwikkelen van DNA en het verbreken van waterstofbruggen, gevormd tussen basenparen. Dus de twee kettingen worden verder gescheiden en vormen twee eenvoudige kettingen.

Topoisomerase II, of DNA-gyrase, beweegt voor DNA-helicase, waardoor positieve supercoils afnemen. Enkelstrengs DNA-bindende (SSB) -eiwitten houden DNA-strengen uit elkaar. Zo kan de biosynthese van de dochterketen beginnen.

Biosynthese van dochter-DNA-strengen in bacteriën

Het primase-enzym is verantwoordelijk voor het synthetiseren van korte RNA-ketens, primers genaamd, die 10-15 nucleotiden lang zijn. DNA-polymerase begint 5′-trifosfaatdeoxynucleosiden (dNTP's) toe te voegen aan het 3′-OH-uiteinde van de primersuiker, waarna de streng vanaf hetzelfde uiteinde blijft groeien.

Omdat DNA-strengen antiparallel zijn, wordt één primer gesynthetiseerd op de leiderstreng en veel primers op de lagstreng. Hierdoor is de biosynthese van de vertraagde keten discontinu. Hoewel de DNA-strengen antiparallel zijn, beweegt de replicatievork slechts in één richting.

DNA-polymerase is verantwoordelijk voor de vorming van covalente bindingen tussen aangrenzende nucleotiden van de nieuw gesynthetiseerde ketens, in de 5'®3 ′ -richting. In E. coli zijn er vijf DNA-polymerasen: DNA-polymerasen I en III voeren DNA-replicatie uit; en DNA-polymerasen II, IV en V zijn verantwoordelijk voor het repareren en repliceren van beschadigd DNA.

Het grootste deel van de replicatie wordt uitgevoerd door DNA-polymerase III, een holoenzym dat 10 verschillende subeenheden heeft met verschillende functies bij DNA-replicatie. De alfa-subeenheid is bijvoorbeeld verantwoordelijk voor het maken van verbindingen tussen nucleotiden.

Een complex van enzymen is verantwoordelijk voor de replicatie van DNA in bacteriën

DNA-helicase en primase worden samengevoegd om een ​​complex te vormen dat een primosoom wordt genoemd. Dit beweegt langs het DNA en werkt op een gecoördineerde manier om de twee ouderlijke strengen te scheiden, waarbij de primers elk bepaald interval op de vertraagde streng worden gesynthetiseerd.

Het primosoom bindt fysiek aan DNA-polymerase III en vormt het replisoom. Twee DNA-polymerasen III zijn verantwoordelijk voor het repliceren van het DNA van de gids en vertraagde ketens. Met betrekking tot DNA-polymerase III vormt de vertraagde streng een naar buiten gerichte lus, waardoor de toevoeging van nucleotiden aan deze streng in dezelfde richting als de leiderstreng kan plaatsvinden.

De toevoeging van nucleotiden aan de leidende keten is continu. Terwijl het vertraagd is, is het onderbroken. Er worden fragmenten van 150 nucleotiden lang gevormd, die Okazaki-fragmenten worden genoemd.

De 5 ′ -> 3 ′ exonuclease-activiteit van DNA-polymerase I is verantwoordelijk voor het elimineren van de primers en het vullen, het toevoegen van nucleotiden. Een ligase-enzym dicht de gaten tussen fragmenten af. Replicatie eindigt wanneer de twee replicatiehaken elkaar ontmoeten in een beëindigingsreeks.

Het Tus-eiwit bindt zich aan de terminatiesequentie en stopt de beweging van de replicatievork. Topoisomerase II maakt de scheiding van de twee chromosomen mogelijk.

Deoxyribonucleotide-trifosfaten worden gebruikt door DNA-polymerase

Deoxynucleoside-trifosfaat (dNTP) bevat drie fosfaatgroepen die zijn gebonden aan de 5'-koolstof van deoxyribose. De dNTP's (dATP, dTTP, dGTP en dCTP) binden aan de templateketen volgens de AT / GC-regel.

