معلومة

14.3C: استنساخ الحمض النووي في حقيقيات النوى - علم الأحياء

14.3C: استنساخ الحمض النووي في حقيقيات النوى - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

يحدث تكرار الحمض النووي في حقيقيات النوى على ثلاث مراحل: البدء والاستطالة والإنهاء ، والتي تساعدها عدة إنزيمات.

أهداف التعلم

  • صف كيف يتم تكرار الحمض النووي في حقيقيات النوى

النقاط الرئيسية

  • أثناء البدء ، ترتبط البروتينات بأصل النسخ المتماثل بينما تقوم هيليكاز بفك حلزون الحمض النووي ويتم تكوين شوكتي نسخ في أصل التكرار.
  • أثناء الاستطالة ، يتم إضافة تسلسل تمهيدي مع نيوكليوتيدات الحمض النووي الريبي التكميلية ، والتي يتم استبدالها بعد ذلك بنكليوتيدات الحمض النووي.
  • أثناء الاستطالة ، يتم عمل الخيط الرئيسي بشكل مستمر ، بينما يتم تصنيع الخيط المتأخر في قطع تسمى شظايا Okazaki.
  • أثناء الإنهاء ، تتم إزالة المواد الأولية واستبدالها بنكليوتيدات DNA جديدة ويتم ختم العمود الفقري بواسطة DNA ligase.

الشروط الاساسية

  • أصل النسخ المتماثل: تسلسل معين في الجينوم يبدأ عنده النسخ المتماثل
  • الساحل الرئيسي: حبلا القالب للحلزون المزدوج للحمض النووي الموجه بحيث تتحرك شوكة النسخ على طوله في اتجاه 3 إلى 5
  • حبلا متخلفة: خيط اللولب المزدوج للقالب DNA الموجه بحيث تتحرك شوكة النسخ على طوله بطريقة 5 إلى 3

نظرًا لأن جينومات حقيقيات النوى معقدة جدًا ، فإن تكرار الحمض النووي هو عملية معقدة للغاية تتضمن العديد من الإنزيمات والبروتينات الأخرى. يحدث في ثلاث مراحل رئيسية: البدء والاستطالة والإنهاء.

المبادرة

يرتبط الحمض النووي حقيقيات النوى بالبروتينات المعروفة باسم الهيستونات لتشكيل هياكل تسمى النيوكليوسومات. أثناء البدء ، يتم إتاحة الوصول إلى الحمض النووي للبروتينات والإنزيمات المشاركة في عملية النسخ المتماثل. هناك مواقع صبغية محددة تسمى أصول النسخ حيث يبدأ النسخ المتماثل. في بعض حقيقيات النوى ، مثل الخميرة ، يتم تحديد هذه المواقع من خلال وجود تسلسل محدد من القواعد الأساسية التي ترتبط بها بروتينات بدء النسخ المتماثل. في حقيقيات النوى الأخرى ، مثل البشر ، لا يبدو أن هناك تسلسلًا إجماعيًا لأصول النسخ المتماثل. بدلاً من ذلك ، قد تتعرف بروتينات بدء النسخ المتماثل وترتبط بتعديلات محددة للنيوكليوسومات في منطقة الأصل.

تتعرف بروتينات معينة على أصل التكاثر وترتبط به ، ثم تسمح للبروتينات الأخرى الضرورية لتكاثر الحمض النووي بربط نفس المنطقة. يقال إن البروتينات الأولى التي تربط الحمض النووي "تجند" البروتينات الأخرى. نسختان من إنزيم يسمى هيليكاز من بين البروتينات التي تم تجنيدها في الأصل. تسترخي كل هليكاز وتفصل حلزون الحمض النووي إلى DNA أحادي الجديلة. عندما ينفتح الحمض النووي ، تتشكل هياكل على شكل Y تسمى شوكات النسخ المتماثل. نظرًا لربط طائرتين من طائرات الهليكوبتر ، يتم تكوين شوكتي نسخ في أصل النسخ المتماثل ؛ يتم تمديدها في كلا الاتجاهين مع استمرار النسخ المتماثل لإنشاء فقاعة نسخ متماثل. توجد أصول متعددة للنسخ المتماثل على الكروموسوم حقيقيات النواة والتي تسمح بحدوث النسخ المتماثل في وقت واحد في مئات إلى آلاف المواقع على طول كل كروموسوم.

استطالة

أثناء الاستطالة ، يضيف إنزيم يسمى بوليميراز الحمض النووي نيوكليوتيدات الحمض النووي إلى الطرف 3 من حبلا polynucleotide المركب حديثًا. يحدد خيط القالب أيًا من نيوكليوتيدات الحمض النووي الأربعة (A أو T أو C أو G) تتم إضافته في كل موضع على طول السلسلة الجديدة. فقط النوكليوتيدات المكملة لنيوكليوتيدات القالب في هذا الموضع تتم إضافتها إلى الخيط الجديد.

يحتوي بوليميراز الحمض النووي على أخدود يسمح له بالارتباط بقالب DNA أحادي الخيط والسفر على نوكليوتيد واحد في الوقت المناسب. على سبيل المثال ، عندما يلتقي بوليميراز DNA مع نوكليوتيد الأدينوزين على شريط القالب ، فإنه يضيف ثيميدين إلى الطرف 3 من الخيط المركب حديثًا ، ثم ينتقل إلى النيوكليوتيد التالي على شريط القالب. ستستمر هذه العملية حتى يصل بوليميريز الحمض النووي إلى نهاية حبلا القالب.

لا يمكن لبوليميراز الدنا أن يشرع في تخليق جديلة جديدة ؛ إنها تضيف فقط نيوكليوتيدات جديدة في نهاية 3 من خيط موجود. يجب أن تبدأ جميع خيوط البولينوكليوتيد المُصنَّعة حديثًا بواسطة بوليميراز RNA متخصص يسمى primase. يبدأ Primase في تخليق عديد النوكليوتيد ومن خلال إنشاء خيط قصير من عديد النوكليوتيد من الحمض النووي الريبي مكملًا لقالب الحمض النووي. يسمى هذا الامتداد القصير من نيوكليوتيدات الرنا التمهيدي. بمجرد تصنيع RNA التمهيدي في قالب DNA ، ومخارج Primase ، ويمتد DNA polymerase الخيط الجديد مع النيوكليوتيدات المكملة للحمض النووي النموذجي.

في النهاية ، يتم إزالة نيوكليوتيدات الحمض النووي الريبي في التمهيدي واستبدالها بنكليوتيدات الحمض النووي. بمجرد الانتهاء من تكرار الحمض النووي ، تتكون جزيئات الابنة بالكامل من نيوكليوتيدات الحمض النووي المستمرة ، بدون أجزاء من الحمض النووي الريبي.

الخيوط الرائدة والمتأخرة

يمكن لبوليميراز الحمض النووي أن يصنع فقط خيوطًا جديدة في اتجاه 5 إلى 3. لذلك ، ينمو الخيطان المركبان حديثًا في اتجاهين متعاكسين لأن خيوط القالب في كل شوكة نسخ متماثل غير متوازية. يتم تصنيع "الخيط الرئيسي" بشكل مستمر باتجاه شوكة النسخ المتماثل حيث تقوم هيليكاز بفك قالب الحمض النووي المزدوج الشريطة.

يتم تصنيع "الخيط المتأخر" في الاتجاه بعيدًا عن شوكة النسخ وبعيدًا عن فك هليكاز الحمض النووي. يتم تصنيع هذا الخيط المتأخر على شكل قطع لأن بوليميراز الحمض النووي لا يمكنه التوليف إلا في اتجاه 5 إلى 3 ، وبالتالي فإنه يواجه باستمرار الخيط الجديد الذي تم تصنيعه مسبقًا. تسمى القطع شظايا Okazaki ، وتبدأ كل قطعة ببادئ RNA الخاص بها.

نهاية

الكروموسومات حقيقية النواة لها أصول متعددة من النسخ المتماثل ، والتي تبدأ النسخ المتماثل في وقت واحد تقريبًا. يشكل كل أصل للنسخ فقاعة من الحمض النووي المكرر على جانبي أصل النسخ المتماثل. في النهاية ، يصل الشريط الرئيسي لفقاعة النسخ المتماثل إلى الشريط المتأخر لفقاعة أخرى ، وسيصل الشريط المتأخر إلى نهاية 5 من جزء Okazaki السابق في نفس الفقاعة.

يتوقف بوليميريز الحمض النووي عندما يصل إلى قسم من قالب الحمض النووي الذي تم نسخه بالفعل. ومع ذلك ، لا يمكن لبوليميراز الحمض النووي أن يحفز تكوين رابطة فوسفوديستر بين جزأين من خيط الدنا الجديد ، ويتساقط. تسمى هذه الأجزاء غير المرتبطة من العمود الفقري للسكر والفوسفات في خيط DNA كامل النسخ.

بمجرد أن يتم تكرار جميع نيوكليوتيدات القالب ، فإن عملية النسخ المتماثل لم تنته بعد. يجب استبدال مواد RNA الأولية بالحمض النووي ، كما يجب توصيل النكات الموجودة في العمود الفقري للسكر والفوسفات.

تشتمل مجموعة الإنزيمات الخلوية التي تزيل مواد RNA الأولية على البروتينات FEN1 (flap endonulcease 1) و RNase H. تزيل الإنزيمات FEN1 و RNase H بادئات الحمض النووي الريبي في بداية كل خيط رئيسي وفي بداية كل جزء من أجزاء Okazaki ، مما يترك فجوات من قالب DNA غير متماثل. بمجرد إزالة البادئات ، يهبط بوليميراز الحمض النووي العائم في نهاية 3 لجزء الحمض النووي السابق ويمد الحمض النووي فوق الفجوة. ومع ذلك ، فإن هذا يخلق شقوقًا جديدة (العمود الفقري السكر والفوسفات غير المتصل).

في المرحلة الأخيرة من تكرار الحمض النووي ، ينضم إنزيم ليجاز إلى العمود الفقري للسكر والفوسفات في كل موقع نيك. بعد أن يربط ligase جميع النكات ، يكون الشريط الجديد عبارة عن خيط DNA طويل مستمر ، وجزيء DNA الابنة مكتمل.

تكرار الحمض النووي: هذا مقطع من إنتاج برنامج تلفزيوني يسمى "DNA: The Secret of Life." يعرض تفاصيل أحدث الأبحاث (اعتبارًا من 2005) فيما يتعلق بعملية تكرار الحمض النووي.


