Több

DNS-replikáció - geotudományok

DNS-replikáció - geotudományok


fejlesztési készségek

  • még át kell írni

Általános folyamatok

A DNS-replikációhoz három folyamatra van szükség: a megindítás, inicializálás a replikáció, a megnyúlás az új DNS tényleges másolása során, és felmondás a folyamat. Ezek mindegyike az enzimek és a DNS makromolekula közötti reakciókból áll. És mindegyiket pontosan végre kell hajtani két azonos DNS-szál előállításához.

A DNS-replikáció fontossága oda vezetett, hogy azt alaposan tanulmányozták a sejtekben, kémiai reakciókként replikálták a kísérletekben, és molekuláris szinten modellezték. A DNS-replikáció alapfolyamatai hasonlóak a baktériumoknál, az archeáknál és az eukaryáknál, bár a folyamatok részleteiben jelentős különbségek vannak. Az alábbi szöveg általában az iniciáció, megnyúlás és végződés folyamatát írja le, majd az élet három területe, valamint az organellumok (plasztidák és mitokondriumok), a plazmidok és a vírusok DNS-jének néhány kulcsfontosságú különbségét tárgyalja.

Kezdjük azonban a megnyúlási folyamat két gyönyörű animációjával (egy eukarióta sejtben), egy nagyon részletes molekuláris szimuláció alapján. Az első videó a teljes folyamatot mutatja, a második pedig a DNS új szálának felépítését mutatja be. A videókban bemutatott folyamatokat spontán kémiai reakciók okozzák, amikor a megfelelő molekulák a sejtek megfelelő helyén vannak jelen. Az evolúció több milliárd év alatt hozta létre ezeket a lenyűgöző molekuláris gépeket.

Megindítás, inicializálás

A DNS-replikáció megindulása egy specifikus nukleotidszekvencián történik, amelyet replikációs origónak nevezünk. Minden kromoszómán legalább egy replikációs origó van, így másolható. A replikációs origó kötési helyet biztosít a specifikus fehérjék számára, amelyek megkezdik a replikációs folyamatot. Ezek a fehérjék fontosak ahhoz, hogy a DNS egyszálú régiói replikációhoz hozzáférhetővé váljanak. A kromoszóma DNS tipikusan a hisztonok köré (eukariótákba és archeákba) vagy hisztonszerű fehérjékbe (baktériumokba) van tekerve, és szuper tekercsben, vagy nagymértékben tekerve és csavarva magában. Ez a csomagolás hozzáférhetetlenné teszi a DNS-molekulában található információkat. Az enzimek azonban megváltoztatják a kromoszóma alakját és szupertekercselését. A helikáz nevű enzim ezután elválasztja a két DNS-szálat a nitrogén-bázispárok közötti hidrogénkötések megszakításával. Amint a DNS megnyílik, Y alakú szerkezetek képződnek, amelyeket replikációs villáknak nevezünk. Két replikációs villa képződik a replikáció kezdetén, az egyik a kromoszóma mentén mindkét irányba néz. Ez lehetővé teszi a kromoszóma mindkét irányban történő másolását. Az egyes replikációs villák közelében lévő DNS-t egyszálú kötő fehérjékkel vonják be, hogy megakadályozzák az egyszálú DNS visszatekerését kettős spirálba.

Miután az egyszálú DNS hozzáférhető a replikáció kezdetén, kötődik egy speciális RNS-szekvenciához, az úgynevezett primerhez, amely megfelelő kémiai környezetet biztosít a komplementer DNS-szálak előállításához. Ezután megkezdődhet a DNS-replikáció, konkrétan a megnyúlás folyamata.

Ha a kromoszómák egynél több replikációs origóval rendelkeznek, ami gyakori az eukariótákban és az archeákban, akkor az iniciáció több helyen is előfordulhat, és több replikációs villa pár keletkezhet.

Megnyúlás

A komplementer DNS-szálat az eredeti vagy templát DNS-szálhoz egy DNS-polimeráz nevű enzim adja. A DNS-polimerázt egy enzim tartja a helyén, amely csúszó bilincsként működik; megfelelő távolságban tartja a DNS-polimerázt a villától, és megkönnyíti az egyetlen DNS-szál átjutását a polimerázhoz. Amint a DNS áthúzódik, a DNS-polimeráz hozzáadja a megfelelő nukleotidot a templátszál mindegyikének kiegészítésére. Ezen nukleotidok hozzáadása energiát igényel. Ezt az energiát az egyes nukleotidokhoz (trifoszfát-nukleotidokhoz) kapcsolt foszfátcsoportokban lévő kötések megszakításával nyerik. Amikor a foszfátok közötti kötés megszakad, difoszfát szabadul fel az energiával együtt, amely lehetővé teszi a kovalens kötés kialakulását a bejövő nukleotid és a növekvő DNS-szál között.

A DNS-polimeráz csak egy meghatározott irányban tudja meghosszabbítani a DNS komplementer szálát, amelyet a nitrogénbázishoz kötött pentózcukor- és foszfátcsoportok geometriája határoz meg. Ez az aszimmetria problémát vet fel a replikációs villán. A DNS kettős spirál párhuzamos; vagyis az egyik szál egy irányba, a másik pedig az ellenkező irányba irányul (lásd A DNS felépítése és működése). A replikáció során egy komplementer szál folyamatosan szintetizálható, mivel elhagyja a replikációs villát, mert a polimeráz ebben az irányban adhat hozzá nukleotidokat. Ezt a folyamatosan szintetizált szálat vezető szálnak nevezik. A másik szálnak ellenkező irányban kell növekednie. Ehhez meg kell, hogy a polimeráz lemásolja az eredeti DNS-szál egy részét, majd visszaugrik a replikációs villa felé, hogy megkezdje a bázisok hozzáadását egy új primerhez. Add hozzá a bázisokat, amíg bele nem ütközik a korábban szintetizált szálba, majd újra visszalép (hivatkozás videóra, ábrákra). Ezek a lépések kis DNS-szekvencia fragmenseket eredményeznek, mindegyiket RNS primer választ el. Az új DNS ezen szegmensét elmaradó szálnak nevezzük. Az RNS-primereket a megnyúlási folyamat egyik utolsó lépéseként DNS-re cseréljük.

Megszüntetés

Miután a teljes kromoszóma megismétlődött, a DNS-replikációnak le kell állnia. Bár a replikáció megindításáról sokat tudni, a terminációs folyamatról kevésbé, a baktériumok és az eukarióták esetében ez más. Körkörös kromoszómákkal rendelkező szervezeteknél (a legtöbb baktérium és Archaea) a megnyúlási folyamat leáll, ha két replikációs villa találkozik egymással. Ha csak egy replikációs origó van a kör alakú kromoszómán, akkor a két villa találkozik egymással, miután a teljes kromoszómát lemásolták. Az új kromoszómák azonban egymásba vannak kapcsolva, ezért meg kell őket bontani, hogy elkülönüljenek egymástól, és a végeket össze kell kapcsolni a kör megreformálásához. Lineáris kromoszómával rendelkező szervezeteknél a végződés akkor következik be, amikor vagy két replikációs villa találkozik, vagy a kromoszóma végét elérjük. Amikor a replikációs villa eléri a lineáris kromoszóma végét, nincs hova hozzáadni egy primert a lemaradt szálhoz a kromoszóma végének másolásához. Így a sablonszál végei párosítatlanok maradnak, és az idő múlásával a kromoszómák fokozatosan rövidülhetnek, ahogy a sejtek tovább osztódnak.

Változások a DNS-replikációban

A DNS-replikáció az élet mindhárom területén - a baktériumokban, az Archaea-ban és az Eukarya-ban - hasonló folyamatot követ, tekintve, hogy genetikai markerrel rendelkezik a replikáció kezdete, a megnyúlás hasonló mechanizmusai és a befejezés szükségessége szempontjából. A replikációt végző tényleges enzimek azonban mutatnak bizonyos változásokat az evolúciós történetükhöz kapcsolódóan. A csúszó bilincset alkotó enzimeket kódoló gének mindhárom tartományban nagyon hasonlóak (Bell, 2017), ami azt sugallja, hogy a DNS megismétlésének alapvető folyamata minden élet utolsó közös ősében alakult ki. Ezzel szemben a DNS-replikációban részt vevő többi gén többsége hasonló Archaea és Eukarya esetében, de különbözik a baktériumoktól (Bell, 2017). A baktériumok és az Archaea / Eukarya közötti különbségek összhangban állnak a csoportok közötti evolúciós kapcsolatokkal, amelyek arra utalnak, hogy az Archaea és az Eukarya szorosabban kapcsolódnak egymáshoz, mint a baktériumokhoz.

