Replikacija DNK: definicija, mehanizem in vloga v celici

Replikacija DNK je proces kopiranja dvoverižne molekule DNK, ki omogoča prenos genetske informacije iz ene celice v hčerinski celici ali iz generacije v generacijo. Obe verigi izvorne DNK delujeta kot predlogi (matrici) za sintezo novih, komplementarnih verig. Zaradi načina kopiranja proces običajno opisujemo kot polkonservativno replikacijo: vsaka nova dvoverižna molekula vsebuje eno originalno (staro) verigo in eno na novo sintetizirano verigo. Ta način replikacije so eksperimentalno potrdili Meselson in Stahl.

Osnovni mehanizem

Replikacija poteka v več dobro koordiniranih korakih, pri čemer sodeluje vrsta encimov in pomagajočih proteinov:

• Preoblikovanje priporočne strukture: encim helikaza odvija dvoverižno DNK in tako omogoči dostop do posameznih verig.
• Stabilizacija: single-strand binding proteins (SSB) prekrivajo enoverižni DNK, da preprečijo ponovno zvijanje.
• Odpravljanje napetosti: topoizomeraze (npr. gyraza pri bakterijah) zmanjšujejo superovijanje, ki nastaja pred replikacijsko vilico.
• Začetek sinteze: primaza sintetizira kratke RNA-primerje, ker DNA polimeraze ne morejo začeti nove verige "de novo".
• Sinteza novih verig: polimeraze DNK podaljšujejo RNA-primer in sintetizirajo novo DNK. Ena veriga (vodenjska) se sintetizira kontinuirano, medtem ko se nasprotna (zaostala) sintetizira v krajših kosih, imenovanih Okazaki fragmenti.
• Sklenitev verig: RNA-primerje odstranijo specializirani encimi, nastale vrzeli pa zapolni DNK in poveže ligaza, ki zapečati prekinjene vezi v hrbtenici DNK.

Replikacijska vilica in proteini vilice

V kraju, kjer poteka replikacija, se oblikuje replikacijska vilica. Poleg polimeraz in helikaze pri vilici delujejo še drugi proteini, kot so drsni obročki (npr. PCNA v evkariontih), ki povečajo procesivnost polimeraze, ter klam loaderji, ki obroče namestijo. Pri bakterijah je za začetek replikacije pogosto ključen protein DnaA, ki prepozna origins, v evkariontih pa kompleks ORC (origin recognition complex).

Začetki replikacije in regulacija

V celici se replikacija začne na posebnih mestih v genomu, imenovanih začetki (origini). V prokariontih je pogosto en sam origin na kružni kromosom, medtem ko imajo evkarionti več izvorov na velikih linearnih kromosomih. Replikacijski proces je strogo nadzorovan:

• Pri evkariontih poteka replikacija v fazi S celičnega cikla (S faza), kar omejuje časovno okno za podvajanje genoma.
• Mehanizmi za licenciranje originov (vključno z beljakovinami, kot sta Cdc6 in Cdt1) preprečijo ponavljajoče se začetke replikacije istega območja v istem ciklu, s čimer se izognemo prekomernemu kopiranju.

Razlike med prokarionti in evkarionti

Pri nadzoru in poteku replikacije so med prokariontskimi in evkariontskimi organizmi določene razlike:

• Prokarionti imajo običajno en origin replikacije in manj proteinov, proces je hitrejši in manj zapleten. Evkarionti imajo več originov, linearne kromosome in dodatne varnostne mehanizme.
• Evkarionti morajo reševati posebno težavo pri kopiranju koncev linearnih kromosomov — telomer — za kar uporabljajo encim telomeraza, ki podaljša telomere in prepreči izgubo genetskih podatkov ob vsakem ciklu.

Natančnost replikacije in popravni sistemi

Replikacija mora biti izjemno natančna, saj napake lahko vodijo v mutacije. Natančnost zagotavljajo:

• Selektivnost DNA-polimeraz: pravilno komplementarne baze se povezujejo s prednostjo.
• Proofreading: mnoge DNA-polimeraze imajo 3'→5' eksonukleazno aktivnost, ki odstrani napačno vstavljene nukleotide med sintezo.
• Popravni sistemi: po replikaciji deluje sistem popravljanja pare (mismatch repair), ki prepozna in popravi napake, ki so ušle proofreading-u.

Pomen replikacije v celici

Replikacija DNK je ključna za rast, razvoj in vzdrževanje organizmov. Omogoča medcelično delitev v mitotskem in mejoznem procesu, zagotavlja obnovo tkiv in prenos dednih informacij med generacijami. Napake v regulaciji replikacije lahko vodijo do genomskih nestabilnosti, kar je povezano z rakavimi obolenji in drugimi genetskimi motnjami.

Posebnosti in klinična opozorila

Proces replikacije je tudi tarča nekaterih zdravil in toksinov: številni antibiotiki in citotoksična zdravila ciljajo na encime replikacije ali mehhanizme popravljanja, da bi zaustavili razmnoževanje bakterij ali tumornih celic. Hkrati so mutacije v genih, ki uravnavajo replikacijo ali popravljanje DNK, pogost vzrok dednih bolezni in povečane dovzetnosti za raka.

Sinteza — povzetek

V sklopu replikacije DNK sodeluje vrsta komponent: polimeraze DNK, encimi in pomagajoči proteini na replikacijski vilici. Celoten proces je natančno usklajen in reguliran, da se zagotovi zanesljivo podvajanje celotnega genoma in varovanje dedne informacije za naslednje celice in generacije.

DNK polimeraza

Polimeraze DNK so družina encimov, ki izvajajo vse oblike replikacije DNK. Vendar lahko polimeraza DNK le podaljša obstoječo verigo DNK v paru s predlogo; ne more začeti sinteze nove verige. Za začetek sinteze se ustvari kratek fragment DNK ali RNK, imenovan "primer", ki se poveže s predlogo DNK.

Na splošno so polimeraze DNK zelo natančne, saj naredijo manj kot eno napako na vsakih 10⁷ (10 milijonov) dodanih nukleotidov. Kljub temu imajo nekatere polimeraze DNK tudi sposobnost "popravljanja": odstranijo lahko nukleotide s konca verige, da popravijo neusklajene baze.

V vilice za replikacijo DNK je vključenih veliko encimov.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je replikacija DNK?

V: Kaj služi kot predloga za reprodukcijo nasprotnega vlakna med replikacijo DNK?

V: Zakaj se replikacija DNK včasih imenuje "polkonservativna replikacija"?

V: V katerih življenjskih oblikah poteka replikacija DNK?

V: Ali obstajajo kakšne razlike v nadzoru replikacije DNK pri prokariontskih in evkariontskih organizmih?

V: Kje v celici se začne replikacija DNK?

V: Kateri encimi poleg polimeraze DNK pomagajo pri začetku in nadaljevanju sinteze DNK na replikacijskih vilicah med replikacijo DNK?

Išči po črki