Репликация и репарация ДНК

Перед делением клетка с поразительной точностью копирует весь свой геном, а сеть систем репарации постоянно исправляет повреждения и ошибки, которые в противном случае могли бы нарушить наследуемую последовательность.

Definition

Репликация ДНК — это полуконсервативное копирование генома, при котором каждая родительская цепь служит матрицей для новой комплементарной цепи, а репарация ДНК — это набор ферментативных путей, которые обнаруживают и исправляют повреждения и ошибки репликации.

Scope

Эта тема охватывает полуконсервативную репликацию и эксперимент Мезельсона-Сталя, репликационную вилку с ее лидирующей и отстающей цепями и фрагментами Оказаки, роли ДНК-полимераз, хеликазы, примазы и лигазы, коррекцию ошибок и точность синтеза, а также основные пути репарации, включая репарацию неспаренных оснований, эксцизионную репарацию оснований и нуклеотидов, а также репарацию двуцепочечных разрывов. В ней рассматривается, как копируется и сохраняется последовательность; изменения последовательности, несмотря на эти системы, рассматриваются в разделе «Мутации».

Core questions

• Как эксперимент Мезельсона-Сталя продемонстрировал, что репликация является полуконсервативной?
• Почему две цепи в репликационной вилке должны синтезироваться по-разному?
• Как коррекция ошибок и репарация неспаренных оснований достигают очень низкой частоты ошибок в геноме?
• Какие пути репарации устраняют какие виды повреждений ДНК?

Key concepts

• Полуконсервативная репликация и эксперимент Мезельсона-Сталя
• Репликационная вилка, лидирующая и отстающая цепи, фрагменты Оказаки
• ДНК-полимеразы, хеликаза, примаза и лигаза
• Коррекция ошибок и точность репликации
• Репарация неспаренных оснований, эксцизионная репарация и репарация двуцепочечных разрывов

Mechanisms

Хеликаза раскручивает дуплекс, примаза синтезирует РНК-праймеры, а ДНК-полимераза удлиняет новые цепи в направлении от 5' к 3', непрерывно на лидирующей цепи и в виде фрагментов Оказаки, которые затем соединяются лигазой на отстающей цепи; коррекция ошибок полимеразой и пострепликационная репарация неспаренных оснований, наряду с эксцизионными путями для химических и ультрафиолетовых повреждений, поддерживают чрезвычайно низкий уровень мутаций.

Clinical relevance

Дефекты репарации ДНК вызывают наследственные заболевания и предрасположенность к раку, такие как пигментная ксеродерма из-за неисправной нуклеотидно-эксцизионной репарации и синдром Линча из-за дефицита репарации неспаренных оснований, в то время как ферменты репликации являются основой лабораторной амплификации ДНК.

History

Мезельсон и Сталь подтвердили полуконсервативную репликацию в 1958 году, используя ДНК, меченную по плотности, Корнберг выделил первую ДНК-полимеразу, а фрагменты Оказаки, открытые в конце 1960-х годов, объяснили, как образуется отстающая цепь; пути репарации постепенно картировались с помощью бактериальной и человеческой генетики в течение последующих десятилетий.

Key figures

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

Seminal works

• meselsonStahl1958

Frequently asked questions

Что такое фрагменты Оказаки?

Это короткие участки ДНК, синтезируемые прерывисто на отстающей цепи, поскольку эта цепь может быть синтезирована только в направлении, противоположном движению вилки; фермент, называемый ДНК-лигазой, затем соединяет их в непрерывную цепь.

Как клетка поддерживает такую высокую точность репликации?

ДНК-полимеразы осуществляют коррекцию ошибок по мере синтеза, удаляя неспаренные нуклеотиды, а отдельная система репарации неспаренных оснований сканирует вновь синтезированную ДНК после этого, что в совокупности снижает частоту ошибок примерно до одной ошибки на миллиард оснований.