A plazmidok és vírusok DNS-replikációt is igényelnek a szaporodáshoz. Hiányzik a gén, hogy saját replikációs enzimeket készíthessenek, ezért a DNS-replikációhoz a gazdasejtekre támaszkodnak.

Baktériumok

A DNS-replikációt baktériumokban jól tanulmányozták, elsősorban a genom és a rendelkezésre álló mutánsok kis mérete miatt. E. coli 4,6 millió bázispárral (Mbp) rendelkezik egyetlen körkörös kromoszómában, és mindegyik kb. 42 perc alatt replikálódik, egyetlen replikációs origóból kiindulva és a kör körül haladva mindkét irányban. Ez azt jelenti, hogy másodpercenként hozzávetőlegesen 1000 nukleotidot adnak hozzá. A folyamat meglehetősen gyors és kevés hibával történik.

Archaea

A legtöbb archeának egyetlen kör alakú kromoszómája is van, de a DNS-replikáció folyamatait kevésbé tanulmányozzák. Az Archaea DNS-replikációjához szükséges enzimek hasonlóak az Eukarya-enzimekhez, de általában egyszerűbbek (Bell, 2017). Az archeális kromoszómák többségének egynél több replikációs origója van, és az eddigi dokumentált négy maximális. Általában lényegesen több kutatást kell elvégezni annak megértésére, hogy az archeák hogyan működnek sejtként.

Eukarya és Organelles

Az eukarióta genomok sokkal összetettebbek és nagyobbak, mint a bakteriális és archeális genomok, és jellemzően több lineáris kromoszómából állnak. Az emberi genomhoz például 6 milliárd bázispár inszertálása szükséges a replikáció során. Mindegyik eukarióta kromoszómán többszörös replikációs origó van; az emberi genom 30 000-50 000 replikációs eredetű. A replikáció sebessége körülbelül 100 nukleotid / másodperc - 10-szer lassabb, mint a baktériumok replikációja.

Az eukarióta kromoszómák lineárisak, ami azt jelenti, hogy végeik valamikor párosítatlan bázisokat tartalmaznak. Így idővel fokozatosan rövidülhetnek, ahogy a sejtek tovább osztódnak. A fontos információk elvesztésének megakadályozása érdekében a lineáris kromoszómák végei nem kódoló, telomereknek nevezett ismétlődő szekvenciákból állnak. A telomerek megvédik a kódoló szekvenciákat az elveszéstől, mivel a sejtek tovább osztódnak. Emberben a telomerek egy 100 bázis-pár sorozat TTAGGG 100-1000 ismétléséből állnak. Van egy specifikus enzim, amely ehhez a szekvenciához kapcsolódik a DNS templát végén a lemaradó DNS szálhoz, és kiterjeszti egy RNS templáttal. Miután a lemaradt szál templát elég hosszú ahhoz, hogy a DNS-polimeráz áttérjen egy új primerre, a polimeráz befejezheti a komplementer nukleotidok hozzáadását a kromoszóma végéhez.

Emberekben a telomeráz jellemzően a csíra sejtekben és a felnőtt őssejtekben aktív; felnőtt szomatikus sejtekben nem aktív, és összefüggésbe hozható e sejtek öregedésével. Az eukarióta mikrobák, beleértve a gombákat és a protozoonákat is, telomerázt termelnek a kromoszóma integritásának fenntartása érdekében. A telomeráz felfedezéséért és működéséért Elizabeth Blackburn (1948–) 2009-ben megkapta az orvostudományi vagy élettani Nobel-díjat.

Sejtszervecskék

Az eukarióták DNS-t is tartalmaznak organelláikban. Ezt az orDNS-t olyan baktériumoktól örökölték, amelyek az ősi ősöket a modern eukariótákhoz egyesítették egy endoszimbiózisnak nevezett folyamat révén. Több száz millió év alatt a baktérium gének egy része átkerült a gazdasejtekbe, néhány elveszett, és mindegyik úgy alakult ki, hogy véglegesen bezárkózott egy másik sejtbe. Az egyik legfontosabb folyamat, amely az ősöktől az organellákon át a gazdasejtekbe került, a DNS-replikáció volt. Az orDNS replikációját a mag génjei szabályozzák, annak ellenére, hogy az orDNS replikációja nem feltétlenül van összehangolva a nukleáris DNS replikációjával. A replikációs folyamat az organizmusok között is változó, részben az endoszimbiózis eseményeket követő különböző eukarióta vonalak eltérő evolúciós útjainak köszönhetően. Összességében az orDNS replikációját a tudósok kevésbé értik, mint a nukleáris DNS replikációt (lásd: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2015.00883/full), annak ellenére, hogy kritikus a legtöbb eukarióta működéséhez.

Plazmidok és vírusok

A plazmidok és a DNS-vírusok a gazdasejt DNS-replikációs folyamataitól függnek a DNS -ük replikálásához. A plazmidok a kettős szálú DNS kis kör alakú molekulái, amelyek külön vannak a gazdasejtek fő kromoszómájától. Általában egy vagy két nem esszenciális gént tartalmaznak, például az antibiotikumokkal szembeni rezisztenciát, és a DNS replikációjához szükséges egyik gént sem. Tehát a gazdasejt kromoszómáiban lévő génekben kódolt enzimektől függnek a DNS -ük replikálásához. A plazmidoknak megvan a saját replikációs kezdetük a DNS-replikáció megindításához, de csak akkor replikálódnak, ha a gazdasejt enzimjei felismerik a replikáció kezdetét. Mivel a replikáció kezdete különböző kódoló szekvenciákkal rendelkezik a baktériumokban, az archeákban és az eukaryákban, a plazmidok általában az élet egy területére vagy akár az organizmusok kisebb részcsoportjára is specifikusak. Ezenkívül néha a replikációs folyamat másként halad, mint a kromoszóma-DNS esetében, az egyik DNS-szálban lévő nickkel indul, és külön meghosszabbítja a két szálat.

A vírusok a gazdasejtjük replikációjához szükséges enzimektől is függenek. Egyes vírusok DNS-t tartalmaznak, míg mások RNS-t tartalmaznak. A DNS-vírusok nem tartalmazzák a DNS-replikációs enzimek összes génjét. Így támaszkodnak a gazdasejtjük sejtmechanizmusára, hogy több vírusrészecskét állítsanak elő, és többféle módszert alkalmaznak a gazdasejtek DNS-replikációjához való csalására. Az RNS-vírusok könnyebben képesek megismételni genetikai kódjukat, mivel az RNS reaktív molekula, és nem igényli a DNS-replikációhoz elengedhetetlen iniciációs, megnyúlási és terminációs folyamatokat. A vírusokkal kapcsolatos további információkért lásd: A vírus életciklusa.

További információk és hivatkozások

Bell, S.D., 2017. 5. fejezet - A DNS-replikáció megindítása az Archeában, H. Masai, M. Foiani (szerk.), DNS replikáció, A kísérleti orvostudomány és a biológia fejlődése 1042, https://doi.org/10.1007/978-981-10-6955-0_5

Az oldal tartalma, beleértve az ábrákat is, a Mikrobiális genomika mechanizmusainak 11.2. Fejezetéből származik, és a CC BY-NC-SA 3.0 licenc alatt van.


