กลไกการจำลองดีเอ็นเอ

การจัดเรียงโมเลกุลทีละขั้นตอนที่คลี่เกลียวคู่และสร้างสำเนาที่ถูกต้องสองชุด ตั้งแต่การเริ่มต้นของจุดกำเนิดไปจนถึงการเชื่อมต่อของชิ้นส่วน Okazaki ชิ้นสุดท้าย

Definition

กลไกการจำลองดีเอ็นเอคือชุดของขั้นตอนเอนไซม์ที่ประสานกัน ซึ่งเซลล์ใช้ในการแยกสายดีเอ็นเอสองสายของเกลียวคู่ที่ง่ามจำลอง และใช้แต่ละสายเป็นแม่แบบในการสังเคราะห์สายเสริมในทิศทาง 5'→3' ทำให้เกิดโมเลกุลลูกแบบกึ่งอนุรักษ์สองโมเลกุล

Scope

หัวข้อนี้อธิบายถึงวิธีการสร้างง่ามจำลอง (replication fork) และวิธีการสังเคราะห์ดีเอ็นเอในสายแม่แบบทั้งสองสาย ครอบคลุมการจดจำและการหลอมละลายของจุดกำเนิด การสังเคราะห์ไพรเมอร์ ข้อจำกัดแบบแอนติพาราเรลที่บังคับให้เกิดการสังเคราะห์สายนำ (leading-strand) แบบต่อเนื่องและการสังเคราะห์สายตาม (lagging-strand) แบบไม่ต่อเนื่อง ส่วนประกอบของรีพลิโซม (replisome) และการเชื่อมต่อชิ้นส่วนเข้าเป็นสายลูกที่สมบูรณ์ ความแม่นยำและการซ่อมแซมจะกล่าวถึงเฉพาะในส่วนที่เป็นส่วนสำคัญของขั้นตอนการยืดตัวเท่านั้น

Core questions

• การจำลองเริ่มต้นที่จุดกำเนิดเฉพาะได้อย่างไร แทนที่จะเป็นที่ใดก็ได้บนโครโมโซม?
• ทำไมสายหนึ่งต้องถูกสร้างอย่างต่อเนื่องและอีกสายหนึ่งเป็นชิ้นส่วนสั้นๆ?
• โปรตีนใดบ้างที่ประกอบเป็นรีพลิโซม และแต่ละชนิดมีส่วนช่วยอย่างไร?
• ชิ้นส่วนสายตามที่ไม่ต่อเนื่องถูกเชื่อมต่อกันเป็นสายต่อเนื่องได้อย่างไร?

Key theories

ข้อจำกัดของแม่แบบแบบแอนติพาราเรล

เนื่องจากสายทั้งสองวิ่งไปในทิศทางตรงกันข้ามและพอลิเมอเรสจะขยายได้เฉพาะ 5'→3' เท่านั้น สายหนึ่ง (สายนำ) จึงถูกคัดลอกอย่างต่อเนื่องเข้าหาง่ามจำลอง ในขณะที่อีกสายหนึ่ง (สายตาม) ถูกคัดลอกเป็นชิ้นส่วน Okazaki ที่แยกจากกันออกห่างจากง่ามจำลอง

ความก้าวหน้าของง่ามจำลองแบบกึ่งอนุรักษ์

สายแม่แต่ละสายที่แยกออกจากกันจะทำหน้าที่เป็นแม่แบบสำหรับสายใหม่หนึ่งสาย ดังนั้นง่ามจำลองจึงให้เกลียวคู่สองชุด ซึ่งแต่ละชุดประกอบด้วยสายเก่าหนึ่งสายและสายใหม่หนึ่งสาย ตามที่ Meselson และ Stahl ได้พิสูจน์แล้วจากการทดลอง

Mechanisms

โปรตีนเริ่มต้นจะจับกับจุดกำเนิด และร่วมกับเฮลิเคส จะหลอมละลายเกลียวคู่เพื่อสร้างง่ามแบบสองทิศทาง โปรตีนจับสายเดี่ยวจะเคลือบสายที่เปิดออก และไพรเมสจะสังเคราะห์ไพรเมอร์ RNA สั้นๆ ดีเอ็นเอพอลิเมอเรสที่ทำหน้าที่จำลอง ซึ่งยึดติดกับแม่แบบด้วยแคลมป์เลื่อนที่โหลดโดยตัวโหลดแคลมป์ จะขยายไพรเมอร์: สายนำจะถูกสร้างอย่างต่อเนื่อง และสายตามจะถูกสร้างเป็นชิ้นส่วน Okazaki โดยแต่ละชิ้นส่วนเริ่มต้นด้วยไพรเมอร์ใหม่ จากนั้นไพรเมอร์จะถูกกำจัด ช่องว่างจะถูกเติม และดีเอ็นเอไลเกสจะเชื่อมรอยขาดที่เหลืออยู่เพื่อสร้างเกลียวคู่ลูกที่ต่อเนื่องสองชุด

Clinical relevance

เนื่องจากกลไกการจำลองมีความสำคัญและทำงานอย่างรวดเร็วในเซลล์ที่กำลังแบ่งตัว ส่วนประกอบหลายอย่างจึงเป็นเป้าหมายของการวิจัยยาต้านจุลชีพและยาต้านมะเร็ง ข้อผิดพลาดที่ง่ามจำลองเป็นแหล่งที่มาของการกลายพันธุ์ นี่คือบริบททางการศึกษา ไม่ใช่คำแนะนำทางการแพทย์

History

แบบจำลองกึ่งอนุรักษ์ ซึ่งบ่งชี้โดยโครงสร้างเกลียวคู่ในปี 1953 และได้รับการยืนยันโดย Meselson และ Stahl ในปี 1958 ได้วางกรอบการทำงาน การค้นพบชิ้นส่วนสายตามสั้นๆ ของ Reiji Okazaki และเอนไซม์วิทยาของ Kornberg ได้เปิดเผยลักษณะที่ไม่ต่อเนื่องและมีหลายโปรตีนของง่ามจำลองที่อธิบายไว้ในตำราเรียนในปัจจุบัน

Key figures

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

Seminal works

• meselson1958
• watson2013

Frequently asked questions

ชิ้นส่วน Okazaki คืออะไร?

ส่วนสั้นๆ ของดีเอ็นเอที่สังเคราะห์แบบไม่ต่อเนื่องบนสายตาม; ซึ่งต่อมาจะถูกเชื่อมต่อโดยดีเอ็นเอไลเกสให้เป็นสายต่อเนื่องหนึ่งสาย

ทำไมจึงต้องมีไพรเมอร์?

ดีเอ็นเอพอลิเมอเรสสามารถขยายได้เฉพาะปลาย 3' ที่จับคู่เบสอยู่แล้วเท่านั้น ดังนั้นไพรเมอร์ RNA สั้นๆ ที่สร้างโดยไพรเมสจึงเป็นจุดเริ่มต้นสำหรับการสังเคราะห์