آليات إنهاء تكرار الحمض النووي

يتم تنفيذ ازدواجية الجينوم عن طريق أزواج من شوكات النسخ المتماثل التي تتجمع في أصول النسخ المتماثل ثم تتحرك في اتجاهين متعاكسين. ينتهي تكرار الحمض النووي عندما تتقارب شوكات النسخ المتماثل. خلال هذه العملية ، التي تُعرف باسم إنهاء النسخ المتماثل ، يتم الانتهاء من تخليق الحمض النووي ، ويتم تفكيك آلية النسخ المتماثل وحل الجزيئات الوليدة. في هذه المراجعة ، نحدد الخطوات التي من المحتمل أن تكون شائعة لإنهاء النسخ المتماثل في معظم الكائنات الحية ، وهي تقارب الشوكة ، وإكمال التوليف ، والتفكيك والإزالة. نراجع بإيجاز آلية الإنهاء في بكتيريا Escherichia coli وفي فيروس القرد 40 (SV40) ونركز أيضًا على التطورات الحديثة في إنهاء النسخ المتماثل حقيقية النواة. على وجه الخصوص ، نناقش E3 ubiquitin ligases المكتشفة مؤخرًا والتي تتحكم في التفكيك في الخميرة وحقيقيات النوى الأعلى ، وكيف يتم تنظيم نشاطها لتجنب عدم استقرار الجينوم.

الأرقام

شكل 1:. خطوات تكرار الحمض النووي

شكل 1:. خطوات تكرار الحمض النووي

توضيح عام لبدء النسخ المتماثل (A-B) والاستطالة (C-D) و ...

الشكل 2:. إنهاء النسخ المتماثل في الإشريكية القولونية

الشكل 2:. إنهاء النسخ المتماثل في الإشريكية القولونية

الشكل 3:. نموذج لفيروس القردة 40 ...

الشكل 3:. نموذج لإنهاء تكاثر الحمض النووي لفيروس القردة 40

الشكل 4:. نموذج إنهاء النسخ المتماثل حقيقية النواة

الشكل 4:. نموذج إنهاء النسخ المتماثل حقيقية النواة

المربع 1:. بدء واستطالة استنساخ حقيقيات النوى: ...

المربع 1:. بدء استنساخ حقيقيات النوى والاستطالة: الأساسيات

نقدم هنا ملخصًا موجزًا ​​...

10 nucleotide RNA Primer ثم يقوم بتوسيعه بمقدار 20-30 نيوكليوتيدات من الحمض النووي قبل أن يحدث التحول إلى Pol أو Pol الأكثر معالجة. عندما تصل نهاية 3 'جزء من جزء Okazaki إلى 5' من جزء آخر ، يقوم Pol بإجراء توليف إزاحة حبلا (الشكل 4 د). تتم إزالة السديلة الناتجة عن طريق نوكلياز داخلي 1. تتحلل السديلة الطويلة بفعل البروتين المعيب في تركيب DNA الهلياز-نوكلياز 2. يحتوي الريبليزوم أيضًا على توب إيزوميراز I ، وعوامل إعادة تشكيل الكروماتين ، وبروتينات إشارة نقطة التفتيش وعوامل إنشاء التماسك. يرتبط CMG مباشرة بـ Pol وبشكل غير مباشر بـ Pol α من خلال بروتين دقة نقل الكروموسوم 4. لذلك ، على عكس البكتيريا ، لا يبدو أن بوليميرات الجدائل الرائدة والمتأخرة لا تشكل مركبًا مستقرًا في حقيقيات النوى.


محتويات

إن بدء تكرار الحمض النووي حقيقي النواة هو المرحلة الأولى من تخليق الحمض النووي حيث يتم فك الحلزون المزدوج للحمض النووي ويحدث حدث أولي بواسطة بوليميريز الحمض النووي α على الشريط الرئيسي. يُنشئ الحدث الأولي على الشريط المتأخر شوكة نسخ متماثل. يتكون تمهيد لولب DNA من توليف تمهيدي RNA للسماح بتوليف DNA بواسطة DNA polymerase α. يحدث التأسيس مرة واحدة في الأصل على الخيط الرئيسي وفي بداية كل جزء من أجزاء أوكازاكي على الشريط المتأخر.

يبدأ تكرار الحمض النووي من تسلسلات محددة تسمى أصول التكرار ، والخلايا حقيقية النواة لها أصول تكرار متعددة. لبدء تكرار الحمض النووي ، تتجمع البروتينات المتماثلة المتعددة وتنفصل عن هذه الأصول التكرارية. [4] تعمل العوامل الفردية الموصوفة أدناه معًا لتوجيه تكوين معقد ما قبل النسخ المتماثل (pre-Replication) ، وهو وسيط رئيسي في عملية بدء النسخ المتماثل.

تقوم رابطة معقد التعرف على الأصل (ORC) مع أصل النسخ المتماثل بتجنيد بروتين دورة انقسام الخلية 6 (Cdc6) لتشكيل منصة لتحميل البروتينات المعقدة لصيانة الكروموسوم (Mcm 2-7) ، التي يسهلها ترخيص الكروماتين والحمض النووي عامل النسخ 1 البروتين (Cdt1). مطلوب ORC و Cdc6 و Cdt1 معًا للارتباط المستقر لمجمع Mcm2-7 مع الأصول المتماثلة خلال G1 مرحلة دورة الخلية. [5]

تحرير مجمع ما قبل النسخ المتماثل

تتحكم أصول حقيقيات النوى للنسخ المتماثل في تكوين عدد من مجمعات البروتين التي تؤدي إلى تجميع اثنين من شوكات نسخ الحمض النووي ثنائية الاتجاه. يتم بدء هذه الأحداث من خلال تكوين مجمع ما قبل النسخ المتماثل (قبل RC) في أصول النسخ المتماثل. تتم هذه العملية في G1 مرحلة دورة الخلية. يتضمن تكوين ما قبل RC التجميع المنظم للعديد من عوامل النسخ بما في ذلك مجمع التعرف على الأصل (ORC) ، وبروتين Cdc6 ، وبروتين Cdt1 ، وبروتينات صيانة الكروموسوم الصغير (Mcm2-7). [6] [7] بمجرد تشكيل ما قبل RC ، يتم تنشيط تنشيط المركب بواسطة كينازين ، كيناز 2 المعتمد على السيكلين (CDK) والكيناز المعتمد على Dbf4 (DDK) الذي يساعد على نقل ما قبل RC إلى البداية معقدة قبل الشروع في تكرار الحمض النووي. يتضمن هذا الانتقال التجميع المنظم لعوامل النسخ الإضافية لفك الحمض النووي وتجميع بوليميرات الحمض النووي متعددة النواة حول الحمض النووي غير الملفوف. محور السؤال حول كيفية إنشاء شوكات النسخ المتماثل ثنائي الاتجاه عند أصول النسخ المتماثل هو الآلية التي يقوم من خلالها ORC بتجنيد مجمعين Mcm2-7 من الرأس إلى الرأس لكل أصل نسخ متماثل لتشكيل مجمع ما قبل النسخ المتماثل. [8] [9] [10]

مجمع التعرف على الأصل تحرير

تتمثل الخطوة الأولى في تجميع مجمع ما قبل النسخ المتماثل (pre-RC) في ربط مجمع التعرف على الأصل (ORC) بأصل النسخ المتماثل. في الانقسام المتأخر ، ينضم بروتين Cdc6 إلى ORC المرتبط متبوعًا بربط مجمع Cdt1-Mcm2-7. [11] مطلوب كل من ORC و Cdc6 و Cdt1 لتحميل مركب صيانة الكروموسوم الستة (Mcm 2-7) على الحمض النووي. إن ORC عبارة عن مجمع بروتيني مكون من ست وحدات فرعية ، Orc1p-6 ، والذي يختار مواقع الأصل المتماثل على الحمض النووي لبدء النسخ المتماثل ويتم تنظيم ارتباط ORC بالكروماتين من خلال دورة الخلية. [6] [12] بشكل عام ، يتم حفظ وظيفة وحجم الوحدات الفرعية ORC في العديد من الجينومات حقيقية النواة مع اختلاف مواقع ارتباط الحمض النووي المتباينة.

أكثر معقدات التعرف على الأصل التي تمت دراستها على نطاق واسع هو مجمع خميرة الخميرة أو الخميرة المعروف أنها ترتبط بتسلسل التكرار الذاتي (ARS). [13] إن S. cerevisiae يتفاعل ORC على وجه التحديد مع كل من العناصر A و B1 من أصول الخميرة للتكرار ، والتي تغطي منطقة من 30 زوجًا أساسيًا. [14] يتطلب الارتباط بهذه التسلسلات ATP. [6] [14]

التركيب الذري لـ S. cerevisiae تم تحديد ORC المرتبط بـ ARS DNA. [14] Orc1 و Orc2 و Orc3 و Orc4 و Orc5 يحيطون بالعنصر A عن طريق نوعين من التفاعلات ، القاعدة غير المحددة والقاعدة المحددة ، التي تثني الحمض النووي عند العنصر A. تتصل جميع الوحدات الفرعية الخمس بالعمود الفقري لفوسفات السكر عند نقاط متعددة من العنصر A لتشكيل قبضة محكمة بدون خصوصية أساسية. يتصل Orc1 و Orc2 بالأخدود الصغير للعنصر A بينما يتصل المجال اللولبي المجنح لـ Orc4 بمجموعات الميثيل من Ts الثابت في الأخدود الرئيسي للعنصر A عبر حلزون الإدراج (IH). يفسر غياب IH في metazoans [14] نقص خصوصية التسلسل في ORC البشري. [15] [16] ينثني ARS DNA أيضًا عند عنصر B1 من خلال التفاعلات مع Orc2 و Orc5 و Orc6. [14] يبدو أن ثني الحمض النووي الأصلي بواسطة ORC محفوظ تطوريًا مما يشير إلى أنه قد يكون مطلوبًا لآلية التحميل المعقدة Mcm2-7. [14] [17]

عندما يرتبط ORC بالحمض النووي عند أصول النسخ المتماثل ، فإنه يعمل كسقالة لتجميع عوامل البدء الرئيسية الأخرى لمجمع ما قبل النسخ المتماثل. [18] هذا التجمع المعقد قبل النسخ المتماثل خلال G1 مطلوب مرحلة من دورة الخلية قبل تنشيط تكرار الحمض النووي خلال المرحلة S. [19] إزالة جزء على الأقل من المركب (Orc1) من الكروموسوم في الطور الرئيسي هو جزء من تنظيم ORC للثدييات لضمان التخلص من التكوين المعقد قبل التكاثر قبل اكتمال الطور الطوري. [20]

تحرير بروتين Cdc6

يعد ربط بروتين دورة الانقسام الخلوي 6 (Cdc6) بمركب التعرف على الأصل (ORC) خطوة أساسية في تجميع مجمع ما قبل النسخ المتماثل (قبل RC) في أصول النسخ المتماثل. يرتبط Cdc6 بـ ORC على الحمض النووي بطريقة تعتمد على ATP ، مما يؤدي إلى تغيير في نمط ارتباط الأصل الذي يتطلب Orc1 ATPase. [21] Cdc6 يتطلب ORC من أجل الارتباط بالكروماتين وهو بدوره مطلوب لـ Cdt1-Mcm2-7 heptamer [11] للارتباط بالكروماتين. [22] يشكل معقد ORC-Cdc6 بنية على شكل حلقة وهو مشابه لآلات البروتين الأخرى المعتمدة على ATP. تنظم مستويات ونشاط Cdc6 التردد الذي تستخدم به أصول النسخ المتماثل أثناء دورة الخلية.