DNS-replikáció: hogyan lehet jól elvégezni a munkát néhány óra alatt

Gondolj egy sejtre, az életben van, és többek között azért is él, hogy reprodukálja önmagát. A sejtosztódás paradigmája a mitózis, egy csodálatos tánc, amelyet az anyasejt birtoklásának egyenletes elosztása céljából szerveznek: a molekulaszerkezetek, a gépek és különösen a genetikai anyag. A terjesztés előtt a jó anya mindig vagyont halmoz fel. Az interfázisban (a két mitotikus esemény közötti időtartamban) egy sejtnek általában meg kell nőnie, és teljesen meg kell duplikálnia genetikai anyagát, mielőtt megengednék az osztódást. Elég sok molekulaszerkezet és gép létrehozása a leánysejtek kezdeti életének támogatásához. De nagy hűséggel megismételni a több kromoszómába csomagolt hatalmas mennyiségű DNS-t a szinkronossággal és az általuk végrehajtott szigorú időbeli programmal, óriási és hihetetlen feladat.

1. ábra Sejtciklus. Az interfázis G1, S és G2. | Hitel: http://www.bdbiosciences.com

A DNS-replikációt S fázisban hajtjuk végre. Az egyes kromoszómák mentén elosztva több száz replikációs origóban kezdődik, bár ennek a folyamatnak az előkészítése jóval korábban, az előző telofázis végén történik, az előre replikatív komplexek összegyűjtésével a replikációs origóban (2. ábra). Más tényezők szekvenciális hozzáadása a G1-fázis alatt befejeződik a DNS-polimeráz-összeállítással a replikációs origóban az S-fázis kezdetén, kétirányú DNS-replikációval, amíg a replikációs villa találkozik a szomszédokkal. Azonban nem minden replikációs eredet kezdi meg a munkát, és azok, akik ezt megcsinálják, nem lőnek egyszerre. Néhány replikációs origócsoport, az úgynevezett „replikon-klaszterek”, mivel együtt indulnak, a replikációt korábban kezdik, mint mások az S-fázis alatt. Vannak korai és késői replikációs klaszterek, és meg vannak nevezve gyújtásuk koordinációja a replikáció-időzítő program. A replikáció-időzítő program robusztus és örökölhető. köztudott, hogy sok genetikai betegségben rendezetlen, bár egyelőre fogalmunk sincs a biológiai jelentőségének mélységéről, még kevésbé tudunk azokról a mechanizmusokról, amelyek a genom teljes skáláján olyan finoman replikálódnak 1

2. ábra Az elő-replikáció és az iniciáció előtti fehérjekomplexek összeszerelése. Az eredetfelismerő komplexum (ORC) egy platform a replikáció előtti komplexek összeállításához. Metazoanokban a kromatinhoz kötött ORC toborozza a CDC6-ot és a CDT1-et Telophase-től G1-fázis átmenetig, megkönnyítve egy MCM-ből álló helikáz-komplex betöltését, és ezzel előreplikációs komplexet (PreRC) eredményezve. A PreRC aktiválódik az előzetes beavatási komplex (PreIC) létrehozására további tényezők toborzásával, beleértve a CDC45, SLD2–3, DPB11, a GINS komplexet (SLD1 és PSF1–3) és az MCM10. A S-fázis alatti DNS-replikáció megkezdéséhez meg kell adni a PreRC komponenseinek ciklin-függő kinázokkal és DBF4-függő kinázokkal történő foszforilezését, valamint DNS-polimerázok (Pol) toborzását a PreRC-be az előzetes iniciációs komplex (PreIC) kialakításához ). A replikáció (PostRC) után az pre-IC összes komponense, néhány ORC alegység kivételével, elhagyja a kromatint. A PostRC DNS nem tudja újra megindítani a replikációt, amíg új PreRC komponenseket nem toboroznak a kromatinba. | Hitel: Aladjem, M. I. Replikáció összefüggésben: DNS replikációs minták dinamikus szabályozása metazoanokban. Nat. Rev. Genet. 8, 588–600 (2007)

Mivel a replikációban részt vevő molekuláris komponensek meglehetősen konzerválódnak az élet fáján keresztül, néhány modell felemelkedett, és megpróbálta megmagyarázni a replikációs gyújtási szekvenciában megfigyelhető nagy változatosságot a különböző szervezetek között. Ez sokáig zavarba ejtette a biológusokat: egyes iniciációs helyek csak a sejtciklusok töredékében gyulladnak meg, míg mások mindig tüzet okoznak, de ezen sztochaszticitás között reprodukálható sejtciklus keletkezik. Továbbá, míg egyes organizmusok véletlenszerű iniciációs helyet mutatnak, mások jól definiált iniciációs helyet választanak, és a legtöbb metazoa ezeknek a szélsőségeknek a közepén oszlik el. Ezért ez a kérdés: Hogyan eredményeznek sztochasztikus iniciációs események egy teljes genom replikációt egy ilyen pontos, determinisztikus, de plasztikus és szabályozható sejtciklusban? Ne felejtsük el, hogy a replikáció egyidejűleg történik a transzkripció szintjével, amely szükséges egy aktív sejt élettartamának támogatásához, amely metabolikusan képes alkalmazkodni a változó környezethez és / vagy fejlődési folyamatokon megy keresztül.

Az elmúlt évtizedekben számos genomjellemző kapcsolódott a replikáció-időzítés programjának szabályozásához. Valójában a Hi-C használatával (itt talál további információt erről a technikáról) azt figyelték meg, hogy azok a genomrégiók, amelyek jellemzően egyidejűleg replikálódnak, általában 3-dimenziósan közel vannak (3. ábra). De nemcsak a kromatin 3D-s szerkezete tűnik fontosnak. Korábbi vizsgálatok összefüggésben álltak a korai DNS-replikációs iniciációval különböző genomi tereptárgyakkal: GC-ben gazdag régiók, génekben gazdag régiók, G4-quadruplexek (négyszálú struktúra kialakítására képes guaninban gazdag szekvenciák) és transzkripcióval aktív régiók (transzkripció kezdő helyekként említve): TSS).

3. ábraA replikáció időzítése megegyezik a 3D kromatin szűkület adataival. A) A 10. kromoszóma Hi-C modellje (Hi-C – pozitív értékek = nyitott) a replikációs időzítés profiljaival (A replikáció időzítési aránya Y = log (korai / késői) a limfoblastoid sejtvonalon (Lymph RT) és az emberi embrionális száron sejtvonalak, (BG02ES RT BG02NP RT) B) A replikációs időzítés és a Hi-C kromatin interakciós modell közötti korreláció az egyes kromoszómákon. C) Spekulatív modell, amely szintetizálja a fogalmakat. | Hitel: Ryba, T. és mtsai. Az evolúciós szempontból konzervált replikációs időzítési profilok nagy távolságú kromatin kölcsönhatásokat jósolnak, és megkülönböztetik a szorosan kapcsolódó sejttípusokat. 761–770 (2010). doi: 10.1101 / gr.099655.109.2005

A megfigyelhető replikációs időzítési program szabályozását magyarázó többszörösen beállítható paraméterekkel rendelkező matematikai modellek növekvő komplexitása közepette Yevgeniy Gindin és munkatársai egy redukcionista modellezési megközelítést hoznak, amely nemcsak a reprodukció időzítését, hanem a dinamikus replikáció időzítését is megjósolni próbálja emberi sejtek programja. A korábbi matematikai modellektől eltérően, szintén pontosak és megerősítettek, amelyek időfüggő paramétert vezettek be az instabilitás elkerülése érdekében az S-fázis időtartamában. A Gindin-féle redukcionista megközelítés időfüggetlen bemenetet használ, amely rendkívül hasonló leolvasást biztosít. Ebben a legutóbbi cikkben a javasolt mechanisztikus modell csak két biológiai jelentőségű inputot tartalmaz. A fő paraméter az IPLS (iniciációs valószínűségi táj), a genomi mérföldkő azon attribútumának skálázott értéke, amely megkeresi az iniciációs helyet. A másik paraméter a replikációs villák száma (N). Alapvetően egy szimulációról van szó, amely a következőképpen működik (4A. Ábra): A szimulált sejtek lehetnek nem replikálódó vagy replikációs állapotban, és az átmenet az elsőből a másodikba véletlenszerűen történik. Amikor egy virtuális cella replikatív állapotban van, a replikációs villák véletlenszerűen kiválasztanak egy genom régiót (a modellben a választás tereptárgyának megfelelően), és az IPLS által beállított valószínűséggel kötődnek. Ha a valószínűség lehetővé teszi a kötődést, akkor a replikáció kétirányúan megy tovább, ameddig a korlátozott replikációs sebesség megengedi, és újraindítja a folyamatot, amíg a genom meg nem replikálódik. Valahányszor a genom megismétlődik, a sejt nem replikálódó állapotba kerül, és a szimuláció befejezéséig megismétli a folyamatot. Ezután kiszámítják az R-értéket, mint Pearson-féle korrelációt a szimulált és az empirikus adatok között (4B. Ábra), valamint a replikációs idő profilját (pl .: 4C. Ábra). Ez a matematikai modell lehetővé teszi annak tesztelését, hogy az egyes különböző genom régiók melyik részt veszik a DNS-replikációs iniciáció szabályozásában, jobban illeszkedik a kísérletileg megfigyelt adatokhoz.

