آلية تضاعف الحمض النووي (DNA)

الرقص الجزيئي خطوة بخطوة الذي يفك اللولب المزدوج ويبني نسختين متطابقتين، بدءًا من إطلاق نقطة الأصل وحتى ربط قطعة أوكازاكي الأخيرة.

Definition

آلية تضاعف الحمض النووي (DNA) هي المجموعة المنسقة من الخطوات الإنزيمية التي تفصل بها الخلية الشريطين من الحمض النووي المزدوج عند شوكة التضاعف وتستخدم كل منهما كقالب لتصنيع شريط مكمل في الاتجاه 5'→3'، مما ينتج جزيئين ابنتين شبه محافظين.

Scope

يصف هذا الموضوع كيفية إنشاء شوكة التضاعف وكيف يتم تصنيع الحمض النووي على كلا شريطي القالب. ويغطي التعرف على نقطة الأصل وصهرها، وتصنيع البادئ (primer)، وقيد التوازي المعاكس الذي يفرض تصنيع الشريط الرائد المستمر والشريط المتأخر المتقطع، ومكونات جهاز التضاعف (replisome)، وربط الشظايا لتكوين أشرطة ابنة سليمة. يتم تناول الدقة والإصلاح فقط بقدر ما هي جزء لا يتجزأ من خطوة الاستطالة.

Core questions

• كيف يبدأ التضاعف عند نقطة أصل محددة بدلاً من أي مكان على الكروموسوم؟
• لماذا يجب تصنيع أحد الشريطين بشكل مستمر والآخر على شكل شظايا قصيرة؟
• ما هي البروتينات التي تشكل جهاز التضاعف وماذا يساهم كل منها؟
• كيف يتم ربط شظايا الشريط المتأخر المتقطعة لتكوين شريط مستمر؟

Key theories

قيد القالب المتوازي المعاكس

نظرًا لأن الشريطين يسيران في اتجاهين متعاكسين وأن البوليميرازات تمتد فقط في الاتجاه 5'→3'، يتم نسخ أحد الشريطين (الرائد) بشكل مستمر باتجاه الشوكة بينما يتم نسخ الآخر (المتأخر) على شكل قطع أوكازاكي منفصلة بعيدًا عن الشوكة.

تقدم الشوكة شبه المحافظ

يعمل كل شريط أبوي منفصل كقالب لشريط جديد واحد، وبالتالي تنتج الشوكة سلسلتين مزدوجتين تحتوي كل منهما على شريط قديم وشريط جديد، كما أثبتت تجارب ميسلسون وستال.

Mechanisms

يرتبط بروتين بادئ بنقطة الأصل، ومع إنزيم الهيليكاز (helicase)، يصهر المزدوج لتشكيل شوكة ثنائية الاتجاه. تغطي بروتينات الارتباط بالشريط المفرد الأشرطة المكشوفة، ويقوم إنزيم البرايميز (primase) بتصنيع بادئات RNA قصيرة. تقوم بوليميرازات الحمض النووي التضاعفية، التي تثبت على القالب بواسطة مشابك انزلاقية يتم تحميلها بواسطة محمل المشبك، بتمديد البادئات: يتم تصنيع الشريط الرائد بشكل مستمر، ويتم تصنيع الشريط المتأخر على شكل قطع أوكازاكي (Okazaki fragments)، تبدأ كل منها ببادئ جديد. ثم تتم إزالة البادئات، وملء الفجوات، ويقوم إنزيم ليغاز الحمض النووي (DNA ligase) بإغلاق الشقوق المتبقية لإنتاج سلسلتين ابنتين مزدوجتين متواصلتين.

Clinical relevance

نظرًا لأن آلية التضاعف ضرورية ونشطة بسرعة في الخلايا المنقسمة، فإن العديد من مكوناتها هي أهداف للبحث في مضادات الميكروبات ومضادات السرطان؛ وتعد الأخطاء عند شوكة التضاعف مصدرًا للطفرات. هذا سياق تعليمي، وليس نصيحة سريرية.

History

لقد وضع النموذج شبه المحافظ، الذي أشارت إليه بنية اللولب المزدوج عام 1953 وأكده ميسلسون وستال عام 1958، الإطار الأساسي؛ ثم كشف اكتشاف ريجي أوكازاكي لشظايا الشريط المتأخر القصيرة وعلم الإنزيمات لكورنبرغ عن الطبيعة المتقطعة والمتعددة البروتينات للشوكة التي تُوصف الآن في الكتب المدرسية.

Key figures

• Arthur Kornberg
• Reiji Okazaki
• Matthew Meselson
• Franklin Stahl

Seminal works

• meselson1958
• watson2013

Frequently asked questions

ما هي قطع أوكازاكي؟

أجزاء قصيرة من الحمض النووي يتم تصنيعها بشكل متقطع على الشريط المتأخر؛ يتم ربطها لاحقًا بواسطة إنزيم ليغاز الحمض النووي لتكوين شريط واحد مستمر.

لماذا هناك حاجة إلى بادئ؟

يمكن لبوليميرازات الحمض النووي فقط تمديد نهاية 3' موجودة ومزدوجة القواعد، لذا فإن بادئ RNA قصير يصنعه إنزيم البرايميز يوفر نقطة البداية للتصنيع.