تحرير بروتين Cdt1

مطلوب ترخيص الكروماتين وعامل تكرار الحمض النووي 1 (Cdt1) لترخيص الكروماتين لتكرار الحمض النووي. [23] [24] في S. cerevisiae، Cdt1 يسهل تحميل المركب Mcm2-7 واحدًا تلو الآخر على الكروموسوم من خلال تثبيت بنية الحلقة المفتوحة اليسرى لسداسي أحادي Mcm2-7. [11] [25] [26] لقد ثبت أن Cdt1 يرتبط بالطرف C من Cdc6 لتعزيز ارتباط بروتينات Mcm بالكروماتين بشكل تعاوني. [27] يُظهر هيكل cryo-EM لمجمع OCCM (ORC-Cdc6-Cdt1-MCM) أن Cdt1-CTD يتفاعل مع Mcm6-WHD. [28] في الميتازوان ، يتم تنظيم نشاط Cdt1 أثناء دورة الخلية بإحكام من خلال ارتباطه بالبروتين الجيمينين ، وكلاهما يثبط نشاط Cdt1 خلال المرحلة S من أجل منع إعادة تكاثر الحمض النووي ويمنعه من الانتشار والتحلل اللاحق للبروتين. [29]

معقد بروتين صيانة الكروموسوم الصغير

تمت تسمية بروتينات صيانة الكروموسوم الصغير (Mcm) على اسم شاشة جينية لطفرات بدء تكرار الحمض النووي في S. cerevisiae التي تؤثر على استقرار البلازميد بطريقة خاصة بـ ARS. [30] Mcm2 و Mcm3 و Mcm4 و Mcm5 و Mcm6 و Mcm7 تشكل معقدًا سداسيًا له هيكل حلقة مفتوحة مع فجوة بين Mcm2 و Mcm5. [11] يتطلب تجميع بروتينات Mcm على كروماتين الوظيفة المنسقة لمركب التعرف على الأصل (ORC) و Cdc6 و Cdt1. [31] بمجرد تحميل بروتينات Mcm على الكروماتين ، يمكن إزالة ORC و Cdc6 من الكروماتين دون منع تكرار الحمض النووي اللاحق. تشير هذه الملاحظة إلى أن الدور الأساسي لمجمع ما قبل النسخ المتماثل هو تحميل بروتينات Mcm بشكل صحيح. [32]

تشكل بروتينات Mcm الموجودة على الكروماتين شكلًا سداسيًا مزدوجًا من الرأس إلى الرأس مع وجود حلقتين مائلتين قليلاً ، ملتويتين وغير متوسرتين لإنشاء التواء في القناة المركزية حيث يتم التقاط الحمض النووي المرتبط عند واجهة الحلقتين. [33] [34] كل حلقة سداسية Mcm2-7 تعمل أولاً كسقالة لتجميع الريبليزوم ثم كقلب لطائرة CMG المحفزة (Cdc45-MCM-GINS) ، والتي تعد مكونًا رئيسيًا في إعادة التوازن. يرتبط كل بروتين Mcm ارتباطًا وثيقًا بجميع الأنواع الأخرى ، ولكن يتم حفظ التسلسلات الفريدة التي تميز كل نوع من أنواع الوحدات الفرعية عبر حقيقيات النوى. تحتوي جميع حقيقيات النوى على ستة متماثلات بروتين Mcm بالضبط تقع كل منها في إحدى الفئات الموجودة (Mcm2-7) ، مما يشير إلى أن كل بروتين Mcm له وظيفة فريدة ومهمة. [35] [9]

بروتينات صيانة الكروموسوم الصغير مطلوبة لنشاط هليكس الحمض النووي. يمنع تعطيل أي من بروتينات Mcm الستة خلال المرحلة S مزيدًا من التقدم في شوكة النسخ مما يشير إلى أنه لا يمكن إعادة تدوير الهليكاز ويجب تجميعها عند أصول النسخ المتماثل. [36] جنبًا إلى جنب مع نشاط هيليكاز المركب لبروتين صيانة الكروموسومات ، يحتوي المركب أيضًا على نشاط ATPase المصاحب. [37] تؤدي الطفرة في أي واحد من بروتينات Mcm الستة إلى تقليل مواقع ارتباط ATP المحفوظة ، مما يشير إلى أن التحلل المائي لـ ATP هو حدث منسق يشمل جميع الوحدات الفرعية الست لمركب Mcm. [38] أظهرت الدراسات أنه داخل مجمع البروتين Mcm توجد أزواج حفزية محددة من بروتينات Mcm تعمل معًا لتنسيق التحلل المائي ATP. على سبيل المثال ، يمكن لـ Mcm3 وليس Mcm6 تنشيط نشاط Mcm6. هذه الدراسات ، التي أكدتها تركيبات cryo-EM لمجمعات Mcm2-7 ، [11] [33] تشير إلى أن مجمع Mcm عبارة عن شكل سداسي مع Mcm3 بجانب Mcm7 ، و Mcm2 بجوار Mcm6 ، و Mcm4 بجوار Mcm5. يساهم كلا العضوين من الزوج الحفاز في التشكل الذي يسمح بربط ATP والتحلل المائي ، ويخلق مزيج من الوحدات الفرعية النشطة وغير النشطة نشاط ATPase منسق يسمح لمركب البروتين Mcm بإكمال ارتباط ATP والتحلل المائي ككل. [39]

يتم تنظيم التوطين النووي لبروتينات صيانة الكروموسومات الصغيرة في خلايا الخميرة الناشئة. [40] [41] توجد بروتينات Mcm في النواة في G1 المرحلة والمرحلة S من دورة الخلية ، ولكن يتم تصديرها إلى السيتوبلازم خلال G2 المرحلة والمرحلة M. مطلوب مجمع Mcm كامل وسليم من ستة وحدات فرعية للدخول في نواة الخلية. [42] في S. cerevisiae، يتم الترويج للتصدير النووي من خلال نشاط كيناز المعتمد على السيكلين (CDK). بروتينات Mcm المرتبطة بالكروماتين محمية من آلات تصدير CDK بسبب عدم إمكانية الوصول إلى CDK. [43]

بدء تحرير معقدة

خلال G1 مرحلة دورة الخلية ، عوامل بدء النسخ المتماثل ، مجمع التعرف على الأصل (ORC) ، Cdc6 ، Cdt1 ، ومركب بروتين صيانة الكروموسوم الصغير (Mcm) ، ترتبط بالتتابع مع الحمض النووي لتشكيل مجمع ما قبل النسخ المتماثل (pre-RC). في انتقال G1 إلى المرحلة S من دورة الخلية ، يحول كيناز البروتين المعتمد على السيكلين الخاص بالطور S (CDK) و Cdc7 / Dbf4 كيناز (DDK) ما قبل RC إلى شوكة النسخ المتماثل النشط. أثناء هذا التحول ، يتم تفكيك ما قبل RC مع فقدان Cdc6 ، مما يؤدي إلى إنشاء مجمع البدء. بالإضافة إلى ارتباط بروتينات Mcm ، تعد دورة انقسام الخلية 45 (Cdc45) ضرورية أيضًا لبدء تكرار الحمض النووي. [44] [45] أظهرت الدراسات أن Mcm أمر بالغ الأهمية لتحميل Cdc45 على الكروماتين وأن هذا المركب الذي يحتوي على كل من Mcm و Cdc45 يتكون في بداية المرحلة S من دورة الخلية. [46] [47] يستهدف Cdc45 مركب البروتين Mcm ، والذي تم تحميله على الكروماتين ، كمكون من ما قبل RC في أصل النسخ المتماثل خلال G1 مرحلة دورة الخلية. [48]

تحرير البروتين Cdc45

يعد بروتين دورة انقسام الخلية 45 (Cdc45) مكونًا مهمًا لتحويل مجمع ما قبل التكرار إلى مجمع البدء. يتجمع بروتين Cdc45 عند أصول النسخ المتماثل قبل البدء وهو مطلوب لبدء النسخ المتماثل خميرة الخميرة، ولها دور أساسي أثناء الاستطالة. وبالتالي ، فإن Cdc45 له أدوار مركزية في كل من مرحلتي البدء والاستطالة لتكرار الحمض النووي الصبغي. [49]

يرتبط Cdc45 بالكروماتين بعد بداية البدء في أواخر G1 المرحلة وأثناء المرحلة S من دورة الخلية. يرتبط Cdc45 جسديًا بـ Mcm5 ويعرض التفاعلات الجينية مع خمسة من ستة أعضاء من عائلة الجينات Mcm وجين ORC2. [50] [48] يعد تحميل Cdc45 على الكروماتين أمرًا بالغ الأهمية لتحميل بروتينات النسخ المختلفة الأخرى ، بما في ذلك DNA polymerase α و DNA polymerase وبروتين النسخ المتماثل A (RPA) والمستضد النووي الخلوي المتكاثر (PCNA) على الكروماتين. [47] [51] [52] [53] داخل أ Xenopus نظام خالٍ من النواة ، فقد تم إثبات أن Cdc45 مطلوب لفك DNA البلازميد. [53] إن Xenopus يوضح النظام الخالي من النواة أيضًا أن فك الحمض النووي وربط RPA المحكم بالكروماتين يحدث فقط في وجود Cdc45. [47]

يعتمد ربط Cdc45 بالكروماتين على نشاط كيناز Clb-Cdc28 بالإضافة إلى Cdc6 و Mcm2 الوظيفي ، مما يشير إلى أن Cdc45 يرتبط بـ pre-RC بعد تنشيط الكينازات المعتمدة على cyclin على شكل S (CDKs). كما يتضح من التوقيت والاعتماد على CDK ، فإن ربط Cdc45 بالكروماتين أمر بالغ الأهمية للالتزام ببدء تكرار الحمض النووي. خلال المرحلة S ، يتفاعل Cdc45 جسديًا مع بروتينات Mcm على الكروماتين ، ومع ذلك ، فإن تفكك Cdc45 عن الكروماتين يكون أبطأ من تفكك Mcm ، مما يشير إلى أن البروتينات يتم إطلاقها بواسطة آليات مختلفة. [35]

تحرير GINS

تعد بروتينات صيانة الكروموسومات الستة و Cdc45 ضرورية أثناء البدء والاستطالة لحركة شوكات النسخ وفك الحمض النووي. تعد GINS ضرورية لتفاعل Mcm و Cdc45 في أصول النسخ المتماثل أثناء البدء ثم في شوكات تكرار الحمض النووي مع تقدم الإعادة. [54] [55] يتكون معقد GINS من أربعة بروتينات صغيرة Sld5 (Cdc105) و Psf1 (Cdc101) و Psf2 (Cdc102) و Psf3 (Cdc103) ، GINS يمثل "go، ichi، ni، san" مما يعني "5 ، 1، 2، 3 'باللغة اليابانية. [56] Cdc45 ، Mcm2-7 و GINS معًا يشكلون CMG هيليكاز ، [57] هيليكاز النسخ المتماثل للريمبليزوم. على الرغم من أن مجمع Mcm2-7 وحده لديه نشاط هليكاز ضعيف [58] مطلوب Cdc45 و GINS لنشاط هليكاز قوي [59] [60]