4A. Ábra A szimuláció aszinkron cellák millióiból áll (Monte Carlo szimulált sejtciklusok). A) A DNS-replikáció-időzítési profil meghatározása érdekében a sejtpopulációt először DNS-tartalom szerint szétválasztjuk hat rekesz egyikébe. A DNS-replikációs időt minden egyes genomiális pozícióra (500 bp felbontás) kiszámítjuk úgy, hogy vesszük a DNS-tartalom edényszámának szorzatát és az egyes tartályokban található genomkoordináták előfordulásainak számát. A vizualizálás érdekében a DNS-replikáció időzítését ábrázoljuk a genom helyzetének függvényében. 4B. Ábra Szimulált és empirikus DNS-replikációs időzítés a 12. kromoszómára (R-érték = 0,94). A szimulált replikációs időzítési hozzárendelést az y tengelyre, a kísérletileg levezetett hozzárendelést az x tengelyre adjuk meg. 4C. Ábra. A DNase-HS helyeken (piros) alapuló szimuláció nagy pontosságú replikációs időzítési előrejelzéseket hoz létre, amelyek hasonlóak két kísérleti adatkészlet, a Hansen adatkészlet (Han zöld színnel) és a Ryba adatkészlethez (Ryb kék színnel). A 14. kromoszóma adatait mutatjuk be: hosszú, míg a jobb felső sarokban sötétebbre színeződött DN-HS-helyek sűrűsége x-ax, a korreláció R-értékei összehasonlítják az adatkészleteket. | Hitel: Gindin et al. (2014)

Így, Gindin et al. tesztelte a genomikus jellemzők prediktív erejét, összehasonlítva a modellezés eredményét a Hansen által közzétett emberi replikációs időzítési adatokkal (Hansen és mtsai, 2010) és (Ryba és mtsai, 2012). Összehasonlítva a különböző genomi tereptárgyakat, mint a GC-ben gazdag régiók, a G4-quadruplexek és a TSS a kísérleti adatokkal, azt találták, hogy ennek a modellnek az egyszerűsége mellett is jó volt a jóslat a TSS-re (átlagos korreláció: R = 0,69), míg egy kicsit kevésbé prediktív a többi szolgáltatásra. Mindenesetre a fenti genomi tulajdonságok viszonylag hasonlóak a vizsgált emberi sejtvonalakon belül, és nehéznek tűnt, hogy meg tudják magyarázni az említett sejttípusoknál megfigyelt replikációs-időzítő program rugalmasságát. Ezután dinamikusabb tereptárgyakat keresve, amelyek megmagyarázhatják az időzítés plaszticitását, az ENCODE Project adatait felhasználva új IPLS-eket hoztak létre. A legjobban illeszkedő IPLS (r = 0,87) a DNase-HS helyeken (4B. Ábra) alapul, amelyek olyan genomrégiók, amelyek jól hozzáférhető DNS-sel rendelkeznek, ezért rendkívül érzékeny a nukleázok általi hasításra. Szintén jó modelleket vezettek le az aktív kromatin egyéb markereiből, például H3k9ac-ból (Histone 3 acetil-lizin 9), H3k4me2 (Histone 3-dimetil-lizin 4) vagy transzkripciós faktort megkötő régiókból származó IPLS-ekből. De mindenesetre csak a DNase-HS helyek tartják meg a pontosságot, hogy páros összehasonlításban megjósolhassák az átfedő régiók kivonása után.

Tekintettel a genomikus annotációk teljességére vonatkozó lehetséges korlátozásokra és egy modellre, amelynek csak egy hangolható biológiai paraméter van a bemenete, egy ilyen jó illesztés rámutathat a rendszer nagyfokú robusztusságára. Annak tesztelésére, hogy ez történt-e, véletlenszerűen eltávolították a DNase-HS helyek 75% -át a modellből anélkül, hogy befolyásolták volna a predikció szintjét. Ezért ennek a munkának az egyik fő általános következtetéséhez vezetve, és megerősítve a korábbi modellek által már javasoltakat: a replikáció-időzítés program egy feltűnő jelenség, tehát nem az egyes helyszínektől függ, hanem a kollektív hozzájárulástól. Ezenkívül még váltogatják a valószínűség-hozzárendelési függvényeket az IPLS-ben, és nem kapnak jelentős változásokat az előrejelzésben. Az utolsó egy második fontos pontot ad: a replikáció-időzítő programot vezérlő fő szereplő az, hogy a helyek PreRC-szerelvények voltak-e (2. ábra), de nem a kétirányú replikációs villa által történő replikációs kezdeményezés. Valójában, miután megtalálták a megfelelő tereptárgyat (ebben az esetben a Dnase-HS-t), az időzítés megjósolható volt más metazoa sejtvonalakban, miután kivonták a landmark attribútumot a rendelkezésre álló genomadatbázisokból. Még egy adott limfoblasztos sejtvonalnál megjelenő aberráns ciklust is reprodukáltunk, miután bevezettük a modellbe a DNase-HS helyek újraeloszlását az őket jellemző kromoszóma transzlokáció miatt.

Mindez erősíteni látszik azt az elképzelést, hogy a beavatási tüzelési szekvencia amellett, hogy sztochasztikus folyamat, globális pontosságát, plaszticitását és szabályozását nyerheti a strukturális tipológiából, amely a gének munkájához szükséges elrendezésből fakad. Ezért a mérlegelés alatt, amely váratlanul felbukkanó jelenség lenne, valami, ami nem részeinek összessége. Ennélfogva nehéz lett volna kimutatni a klasszikus nedves tudomány alkalmazásával a nagy áteresztőképességű technikákkal nyert adatok matematikai modellezése nélkül. Felfedik azt a rejtélyt, miszerint az élő sejtek egy szigorú, de szintén beállítható időbeli programmal néhány óra alatt képesek csaknem háromezer megabázisú genom lemásolására. A kialakuló jellegének megismerése, azon kívül, hogy rávilágít a folyamat molekuláris mechanizmusára, minden bizonnyal egy parancsikon a sok rendellenes sejtproliferációból eredő betegség viselkedésének megértéséhez.


DNA and Design - írta Timothy G. Standish

Képzelje el, hogy sétál a parton, és rábukkan a homokba írt „Romeo szereti Júliát” szavakra. A legtöbben tapasztaltunk ilyesmit, és nem lepődnénk meg, de a legtöbben meglepődnének, ha megtalálnák William Shakespeare darabjának teljes szövegét Rómeó és Júlia homokba írva. Miért ez? A nyilvánvaló ok az, hogy a homok nem megfelelő anyag a nagy írási projekteknél. A homokszemek könnyedén mozognak, és a benne írt szöveg gyorsan elpusztul (1. ábra). Mielőtt az első felvonás teljesen homokba lett írva, a kezdet eltűnik, ha fúj a szél, vagy hullámok mossák át.

1. ábra: A tengerparti homok romantikus, de nem túl hatékony információ-tároló rendszer lehet.