DNA-polymerase katalyseert de volgende reactie: De 3 ′ hydroxylgroep (-OH) van de groeiende nucleotide-streng reageert met het alfafosfaat van het binnenkomende dNTP, waarbij anorganisch pyrofosfaat (PPi) vrijkomt. De hydrolyse van PPi produceert de energie voor de vorming van de covalente binding of fosfodiësterbinding tussen nucleotiden van de groeiende keten.

Mechanismen die de betrouwbaarheid van DNA-replicatie garanderen

Tijdens DNA-replicatie maakt DNA-polymerase III een fout door 100 miljoen nucleotiden. Hoewel de kans op fouten erg laag is, zijn er mechanismen die de betrouwbaarheid van DNA-replicatie garanderen. Deze mechanismen zijn:

1) Stabiliteit bij basenparing. De waterstofbindingsenergie tussen AT / GC is hoger dan bij verkeerde basenparen.

2) Structuur van de actieve plaats van DNA-polymerase. DNA-polymerase katalyseert bij voorkeur nucleotideverbindingen met de juiste basen op de tegenoverliggende streng. Een slechte basenparing veroorzaakt een vervorming van de dubbele DNA-helix, waardoor wordt voorkomen dat de verkeerde nucleotide de actieve plaats van het enzym bezet.

3) Leestest. DNA-polymerase identificeert opgenomen foutieve nucleotiden en verwijdert ze uit de dochterstreng. De exonuclease-activiteit van DNA-polymerase verbreekt de fosfodiësterbindingen tussen nucleotiden aan het 3'-uiteinde van de nieuwe streng.

DNA-replicatie in eukaryoten

In tegenstelling tot replicatie bij prokaryoten, waar replicatie begint op een enkele locatie, begint replicatie in eukaryoten op meerdere locaties van oorsprong en beweegt de replicatievork bidirectioneel. Vervolgens smelten alle replicatie-haarspelden samen en vormen ze twee zusterchromatiden die bij het centromeer zijn samengevoegd.

Eukaryoten bezitten veel soorten DNA-polymerase, waarvan de namen Griekse letters gebruiken. DNA-polymerase α vormt een complex met primase. Dit complex synthetiseert korte primers die bestaan ​​uit 10 nucleotiden RNA gevolgd door 20 tot 30 nucleotiden DNA.

Vervolgens katalyseert ε of δ DNA-polymerase de verlenging van de dochterstreng van de primer. DNA-polymerase ε is betrokken bij de synthese van de leidende keten, terwijl DNA-polymerase δ de vertraagde keten synthetiseert.

DNA-polymerase δ verlengt het Okazaki-fragment aan de linkerkant totdat het de RNA-primer aan de rechterkant bereikt, waardoor een korte flap van de primer ontstaat. In tegenstelling tot prokaryoten, waar een DNA-polymerase de primer verwijdert, verwijdert in eukaryoten een Flap-endonuclease-enzym de RNA-primer.

Vervolgens sluit een DNA-ligase de aangrenzende DNA-fragmenten af. Voltooiing van replicatie vindt plaats met de dissociatie van eiwitten uit de replicatievork.

De replicatie van DNA in eukaryote celcyclus en

Replicatie in eukaryoten vindt plaats in de S-fase van de celcyclus. De gerepliceerde DNA-moleculen worden tijdens mitose uitgescheiden in twee dochtercellen. De G1- en G2-fasen scheiden de S-fase en mitose. De voortgang door elke fase van de celcyclus wordt sterk gereguleerd door kinasen, fosfatasen en proteasen.

In de G1-fase van de celcyclus bindt het oorsprongherkenningscomplex (OCR) zich aan de plaats van oorsprong. Dit induceert de binding van MCM-helicasen en andere eiwitten, zoals Cdc6 en Cdt1, om een ​​pre-replicatiecomplex (preRC) te vormen. De MCM-helicase bindt zich aan de geleidingsketen.