تحرير Mcm10

يعد Mcm10 ضروريًا لتكرار الكروموسوم ويتفاعل مع صيانة الصغرى 2-7 هيليكاز التي يتم تحميلها في شكل غير نشط في أصول تكرار الحمض النووي. [61] [62] يقوم Mcm10 أيضًا بمرافقة بوليميريز الحمض النووي المحفز α ويساعد على استقرار البوليميراز عند شوكات النسخ المتماثل. [63] [64]

تعديل kinases DDK و CDK

في بداية المرحلة S ، يجب تنشيط مجمع ما قبل النسخ المتماثل بواسطة حركتين خاصتين بالطور S من أجل تكوين مجمع بدء في أصل النسخ المتماثل. أحد الكيناز هو كيناز Cdc7-Dbf4 المسمى كيناز المعتمد على Dbf4 (DDK) والآخر هو كيناز المعتمد على السيكلين (CDK). [٦٥] فحوصات ربط الكروماتين لـ Cdc45 في الخميرة و Xenopus أظهرت أن حدثًا متجهًا لإجراءات CDK يتم تحميل Cdc45 على الكروماتين. [45] [46] تم التكهن بـ Cdc6 ليكون هدفًا لإجراء CDK ، بسبب الارتباط بين Cdc6 و CDK ، والتفسفر المعتمد على CDK لـ Cdc6. تم اعتبار الفسفرة المعتمدة على CDK لـ Cdc6 ضرورية للدخول إلى المرحلة S. [66]

يتم حفظ كل من الوحدات الفرعية المحفزة لـ DDK و Cdc7 والبروتين المنشط Dbf4 في حقيقيات النوى وهي مطلوبة لبدء المرحلة S من دورة الخلية. [67] [68] كل من DDK و Cdc7 مطلوبان لتحميل Cdc45 على أصول الكروماتين للنسخ المتماثل. الهدف من ربط DDK kinase هو مجمع Mcm ، وربما Mcm2. [69] [67] يستهدف DDK مجمع Mcm ، وتؤدي الفسفرة الخاصة به إلى التنشيط المحتمل لنشاط الهليكاز Mcm. [70]

تحرير بروتينات Dpb11 و Sld3 و Sld2

يتفاعل Sld3 و Sld2 و Dpb11 مع العديد من بروتينات النسخ المتماثل. يشكل كل من Sld3 و Cdc45 معقدًا مرتبطًا بـ pre-RC في الأصول المبكرة للنسخ المتماثل حتى في G11 المرحلة والأصول اللاحقة للنسخ المتماثل في المرحلة S بطريقة تعتمد على بعضها البعض Mcm. [71] [72] يتفاعل Dpb11 و Sld2 مع Polymerase وقد أوضحت تجارب الارتباط المتبادل أن Dpb11 والبوليميراز ɛ متراسبان في المرحلة S ويرتبطان بأصول النسخ المتماثل. [73] [74]

يتم فسفرة كل من Sld3 و Sld2 بواسطة CDK ، مما يمكّن البروتينين المتكاثرين من الارتباط بـ Dpb11. كان Dpb11 يحتوي على زوجين من نطاقات BRCA1 C Terminus (BRCT) والتي تُعرف باسم مجالات ربط الفوسفوببتيد. [75] يرتبط زوج N-terminal لنطاقات BRCT بالفوسفور Sld3 ، ويرتبط الزوج C- طرفي بـ Sld2 الفسفوري. كل من هذه التفاعلات ضرورية للتنشيط المعتمد على CDK لتبرعم الحمض النووي في الخميرة. [76]

يتفاعل Dpb11 أيضًا مع GINS ويشارك في خطوات البدء والاستطالة لتكرار الحمض النووي الصبغي. [55] [77] [78] GINS هي واحدة من بروتينات النسخ الموجودة في شوكات النسخ وتشكل معقدًا مع Cdc45 و Mcm.

تعد هذه التفاعلات المعتمدة على الفسفرة بين Dpb11 و Sld2 و Sld3 ضرورية للتفعيل المعتمد على CDK لتكرار الحمض النووي ، وباستخدام الكواشف المتشابكة في بعض التجارب ، تم تحديد مجمع هش يسمى مجمع التحميل المسبق (pre-LC) . يحتوي هذا المجمع على Pol ɛ و GINS و Sld2 و Dpb11. تم العثور على ما قبل LC لتتشكل قبل أي ارتباط مع الأصول بطريقة تعتمد على CDK وتعتمد على DDK وينظم نشاط CDK بدء تكرار الحمض النووي من خلال تشكيل ما قبل LC. [79]

يمثل تكوين مجمع ما قبل التكرار (pre-RC) المواقع المحتملة لبدء تكرار الحمض النووي. تمشيا مع مجمع صيانة الكروموسوم الصغير الذي يحيط بالحمض النووي المزدوج الذي تقطعت به السبل ، لا يؤدي تكوين ما قبل RC إلى فك الحمض النووي الأصلي أو تجنيد بوليميرات الحمض النووي. بدلاً من ذلك ، تم تشكيل ما قبل RC الذي تم تشكيله أثناء G1 يتم تنشيط دورة الخلية فقط لفك الحمض النووي وبدء النسخ المتماثل بعد مرور الخلايا من G1 إلى المرحلة S من دورة الخلية. [2]

بمجرد تكوين مجمع البدء وتمرير الخلايا إلى الطور S ، يصبح المجمع عندئذٍ مجددًا. إن مركب إعادة التجميد حقيقيات النوى مسؤول عن تنسيق تكاثر الحمض النووي. يتم إجراء النسخ المتماثل على السلاسل الرائدة والمتأخرة بواسطة DNA polymerase ε و DNA polymerase δ. العديد من العوامل المعاد تشكيلها بما في ذلك Claspin و And1 ومحمل المشبك C وعامل النسخ المتماثل ومركب حماية الشوكة هي المسؤولة عن تنظيم وظائف البوليميراز وتنسيق تخليق الحمض النووي مع فك حبلا القالب بواسطة مجمع Cdc45-Mcm-GINS. عندما يتم فك الحمض النووي ، يتناقص عدد الالتواء. للتعويض عن هذا ، يزداد عدد التلوي ، مما يؤدي إلى إدخال لفائف فائقة إيجابية في الحمض النووي. قد تتسبب هذه الملفات الفائقة في توقف تكاثر الحمض النووي إذا لم تتم إزالتها. تعتبر Topoisomerases مسؤولة عن إزالة هذه الملفات الفائقة قبل شوكة النسخ المتماثل.

إن الريبليزوم مسؤول عن نسخ الحمض النووي الجيني بأكمله في كل خلية تكاثرية. يتم تحفيز تفاعلات الاقتران الأساسي وتفاعلات تكوين السلسلة ، التي تشكل الحلزون البنت ، بواسطة بوليميراز الحمض النووي. [80] تتحرك هذه الإنزيمات على طول الحمض النووي أحادي الجديلة وتسمح بتمديد خيط الحمض النووي الناشئ عن طريق "قراءة" الشريط النموذجي والسماح بدمج القواعد النووية البيورينية المناسبة ، والأدينين والجوانين ، والقواعد النووية البيريميدين ، والثيمين والسيتوزين. توجد ديوكسي ريبونوكليوتيدات حرة نشطة في الخلية مثل ديوكسي ريبونوكليوتيد ثلاثي الفوسفات (dNTPs). تضاف هذه النيوكليوتيدات الحرة إلى مجموعة 3-هيدروكسيل مكشوفة على آخر نيوكليوتيدات مدمجة. في هذا التفاعل ، يتم تحرير بيروفوسفات من dNTP الحر ، لتوليد الطاقة لتفاعل البلمرة وتعريض 5 'أحادي الفوسفات ، والذي يتم بعد ذلك ربطه تساهميًا بالأكسجين 3. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن إزالة النيوكليوتيدات التي تم إدخالها بشكل غير صحيح واستبدالها بالنيوكليوتيدات الصحيحة في تفاعل إيجابي قوي. هذه الخاصية ضرورية للتدقيق الصحيح وإصلاح الأخطاء التي تحدث أثناء تكرار الحمض النووي.

تحرير شوكة النسخ المتماثل

شوكة النسخ المتماثل هي نقطة التقاء بين خيوط القالب المنفصلة حديثًا ، والمعروفة باسم الخيوط الرائدة والمتأخرة ، والحمض النووي المزدوج الذي تقطعت به السبل. نظرًا لأن DNA مزدوج الاتجاه غير متوازي ، يحدث تكرار الحمض النووي في اتجاهات متعاكسة بين السلاسل الجديدة في شوكة النسخ المتماثل ، لكن جميع بوليمرات الحمض النووي تصنع الحمض النووي في اتجاه 5 إلى 3 فيما يتعلق بالخيط المركب حديثًا. مطلوب مزيد من التنسيق أثناء تكرار الحمض النووي. يقوم اثنان من البوليميرات التكرارية بتوليف الحمض النووي في اتجاهات معاكسة. يقوم البلمرة ε بتوليف الدنا على خيط DNA "الرائد" بشكل مستمر لأنه يشير في نفس اتجاه تفكيك الحمض النووي بواسطة الريبليزوم. في المقابل ، يقوم بوليميراز بتوليف DNA على الخيط "المتأخر" ، وهو خيط قالب DNA المعاكس ، بطريقة مجزأة أو غير متصلة.

تُعرف الامتدادات المتقطعة لمنتجات تكرار الحمض النووي على الشريط المتأخر باسم شظايا Okazaki ويبلغ طولها حوالي 100 إلى 200 قاعدة في شوكات النسخ المتماثل حقيقية النواة. عادةً ما يحتوي الخيط المتأخر على امتدادات أطول من الحمض النووي أحادي السلسلة والمغلف ببروتينات ربط أحادية السلسلة ، مما يساعد على استقرار القوالب أحادية السلسلة عن طريق منع تكوين بنية ثانوية. في حقيقيات النوى ، هذه البروتينات الرابطة أحادية السلسلة عبارة عن مركب غير متجانس يعرف باسم بروتين النسخ A (RPA). [81]

يسبق كل جزء من أجزاء أوكازاكي مادة أولية من الحمض النووي الريبي ، والتي يتم إزاحتها بواسطة موكب جزء أوكازاكي التالي أثناء التركيب. RNase H recognizes the DNA:RNA hybrids that are created by the use of RNA primers and is responsible for removing these from the replicated strand, leaving behind a primer:template junction. DNA polymerase α, recognizes these sites and elongates the breaks left by primer removal. In eukaryotic cells, a small amount of the DNA segment immediately upstream of the RNA primer is also displaced, creating a flap structure. This flap is then cleaved by endonucleases. At the replication fork, the gap in DNA after removal of the flap is sealed by DNA ligase I, which repairs the nicks that are left between the 3'-OH and 5'phosphate of the newly synthesized strand. [82] Owing to the relatively short nature of the eukaryotic Okazaki fragment, DNA replication synthesis occurring discontinuously on the lagging strand is less efficient and more time-consuming than leading-strand synthesis. DNA synthesis is complete once all RNA primers are removed and nicks are repaired.

