Cơ chế nhân đôi DNA

Nhân đôi DNA là quá trình bán bảo toàn mà qua đó một tế bào sao chép toàn bộ bộ gen của mình trước khi phân chia, để mỗi tế bào con nhận được một bản sao hoàn chỉnh và chính xác. Cơ chế này mở xoắn kép tại các điểm khởi đầu xác định và tổng hợp các sợi bổ sung mới trên mỗi khuôn mẫu của sợi mẹ tại các chạc nhân đôi đang di chuyển.

Definition

Nhân đôi DNA là quá trình nhân đôi bộ gen bằng enzyme, theo cơ chế bán bảo toàn, trong đó xoắn kép được tháo xoắn tại các điểm khởi đầu và mỗi sợi mẹ làm khuôn mẫu cho sự tổng hợp một sợi bổ sung mới, tạo ra hai phân tử DNA con giống hệt nhau.

Scope

Mục này bao gồm nguyên tắc bán bảo toàn, sự khởi đầu tại các điểm khởi đầu nhân đôi, kiến trúc và sự di chuyển của chạc nhân đôi, sự phân biệt giữa tổng hợp sợi dẫn đầu và sợi đi theo, và sự phối hợp của nhiều protein hoạt động cùng nhau như một replisome. Đây là một chủ đề về phương pháp luận và cơ chế, không phải hướng dẫn lâm sàng.

Key concepts

• Nhân đôi bán bảo toàn
• Điểm khởi đầu nhân đôi
• Chạc nhân đôi
• Helicase và tháo xoắn
• Sợi dẫn đầu và sợi đi theo
• Các đoạn Okazaki
• Primase và mồi RNA
• Phối hợp replisome

Mechanisms

Sự nhân đôi bắt đầu tại các điểm khởi đầu đặc hiệu, nơi các protein khởi đầu tải các helicase để tháo xoắn xoắn kép, tạo ra hai chạc nhân đôi di chuyển theo hai hướng ngược nhau. Vì DNA polymerase chỉ tổng hợp theo chiều 5' sang 3', hai sợi khuôn mẫu đối song song được sao chép khác nhau: sợi dẫn đầu được tạo ra liên tục về phía chạc, trong khi sợi đi theo được tạo ra không liên tục dưới dạng các đoạn Okazaki ngắn sau đó được nối lại. Primase đặt các đoạn mồi RNA ngắn để bắt đầu tổng hợp, các protein gắn kết sợi đơn ổn định khuôn mẫu đã tháo xoắn, topoisomerase giải tỏa sức căng xoắn phía trước chạc, và một kẹp trượt cùng với bộ tải kẹp giữ cho polymerase hoạt động liên tục. Các hoạt động này được tổ chức thành một replisome đa protein phối hợp, có logic cốt lõi được bảo tồn trên vi khuẩn, vi khuẩn cổ và sinh vật nhân chuẩn. Bản chất bán bảo toàn được Watson và Crick dự đoán đã được Meselson và Stahl xác nhận bằng thực nghiệm.

Clinical relevance

Các cơ chế nhân đôi là nền tảng cho cách bộ gen được duy trì qua các lần phân chia tế bào và cách căng thẳng nhân đôi và lỗi liên quan đến sự bất ổn định bộ gen trong bệnh tật. Mục này mô tả cơ chế để tham khảo và không phải là cơ sở để chẩn đoán hoặc điều trị.

History

Mô hình bán bảo toàn xuất phát trực tiếp từ cấu trúc xoắn kép năm 1953 và được xác nhận bởi thí nghiệm đánh dấu mật độ của Meselson-Stahl năm 1958. Các công trình tiếp theo đã phân tích sự nhận diện điểm khởi đầu, enzym học chạc và tổng hợp sợi đi theo không liên tục, và các đánh giá hiện đại tích hợp những điều này vào một khuôn khổ replisome được bảo tồn trải rộng trên ba lĩnh vực của sự sống.

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

Tại sao một sợi mới được tạo ra liên tục và sợi kia được tạo ra thành các đoạn?

DNA polymerase chỉ kéo dài một sợi theo chiều 5' sang 3'. Trên khuôn mẫu đối song song, điều này cho phép tổng hợp liên tục trên sợi dẫn đầu nhưng buộc sợi đi theo phải được tạo ra dưới dạng các đoạn Okazaki ngắn sau đó được nối lại với nhau.

Điểm khởi đầu nhân đôi là gì?

Điểm khởi đầu là một vị trí xác định trên bộ gen nơi xoắn kép được mở ra lần đầu tiên và quá trình nhân đôi bắt đầu; từ mỗi điểm khởi đầu, các chạc di chuyển ra ngoài để sao chép DNA xung quanh.