Másrészt nem meglepő megtalálni Rómeó és Júlia papírra kiírva. Mivel kompakt és hosszú évekig tart, a papír kiváló anyag az információk tárolásához. Írhatnánk információkat más anyagokra - a történelem folyamán az emberek a szikláktól kezdve a juhbőrből készült pergamenig mindent felhasználtak adattároló adathordozóként -, de az olcsó, bőséges, hosszú élettartamú papír az egyik legjobb médiumnak bizonyult információk tárolása.

DNS - A stabil genetikai információ tároló közeg

A cellákban találunk egy olyan információs adathordozót, amely a papírhoz hasonlóan éppen megfelelő közegnek tűnik az általa tárolt információk számára, deoxi -ribonukleinsavnak vagy DNS-nek nevezzük. Az egyik oka annak, hogy a DNS kiváló tároló közeg a genetikai adatok számára, csodálatos kémiai stabilitása. A DNS évezredekig tarthat, miután egy szervezet elhunyt, és ez lehetővé tette számunkra, hogy leolvassuk a régóta kihalt organizmusok DNS-ét a neandervölgyi rokonainktól [1] a gyapjas mamutokig [2]. A kémiai stabilitás elengedhetetlen a DNS működéséhez. Ha instabil lenne, akkor az általa kódolt információ gyorsan lebomlik, mint a homokba írt információ.

DNS - hatékony adathordozó

Saját DNS-ünk szemlélteti a DNS egy másik lényeges tulajdonságát. Az emberi genom tartalmazza az összes DNS-t, amely a 23 emberi kromoszómába van csomagolva, amelynek két kópiája megtalálható a legtöbb sejtben, [3] valamint a mitokondriumban lévő DNS. A DNS sokkal hatékonyabban tárolja az információkat, mint a papírra nyomtatott szavak. Például az emberi mitokondriális DNS csak kb. 5,6 μm hosszú - a mondat végén lévő tipikus periódus átmérőjének körülbelül százada -, de papírként betűként kinyomtatva DNS-szekvenciája körülbelül 6 oldalt foglal el. Hasonlóképpen, a teljes emberi genom körülbelül egy méter hosszú, de körülbelül millió oldalra van szüksége a kinyomtatásához! Egyértelmű, hogy egymillió oldal nem fér el egy sejt belsejében, de mindez az információ elfér a sejt apró sejtmagjában, ha DNS-ben van kódolva. A DNS azon képessége, hogy információt tárol egy apró térben, az információsűrűség szempontjából a leghatékonyabb ismert információ tároló közeggé teszi.

DNS - Pontosan lemásolt táptalaj

A DNS kettős spirális szerkezete szintén csodálatos módon járul hozzá információ tároló közegként történő működéséhez. Amikor a sejtek többsége megoszlik, szükséges az „anya” sejtben lévő DNS teljes másolata, hogy minden „leány” sejt egy teljes másolatot kapjon az anyasejt DNS-jéről. Az információt a DNS-ben kódolják az úgynevezett nukleotid bázisoknak nevezett vegyi anyagok szekvenciáival. Ezek az alapok analógak azokkal a betűkkel, amelyeket információk megfogalmazására használunk, és az emberi genom teljes példánya körülbelül 3 milliárdot tartalmaz. Amikor az emberi sejtek megosztódnak, a kihívás az, hogy pontosan másoljunk 6 milliárd bázist, mert minden anyasejt két példányban tartalmazza az emberi genomot.

Az emberek egyetlen megtermékenyített petesejtként kezdenek, amely addig osztódik, amíg az ember el nem éri a felnőtt sejtek számát, ami körülbelül 37 billió. [4] Felnőttként sejtjeink tovább osztódnak és növekednek, miközben elveszítjük a régi sejteket, így testünk sejtjeinek milliói osztódnak naponta, és így az egyes sejtek DNS-jében lévő 6 milliárd bázis millióinak másolatát pontosan el kell készíteni. Bár a DNS-replikációk száma és az emberi genom 3 milliárd bázishossza lenyűgözőnek tűnhet, ez nem kivételes. Sok más organizmus, a kukoricától egyes szalamandrákig, jelentősen nagyobb genomokkal rendelkezik. A legnagyobb jelentett állatgenom a márványos tüskehalra vonatkozik, Protopterus aethiopicus, genomjában 139 milliárd bázis található, de még nagyobb genomú organizmusok ismertek. [5]

Amikor James Watson és Francis Crick közzétették 1953-ban készült alapdokumentumukat [6], amely felfedte a DNS kettős spirális szerkezetét a világ számára, azonnal megjegyezték, hogy a szerkezet a DNS pontos replikációjának mechanizmusát sugallja:

Nem kerülte el figyelmünket, hogy az általunk feltételezett speciális párosítás azonnal a genetikai anyag lehetséges másolási mechanizmusát sugallja.

2. ábra: A DNS kettős spirál szerkezete. A kép a Zephyris jóvoltából (CC BY-SA 3.0).

A Watson és Crick párosítás a már említett DNS-ábécé kémiai alapbetűire utal. Ezek a lapos molekulák a kettős spirál két szálához kapcsolódnak. Amint a kettős spirál két szála egymás körül teker, az alapok középpontba mutatnak, és nagyon meghatározott módon kölcsönhatásba lépnek egymással. A bázisok egyik osztálya, az adenin (A) és a guanin (G) purinbázisok viszonylag nagyok, míg a másik osztály, a timim (T) és a citozin (C) pirimidinbázisok kisebbek. Ezenkívül az ezen alapok felszínén levő töltések eltérő módon oszlanak meg. Emiatt és a DNS geometriája miatt, az alapok egymás felé mutatnak, az Adenin (A) a kettős spirál egyik szálán mindig párosul a timinnel (T) az ellenkező szálon és fordítva. Ugyanez vonatkozik a guaninra (G) és a citozinra (C). Így, ha A kettős spirál egyik szálán van A, akkor tudhatja, hogy a szemközti szálon van egy T, és ha az egyik szálon C van, akkor tudhatja, hogy a szemközti szálon G van.

Ha a kettős spirált kicsatoljuk az egyes DNS-szálak előállításához, akkor mindegyik szál a szemben lévő szál negatív másolatát tartalmazza. Amikor a DNS replikálódik, a DNS kettős spirál kipattintva van, és mindegyik szál szolgál templátként a másik szál pontos másolatának elkészítéséhez. Nyilvánvalóan vannak olyan komplex sejtmechanizmusok, amelyek ezt megvalósítják, de ha az egyik szál AGTCCGC szekvenciával rendelkezik, akkor az ellenkező szál pontosan rekonstruálható belőle TCAGGCG néven. [7] Így van, hogy a DNS szerkezete hozzájárul ahhoz a csodálatos módhoz, hogy szinte elképzelhetetlen sebességgel és pontossággal reprodukálható.

A DNS, mint a szervezetek genetikai anyagának eredete

Minél többet megtudunk a DNS-ről, annál jobban megfelel a sejteken belüli információ tároló közeg szerepének. Három ideális tulajdonságról beszéltünk, amelyekkel rendelkezik: 1) kémiailag stabil és így nem rontja le gyorsan a benne tárolt információkat, 2) a DNS elképesztően információsűrű, hatalmas mennyiségű információt tárol hihetetlenül kis mennyiségben. A DNS szerkezete hozzájárul ahhoz, hogy elképesztő sebességgel pontosan lemásolható legyen, ami akkor szükséges, amikor a sejtek osztódnak, hogy új sejteket állítsanak elő. A DNS-nek vannak más jellemzői is, amelyek ideálissá teszik, de ezek megvitatása fokozatosan technikásabbá válik, és ez a három elegendő a lényeg szemléltetésére. Lehet, hogy vannak más anyagok, amelyek meg tudják valósítani a DNS működését, de egyik sem ismert, amely megfelel a genetikai anyag minden követelményének, valamint a DNS.