Leading strand Edit

During DNA replication, the replisome will unwind the parental duplex DNA into a two single-stranded DNA template replication fork in a 5' to 3' direction. The leading strand is the template strand that is being replicated in the same direction as the movement of the replication fork. This allows the newly synthesized strand complementary to the original strand to be synthesized 5' to 3' in the same direction as the movement of the replication fork. [83]

Once an RNA primer has been added by a primase to the 3' end of the leading strand, DNA synthesis will continue in a 3' to 5' direction with respect to the leading strand uninterrupted. DNA Polymerase ε will continuously add nucleotides to the template strand therefore making leading strand synthesis require only one primer and has uninterrupted DNA polymerase activity. [84]

Lagging strand Edit

DNA replication on the lagging strand is discontinuous. In lagging strand synthesis, the movement of DNA polymerase in the opposite direction of the replication fork requires the use of multiple RNA primers. DNA polymerase will synthesize short fragments of DNA called Okazaki fragments which are added to the 3' end of the primer. These fragments can be anywhere between 100–400 nucleotides long in eukaryotes. [85]

At the end of Okazaki fragment synthesis, DNA polymerase δ runs into the previous Okazaki fragment and displaces its 5' end containing the RNA primer and a small segment of DNA. This generates an RNA-DNA single strand flap, which must be cleaved, and the nick between the two Okazaki fragments must be sealed by DNA ligase I. This process is known as Okazaki fragment maturation and can be handled in two ways: one mechanism processes short flaps, while the other deals with long flaps. [86] DNA polymerase δ is able to displace up to 2 to 3 nucleotides of DNA or RNA ahead of its polymerization, generating a short "flap" substrate for Fen1, which can remove nucleotides from the flap, one nucleotide at a time.

By repeating cycles of this process, DNA polymerase δ and Fen1 can coordinate the removal of RNA primers and leave a DNA nick at the lagging strand. [87] It has been proposed that this iterative process is preferable to the cell because it is tightly regulated and does not generate large flaps that need to be excised. [88] In the event of deregulated Fen1/DNA polymerase δ activity, the cell uses an alternative mechanism to generate and process long flaps by using Dna2, which has both helicase and nuclease activities. [89] The nuclease activity of Dna2 is required for removing these long flaps, leaving a shorter flap to be processed by Fen1. Electron microscopy studies indicate that nucleosome loading on the lagging strand occurs very close to the site of synthesis. [90] Thus, Okazaki fragment maturation is an efficient process that occurs immediately after the nascent DNA is synthesized.

Replicative DNA polymerases Edit

After the replicative helicase has unwound the parental DNA duplex, exposing two single-stranded DNA templates, replicative polymerases are needed to generate two copies of the parental genome. DNA polymerase function is highly specialized and accomplish replication on specific templates and in narrow localizations. At the eukaryotic replication fork, there are three distinct replicative polymerase complexes that contribute to DNA replication: Polymerase α, Polymerase δ, and Polymerase ε. These three polymerases are essential for viability of the cell. [91]

Because DNA polymerases require a primer on which to begin DNA synthesis, polymerase α (Pol α) acts as a replicative primase. Pol α is associated with an RNA primase and this complex accomplishes the priming task by synthesizing a primer that contains a short 10 nucleotide stretch of RNA followed by 10 to 20 DNA bases. [3] Importantly, this priming action occurs at replication initiation at origins to begin leading-strand synthesis and also at the 5' end of each Okazaki fragment on the lagging strand.

However, Pol α is not able to continue DNA replication and must be replaced with another polymerase to continue DNA synthesis. [92] Polymerase switching requires clamp loaders and it has been proven that normal DNA replication requires the coordinated actions of all three DNA polymerases: Pol α for priming synthesis, Pol ε for leading-strand replication, and the Pol δ, which is constantly loaded, for generating Okazaki fragments during lagging-strand synthesis. [93]

  • Polymerase α (Pol α): Forms a complex with a small catalytic subunit (PriS) and a large noncatalytic (PriL) subunit. [94] First, synthesis of an RNA primer allows DNA synthesis by DNA polymerase alpha. Occurs once at the origin on the leading strand and at the start of each Okazaki fragment on the lagging strand. Pri subunits act as a primase, synthesizing an RNA primer. DNA Pol α elongates the newly formed primer with DNA nucleotides. After around 20 nucleotides, elongation is taken over by Pol ε on the leading strand and Pol δ on the lagging strand. [95]
  • Polymerase δ (Pol δ): Highly processive and has proofreading, 3'->5' exonuclease activity. في الجسم الحي ، it is the main polymerase involved in both lagging strand و leading strand synthesis. [96]
  • Polymerase ε (Pol ε): Highly processive and has proofreading, 3'->5' exonuclease activity. Highly related to pol δ, في الجسم الحي it functions mainly in error checking of pol δ. [96]

Cdc45–Mcm–GINS helicase complex Edit

The DNA helicases and polymerases must remain in close contact at the replication fork. If unwinding occurs too far in advance of synthesis, large tracts of single-stranded DNA are exposed. This can activate DNA damage signaling or induce DNA repair processes. To thwart these problems, the eukaryotic replisome contains specialized proteins that are designed to regulate the helicase activity ahead of the replication fork. These proteins also provide docking sites for physical interaction between helicases and polymerases, thereby ensuring that duplex unwinding is coupled with DNA synthesis. [97]

For DNA polymerases to function, the double-stranded DNA helix has to be unwound to expose two single-stranded DNA templates for replication. DNA helicases are responsible for unwinding the double-stranded DNA during chromosome replication. Helicases in eukaryotic cells are remarkably complex. [98] The catalytic core of the helicase is composed of six minichromosome maintenance (Mcm2-7) proteins, forming a hexameric ring. Away from DNA, the Mcm2-7 proteins form a single heterohexamer and are loaded in an inactive form at origins of DNA replication as a head-to-head double hexamers around double-stranded DNA. [98] [99] The Mcm proteins are recruited to replication origins then redistributed throughout the genomic DNA during S phase, indicative of their localization to the replication fork. [48]

Loading of Mcm proteins can only occur during the G1 of the cell cycle, and the loaded complex is then activated during S phase by recruitment of the Cdc45 protein and the GINS complex to form the active Cdc45–Mcm–GINS (CMG) helicase at DNA replication forks. [100] [101] Mcm activity is required throughout the S phase for DNA replication. [36] [102] A variety of regulatory factors assemble around the CMG helicase to produce the ‘Replisome Progression Complex’ which associates with DNA polymerases to form the eukaryotic replisome, the structure of which is still quite poorly defined in comparison with its bacterial counterpart. [54] [103]

The isolated CMG helicase and Replisome Progression Complex contain a single Mcm protein ring complex suggesting that the loaded double hexamer of the Mcm proteins at origins might be broken into two single hexameric rings as part of the initiation process, with each Mcm protein complex ring forming the core of a CMG helicase at the two replication forks established from each origin. [54] [100] The full CMG complex is required for DNA unwinding, and the complex of CDC45-Mcm-GINS is the functional DNA helicase in eukaryotic cells. [104]

Ctf4 and And1 proteins Edit

The CMG complex interacts with the replisome through the interaction with Ctf4 and And1 proteins. Ctf4/And1 proteins interact with both the CMG complex and DNA polymerase α. [105] Ctf4 is a polymerase α accessory factor, which is required for the recruitment of polymerase α to replication origins. [106]

Mrc1 and Claspin proteins Edit

Mrc1/Claspin proteins couple leading-strand synthesis with the CMG complex helicase activity. Mrc1 interacts with polymerase ε as well as Mcm proteins. [107] The importance of this direct link between the helicase and the leading-strand polymerase is underscored by results in cultured human cells, where Mrc1/Claspin is required for efficient replication fork progression. [108] These results suggest that efficient DNA replication also requires the coupling of helicases and leading-strand synthesis.

Proliferating cell nuclear antigen Edit

DNA polymerases require additional factors to support DNA replication. DNA polymerases have a semiclosed 'hand' structure, which allows the polymerase to load onto the DNA and begin translocating. This structure permits DNA polymerase to hold the single-stranded DNA template, incorporate dNTPs at the active site, and release the newly formed double-stranded DNA. However, the structure of DNA polymerases does not allow a continuous stable interaction with the template DNA. [1]

To strengthen the interaction between the polymerase and the template DNA, DNA sliding clamps associate with the polymerase to promote the processivity of the replicative polymerase. In eukaryotes, the sliding clamp is a homotrimer ring structure known as the proliferating cell nuclear antigen (PCNA). The PCNA ring has polarity with surfaces that interact with DNA polymerases and tethers them securely to the DNA template. PCNA-dependent stabilization of DNA polymerases has a significant effect on DNA replication because PCNAs are able to enhance the polymerase processivity up to 1,000-fold. [109] [110] PCNA is an essential cofactor and has the distinction of being one of the most common interaction platforms in the replisome to accommodate multiple processes at the replication fork, and so PCNA is also viewed as a regulatory cofactor for DNA polymerases. [111]

Replication factor C Edit

PCNA fully encircles the DNA template strand and must be loaded onto DNA at the replication fork. At the leading strand, loading of the PCNA is an infrequent process, because DNA replication on the leading strand is continuous until replication is terminated. However, at the lagging strand, DNA polymerase δ needs to be continually loaded at the start of each Okazaki fragment. This constant initiation of Okazaki fragment synthesis requires repeated PCNA loading for efficient DNA replication.

PCNA loading is accomplished by the replication factor C (RFC) complex. The RFC complex is composed of five ATPases: Rfc1, Rfc2, Rfc3, Rfc4 and Rfc5. [112] RFC recognizes primer-template junctions and loads PCNA at these sites. [113] [114] The PCNA homotrimer is opened by RFC by ATP hydrolysis and is then loaded onto DNA in the proper orientation to facilitate its association with the polymerase. [115] [116] Clamp loaders can also unload PCNA from DNA a mechanism needed when replication must be terminated. [116]

Stalled replication fork Edit

DNA replication at the replication fork can be halted by a shortage of deoxynucleotide triphosphates (dNTPs) or by DNA damage, resulting in replication stress. [117] This halting of replication is described as a stalled replication fork. A fork protection complex of proteins stabilizes the replication fork until DNA damage or other replication problems can be fixed. [117] Prolonged replication fork stalling can lead to further DNA damage. Stalling signals are deactivated if the problems causing the replication fork are resolved. [117]

Termination of eukaryotic DNA replication requires different processes depending on whether the chromosomes are circular or linear. Unlike linear molecules, circular chromosomes are able to replicate the entire molecule. However, the two DNA molecules will remain linked together. This issue is handled by decatenation of the two DNA molecules by a type II topoisomerase. Type II topoisomerases are also used to separate linear strands as they are intricately folded into a nucleosome within the cell.

