DNA replikatsioon: definitsioon, mehhanismid ja tähtsus rakkudes

DNA replikatsioon: selgitatakse poolkonservatiivset mehhanismi, alguspunkte, ensüüme ja replikatsiooni tähtsust raku jagunemisel ning pärilikkuse säilimisel.

DNA replikatsioon on kaheahelalise DNA molekuli kopeerimise protsess. Mõlemad ahelad toimivad vastassuunalise ahela paljundamise mallidena. Protsessi nimetatakse mõnikord poolkonservatiivseks replikatsiooniks, sest algsest ahelast saadud uus DNA sisaldab poole algsest ja poole uuest sünteesitud DNA-st. Replikatsiooni tulemusena tekivad kaks identsest järjestusest koosnevat DNA-molekuli, mis on vajalikud raku jagunemise ja geneetilise informatsiooni säilitamise jaoks.

See protsess toimub kõigis DNAga eluvormides. DNA replikatsiooni kontrollimisel on mõningaid erinevusi prokarüootilistes ja eukarüootilistes organismides — näiteks alguspunktide arv, kromosoomide kujund ja replikatsiooni regulatsioon erinevad oluliselt.

Kuidas replikatsioon rakkudes algab ja kulgeb

Rakus algab DNA replikatsioon kindlatest kohtadest genoomis, mida nimetatakse alguspunktideks (origins of replication). Kui DNA keerdub alguspunktis lahti, tekib replikatsiooni kahvli juures uute ahelate süntees. Replikatsiooni etapid võib jagada lihtsustatult järgmiselt:

Initsatsioon — alguspunkt tunnustatakse ja DNA lahti keeratakse (denatureerub) kohaliku tuumaümbrise moodustamiseks.
Elongatsioon — uue ahela süntees algab ja jätkub replikatsiooni kahvli mõlemas suunas; süntees toimub ühelt mallilt pidevalt (leading strand) ja teiselt katkestatult Okazaki fragmentides (lagging strand).
Termineerimine — replikatsioon lõpeb, kui kahvlid kohtuvad või kui replikatsiooni lõpp-punktid saavutatakse; ühes eukarüootses kromosoomis tuleb hüljata ka telomeeride probleemid.

Peamised ensüümid ja valgud

Replikatsiooni käigus osaleb palju valgusid ja ensüüme. Kõige olulisemad on:

Helikaas — lõhub vesiniksidemed ja keerab DNA kaksikheeli lahti, luues replikatsiooni kahvli.
Single-strand binding proteins (SSB) — stabiliseerivad üheahelalist DNA-d, et see uuesti kokku ei pöörduks.
Primase — sünteesib lühikesi RNA-primereid, millele DNA-polümeraasi tüved saavad kinnitada uue DNA sünteesimiseks.
DNA-polümeraasid — lisavad uusi nukleotiide olemasoleva malli alusel; bakterites osaleb peamiselt DNA-polümeraas III ja DNA-polümeraas I asendab RNA-primerid DNA-ga; eukarüootides osalevad peamiselt polümeraasid δ ja ε.
Libistuskinnitus (sliding clamp, nt PCNA või beta-kinnitus) — suurendab polümeraasi protsessiivsust ehk püsivust malli peal.
DNA-ligaas — liidab Okazaki fragmentide vahelised katkised lõigud üheks pidevaks ahelaks.
Topoisomeraasid — leevendavad superkeerme pingeid DNA lahtikeerdumisel.
Ensüümid ja abivalgud — ülevaatlikult kõik proteiinid, mis aitavad replikatsiooni algatada, kontrollida ja lõpetada.

Leading- ja lagging-ahel ning Okazaki fragmendid

Tõrgeteta DNA-süntees on keeruline, sest DNA-polümeraas töötab alati 5'→3' suunas. Selle tulemusena sünteesitakse mõlemad uued ahelad erinevalt: leading strand tuleb sünteesida pidevalt suunas, kuhu replikatsiooni kahvel liigub; lagging strand sünteesitakse katkestatult lühikeste Okazaki fragmentide kaupa, mis hiljem liidetakse DNA-ligaasi abil.

Kvaliteedikontroll ja replikatsiooni täpsus

DNA replikatsioon on väga täpne protsess tänu mitmele kontrollmehhanismile:

Proovivõtt (proofreading) — paljud DNA-polümeraasid omavad 3'→5' eksanukleaasaktiivsust, mis eemaldab valesti paigutatud nukleotiidi kohe pärast selle lisamist.
Mismatch repair — pärast replikatsiooni parandavad täiendavad süsteemid järelejäänud paaritumisvead.

Tänu nendele mehhanismidele on replikatsiooni veamäär väga madal (ligikaudu 10^-9 kuni 10^-10 vigade kohta tavalise replikatsiooni kohta).