Ez felveti a kérdést, hogy az organizmusok végül hogyan alkalmaztak DNS-t valamilyen alacsonyabb rendű molekula helyett a genetikai információk tárolására. A nyitott gondolkodású emberek számára legalább két lehetőség van, vagy a DNS-t választotta genetikai anyagnak valaki, aki tudta, hogy mit csinál, vagy a DNS-t genetikai anyagként választotta valami, amely nem tudta, mit csinál. Ez utóbbi álláspont a darwinizmus materialista meggyőződése. Hogyan működhetett ez? Tekintettel a DNS tulajdonságai és működése közötti csodálatos illeszkedésre, valamint az organizmusok által előállított különféle molekulákra, nehéz elképzelni, hogy a természet első próbálkozásával jutott el ehhez a megoldáshoz. Valaminek a kezdeti genetikai anyagnak kellett lennie, majd a genetikai anyag szükségességének különféle egyéb megoldásait kipróbálták, amíg a természetes szelekció a DNS lényegében ideális oldatára telepedett.

Jelentős probléma van ezzel a darwini forgatókönyvvel. Darwin rámutatott, hogy mechanizmusának működéséhez „számos, egymást követő, apró módosítással” kell haladnia. [8] A genetikai anyagok megváltoztatása azonban - még az érintett vegyi anyagok viszonylag kicsi változtatásával sem - valószínűleg nem csekély módosítás. a szervezet perspektívája. Egy hasonlat lehet, hogy megpróbálja kicserélni a számítógép merevlemezét papírra vagy kőzetbe vésett információra. Az információkat különböző mágneses állapotok formájában tárolják a merevlemezeken, az információk kinyeréséhez szükséges berendezéseknek meg kell egyezniük a tárolt adathordozóval. Így azok a fejek, amelyek merevlemezen olvassák a mágneses állapot változását, nem képesek tintát olvasni a papíron vagy kőbe vésett betűk. Ugyanez vonatkozik a sejtek által a sejtek genetikai anyagából származó információk kiolvasására használt berendezésre. Ma tanulmányozhatjuk a sejtekben található mechanizmust, és láthatjuk, hogy nem helyettesíthetünk másfajta molekulát a DNS-sel. Az olyan molekulák, mint a poliszacharidok, a trigliceridek vagy a fehérjék - amelyek mind természetesen a sejtek belsejében termelődnek - nem különösebben jó információ-tároló közegek, de még ha voltak is, nem olvassák őket a DNS-t olvasó gépek.

Azt is láthatjuk, hogy a különféle adathordozók olvasására képes eszközök összetett mérnöki kihívást jelentenek, de a több adathordozó elolvasásához elég rugalmas eszköz létrehozása nagyságrendekkel nehezebb. Éppen ezért, amikor az optikai meghajtókról az USB-meghajtókra történt átállás, nem próbáltak olyan rendszereket létrehozni, amelyek mind a számítógépeken belüli különböző eszközök által olvasott, mind pedig azokat olvasják. A több genetikai anyagot magában foglaló materialista forgatókönyv megvalósításához olyan mechanizmusokra van szükség, amelyek segítségével a különböző médiumokban tárolt információkat elolvashatják, amelyek valamiképpen előrevetítik az olvasás szükségességét, mielőtt felhasználnák őket. A valóságban a genetikai anyagok cseréjéhez, még a meglehetősen szorosan kapcsolódó vegyi anyagok közötti váltáshoz is szükség van egy koordinált változásra a sejtek belsejében lévő számos molekuláris gépben, ami minden rendszerben meglehetősen figyelemre méltónak tűnik, nemhogy egy olyan rendszerről, amely semmilyen módon nem irányítható.

Az alternatív elmélet, miszerint a DNS-t genetikai anyagként olyan személy választotta, aki tudta, mit csinál, összehasonlítható normális tapasztalatainkkal. Az egyik első dolog, amit a mérnökök mérlegelnek, amikor mérnöki problémával szembesülnek, a rendelkezésre álló anyagok, és döntés születik arról, hogy mely anyagok szolgálják a legjobban azokat a problémákat, amelyekkel foglalkozni kívánnak. Például egy autó motorjának tervezésénél egy mérnöknek olyan anyagokat kell használnia, amelyek ellenállnak a motor belsejében lévő hőnek és mechanikai igénybevételnek. A víz nem megfelelő anyag egy motorblokkhoz, és a fa vagy a beton sem bizonyos fémek nagyon jól működnek erre a célra, ezért ezeket a fémeket használják a leggyakrabban.A mérnökök ismerik a kidolgozott projekt specifikációit és a rendelkezésre álló anyagok specifikációit. Ezután a szükséges specifikációkat bemutató anyagot hozzáigazítják a projekthez. Ez a megfigyelés jól illeszkedik a DNS mint genetikai anyag megértéséhez, és jól megmagyarázható egy bölcs Tervező paradigmájában, aki ideális anyagot választott a genetikai információk tárolására az általa létrehozott organizmusokban. Megelégedve ezzel és sok más választással, így alkotása befejezésekor kijelenthette, hogy „nagyon jó” [9].

Nyilvánvaló, hogy az élőlényekben történő tervezés mellett érvet kell tenni a DNS mint genetikai anyag kiválasztása alapján, de mi van a DNS-ben kódolt információkkal? A keresztények úgy vélik, hogy Isten élőlényeket teremtett, és ez a legfőbb információforrás a genomokban. Ezzel szemben a legáltalánosabb alternatív eredetelmélet - a materialista darwinizmus - a genomikus információt véletlen mutációknak és természeti törvényeknek, különösen a természetes szelekciónak tulajdonítja. Vizsgáljuk meg a genomok két tulajdonságát, amelyek megvilágítják eredetüket és végső soron az élet eredetét.

A DNS-ben kódolt információk nagy része valóban szemét?

A genomok megértését visszatartotta az a rohanás, hogy a legtöbb genomot „szemétnek” nyilvánították. [10] Susumu Ohno, aki kitalálta a „szemét DNS” kifejezést, elegánsan kifejezte ezt a darwini nézőpontot:

"[A] ha a földet kihalt fajok kövületei vannak meglepve, vajon csoda, hogy genomunk is kihalt gének maradványaival van tele?" [11]

Sok DNS nem kódolja a fehérjéket, és sok biológus kezdetben azt feltételezte, hogy ezeknek a nem kódoló DNS-szekvenciáknak ezért hiányzik a funkciójuk. A logika így forrt le: "ha nem tudjuk, mit csinál, akkor semmit sem kell tennie". Számos adat azonban azt mutatja, hogy ez a logika hamis következtetéshez vezet: a nem kódoló DNS gyakran fontos funkciókat mutat be. Ez a megértés forradalmasította azt, hogy a biológusok miként tekintenek a genomokra. A funkcionális információ időnkénti oázisával rendelkező hatalmas sivatagok helyett a genomok ma inkább az információ esőerdőinek tűnnek, káprázatos génkészlettel, vezérlő mechanizmusokkal és logikai áramkörökkel.

A gének okosabbak, mint gondoltuk

A Beadle és Tatum által javasolt „egy gén, egy enzim” modell szerint (amelyért Nobel-díjat nyertek) mindegyik gén egyetlen fehérjét kódol, de most minden megváltozott. A jelenlegi becslések azt mutatják, hogy az embereknek kevesebb, mint 25 000 génjük van, de több mint 100 000 fehérje termelődik [12], így legalább néhány génnek képesnek kell lennie több fehérje előállítására.