As previously mentioned, linear chromosomes face another issue that is not seen in circular DNA replication. Due to the fact that an RNA primer is required for initiation of DNA synthesis, the lagging strand is at a disadvantage in replicating the entire chromosome. While the leading strand can use a single RNA primer to extend the 5' terminus of the replicating DNA strand, multiple RNA primers are responsible for lagging strand synthesis, creating Okazaki fragments. This leads to an issue due to the fact that DNA polymerase is only able to add to the 3' end of the DNA strand. The 3'-5' action of DNA polymerase along the parent strand leaves a short single-stranded DNA (ssDNA) region at the 3' end of the parent strand when the Okazaki fragments have been repaired. Since replication occurs in opposite directions at opposite ends of parent chromosomes, each strand is a lagging strand at one end. Over time this would result in progressive shortening of both daughter chromosomes. This is known as the end replication problem. [1]

The end replication problem is handled in eukaryotic cells by telomere regions and telomerase. Telomeres extend the 3' end of the parental chromosome beyond the 5' end of the daughter strand. This single-stranded DNA structure can act as an origin of replication that recruits telomerase. Telomerase is a specialized DNA polymerase that consists of multiple protein subunits and an RNA component. The RNA component of telomerase anneals to the single stranded 3' end of the template DNA and contains 1.5 copies of the telomeric sequence. [85] Telomerase contains a protein subunit that is a reverse transcriptase called telomerase reverse transcriptase or TERT. TERT synthesizes DNA until the end of the template telomerase RNA and then disengages. [85] This process can be repeated as many times as needed with the extension of the 3' end of the parental DNA molecule. This 3' addition provides a template for extension of the 5' end of the daughter strand by lagging strand DNA synthesis. Regulation of telomerase activity is handled by telomere-binding proteins.

Replication fork barriers Edit

Prokaryotic DNA replication is bidirectional within a replicative origin, replisome complexes are created at each end of the replication origin and replisomes move away from each other from the initial starting point. In prokaryotes, bidirectional replication initiates at one replicative origin on the circular chromosome and terminates at a site opposed from the initial start of the origin. [118] These termination regions have DNA sequences known as تير المواقع. هؤلاء تير sites are bound by the Tus protein. ال تير-Tus complex is able to stop helicase activity, terminating replication. [119]

In eukaryotic cells, termination of replication usually occurs through the collision of the two replicative forks between two active replication origins. The location of the collision varies on the timing of origin firing. In this way, if a replication fork becomes stalled or collapses at a certain site, replication of the site can be rescued when a replisome traveling in the opposite direction completes copying the region. There are programmed replication fork barriers (RFBs) bound by RFB proteins in various locations, throughout the genome, which are able to terminate or pause replication forks, stopping progression of the replisome. [118]

It has been found that replication happens in a localised way in the cell nucleus. Contrary to the traditional view of moving replication forks along stagnant DNA, a concept of replication factories emerged, which means replication forks are concentrated towards some immobilised 'factory' regions through which the template DNA strands pass like conveyor belts. [120]

DNA replication is a tightly orchestrated process that is controlled within the context of the cell cycle. Progress through the cell cycle and in turn DNA replication is tightly regulated by the formation and activation of pre-replicative complexes (pre-RCs) which is achieved through the activation and inactivation of cyclin-dependent kinases (Cdks, CDKs). Specifically it is the interactions of cyclins and cyclin dependent kinases that are responsible for the transition from G1 into S-phase.

During the G1 phase of the cell cycle there are low levels of CDK activity. This low level of CDK activity allows for the formation of new pre-RC complexes but is not sufficient for DNA replication to be initiated by the newly formed pre-RCs. During the remaining phases of the cell cycle there are elevated levels of CDK activity. This high level of CDK activity is responsible for initiating DNA replication as well as inhibiting new pre-RC complex formation. [2] Once DNA replication has been initiated the pre-RC complex is broken down. Due to the fact that CDK levels remain high during the S phase, G2, and M phases of the cell cycle no new pre-RC complexes can be formed. This all helps to ensure that no initiation can occur until the cell division is complete.

In addition to cyclin dependent kinases a new round of replication is thought to be prevented through the downregulation of Cdt1. This is achieved via degradation of Cdt1 as well as through the inhibitory actions of a protein known as geminin. Geminin binds tightly to Cdt1 and is thought to be the major inhibitor of re-replication. [2] Geminin first appears in S-phase and is degraded at the metaphase-anaphase transition, possibly through ubiquination by anaphase promoting complex (APC). [121]

Various cell cycle checkpoints are present throughout the course of the cell cycle that determine whether a cell will progress through division entirely. Importantly in replication the G1, or restriction, checkpoint makes the determination of whether or not initiation of replication will begin or whether the cell will be placed in a resting stage known as G0. Cells in the G0 stage of the cell cycle are prevented from initiating a round of replication because the minichromosome maintenance proteins are not expressed. Transition into the S-phase indicates replication has begun.

Replication checkpoint proteins Edit

In order to preserve genetic information during cell division, DNA replication must be completed with high fidelity. In order to achieve this task, eukaryotic cells have proteins in place during certain points in the replication process that are able to detect any errors during DNA replication and are able to preserve genomic integrity. These checkpoint proteins are able to stop the cell cycle from entering mitosis in order to allow time for DNA repair. Checkpoint proteins are also involved in some DNA repair pathways, while they stabilize the structure of the replication fork to prevent further damage. These checkpoint proteins are essential to avoid passing down mutations or other chromosomal aberrations to offspring.

Eukaryotic checkpoint proteins are well conserved and involve two phosphatidylinositol 3-kinase-related kinases (PIKKs), ATR and ATM. Both ATR and ATM share a target phosphorylation sequence, the SQ/TQ motif, but their individual roles in cells differ. [122]

ATR is involved in arresting the cell cycle in response to DNA double-stranded breaks. ATR has an obligate checkpoint partner, ATR-interacting-protein (ATRIP), and together these two proteins are responsive to stretches of single-stranded DNA that are coated by replication protein A (RPA). [123] The formation of single-stranded DNA occurs frequently, more often during replication stress. ATR-ATRIP is able to arrest the cell cycle to preserve genome integrity. ATR is found on chromatin during S phase, similar to RPA and claspin. [124]

The generation of single-stranded DNA tracts is important in initiating the checkpoint pathways downstream of replication damage. Once single-stranded DNA becomes sufficiently long, single-stranded DNA coated with RPA are able to recruit ATR-ATRIP. [125] In order to become fully active, the ATR kinase rely on sensor proteins that sense whether the checkpoint proteins are localized to a valid site of DNA replication stress. The RAD9-HUS1-Rad1 (9-1-1) heterotrimeric clamp and its clamp loader RFC Rad17 are able to recognize gapped or nicked DNA. The RFC Rad17 clamp loader loads 9-1-1 onto the damaged DNA. [126] The presence of 9-1-1 on DNA is enough to facilitate the interaction between ATR-ATRIP and a group of proteins termed checkpoint mediators, such as TOPBP1 and Mrc1/claspin. TOPBP1 interacts with and recruits the phosphorylated Rad9 component of 9-1-1 and binds ATR-ATRIP, which phosphorylates Chk1. [127] Mrc1/Claspin is also required for the complete activation of ATR-ATRIP that phosphorylates Chk1, the major downstream checkpoint effector kinase. [128] Claspin is a component of the replisome and contains a domain for docking with Chk1, revealing a specific function of Claspin during DNA replication: the promotion of checkpoint signaling at the replisome. [129]

Chk1 signaling is vital for arresting the cell cycle and preventing cells from entering mitosis with incomplete DNA replication or DNA damage. The Chk1-dependent Cdk inhibition is important for the function of the ATR-Chk1 checkpoint and to arrest the cell cycle and allow sufficient time for completion of DNA repair mechanisms, which in turn prevents the inheritance of damaged DNA. In addition, Chk1-dependent Cdk inhibition plays a critical role in inhibiting origin firing during S phase. This mechanism prevents continued DNA synthesis and is required for the protection of the genome in the presence of replication stress and potential genotoxic conditions. [130] Thus, ATR-Chk1 activity further prevents potential replication problems at the level of single replication origins by inhibiting initiation of replication throughout the genome, until the signaling cascade maintaining cell-cycle arrest is turned off.

Eukaryotic DNA must be tightly compacted in order to fit within the confined space of the nucleus. Chromosomes are packaged by wrapping 147 nucleotides around an octamer of histone proteins, forming a nucleosome. The nucleosome octamer includes two copies of each histone H2A, H2B, H3, and H4. Due to the tight association of histone proteins to DNA, eukaryotic cells have proteins that are designed to remodel histones ahead of the replication fork, in order to allow smooth progression of the replisome. [131] There are also proteins involved in reassembling histones behind the replication fork to reestablish the nucleosome conformation. [132]

There are several histone chaperones that are known to be involved in nucleosome assembly after replication. The FACT complex has been found to interact with DNA polymerase α-primase complex, and the subunits of the FACT complex interacted genetically with replication factors. [133] [134] The FACT complex is a heterodimer that does not hydrolyze ATP, but is able to facilitate "loosening" of histones in nucleosomes, but how the FACT complex is able to relieve the tight association of histones for DNA removal remains unanswered. [135]

Another histone chaperone that associates with the replisome is Asf1, which interacts with the Mcm complex dependent on histone dimers H3-H4. [136] Asf1 is able to pass newly synthesized H3-H4 dimer to deposition factors behind the replication fork and this activity makes the H3-H4 histone dimers available at the site of histone deposition just after replication. [137] Asf1 (and its partner Rtt109) has also been implicated in inhibiting gene expression from replicated genes during S-phase. [138]

The heterotrimeric chaperone chromatin assembly factor 1 (CAF-1) is a chromatin formation protein that is involved in depositing histones onto both newly replicated DNA strands to form chromatin. [139] CAF-1 contains a PCNA-binding motif, called a PIP-box, that allows CAF-1 to associate with the replisome through PCNA and is able to deposit histone H3-H4 dimers onto newly synthesized DNA. [140] [141] The Rtt106 chaperone is also involved in this process, and associated with CAF-1 and H3-H4 dimers during chromatin formation. [142] These processes load newly synthesized histones onto DNA.

After the deposition of histones H3-H4, nucleosomes form by the association of histone H2A-H2B. This process is thought to occur through the FACT complex, since it already associated with the replisome and is able to bind free H2A-H2B, or there is the possibility of another H2A-H2B chaperone, Nap1. [143] Electron microscopy studies show that this occurs very quickly, as nucleosomes can be observed forming just a few hundred base pairs after the replication fork. [144] Therefore, the entire process of forming new nucleosomes takes place just after replication due to the coupling of histone chaperones to the replisome.

