การจำลองและการซ่อมแซมดีเอ็นเอ

ก่อนที่เซลล์จะแบ่งตัว เซลล์จะคัดลอกจีโนมทั้งหมดด้วยความแม่นยำที่น่าทึ่ง และเครือข่ายของระบบซ่อมแซมจะแก้ไขความเสียหายและข้อผิดพลาดอย่างต่อเนื่อง ซึ่งหากไม่ได้รับการแก้ไขก็จะทำให้ลำดับพันธุกรรมเสียหายได้

Definition

การจำลองดีเอ็นเอ (DNA replication) คือการคัดลอกจีโนมแบบกึ่งอนุรักษ์ ซึ่งแต่ละสายแม่แบบ (parental strand) จะเป็นแม่แบบสำหรับสายใหม่ที่เข้าคู่กัน (complementary strand) และการซ่อมแซมดีเอ็นเอ (DNA repair) คือชุดของเส้นทางเอนไซม์ที่ตรวจจับและแก้ไขความเสียหายและข้อผิดพลาดในการจำลอง

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการจำลองแบบกึ่งอนุรักษ์ (semiconservative replication) และการทดลองของเมเซลสัน-สตาห์ล (Meselson-Stahl experiment), จุดแยกการจำลอง (replication fork) พร้อมสายนำ (leading strand) และสายตาม (lagging strand) และชิ้นส่วนโอคาซากิ (Okazaki fragments), บทบาทของดีเอ็นเอพอลิเมอเรส (DNA polymerases), เฮลิเคส (helicase), ไพรเมส (primase) และไลเกส (ligase), การพิสูจน์อักษร (proofreading) และความเที่ยงตรงของการสังเคราะห์ (fidelity of synthesis), และเส้นทางการซ่อมแซมหลัก รวมถึงการซ่อมแซมความผิดพลาดในการจับคู่ (mismatch repair), การซ่อมแซมการตัดออกของเบส (base-excision repair) และนิวคลีโอไทด์ (nucleotide-excision repair), และการซ่อมแซมการแตกของสายคู่ (double-strand-break repair) โดยจะกล่าวถึงวิธีการคัดลอกและรักษาลำดับ; ส่วนการเปลี่ยนแปลงลำดับแม้จะมีระบบเหล่านี้จะกล่าวถึงภายใต้หัวข้อการกลายพันธุ์ (mutation)

Core questions

• การทดลองของเมเซลสัน-สตาห์ลแสดงให้เห็นว่าการจำลองแบบเป็นแบบกึ่งอนุรักษ์ได้อย่างไร?
• เหตุใดสายทั้งสองที่จุดแยกการจำลองจึงต้องถูกสังเคราะห์แตกต่างกัน?
• การพิสูจน์อักษรและการซ่อมแซมความผิดพลาดในการจับคู่ทำให้อัตราข้อผิดพลาดของจีโนมต่ำมากได้อย่างไร?
• เส้นทางการซ่อมแซมใดที่จัดการความเสียหายของดีเอ็นเอประเภทใดบ้าง?

Key concepts

• การจำลองแบบกึ่งอนุรักษ์และการทดลองของเมเซลสัน-สตาห์ล
• จุดแยกการจำลอง, สายนำและสายตาม, ชิ้นส่วนโอคาซากิ
• ดีเอ็นเอพอลิเมอเรส, เฮลิเคส, ไพรเมส, และไลเกส
• การพิสูจน์อักษรและความเที่ยงตรงของการจำลอง
• การซ่อมแซมความผิดพลาดในการจับคู่, การตัดออก, และการแตกของสายคู่

Mechanisms

เฮลิเคส (helicase) จะคลายเกลียวคู่ (duplex), ไพรเมส (primase) จะวางไพรเมอร์อาร์เอ็นเอ (RNA primers), และดีเอ็นเอพอลิเมอเรส (DNA polymerase) จะขยายสายใหม่จากปลาย 5 ไพรม์ไปยัง 3 ไพรม์ อย่างต่อเนื่องบนสายนำ (leading strand) และเป็นชิ้นส่วนโอคาซากิ (Okazaki fragments) ซึ่งต่อมาจะเชื่อมกันด้วยไลเกส (ligase) บนสายตาม (lagging strand); การพิสูจน์อักษรของพอลิเมอเรส (polymerase proofreading) และการซ่อมแซมความผิดพลาดในการจับคู่หลังการจำลอง (post-replication mismatch repair) ร่วมกับเส้นทางการตัดออก (excision pathways) สำหรับความเสียหายจากสารเคมีและรังสีอัลตราไวโอเลต ทำให้เกิดอัตราการกลายพันธุ์ที่ต่ำมาก

Clinical relevance

ความบกพร่องในการซ่อมแซมดีเอ็นเอเป็นสาเหตุของความผิดปกติทางพันธุกรรมและความเสี่ยงต่อโรคมะเร็ง เช่น โรคผิวหนังแห้งจากแสง (xeroderma pigmentosum) จากการซ่อมแซมการตัดออกของนิวคลีโอไทด์ที่บกพร่อง และกลุ่มอาการลินช์ (Lynch syndrome) จากการขาดการซ่อมแซมความผิดพลาดในการจับคู่ ในขณะที่เอนไซม์การจำลองเป็นพื้นฐานของการเพิ่มปริมาณดีเอ็นเอในห้องปฏิบัติการ

History

เมเซลสันและสตาห์ล (Meselson and Stahl) ยืนยันการจำลองแบบกึ่งอนุรักษ์ในปี 1958 โดยใช้ดีเอ็นเอที่ติดฉลากความหนาแน่น (density-labeled DNA), คอร์นเบิร์ก (Kornberg) แยกดีเอ็นเอพอลิเมอเรสตัวแรกได้, และชิ้นส่วนโอคาซากิ (Okazaki fragments) ที่ค้นพบในช่วงปลายทศวรรษ 1960 ได้ไขปริศนาว่าสายตาม (lagging strand) ถูกสร้างขึ้นได้อย่างไร; เส้นทางการซ่อมแซมได้รับการทำแผนที่อย่างต่อเนื่องผ่านพันธุศาสตร์ของแบคทีเรียและมนุษย์ตลอดทศวรรษต่อมา

Key figures

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

Seminal works

• meselsonStahl1958

Frequently asked questions

ชิ้นส่วนโอคาซากิคืออะไร?

เป็นส่วนสั้นๆ ของดีเอ็นเอที่สังเคราะห์แบบไม่ต่อเนื่องบนสายตาม (lagging strand) เนื่องจากสายนั้นสามารถสร้างได้ในทิศทางตรงกันข้ามกับการเคลื่อนที่ของจุดแยก; เอนไซม์ที่เรียกว่าดีเอ็นเอไลเกส (DNA ligase) จะเชื่อมชิ้นส่วนเหล่านี้เข้าด้วยกันเป็นสายต่อเนื่องในภายหลัง

เซลล์รักษาความแม่นยำในการจำลองได้อย่างไร?

ดีเอ็นเอพอลิเมอเรส (DNA polymerases) จะทำการพิสูจน์อักษรขณะสังเคราะห์ โดยกำจัดนิวคลีโอไทด์ที่จับคู่ผิด และระบบซ่อมแซมความผิดพลาดในการจับคู่ (mismatch-repair system) ที่แยกต่างหากจะสแกนดีเอ็นเอที่สร้างขึ้นใหม่หลังจากนั้น ซึ่งรวมกันแล้วจะลดอัตราข้อผิดพลาดลงเหลือประมาณหนึ่งข้อผิดพลาดต่อพันล้านเบส