3. ábra: A Pitx2 homeodoménjének NMR-szerkezete TAATCC DNS-kötő hellyel komplexben. PDB azonosító: 2LKX [Chaney, B. A., Clark-Baldwin, K., Dave, V., Ma, J., Rance, M. (2005). A K50 osztályú PITX2 homeodomén DNS-hez kötött oldatszerkezete és következményei a Rieger-szindrómát okozó mutációkra. Biochemistry 44: 7497-7511.] NGL viewer [AS Rose és PW Hildebrand. NGL Viewer: webes alkalmazás molekuláris vizualizációhoz. Nucl Acids Res (2015. július 1.) 43 (W1): W576-W579 először 2015. április 29-én jelent meg online. Doi: 10.1093 / nar / gkv402]. [/ Caption] Hogyan érhető el ez? Illusztráljuk az emberi Párosodott homeodomén transzkripciós faktor 2 génnel (más néven Hipofízis Homeobox 2-vel és rövidítve) Pitx2), amely megmutatja, hogy az RNS feldolgozása hogyan hoz létre több különböző fehérjét egy génből. A PITX2 fehérje (3. ábra) szerepet játszik többek között a fej és a szem fejlődésében. [13] Pitx2 tartalmaz hat, exonnak nevezett szegmenst, amelyek a fehérje egyes részeit kódolják. Ezeket öt intron választja el egymástól. Amikor az e gént kódoló DNS-t átmásolják az RNS-be, hogy a sejt fehérje-előállító gépe felhasználja, akkor különböző módon lehet feldolgozni a különböző fehérjék kódolásához. Az 1., 2., 5. és 6. exon összekapcsolásával mRNS-t készítünk a PITX2 „izoform A” vagy PITX2A nevű változatához. Az 1,2,3,5 és 6 exonok összekapcsolásával mRNS-t kapunk a PITX2B-hez, a 4, 5 és 6 exonok alkotják a PITX2C mRNS-jét. Más mechanizmusok a PITX2 még több formáját alkotják. [14] A sejteknek a PITX2 megfelelő „változatát” kell elkészíteniük a megfelelő helyen, a megfelelő időben, ha az a szervezet, amelynek részei, normálisan fejlődik.

Honnan tudja a sejt, hogy mikor készítsen egy fehérje egyik formát, másokat nem? Ez visszavezet minket az egykor „ócska” DNS-ként elvetett dolgokhoz, és jelzi, miért értik a genomokat ma sokkal dinamikusabban, mint azt eredetileg elképzelték. Úgy tűnik, hogy az exon splicinget szabályozó komplex rendszerek olyan szekvenciákat foglalnak magukba, amelyek az emberi genom legalább egyharmadát foglalják el, [15] messze meghaladva az emberi genom néhány évvel ezelőtt funkcionálisnak gondolt 3% -át. A kialakulóban lévő DNS kép azt mutatja, hogy valójában hatalmas mennyiségű információt tárol, amelyek nagy részét az első kutató tudósok hiányolták. Sokkal többet valószínűleg még nem fedeztek fel.

Szépség, összetettség, elegancia és hatékonyság rejlik abban, hogy a DNS-t mint genetikai információ tárolásának közegét választják, és maga az információ is elképesztő. Néhány, amit a genomokról tudunk, jól illeszkedik a közös ősök és a darwini evolúció téziséhez, de összességében véve a bizonyítékok jobban megfelelnek a bibliai világképnek, amelyben egy Tervező, Isten számol be a DNS választásával genetikai anyag, a benne tárolt óriási mennyiségű információ és az információ elegáns elrendezése a genomokban.

Amikor a Teremtő Isten megírta a 10 parancsolatot, [16] ezt a tartós kőközegben tette, de amikor az önigazgató írástudók és a farizeusok bűneit írta, porban írta, ahol szavait gyorsan megsemmisítették. 17] A Biblia Istene megmutatta, hogy képes megfelelő adathordozókat választani az információk rögzítésére, nem meglepő, ha azt tapasztalja, hogy az élőlényekben olyan közeget választott, amely alkalmas a genetikai információk DNS-ként történő rögzítésére, vagy hogy az információ a DNS-ben tárolva elegáns és csodálatos. Minden ember, minden teremtmény, minden növény - sőt minden élő szervezet - a DNS-ben kódolt genetikai információk tökéletes tárháza, amelyek sokkal finomabbak és mélyebben értelmesek, mint William Shakespeare vagy bármely más emberi szerző által írtak. A keresztényeknek jó okuk van azt hinni, hogy „félelmesen és csodálatosan vagyunk megalkotva” [18], és hogy Isten, aki minden más dologgal együtt teremtett minket, méltó imádatunkra.

[1] Green RE, Krause J, Briggs AW, et al. 2010. A Neandertal Genom tervezete. Tudomány 328 (5979): 710-722. DOI: 10.1126 / science.1188021

[2] Miller W, Drautz DI, Ratan A, et al. 2008. A kihalt gyapjas mamut nukleáris genomjának szekvenálása. Természet 456, 387-390. doi: 10.1038 / nature07446

[3] Minden szülőtől kapunk egy komplett emberi kromoszómát 23-tól anyánkat és 23-at apánktól, összesen 46-ot. A legtöbb emberi sejt mind a 46 kromoszómát magjában hordozza.

[4] Bianconi E, Piovesan A, Facchin F, Beraudi A, Casadei R, Frabetti F, Vitale L, Pelleri MC, Tassani S, Piva F, Perez-Amodio S, Strippoli P, Canaider S. 2013. A becslés a sejtek száma az emberi testben. Az emberi biológia évkönyvei. 40 (6): 463-71. doi: 10.3109 / 03014460.2013.807878.

[5] Pellicer J, Fay MF, Leitch AJ. 2010. Ezek közül a legnagyobb eukarióta genom? Botanical Journal of the Linnean Society 164 (1): 10–15. DOI: 10.1111 / j.1095-8339.2010.01072.x

[6] Watson JD, Crick FHC. 1953. A dezoxiribóz-nukleinsav szerkezete. Természet 171:737-738.

[7] Megjegyezzük, hogy a molekuláris biológusok által általában alkalmazott konvenciók miatt ezeket a szekvenciákat nem így írnák.

[8] Darwin, C. R. 1859. A fajok természetes szelekció útján történő eredetéről vagy a kedvelt fajok megőrzéséről az életért folytatott küzdelemben. London: John Murray. 1. kiadás, 1. szám. P 189.

[10] Makalowski, W. 2003. Végül is nem szemét. Tudomány 300:5623.

[11] Ohno S. 1972. Ennyi "ócska" DNS a genomunkban. Brookhaven szimpóziumok a biológiában. P. 366-70 a genetikai rendszerek evolúciójában (H. H. Smith, szerk.). Gordon és Breach, New York.

[12] Clamp, M., B. Fry, M. Kamal, X. Xie, J. Cuff, M. F. Lin, M. Kellis, K. Lindblad-Toh és E. S. Lander. 2007. A fehérjét kódoló és nem kódoló gének megkülönböztetése az emberi genomban. A Nemzeti Tudományos Akadémia közleményei USA 104: 19428–19433.

[13] Gage PJ, Suh H, Camper SA. 1999. A bicoidhoz kapcsolódó Pitx géncsalád fejlesztés alatt. Emlősök genomja 10: 197-200.

[14] Lamba, P., T. A. Hjalt és D. J. Bernard. 2008. A párosított homeodomain-transzkripciós faktor 2 (PITX2) újszerű formái: Alternatív transzlációs iniciációval és mRNS-splicinggel történő előállítás. BMC molekuláris biológia 9:31.

[15] Zhang, C., W.-H. Li, A. R. Krainer és M. Q. Zhang. 2008. Az evolúció RNS-tája az optimális exon és intron diszkrimináció érdekében. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 105: 5797–5802.

[16] 2Móz 31:18, 5Mózes 9:10

Timothy G. Standish, PhD
Vezető tudós, geotudomány-kutató intézet

A cikk korábbi változatát német nyelven tették közzé az Info Vero magazinban

Kapcsolódó cikkek

Szépség és intelligens tervezés - Bernard Brandstater

Figyelmeztetnek bennünket a Róma 1:20-ban, hogy azok, akik betartják Isten kézimunkáját, mégsem hisznek abban, hogy „mentség nélkül vannak”. A művész-Teremtő előtt félelmünkben kell állnunk.

Design a természetben - Timothy G. Standish

A testünkben élő billió, igen billió, nem emberi sejtből, amelyek különböző módon működnek együtt velünk, és egészségesek és boldogok maradnak, egészen a molekuláris gépekig, amelyek minden sejtet működtetnek egészen a növények és a növények közötti együttműködésig. állatok, amelyek táplálják az etetett állatokat, a növényeket beporozzák, és bármilyen más együttműködési kapcsolat van az organizmusok között, az igazi kérdés az, hogy "Ki tervezte meg azokat a csodálatos terveket, amelyeket látunk életre kelteni körülöttünk?"

Van design a természetben? –Szerző: L. James Gibson

Felfedezhetjük a dizájnt a természetben? Milyen érveket használtak a tervezési következtetések levonására?


