Генетический контроль и молекулярные механизмы репликации. Полигенный контроль процесса репликации. Схема событий в вилке репликации. Понятие о репликоне.

 


Для передачи дочерним клеткам генетической информации в процессе репликации ДНК (DNA) должна быть создана копия генома. Репликация ДНК осуществляется ДНК-зависимыми ДНК-полимеразами. Эти ферменты используют в качестве шаблона одну из цепей двойной спирали ДНК, так называемую матрицу. На матрице, начиная с короткой стартовой последовательности (праймера), ферменты синтезируют комплементарную цепь и воспроизводят в итоге исходную двухтяжевую ДНК. Субстратами ДНК-полимераз являются четыре дезоксирибонуклеотидтрифосфата: аденозин-, гуанозин-, тимидин- и цитозинтрифосфаты. При каждом шаге синтеза ДНК происходит спаривание нуклеотида с соответствующим азотистым основанием матричной цепи. Затем α-фосфатная группа связанного нуклеотида подвергается нуклеофильной атаке со стороны 3'-ОН-группы предыдущего нуклеотида. За этим следует удаление дифосфата и образование новой фосфодиэфирной связи. Эти этапы повторяются снова и снова по мере движения ДНК-полимеразы от одного основания к следующему вдоль матрицы. В соответствии с этим механизмом матричная цепь ДНК считывается в направлении 3'→5'.

В большинстве клеток имеется несколько ДНК-полимераз. Наряду с ферментами, которые осуществляют собственно репликацию, существуют полимеразы, которые включены в процессы репарации ДНК (см. с. 252) или реплицируют митохондриальную ДНК эукариот. Большинство ДНК-полимераз построены из множества субъединиц, роль которых до конца не выяснена.

Расплетание нитей молекулы ДНК происходит с помощью особого белка – геликазы. Оно идет против витков спирали и совершается с огромной скоростью. При расплетании возникает суперспирализация и вращение ДНК, которое снимается группой ферментов, называемых топоизомеразами.

Топоизомераза I – вносит временный одноцепочечный разрыв перед репликативной вилкой, что позволяет спирали ДНК вращаться вокруг своей оси. После снятия напряжения разорванная цепь восстанавливается.

Топоизомераза II – создает временный двуцепочечный разрыв, удерживая вместе оторванные друг от друга концы цепей. Присутствие этого фермента позволяет распутывать сложные переплетения и узлы.

Затем на релаксированный участок родительской молекулы ДНК, с которого начинается репликация и который называется точной начала (или ориджином) репликации (ori C) садятся инициаторные белки.

Синтез цепи ДНК всегда идет в направлении 5’→ 3’. Из-за того, что в родительской молекуле ДНК цепи антипараллельны, на одной из родительских цепей новая цепь синтезируется непрерывно в направлении 5’→ 3’, что совпадает с движением репликативной вилки. Это лидирующая (или ведущая) цепь. Другая растет за счет синтеза коротких фрагментов также от 5’к 3’, но они синтезируются в обратном направлении и носят название фрагментов Оказаки.

На ДНК- матрице ДНК – праймаза синтезирует короткую РНК – затравку (праймер). Затем РНК – праймеры удлиняются действием ДНК – полимеразы III. На матрице отстающей цепи собираются SSB – белки, удерживая цепь в выпрямленном состоянии, затем синтезируются РНК – праймеры, которые удлиняются действием ДНК – полимеразы III, которая при этом вытесняет SSB – белки по мере синтеза нового фрагмента Оказаки.

Фрагметны Оказаки сшиваются благодаря действию двух ферментов: ДНК–полимеразы I, продолжающей синтез в направлении 5’→ 3’, одновременно удаляя РНК – праймер, и ДНК – лигазы, достраивающей одноцепочечную брешь.

Репликация осуществляются дискретно. Участок ДНК, в котором происходит индивидуальный акт репликации, называется репликоном. Репликон содержит все регуляторные элементы, необходимые для репликации: ориджин и может иметь терминатор. Геном прокариот составляет единственный репликон.

Для терминации необходим продукт гена tus, который опознает последовательность терминации, связывается с ней и предотвращает дальнейшее продвижение вилки репликации.

Полигенный контроль реплиации

Б. Альбертс и А. Корнберг высказали в начале 70-х годов предположение о том, что редупликацию ДНК осуществляет комплекс белков - реплисома, аналогичный рибосоме. По-видимому, кроме ДНК-полимераз и уже перечисленных факторов в состав реплисомы, формирующейся в репликационной вилке, входят и другие белки, прямо или косвенно участвующие в синтезе ДНК.

В реплисому, по-видимому, включаются продукты генов dnaB и dnaC, необходимые в течение всей редупликации. Продукт гена dnaB Е. coli оказался ферментом, катализирующим ДНК-зависимый гидролиз рибонуклеозидтрифосфатов до рибонуклеозиддифосфатов и фосфата. Эту активность примерно в 20 раз стимулирует добавление молекул ДНК. Роль продукта dnaB в редупликации пока не установлена. Продукт dnaG необходим для инициации синтеза новых фрагментов Оказаки.

Существенным компонентом реплисомы может быть также белок, связывающий ДНК, который обнаружен у ряда объектов - прокариот и эукариот. Белок стимулирует редупликацию и рекомбинацию. Видимо, в ходе редупликации он облегчает разделение комплементарных цепей ДНК.

Компонентами реплисомы являются также ферменты, названные топоизомеразами. Их функция — изменение степени суперспирализации ДНК и последующего соединения разорванных концов. Наконец, найдено несколько ферментов, которые плавят ДНК (разделяют комплементарные цепи) за счет использования энергии гидролиза АТФ, например продукт гена rep Е. coli.

Итак, в репликационной вилке происходит множество событий: раскручивание ДНК, разделение ее комплементарных цепей, синтез затравочного фрагмента РНК с последующим образованием фрагмента Оказаки, удаление РНК-затравки, заполнение образовавшегося односпирального пробела и ковалентное соединение фрагментов Оказаки.


Предыдущие материалы: Следующие материалы: