Механизм репликации ДНК

Пошаговая молекулярная хореография, которая раскручивает двойную спираль и создает две точные копии, от инициации репликации до соединения последнего фрагмента Оказаки.

Definition

Механизм репликации ДНК — это скоординированный набор ферментативных этапов, посредством которых клетка разделяет две нити дуплекса ДНК в репликационной вилке и использует каждую в качестве матрицы для синтеза комплементарной нити в направлении 5'→3', производя две полуконсервативные дочерние молекулы.

Scope

Эта тема описывает, как формируется репликационная вилка и как синтезируется ДНК на обеих матричных нитях. Она охватывает распознавание и расплавление точки начала репликации, синтез праймера, антипараллельное ограничение, которое обусловливает непрерывный синтез ведущей нити и прерывистый синтез отстающей нити, компоненты реплисомы и соединение фрагментов в целые дочерние нити. Точность и репарация рассматриваются только в той степени, в какой они присущи стадии элонгации.

Core questions

• Как репликация начинается в определенной точке, а не в любом месте хромосомы?
• Почему одна нить должна синтезироваться непрерывно, а другая — короткими фрагментами?
• Какие белки образуют реплисому и каков вклад каждого из них?
• Как прерывистые фрагменты отстающей нити соединяются в непрерывную нить?

Key theories

Антипараллельное ограничение матрицы

Поскольку две нити идут в противоположных направлениях, а полимеразы удлиняют только в направлении 5'→3', одна нить (ведущая) копируется непрерывно по направлению к вилке, в то время как другая (отстающая) копируется в виде дискретных фрагментов Оказаки от вилки.

Полуконсервативное продвижение репликационной вилки

Каждая разделенная родительская нить служит матрицей для одной новой нити, поэтому вилка дает два дуплекса, каждый из которых содержит одну старую и одну новую нить, как было экспериментально установлено Мезельсоном и Сталем.

Mechanisms

Белок-инициатор связывается с точкой начала репликации и с помощью хеликазы расплавляет дуплекс, образуя двунаправленную вилку. Белки, связывающие одноцепочечную ДНК, покрывают экспонированные нити, а праймаза синтезирует короткие РНК-праймеры. Репликативные ДНК-полимеразы, удерживаемые на матрице скользящими зажимами, загружаемыми белком-загрузчиком зажима, удлиняют праймеры: ведущая нить синтезируется непрерывно, а отстающая нить синтезируется в виде фрагментов Оказаки, каждый из которых начинается новым праймером. Затем праймеры удаляются, пробелы заполняются, и ДНК-лигаза запечатывает оставшиеся разрывы, образуя два непрерывных дочерних дуплекса.

Clinical relevance

Поскольку репликационный аппарат является жизненно важным и быстро активным в делящихся клетках, несколько его компонентов являются мишенями для антимикробных и противораковых исследований; ошибки в репликационной вилке являются источником мутаций. Это образовательный контекст, а не клинический совет.

History

Полуконсервативная модель, подразумеваемая структурой двойной спирали 1953 года и подтвержденная Мезельсоном и Сталем в 1958 году, заложила основу; открытие Рейджи Оказаки коротких фрагментов отстающей нити и энзимология Корнберга затем выявили прерывистую, многобелковую природу репликационной вилки, описываемую в современных учебниках.

Key figures

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

Seminal works

• meselson1958
• watson2013

Frequently asked questions

Что такое фрагменты Оказаки?

Короткие участки ДНК, синтезируемые прерывисто на отстающей нити; позднее они соединяются ДНК-лигазой в одну непрерывную нить.

Зачем нужен праймер?

ДНК-полимеразы могут только удлинять существующий спаренный 3'-конец, поэтому короткий РНК-праймер, синтезированный праймазой, обеспечивает отправную точку для синтеза.