Prokarüootide ja eukarüootide erinevused

Kuigi põhiprotsessid on sarnased, on olulisi erinevusi:

Alguspunktide arv: prokarüootidel (nt bakteritel) on enamasti üks alguspunkt ja ringikujuline kromosoom; eukarüootidel on lineaarsetel kromosoomidel palju alguspunkte, mis võimaldab kiiremat kogu genoomi paljundamist.
Komplekssus ja regulatsioon: eukarüootides on replikatsioon seotud tsüklilise raku tsükliga (sagedasemalt S-faasis) ning vajab eraldi licensing-mooduleid (nt ORC, Cdc6, Cdt1, MCM), et vältida topeltreplikatsiooni.
Chromatiini mõju: eukarüootide DNA on seotud histoonidega ja organiseeritud nukleosoomeis; enne replikatsiooni tuleb kromatiin osaliselt lahti pakkida ja hiljem uuesti kondenseerida.
Telomeerid: lineaarsete kromosoomide lõppudel tekib probleem primrite asendamisel — eukarüootidel kasutab mõnedes rakkudes telomeraas telomeeride säilitamiseks.

Bioloogiline tähtsus

DNA replikatsioon on elu jätkamiseks hädavajalik: see tagab, et iga tütarrakk saab täpse koopiana vanema raku geneetilise materjali. Replikatsiooni regulatsiooni häired võivad viia mutatsioonide, genoomse instabilsuse ja haigusteni (nt vähkides). Seetõttu on replikatsiooni mehhanismid ja nende kontroll raku bioloogia, arengubioloogia ja meditsiini jaoks keskse tähtsusega.

Kokkuvõttes on DNA replikatsioon hoolikalt koordineeritud ja mitmete valkude koostöös toimuv protsess, mis ühendab kiire ja efektiivse DNA-kopeerimise kõrge täpsusega, et säilitada organismi geneetilist informatsiooni põlvest põlve.

DNA replikatsioon. Kaksikspiraal on lahti keritud ja iga ahel toimib templaadina. Alused sobitatakse, et sünteesida uued partnerahelad.

DNA-polümeraas

DNA-polümeraasid on ensüümide perekond, mis teostavad kõiki DNA replikatsiooni vorme. DNA-polümeraas võib siiski ainult pikendada olemasolevat DNA-ahelat, mis on ühendatud templaatahelaga; ta ei saa alustada uue ahela sünteesi. Sünteesi alustamiseks luuakse lühike DNA- või RNA-fragment, mida nimetatakse "praimeriks", ja see ühendatakse templi-DNA-ahelaga.

Üldiselt on DNA-polümeraasid äärmiselt täpsed, tehes vähem kui ühe vea iga 10⁷ (10 miljoni) lisatud nukleotiidi kohta. Siiski on mõnedel DNA-polümeraasidel ka "korrektuurlugemise" võime: nad võivad eemaldada nukleotiide ahela lõpust, et parandada valesti sobivaid aluseid.

Paljud ensüümid osalevad DNA replikatsiooni kahvlis.

DNA parandamine

DNA rakkudes on pidevalt kahjustatud. Rakkude tuumas on mitmeid remondimehhanisme, mis parandavad peaaegu kõik need kahjustused. "Suur hulk DNA parandamise ensüüme skaneerib pidevalt DNA-d ja parandab kõik kahjustatud nukleotiidid".

Küsimused ja vastused

K: Mis on DNA replikatsioon?

V: DNA replikatsioon on kaheahelalise DNA molekuli kopeerimine.

K: Mis on DNA replikatsiooni käigus vastassuunalise ahela paljundamise malliks?

V: Mõlemad ahelad on DNA replikatsiooni ajal vastassuunalise ahela paljundamise mallideks.

K: Miks nimetatakse DNA replikatsiooni mõnikord "poolkonservatiivseks replikatsiooniks"?

V: DNA replikatsiooni nimetatakse mõnikord "poolkonservatiivseks replikatsiooniks", sest algsest ahelast saadud uus DNA sisaldab pool algset ja pool uut sünteesitud DNAd.

K: Millistes eluvormides toimub DNA replikatsioon?

V: DNA replikatsioon toimub kõigis eluvormides, kus on DNA.

K: Kas DNA replikatsiooni kontrollimisel on erinevusi prokarüootilistes ja eukarüootilistes organismides?

V: Jah, on mõningaid erinevusi DNA replikatsiooni kontrollimisel prokarüootilistes ja eukarüootilistes organismides.

K: Kust algab DNA replikatsioon rakus?

V: Rakus algab DNA replikatsioon kindlatest kohtadest genoomis, mida nimetatakse alguspunktideks.

K: Millised ensüümid peale DNA-polümeraasi aitavad DNA replikatsiooni ajal DNA sünteesi alustamisel ja jätkamisel replikatsiooni kahvlis?

V: Lisaks DNA-polümeraasile aitavad DNA-sünteesi alustamisel ja jätkamisel kahvlis ka teised ensüümid.