Репликация ДНК - фундаментальный процесс, от которого зависит стабильность генетического материала и успешное деление клетки. Это сложный многоступенчатый механизм, требующий участия множества ферментов. В данной статье мы постараемся в деталях разобрать, как происходит репликация ДНК и почему этот процесс настолько важен.
Определение и принципы репликации ДНК
Репликация ДНК - это биохимический процесс, в ходе которого происходит точное копирование (удвоение) молекулы ДНК перед делением клетки. При этом образуется две новые молекулы ДНК, каждая из которых является идентичной родительской.
Принципиальная схема репликации ДНК выглядит следующим образом:
- Раскручивание двойной спирали ДНК с помощью специальных ферментов
- Образование репликационной вилки - разветвления, в котором происходит синтез новых цепей
- Синтез комплементарных цепей ДНК на каждой из разошедшихся цепей матрицы
- Образование двух молекул двуцепочечной ДНК из одной - родительской
Репликация ДНК происходит полуконсервативным образом: каждая новая двойная спираль содержит по одной старой (родительской) и одной вновь синтезированной цепи. Такой механизм был экспериментально подтвержден в 1958 году.
Стадии репликации у прокариот
У прокариотических организмов, к которым относятся бактерии, механизм репликации ДНК значительно проще, чем у эукариот. Он протекает в три основных стадии:
- Инициация
- Элонгация
- Терминация
Инициация
Репликация ДНК начинается в строго определенном участке ДНК, который называется OriC ( origin - "начало"). Этот участок узнается специальным белком DnaA.
Белок DnaA прикрепляется к участку OriC и начинает раскручивать двойную спираль, подготавливая ее для репликации.
Затем подключаются дополнительные белки-ферменты: хеликаза DnaC для дальнейшего раскручивания и ДНК-полимераза для синтеза новых цепей.
Элонгация
На стадии элонгации происходит собственно синтез комплементарных цепей ДНК. Этот процесс осуществляет фермент ДНК-полимераза III. Она достраивает цепи ДНК, добавляя нужные нуклеотиды.
Важной особенностью является синтез лидирующей и отстающей цепей. Подробнее об этом речь пойдет в одном из следующих разделов.
Терминация
Для завершения репликации у бактерий имеются специальные участки-терминаторы. Они блокируют работу ферментов, "останавливая" процесс после того, как вся ДНК была скопирована. В результате образуются две новые цепи ДНК.
Стадии репликации у эукариот
В отличие от прокариот, у эукариотических организмов процесс репликации ДНК гораздо сложнее и включает дополнительные стадии.
Предрепликативный комплекс
Перед началом репликации ДНК в ядре клетки собирается специальный белковый комплекс. Он включает различные ферменты, в том числе важнейший – ORC-комплекс.
ORC-комплекс определяет участки на хромосомах, где будут запускаться процессы репликации.
Лицензирование ориджинов
ORC-комплекс как бы "лицензирует" участки хромосом, от которых начнется репликация. Эти области получили название репликационных ориджинов.
В клетках млекопитающих насчитывается порядка 100 000 ориджинов репликации.
Формирование репликонов
После "лицензирования" ориджинов от них в обе стороны начинают распространяться участки, активно вовлеченные в репликацию. Их называют репликонами.
Репликоны визуально формируют структуры, похожие на "пузыри".
Клеточный цикл и репликация ДНК
Регуляция на уровне клеточного цикла
Репликация ДНК жестко связана с клеточным циклом эукариот. Она происходит исключительно в интерфазе, на этапе синтеза ДНК (S-фаза).
Переход между фазами клеточного цикла контролируется специальными регуляторными белками – циклинами и циклин-зависимыми киназами.
Контрольные точки клеточного цикла
В клеточном цикле есть несколько контрольных точек. Они проверяют, завершены ли корректно предыдущие процессы, прежде чем дать старт следующим.
Одна из важнейших контрольных точек находится между G1 и S фазами. Она блокирует вход в S фазу, если хромосомы повреждены.
Последствия ошибок репликации ДНК
Если в процессе репликации ДНК все же происходят ошибки, клетки запускают специальные механизмы репарации – исправления повреждений.
Небольшие повреждения репарируют ферменты типа ДНК-полимераз. При серьезных поломках включается сложная система NER.
Скорость репликации ДНК
Скорость репликации может варьировать в разных тканях и на разных стадиях жизни.
У млекопитающих в эмбриональном периоде она выше, чем у взрослого организма – до 1000 нуклеотидов в секунду.
Теломеры и теломераза
Теломеры - это защитные участки ДНК на концах хромосом эукариот. Они защищают важные гены от потери при многократных репликациях.
Из-за особенностей репликации после каждого копирования теломеры укорачиваются. Чтобы восстановить их, в клетках есть фермент теломераза.
Теломераза удлиняет теломеры, добавляя к ним необходимые участки ДНК.
Репликативное старение клеток
После определенного числа делений активность теломеразы падает. Из-за укорочения теломер клетки перестают делиться – наступает репликативное старение.
Раковые клетки и теломераза
Однако в раковых опухолях теломераза часто мутирует и становится гиперактивной. Это приводит к бесконтрольному делению клеток.
Ингибиторы теломеразы как противораковые препараты
Ученые пытаются создать лекарства - ингибиторы теломеразы. Они могли бы остановить патологически активные деления в опухолях.
Главная сложность - отключать теломеразу только в раковых клетках, не затрагивая здоровые ткани организма.
Полуконсервативность репликации ДНК
Эксперименты Мезельсона и Сталя
Механизм репликации ДНК как полуконсервативный был доказан в знаменитых опытах 1958 года американских ученых Мэтью Мезельсона и Франклина Сталя.
Они выращивали бактерии на "тяжелом" азоте, а затем переносили на "легкий". Это позволило при последующем центрифугировании разделить старую ДНК от новосинтезированной.
Результаты эксперимента однозначно показали, что каждая новая двойная спираль ДНК содержит по одной родительской цепи.
Модель консервативной репликации
Существовала и альтернативная модель - консервативный механизм. Согласно ей, все старые цепи оказывались в одной двойной спирали, а все новые - в другой.
Однако опыты Мезельсона и Сталя опровергли эту гипотезу.
Модель дисперсионной репликации
Была и еще одна модель репликации - дисперсионная. В ней предполагалось, что цепи ДНК после копирования смешаны и состоят из фрагментов как новых, так и старых.
Но результаты Мезельсона и Сталя также противоречили этой гипотезе.
Синтез лидирующей и отстающей цепей
Направленность синтеза ДНК
ДНК-полимераза может синтезировать цепь ДНК только в направлении 5'→3'. Однако одна из цепей матрицы идет в направлении 3'→5'. Это противоречие решается за счет одновременного синтеза двух цепей.
Непрерывный синтез лидирующей цепи
Лидирующая цепь синтезируется непрерывно, поскольку направление ее роста совпадает с движением репликационной вилки вдоль матрицы.
Фрагментарный синтез отстающей цепи
Отстающая цепь растет в обратную от движения вилки сторону. Поэтому ее синтез идет фрагментами, образуя участки Оказаки. Затем фрагменты соединяются.
Регуляция скорости синтеза
Скорость синтеза лидирующей и отстающей цепей ДНК сбалансирована, чтобы весь процесс шел с оптимальной скоростью около 1000 нуклеотидов в секунду.
Этот показатель может варьировать на разных стадиях клеточного цикла и в разных тканях.