When compared to prokaryotic DNA replication, the completion of eukaryotic DNA replication is more complex and involves multiple origins of replication and replicative proteins to accomplish. Prokaryotic DNA is arranged in a circular shape, and has only one replication origin when replication starts. By contrast, eukaryotic DNA is linear. When replicated, there are as many as one thousand origins of replication. [145]

Eukaryotic DNA is bidirectional. Here the meaning of the word bidirectional is different. Eukaryotic linear DNA has many origins (called O) and termini (called T). "T" is present to the right of "O". One "O" and one "T" together form one replicon. After the formation of pre-initiation complex, when one replicon starts elongation, initiation starts in second replicon. Now, if the first replicon moves in clockwise direction, the second replicon moves in anticlockwise direction, until "T" of first replicon is reached. At "T", both the replicons merge to complete the process of replication. Meanwhile, the second replicon is moving in forward direction also, to meet with the third replicon. This clockwise and counter-clockwise movement of two replicons is termed as bidirectional replication.

Eukaryotic DNA replication requires precise coordination of all DNA polymerases and associated proteins to replicate the entire genome each time a cell divides. This process is achieved through a series of steps of protein assemblies at origins of replication, mainly focusing the regulation of DNA replication on the association of the MCM helicase with the DNA. These origins of replication direct the number of protein complexes that will form to initiate replication. In prokaryotic DNA replication regulation focuses on the binding of the DnaA initiator protein to the DNA, with initiation of replication occurring multiple times during one cell cycle. [85] Both prokaryotic and eukaryotic DNA use ATP binding and hydrolysis to direct helicase loading and in both cases the helicase is loaded in the inactive form. However, eukaryotic helicases are double hexamers that are loaded onto double stranded DNA whereas prokaryotic helicases are single hexamers loaded onto single stranded DNA. [146]

Segregation of chromosomes is another difference between prokaryotic and eukaryotic cells. Rapidly dividing cells, such as bacteria, will often begin to segregate chromosomes that are still in the process of replication. In eukaryotic cells chromosome segregation into the daughter cells is not initiated until replication is complete in all chromosomes. [85] Despite these differences, however, the underlying process of replication is similar for both prokaryotic and eukaryotic DNA.


التيلوميراز والشيخوخة

تستمر الخلايا التي تخضع للانقسام الخلوي في تقصير التيلوميرات الخاصة بها لأن معظم الخلايا الجسدية لا تصنع التيلوميراز. هذا يعني بشكل أساسي أن تقصير التيلومير مرتبط بالشيخوخة. مع ظهور الطب الحديث والرعاية الصحية الوقائية وأنماط الحياة الصحية ، زاد العمر الافتراضي للإنسان ، وهناك طلب متزايد على الناس ليبدو أصغر سناً وأن يتمتعوا بنوعية حياة أفضل مع تقدمهم في السن.

في عام 2010 ، وجد العلماء أن الإنزيم تيلوميراز يمكنه عكس بعض الحالات المرتبطة بالعمر في الفئران. قد يكون لهذا إمكانات في الطب التجديدي. Jaskelioff et al., “Telomerase reactivation reverses tissue degeneration in aged telomerase-deficient mice,” طبيعة سجية 469 (2011): 102-7. Telomerase-deficient mice were used in these studies these mice have tissue atrophy, stem cell depletion, organ system failure, and impaired tissue injury responses. تسبب إعادة تنشيط التيلوميراز في هذه الفئران في تمدد التيلوميرات ، وتقليل تلف الحمض النووي ، وتنكس عصبي معكوس ، وتحسين وظيفة الخصيتين والطحال والأمعاء. وبالتالي ، قد يكون لإعادة تنشيط التيلومير إمكانية علاج الأمراض المرتبطة بالشيخوخة لدى البشر.

يتميز السرطان بانقسام الخلايا غير المنضبط للخلايا غير الطبيعية. تتراكم الخلايا الطفرات ، وتتكاثر بشكل لا يمكن السيطرة عليه ، ويمكن أن تهاجر إلى أجزاء مختلفة من الجسم من خلال عملية تسمى ورم خبيث. لاحظ العلماء أن الخلايا السرطانية قد قامت بتقصير التيلوميرات بشكل كبير وأن الإنزيم تيلوميراز نشط في هذه الخلايا. ومن المثير للاهتمام ، أنه فقط بعد تقصير التيلوميرات في الخلايا السرطانية ، أصبح الإنزيم تيلوميراز نشطًا. إذا كان من الممكن إعاقة عمل التيلوميراز في هذه الخلايا عن طريق الأدوية أثناء علاج السرطان ، فمن المحتمل أن يتم إيقاف الخلايا السرطانية من الانقسام الإضافي.


DNA Replication in Eukaryotes

تعتبر جينومات حقيقيات النوى أكثر تعقيدًا وأكبر حجمًا من جينومات بدائية النواة. تحتوي حقيقيات النوى أيضًا على عدد من الكروموسومات الخطية المختلفة. يحتوي الجينوم البشري على 3 مليارات زوج قاعدي لكل مجموعة أحادية الصبغيات من الكروموسومات ، ويتم تكرار 6 مليارات زوج قاعدي خلال المرحلة S من دورة الخلية. هناك أصول متعددة للتكاثر على كل كروموسوم حقيقي النواة يمكن أن يكون لدى البشر ما يصل إلى 100000 أصل من النسخ المتماثل عبر الجينوم. معدل النسخ المتماثل حوالي 100 نيوكليوتيد في الثانية ، أبطأ بكثير من تكرار بدائيات النواة. في الخميرة ، وهي حقيقيات النوى ، توجد تسلسلات خاصة تُعرف باسم تسلسل النسخ الذاتي (ARS) على الكروموسومات. هذه مكافئة لأصل النسخ المتماثل في بكتريا قولونية.

عدد بوليميرات الحمض النووي في حقيقيات النوى أكثر بكثير مما هو عليه في بدائيات النوى: 14 معروفة ، منها خمسة معروفة بأدوار رئيسية أثناء التكاثر وقد تمت دراستها جيدًا. هم معروفون باسم بول α، بول β، بول γ، بول δو بول ε.

الخطوات الأساسية للنسخ هي نفسها كما في بدائيات النوى. قبل أن يبدأ النسخ المتماثل ، يجب توفير الحمض النووي كقالب. يرتبط الحمض النووي حقيقيات النوى بالبروتينات الأساسية المعروفة باسم الهيستونات لتكوين هياكل تسمى النيوكليوسومات. يجب إزالة الهستونات ثم استبدالها أثناء عملية النسخ المتماثل ، مما يساعد على حساب معدل النسخ المنخفض في حقيقيات النوى. قد يخضع الكروماتين (المركب بين الحمض النووي والبروتينات) لبعض التعديلات الكيميائية ، بحيث يمكن للحمض النووي أن ينزلق عن البروتينات أو يكون في متناول إنزيمات آلية تكرار الحمض النووي. في أصل النسخ المتماثل ، يتكون معقد ما قبل النسخ المتماثل ببروتينات بادئ أخرى. Helicase and other proteins are then recruited to start the replication process (Table).

Difference between Prokaryotic and Eukaryotic Replication
ملكيةبدائيات النوىحقيقيات النواة
أصل النسخ المتماثلغير مرتبطةعديد
Rate of replication1000 nucleotides/s50 to 100 nucleotides/s
أنواع بوليميراز الحمض النووي514
تيلوميرازNot presentالحالي
إزالة RNA التمهيديبول أناRNase H.
استطالة حبلاDNA pol IIIبول α ، بول ، بول
انزلاق المشبكانزلاق المشبكPCNA

إن الهليكاز الذي يستخدم الطاقة من التحلل المائي ATP يفتح الحلزون DNA. تتشكل شوكات النسخ المتماثل في كل أصل نسخ متماثل مع فك الحمض النووي. يؤدي فتح اللولب المزدوج إلى الالتفاف المفرط ، أو الالتفاف الفائق ، في الحمض النووي قبل شوكة النسخ المتماثل. يتم حلها من خلال عمل الإيزوميراز العلوي. يتم تشكيل الاشعال بواسطة إنزيم بريماز ، وباستخدام التمهيدي ، يمكن لـ DNA pol بدء التوليف. ثم يتم تضمين ثلاثة أنواع رئيسية من بلمرة الحمض النووي: α و و ε. يضيف DNA pol α جزءًا قصيرًا (20 إلى 30 نيوكليوتيد) من الحمض النووي الريبي التمهيدي على كلا الخيوط ، ثم يسلم إلى بوليميراز ثانٍ. بينما يتم تصنيع الخيط الرئيسي بشكل مستمر بواسطة قطب الإنزيم δ، يتم تصنيع الخيط المتأخر بواسطة pol ε. إن بروتين مشبك منزلق يعرف باسم PCNA (مستضد نووي خلوي متكاثر) يحمل بولي DNA في مكانه بحيث لا ينزلق من الحمض النووي. عندما تتدفق pol إلى RNA التمهيدي على الخيط المتأخر ، فإنها تزيحه من قالب الحمض النووي. يتم بعد ذلك إزالة الحمض النووي الريبي التمهيدي بواسطة RNase H (نوكلياز رفرف AKA) واستبداله بنكليوتيدات الحمض النووي. يتم ربط شظايا أوكازاكي في الخيط المتأخر بعد استبدال البادئات RNA بالحمض النووي. يتم سد الفجوات المتبقية بواسطة DNA ligase ، الذي يشكل رابطة phosphodiester.


تكاثر التيلومير

على عكس الكروموسومات بدائية النواة ، فإن الكروموسومات حقيقية النواة خطية. As you’ve learned, the enzyme DNA pol can add nucleotides only in the 5′ to 3′ direction. في الخيط الرئيسي ، يستمر التوليف حتى الوصول إلى نهاية الكروموسوم. على الخيط المتأخر ، يتم تصنيع الحمض النووي في امتدادات قصيرة ، كل منها يبدأ بواسطة برايمر منفصل. عندما تصل شوكة النسخ إلى نهاية الكروموسوم الخطي ، لا توجد طريقة لاستبدال التمهيدي في نهاية 5 'من الخيط المتأخر. وهكذا يظل الحمض النووي في نهايات الكروموسوم غير متزاوج ، وبمرور الوقت يتم استدعاء هذه النهايات التيلوميرات قد تصبح أقصر تدريجيًا مع استمرار الخلايا في الانقسام.

تتألف التيلوميرات من تسلسلات متكررة لا ترمز لأي جين معين. في البشر ، يتكرر التسلسل المكون من ستة أزواج أساسية ، TTAGGG ، من 100 إلى 1000 مرة في مناطق التيلومير. بطريقة ما ، تحمي هذه التيلوميرات الجينات من الحذف مع استمرار الخلايا في الانقسام. The telomeres are added to the ends of chromosomes by a separate enzyme, telomerase ((Figure)), whose discovery helped in the understanding of how these repetitive chromosome ends are maintained. يحتوي إنزيم التيلوميراز على جزء محفز وقالب مدمج للحمض النووي الريبي. It attaches to the end of the chromosome, and DNA nucleotides complementary to the RNA template are added on the 3′ end of the DNA strand. Once the 3′ end of the lagging strand template is sufficiently elongated, DNA polymerase can add the nucleotides complementary to the ends of the chromosomes. وهكذا ، يتم تكرار نهايات الكروموسومات.


