กลไกการจำลองดีเอ็นเอ

การจำลองดีเอ็นเอเป็นกระบวนการแบบกึ่งอนุรักษ์ (semiconservative process) ที่เซลล์ใช้ในการคัดลอกจีโนมทั้งหมดก่อนการแบ่งเซลล์ เพื่อให้เซลล์ลูกแต่ละเซลล์ได้รับสำเนาที่สมบูรณ์และถูกต้อง กลไกนี้จะเปิดเกลียวคู่ที่จุดเริ่มต้นที่กำหนดไว้ และสังเคราะห์สายใหม่ที่เป็นคู่สมบนแม่แบบแต่ละสายของพ่อแม่ที่บริเวณส้อมจำลอง (replication forks) ที่เคลื่อนที่

Definition

การจำลองดีเอ็นเอคือการเพิ่มจำนวนจีโนมแบบกึ่งอนุรักษ์โดยเอนไซม์ ซึ่งเกลียวคู่จะถูกคลายออกที่จุดกำเนิด และสายแม่แบบแต่ละสายจะทำหน้าที่เป็นแม่แบบในการสังเคราะห์สายคู่สมใหม่ ทำให้เกิดสายคู่ลูกที่เหมือนกันสองสาย

Scope

เนื้อหานี้ครอบคลุมหลักการกึ่งอนุรักษ์ การเริ่มต้นที่จุดกำเนิดของการจำลอง สถาปัตยกรรมและการเคลื่อนที่ของส้อมจำลอง ความแตกต่างระหว่างการสังเคราะห์สายนำ (leading-strand) และสายตาม (lagging-strand) และการประสานงานของโปรตีนหลายชนิดที่ทำงานร่วมกันเป็นรีพลิโซม (replisome) นี่เป็นหัวข้อทางระเบียบวิธีและกลไก ไม่ใช่แนวทางปฏิบัติทางคลินิก

Key concepts

• การจำลองแบบกึ่งอนุรักษ์
• จุดกำเนิดของการจำลอง
• ส้อมจำลอง
• เฮลิเคสและการคลายเกลียว
• สายนำและสายตาม
• ชิ้นส่วนโอคาซากิ
• ไพรเมสและไพรเมอร์อาร์เอ็นเอ
• การประสานงานของรีพลิโซม

Mechanisms

การจำลองเริ่มต้นที่จุดกำเนิดเฉพาะที่โปรตีนเริ่มต้น (initiator proteins) จะบรรจุเฮลิเคส (helicases) ซึ่งทำหน้าที่คลายเกลียวคู่ ทำให้เกิดส้อมจำลองสองอันที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม เนื่องจากดีเอ็นเอพอลิเมอเรส (DNA polymerases) สังเคราะห์ได้เฉพาะในทิศทาง 5' ไป 3' เท่านั้น สายแม่แบบสองสายที่ขนานกันแต่มีทิศทางตรงกันข้ามจึงถูกคัดลอกแตกต่างกัน: สายนำจะถูกสร้างอย่างต่อเนื่องไปทางส้อมจำลอง ในขณะที่สายตามจะถูกสร้างอย่างไม่ต่อเนื่องเป็นชิ้นส่วนโอคาซากิ (Okazaki fragments) สั้นๆ ซึ่งจะถูกเชื่อมต่อกันในภายหลัง ไพรเมส (primase) จะวางไพรเมอร์อาร์เอ็นเอ (RNA primers) สั้นๆ เพื่อเริ่มต้นการสังเคราะห์ โปรตีนจับสายเดี่ยว (single-strand binding proteins) จะช่วยให้แม่แบบที่คลายออกมีความเสถียร โทโพไอโซเมอเรส (topoisomerases) จะช่วยลดความเครียดจากการบิดตัวที่อยู่ข้างหน้าส้อมจำลอง และแคลมป์เลื่อน (sliding clamp) กับตัวโหลดแคลมป์ (clamp loader) จะช่วยให้พอลิเมอเรสทำงานได้อย่างต่อเนื่อง กิจกรรมเหล่านี้ถูกจัดระเบียบเป็นรีพลิโซมหลายโปรตีนที่ประสานงานกัน ซึ่งตรรกะหลักของมันได้รับการอนุรักษ์ไว้ในแบคทีเรีย อาร์เคีย และยูคาริโอต ลักษณะกึ่งอนุรักษ์ที่วัตสันและคริกคาดการณ์ไว้ได้รับการยืนยันจากการทดลองโดยเมเซลสันและสตาห์ล

Clinical relevance

กลไกการจำลองเป็นพื้นฐานว่าจีโนมถูกรักษาไว้ได้อย่างไรในการแบ่งเซลล์ และความเครียดจากการจำลองและข้อผิดพลาดเกี่ยวข้องกับความไม่เสถียรของจีโนมในโรคได้อย่างไร เนื้อหานี้อธิบายกลไกเพื่อการอ้างอิงและไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษา

History

แบบจำลองกึ่งอนุรักษ์เป็นผลโดยตรงจากโครงสร้างเกลียวคู่ในปี 1953 และได้รับการยืนยันจากการทดลองติดฉลากความหนาแน่นของเมเซลสัน-สตาห์ลในปี 1958 งานวิจัยต่อมาได้วิเคราะห์การจดจำจุดกำเนิด เอนไซม์วิทยาของส้อมจำลอง และการสังเคราะห์สายตามที่ไม่ต่อเนื่อง และบทวิจารณ์สมัยใหม่ได้รวมสิ่งเหล่านี้เข้าไว้ในกรอบรีพลิโซมที่ได้รับการอนุรักษ์ซึ่งครอบคลุมสิ่งมีชีวิตทั้งสามโดเมน

Key figures

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

Seminal works

• watson-crick-1953
• meselson-stahl-1958
• odonnell-2013

Frequently asked questions

ทำไมสายใหม่เส้นหนึ่งจึงถูกสร้างอย่างต่อเนื่องและอีกเส้นหนึ่งเป็นชิ้นส่วน?

ดีเอ็นเอพอลิเมอเรสจะต่อสายได้เฉพาะในทิศทาง 5' ไป 3' เท่านั้น บนแม่แบบที่ขนานกันแต่มีทิศทางตรงกันข้าม สิ่งนี้ทำให้เกิดการสังเคราะห์อย่างต่อเนื่องบนสายนำ แต่บังคับให้สายตามต้องถูกสร้างเป็นชิ้นส่วนโอคาซากิสั้นๆ ซึ่งจะถูกเชื่อมต่อกันในภายหลัง

จุดกำเนิดของการจำลองคืออะไร?

จุดกำเนิดคือตำแหน่งที่กำหนดบนจีโนมที่เกลียวคู่ถูกเปิดออกเป็นครั้งแรกและเริ่มการจำลอง จากจุดกำเนิดแต่ละจุด ส้อมจำลองจะเคลื่อนที่ออกไปเพื่อคัดลอกดีเอ็นเอโดยรอบ