همانندسازی و ترمیم DNA

قبل از تقسیم سلول، کل ژنوم خود را با دقت قابل توجهی کپی می‌کند، و شبکه‌ای از سیستم‌های ترمیمی به طور مداوم آسیب‌ها و خطاهایی را که در غیر این صورت توالی به ارث رسیده را مختل می‌کنند، اصلاح می‌نماید.

Definition

همانندسازی DNA کپی‌برداری نیمه‌حفاظتی از ژنوم است که در آن هر رشته والد به عنوان الگو برای یک رشته مکمل جدید عمل می‌کند، و ترمیم DNA مجموعه‌ای از مسیرهای آنزیمی است که آسیب‌ها و خطاهای همانندسازی را شناسایی و اصلاح می‌کنند.

Scope

این موضوع همانندسازی نیمه‌حفاظتی و آزمایش مزلسون-استال، چنگال همانندسازی با رشته‌های پیشرو و پیرو و قطعات اوکازاکی، نقش‌های DNA پلیمرازها، هلیکاز، پریماز و لیگاز، ویرایش و دقت سنتز، و مسیرهای اصلی ترمیم از جمله ترمیم عدم تطابق، ترمیم برش بازی و نوکلئوتیدی، و ترمیم شکست دو رشته‌ای را پوشش می‌دهد. این مبحث به چگونگی کپی و حفظ توالی می‌پردازد؛ چگونگی تغییر توالی با وجود این سیستم‌ها در بخش جهش مورد بررسی قرار می‌گیرد.

Core questions

• آزمایش مزلسون-استال چگونه نشان داد که همانندسازی نیمه‌حفاظتی است؟
• چرا دو رشته در چنگال همانندسازی باید به طور متفاوتی سنتز شوند؟
• ویرایش و ترمیم عدم تطابق چگونه به نرخ خطای بسیار پایین ژنوم دست می‌یابند؟
• کدام مسیرهای ترمیم کدام انواع آسیب DNA را مدیریت می‌کنند؟

Key concepts

• همانندسازی نیمه‌حفاظتی و آزمایش مزلسون-استال
• چنگال همانندسازی، رشته‌های پیشرو و پیرو، قطعات اوکازاکی
• DNA پلیمرازها، هلیکاز، پریماز و لیگاز
• ویرایش و دقت همانندسازی
• ترمیم عدم تطابق، برش و شکست دو رشته‌ای

Mechanisms

هلیکاز دو رشته را باز می‌کند، پریماز پرایمرهای RNA را قرار می‌دهد، و DNA پلیمراز رشته‌های جدید را از جهت پنج به سه، به طور پیوسته در رشته پیشرو و به صورت قطعات اوکازاکی که بعداً توسط لیگاز در رشته پیرو به هم متصل می‌شوند، گسترش می‌دهد؛ ویرایش پلیمراز و ترمیم عدم تطابق پس از همانندسازی، همراه با مسیرهای برش برای آسیب‌های شیمیایی و فرابنفش، نرخ جهش را بسیار پایین نگه می‌دارند.

Clinical relevance

نقص در ترمیم DNA باعث اختلالات ارثی و استعداد ابتلا به سرطان می‌شود، مانند گزرودرما پیگمنتوزوم ناشی از ترمیم برش نوکلئوتیدی معیوب و سندرم لینچ ناشی از کمبود ترمیم عدم تطابق، در حالی که آنزیم‌های همانندسازی اساس تکثیر DNA در آزمایشگاه هستند.

History

مزلسون و استال همانندسازی نیمه‌حفاظتی را در سال ۱۹۵۸ با استفاده از DNA با برچسب چگالی تأیید کردند، کورنبرگ اولین DNA پلیمراز را جدا کرد، و قطعات اوکازاکی که در اواخر دهه ۱۹۶۰ کشف شدند، چگونگی ساخته شدن رشته پیرو را حل کردند؛ مسیرهای ترمیم به تدریج از طریق ژنتیک باکتریایی و انسانی در دهه‌های بعدی ترسیم شدند.

Key figures

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

Seminal works

• meselsonStahl1958

Frequently asked questions

قطعات اوکازاکی چه هستند؟

آنها بخش‌های کوتاهی از DNA هستند که به طور ناپیوسته در رشته پیرو سنتز می‌شوند، زیرا این رشته فقط می‌تواند در جهت مخالف حرکت چنگال ساخته شود؛ آنزیمی به نام DNA لیگاز بعداً آنها را به یک رشته پیوسته متصل می‌کند.

سلول چگونه همانندسازی را تا این حد دقیق نگه می‌دارد؟

DNA پلیمرازها هنگام سنتز ویرایش می‌کنند و نوکلئوتیدهای نامتناسب را حذف می‌کنند، و یک سیستم ترمیم عدم تطابق جداگانه DNA تازه ساخته شده را پس از آن اسکن می‌کند، که مجموعاً نرخ خطا را به تقریباً یک اشتباه در هر میلیارد باز کاهش می‌دهد.