ينشط التيلوميراز عادة في الخلايا الجرثومية والخلايا الجذعية البالغة. لا ينشط في الخلايا الجسدية البالغة. For their discovery of telomerase and its action, Elizabeth Blackburn, Carol W. Greider, and Jack W. Szostak ((Figure)) received the Nobel Prize for Medicine and Physiology in 2009.


التيلوميراز والشيخوخة

تستمر الخلايا التي تخضع للانقسام الخلوي في تقصير التيلوميرات الخاصة بها لأن معظم الخلايا الجسدية لا تصنع التيلوميراز. هذا يعني بشكل أساسي أن تقصير التيلومير مرتبط بالشيخوخة. مع ظهور الطب الحديث والرعاية الصحية الوقائية وأنماط الحياة الصحية ، زاد العمر الافتراضي للإنسان ، وهناك طلب متزايد على الناس ليبدو أصغر سناً وأن يتمتعوا بنوعية حياة أفضل مع تقدمهم في السن.

في عام 2010 ، وجد العلماء أن الإنزيم تيلوميراز يمكنه عكس بعض الحالات المرتبطة بالعمر في الفئران. قد يكون لهذا إمكانات في الطب التجديدي. 1 Telomerase-deficient mice were used in these studies these mice have tissue atrophy, stem cell depletion, organ system failure, and impaired tissue injury responses. تسبب إعادة تنشيط التيلوميراز في هذه الفئران في تمدد التيلوميرات ، وتقليل تلف الحمض النووي ، وتنكس عصبي معكوس ، وتحسين وظيفة الخصيتين والطحال والأمعاء. وبالتالي ، قد يكون لإعادة تنشيط التيلومير إمكانية علاج الأمراض المرتبطة بالشيخوخة لدى البشر.

يتميز السرطان بانقسام الخلايا غير المنضبط للخلايا غير الطبيعية. تتراكم الخلايا الطفرات ، وتتكاثر بشكل لا يمكن السيطرة عليه ، ويمكن أن تهاجر إلى أجزاء مختلفة من الجسم من خلال عملية تسمى ورم خبيث. لاحظ العلماء أن الخلايا السرطانية قد قامت بتقصير التيلوميرات بشكل كبير وأن الإنزيم تيلوميراز نشط في هذه الخلايا. ومن المثير للاهتمام ، أنه فقط بعد تقصير التيلوميرات في الخلايا السرطانية ، أصبح الإنزيم تيلوميراز نشطًا. إذا كان من الممكن إعاقة عمل التيلوميراز في هذه الخلايا عن طريق الأدوية أثناء علاج السرطان ، فمن المحتمل أن يتم إيقاف الخلايا السرطانية من الانقسام الإضافي.


Protein Expression in Prokaryotes



1.) RNA – Polymerase attaches to the promoter. The promoter is a region on the DNA, which is located upstream, near the transcription start side.

2.) Transcription is initiated.

3.) The RNA-Polymerase is starting to synthesize the mRNA from the 5’ to the 3’ direction.

4.) The RNA-Polymerase continues to synthesize the mRNA. (Note: Unlike as in eukaryotic mRNA, the prokaryotic mRNA does not receive a 5’ cap)

5.) The terminator region of the DNA codes a palindromic sequence. This sequence causes the mRNA to form a stem-loop hairpin structure. This hairpin structure leads to the dissociation of the RNA-Polymerase from the DNA.

6.) The transcription is finished, and the mRNA is ready to be translated. One translated mRNA can contain more than one gene, which encodes a protein. Thus more than one protein can be encoded on one mRNA. Note: Prokaryotic cells do not have a nucleus. Unlike in Eukaryotic cells, the mRNA does not need to be modified by splicing. Thus, the mRNA in Prokaryotic cells is ready to be translated immediately after transcription.

7.) The 50S and 30S ribosome subunits are assembled together to form the whole ribosome complex (70S).

8.) Once the ribosome is assembled, the translation of the mRNA is initiated from a start codon (AUG) on the mRNA. tRNA’s charged with amino acids enter the ribosomes, where their amino acid is transferred on to the growing polypeptide chain. Once the tRNA donated its amino acid, it exits the ribosome. Note: The polypeptide chain is being built from N-terminus (–NH3 + ) to C-terminus (–COO – ).

Download the summary of DNA transcription and translation in prokaryotes as .pdf format. Click here to download.


تكاثر التيلومير

على عكس الكروموسومات بدائية النواة ، فإن الكروموسومات حقيقية النواة خطية. كما تعلمت ، يمكن أن يضيف إنزيم DNA pol النيوكليوتيدات فقط في اتجاه 5 إلى 3. في الخيط الرئيسي ، يستمر التوليف حتى الوصول إلى نهاية الكروموسوم. على الخيط المتأخر ، يتم تصنيع الحمض النووي في امتدادات قصيرة ، كل منها يبدأ بواسطة برايمر منفصل. When the replication fork reaches the end of the linear chromosome, there is no place for a primer to be made for the DNA fragment to be copied at the end of the chromosome. These ends thus remain unpaired, and over time these ends may get progressively shorter as cells continue to divide.

The ends of the linear chromosomes are known as التيلوميرات, which have repetitive sequences that code for no particular gene. بطريقة ما ، تحمي هذه التيلوميرات الجينات من الحذف مع استمرار الخلايا في الانقسام. In humans, a six base pair sequence, TTAGGG, is repeated 100 to 1000 times. The discovery of the enzyme telomerase (Figure) helped in the understanding of how chromosome ends are maintained. يحتوي إنزيم التيلوميراز على جزء محفز وقالب مدمج للحمض النووي الريبي. It attaches to the end of the chromosome, and complementary bases to the RNA template are added on the 3' end of the DNA strand. بمجرد استطالة الطرف 3 'لقالب الخيط المتأخر بشكل كافٍ ، يمكن أن يضيف بوليميريز الحمض النووي النيوكليوتيدات المكملة لنهايات الكروموسومات. وهكذا ، يتم تكرار نهايات الكروموسومات.

The ends of linear chromosomes are maintained by the action of the telomerase enzyme.

ينشط التيلوميراز عادة في الخلايا الجرثومية والخلايا الجذعية البالغة. لا ينشط في الخلايا الجسدية البالغة. For her discovery of telomerase and its action, Elizabeth Blackburn (Figure) received the Nobel Prize for Medicine and Physiology in 2009.

Elizabeth Blackburn, 2009 Nobel Laureate, is the scientist who discovered how telomerase works. (credit: US Embassy Sweden)


تكاثر التيلومير

على عكس الكروموسومات بدائية النواة ، فإن الكروموسومات حقيقية النواة خطية. كما تعلمت ، يمكن أن يضيف إنزيم DNA pol النيوكليوتيدات فقط في اتجاه 5 إلى 3. في الخيط الرئيسي ، يستمر التوليف حتى الوصول إلى نهاية الكروموسوم. على الخيط المتأخر ، يتم تصنيع الحمض النووي في امتدادات قصيرة ، كل منها يبدأ بواسطة برايمر منفصل. عندما تصل شوكة النسخ إلى نهاية الكروموسوم الخطي ، لا توجد طريقة لاستبدال التمهيدي في نهاية 5 'من الخيط المتأخر. وهكذا يظل الحمض النووي في نهايات الكروموسوم غير متزاوج ، وبمرور الوقت يتم استدعاء هذه النهايات التيلوميرات قد تصبح أقصر تدريجيًا مع استمرار الخلايا في الانقسام.

تتألف التيلوميرات من تسلسلات متكررة لا ترمز لأي جين معين. في البشر ، يتكرر التسلسل المكون من ستة أزواج أساسية ، TTAGGG ، من 100 إلى 1000 مرة في مناطق التيلومير. بطريقة ما ، تحمي هذه التيلوميرات الجينات من الحذف مع استمرار الخلايا في الانقسام. The telomeres are added to the ends of chromosomes by a separate enzyme, telomerase (Figure), whose discovery helped in the understanding of how these repetitive chromosome ends are maintained. يحتوي إنزيم التيلوميراز على جزء محفز وقالب مدمج للحمض النووي الريبي. يتم إرفاقه بنهاية الكروموسوم ، ويتم إضافة نيوكليوتيدات الحمض النووي المكملة لقالب الحمض النووي الريبي على الطرف الثالث من خيط الحمض النووي. بمجرد استطالة الطرف 3 'لقالب الخيط المتأخر بشكل كافٍ ، يمكن أن يضيف بوليميريز الحمض النووي النيوكليوتيدات المكملة لنهايات الكروموسومات. وهكذا ، يتم تكرار نهايات الكروموسومات.

The ends of linear chromosomes are maintained by the action of the telomerase enzyme.

ينشط التيلوميراز عادة في الخلايا الجرثومية والخلايا الجذعية البالغة. لا ينشط في الخلايا الجسدية البالغة. For their discovery of telomerase and its action, Elizabeth Blackburn, Carol W. Greider, and Jack W. Szostak (Figure) received the Nobel Prize for Medicine and Physiology in 2009.

Elizabeth Blackburn, 2009 Nobel Laureate, is one of the scientists who discovered how telomerase works. (credit: US Embassy Sweden)


ملخص القسم

Replication in eukaryotes starts at multiple origins of replication. The mechanism is quite similar to prokaryotes. A primer is required to initiate synthesis, which is then extended by DNA polymerase as it adds nucleotides one by one to the growing chain. The leading strand is synthesized continuously, whereas the lagging strand is synthesized in short stretches called Okazaki fragments. The RNA primers are replaced with DNA nucleotides the DNA remains one continuous strand by linking the DNA fragments with DNA ligase. The ends of the chromosomes pose a problem as polymerase is unable to extend them without a primer. Telomerase, an enzyme with an inbuilt RNA template, extends the ends by copying the RNA template and extending one end of the chromosome. يمكن لبوليميراز الحمض النووي بعد ذلك تمديد الحمض النووي باستخدام التمهيدي. بهذه الطريقة ، تتم حماية أطراف الكروموسومات.


شاهد الفيديو: دو قانون اصلی تقویت اسپیکینگ و مکالمه انگلیسی. چگونه اسپیکینگ و مکالمه انگلیسی خود را بهتر کنیم (قد 2022).


تعليقات:

  1. Milabar

    أعتقد أنك سوف تسمح للخطأ. يمكنني الدفاع عن موقفي. اكتب لي في PM.

  2. Zimra

    ما هذا؟

  3. Mervin

    برافو ، تمت زيارتك بفكرة ممتازة

  4. Clarke

    أعتقد أنه خطأ. أنا متأكد. دعونا نحاول مناقشة هذا. اكتب لي في رئيس الوزراء ، يتحدث إليك.

  5. Voodoohn

    رسالة لا تضاهى ، أحبها حقًا :)



اكتب رسالة