In de S-fase wordt preRC een actieve replicatiesite. De OCR-, Cdc6- en Cdt1-eiwitten worden vrijgegeven en de MCM-helicase beweegt in de richting van 3 ′ tot 5 ′. Zodra de replicatie is voltooid, wordt deze opnieuw gestart in de volgende celcyclus.

Replicatie van de uiteinden van chromosomen in eukaryoten

De uiteinden van chromosomen staan ​​bekend als telomeren, die bestaan ​​uit herhaalde tandemsequenties en een 3 ′-gebied dat uitsteekt met een lengte van 12 tot 16 nucleotiden.

DNA-polymerase kan het 3'-uiteinde van DNA-strengen niet repliceren. Dit komt door het feit dat DNA-polymerase alleen DNA in de 5'-3'-richting kan synthetiseren en alleen reeds bestaande strengen kan verlengen, zonder in staat te zijn om een ​​primer in dit gebied te synthetiseren. Bijgevolg worden telomeren korter met elke replicatieronde.

Het enzym telomerase voorkomt het verkorten van telomeren. Telomerase is een enzym dat eiwit- en RNA-subeenheden (TERC) bezit. De laatste bindt zich aan de zich herhalende sequenties van DNA en laat telomerase binden aan het 3'-uiteinde van de telomeer.

Een RNA-sequentie achter de verbindingsplaats fungeert als sjabloon voor de synthese van een zes nucleotidensequentie (polymerisatie) aan het einde van de DNA-streng. Telomere-verlenging wordt gekatalyseerd door subeenheden van telomerase, genaamd telomerase reverse transcriptase (TERT).

Na polymerisatie vindt translocatie plaats, bestaande uit de beweging van telomerase naar een nieuw uiteinde van de DNA-keten, waarbij tot het einde nog zes nucleotiden worden samengevoegd.

De functies van andere DNA-polymerasen in eukaryoten

DNA-polymerase β speelt een belangrijke rol bij het verwijderen van onjuiste basen uit DNA, maar het is niet betrokken bij DNA-replicatie.

Veel ontdekte DNA-polymerasen behoren tot de groep van "translesie-replicerende" polymerasen. Deze polymerasen zijn verantwoordelijk voor het synthetiseren van complementaire strengen in een gebied met beschadigd DNA.

Er zijn verschillende soorten "translesie-replicerende" polymerasen. DNA-polymerase η kan bijvoorbeeld repliceren op thyminedimeren, die worden geproduceerd door UV-licht.

DNA-replicatie in archaebacteriën

Archaebacteriële DNA-replicatie is vergelijkbaar met die in eukaryoten. Dit komt door het volgende: 1) de eiwitten die deelnemen aan replicatie lijken meer op die van eukaryoten dan die van prokaryoten; en 2) hoewel er slechts één replicatieplaats is zoals bij prokaryoten, is de sequentie ervan vergelijkbaar met de plaats van oorsprong van eukaryoten.

De gelijkenis in replicatie tussen de Archea en de eukaryoten ondersteunt het idee dat beide groepen fylogenetisch meer aan elkaar verwant zijn dan aan beide met prokaryoten.

Referenties

1. Brooker, RJ 2018. Genetica-analyse en principes. McGraw-Hill, New York.
2. Hartwell, LH, Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, L. 2018. Genetica - van genen tot genomen. McGraw-Hill, New York.
3. Kušić-Tišma, J. 2011. Fundamentele aspecten van DNA-replicatie. InTech Open access, Kroatië.
4. Lewis, R., 2015. Concepten en toepassingen van menselijke genetica. McGraw-Hill, New York.
5. Pierce, BA 2005. Genetica - een conceptuele benadering. WH Freeman, New York.