DNS-replikáció: Precíziós játék

A sejtosztódás és a DNS-replikáció az élet kulcsfontosságú része. Ezen a képen a sejtek a sejtnövekedés és osztódás különböző szakaszaiban vannak. Felhívjuk a figyelmét arra a cellára, amely a középpontban található, ahol két azonos DNS-készlet húzódik szét, és két „leány” sejtre osztódni készül. Az eredetfelismerő komplex (túl kicsi ahhoz, hogy a képen látható legyen) felelős a DNS-replikációs folyamat számos részének koordinálásáért.

Az elvihető

Az eredetfelismerő komplex (ORC) a fehérjék egy csoportja, amely részt vesz sejtjeink minden sejtosztódási eseményében. A kutatók vizualizálták ennek a komplexnek a felépítését, megbontották annak mechanizmusait a DNS-replikáció megindításában, és felfedezték az ORC egyéb szerepeit. Az ezeket a fehérjéket kódoló gének mutációi betegségeket eredményezhetnek.

Ha egy emberi sejtbe csomagolt 46 kromoszómában kinyújtjuk a DNS-t, két méter hosszú DNS-szálat kapunk. Annak a pontos megismétléséhez, hogy a DNS létfontosságú a túlélési sejtek számára, óriási pontossággal kell irányítania ezt a folyamatot időben és térben. Az eredetfelismerő komplexek (ORC) egy teljes genomban ellenőrzött, időbeli mintázatban kezdeményezik a DNS-replikáció feladatát. Az emlősök genomjában ez a fehérjecsoport egyszerre több tízezer helyen gyűlik össze, biztosítva, hogy az egyes kromoszómák sejtosztódásonként pontosan egyszer másolódjanak. A Cold Spring Harbour Laboratory (CSHL) elnök-vezérigazgatója, Bruce Stillman és más CSHL-tudósok évtizedek óta azon dolgoznak, hogy megértsék az ORC, a DNS-replikáció és a sejtosztódás bonyolultságát.

T Antigen: ORC eredettörténete

Az 1980-as években azok a kutatók, akik meg akarták érteni az állatok DNS-replikációját, a vírusokat egyszerűsített modellrendszerként használták. A CSHL-nél Stillman egy olyan majomdaganat vírussal - SV40 - dolgozott, amely rágcsálókba juttatva daganatot okozhat. Az SV40 T-antigénre, az első fehérjére, amelyet a vírus a gazdasejtben gyárt, szükséges a vírus DNS replikációjának legelső lépésében. A T-antigén eltéríti a fertőzött sejt más fehérjéit, hogy megismételje a vírus genomját. A következő évtizedekben a kutatók az SV40 replikáció segítségével tucatnyi sejtfehérjét fedeznének fel, amelyek szükségesek az emberi sejt genom replikációjához. A Stillman-laboratórium a vírusgenom-replikáció helyett a fehérje (ke) t kereste (k), amelyek elindítják a sejt kromoszóma duplikációját. Felfedezték és elnevezték ezt a fehérjét ORC-nek.

Az ORC felépítésének alapjai

Az emberi ORC ORC1-ből, ORC2-ből, ORC3-ból, ORC4-ből, ORC5-ből és ORC6-ból áll, és kötődik a CDC6 nevű fehérjéhez, amely rokonságban áll az ORC1-gyel. Teljesen összeszerelve a komplexum gyűrű alakú, amint ezeken a képeken látható. Az A. kép csaknem atomfelbontású, röntgenkristályos és krioelektron mikroszkóppal rögzítve. Kép: Joshua-Tor labor

A tudósok több fajban is kitalálták az ORC-k szerkezetét. Stillman munkatársa, a CSHL professzora és a HHMI nyomozója, Leemor Joshua-Tor röntgen kristályográfia és krio-elektron mikroszkópia (krio-EM) segítségével vizualizálta az emberi ORC komplexet. Az emberi ORC hat fehérjéből áll, amikor teljesen összeállnak egy gyűrűben egy DNS szakasza körül. Az ORC egyes részei drámai módon megcsavarodnak és becsípődnek, megváltoztatják az alakjukat, amikor a DNS körül összeáll. Míg az élesztő ORC többnyire egy stabil formában található meg, addig a rovarok (gyümölcslegyek) és az emberek ORC az egyik és a másik forma között mozoghat. Ezenkívül az emberi ORC dinamikus régióival rendelkezik, amelyeket az egysejtű élesztő nem lát. A dinamikus régiók valószínűleg elengedhetetlenek a sejtosztódás szabályozásához és koordinálásához egy többsejtű organizmusban.

Mikor kell elkezdeni a replikációt

Az ORC komplex fehérjéket egymás közelében tartják a sejt folyékony rekeszeiben, és olyan fehérjéket toboroznak, mint a CDC6 és más fehérjék, amelyek szabályozzák, hogy mikor kell a sejtet megosztani. Amikor az ORC1 fehérje kötődik a DNS-hez, a CDC6-ot, egy olyan fehérjét, amely más fehérjéket szabályoz és toboroz, folyékony fázisba toborozza, és befejezi az ORC-gyűrűt. A gyűrűindítók teljesítése elengedhetetlen lépés a DNS-replikáció megkezdésének folyamatában.

A genom sejtosztódásonkénti és egyetlen replikálásához sok visszacsatolási hurok, ellenőrzés és mérleg van. Az ORC1 és a CDC6 szintje a sejtciklus alatt ingadozik. Amikor elérnek egy bizonyos egyensúlyt, az ORC elkezd gyülekezni, míg a CDC6 kötődik a Cyclin E-CDK2 nevű másik molekulapárhoz. A CDC6 ezután kötődik az ORC1-hez, magával hozva a többi molekulát, lehetővé téve a replikáció megkezdését. Kép: Stillman labor Szorosan vezérelt visszacsatolási hurok az ORC1, CDC6 és számos más molekula között szabályozza a replikáció időzítését. Az ORC-k tízezrei gyülekeznek egyszerre a kromoszómák mentén, és az összeszerelés után egymás után alkalmazzák őket a replikáció megkezdéséhez.

ORC1 és a centroszóma

Az ORC fehérjék nemcsak a DNS-replikációban vesznek részt, hanem segítenek a kromoszómák egyenlő elosztásában is a két új sejtben. A centroszómák azok az intracelluláris organellák (a sejt speciális részei), amelyek kevés kábelt építenek, amelyek a kromoszómákat két új leánysejtbe szedik. Stillman laboratóriuma megállapította, hogy az ORC1 ellenőrzi a sejtben lévő centroszómák számát, ügyelve arra, hogy kettő (és csak kettő) legyen a másolt kromoszómák szétválasztására a sejtosztódás során. A tudósok úgy gondolják, hogy az ORC1 ezt a további feladatot úgy végzi, hogy valamikor a sejtosztódási ciklus során a centroszómákra lép.

Az ORC fontosságának felismerése

Stillman laboratóriuma hosszú utat tett meg a vírusok és az élesztő tanulmányozásától az emberi rákok mechanizmusainak szétválasztásáig. Például a csoportja akkor talált, amikor a CDC6 és a Cyclin E túlzottan expresszálódott, vagy az ORC1 nem volt expresszálva, a sejt újra és újra osztódni készül, megkerülve az ellenőrzési pontokat. Ez genomkárosodást és végül rákos növekedést okozhat. Orc1 a mutációk celluláris diszfunkciókat okozhatnak, amelyek közvetlenül hozzájárulnak egy olyan szindrómához, amelyet súlyos törpe, kis agyméretű és egyéb rendellenességek jellemeznek.

Az élet lehetetlen lenne, ha az osztódó sejtek a szinte tökéletes pontossággal megismételnék a DNS-ét. Fontos, hogy pontosan továbbítsuk a DNS-t anélkül, hogy olyan hibákat generálnánk, amelyek rákhoz és más rendellenességekhez vezethetnek.

Írta: Jasmine Lee, Tartalomfejlesztő / kommunikátor | [email protected] | 516-367-5940

Legyen tájékozott

Iratkozzon fel hírlevelünkre, hogy a legfrissebb felfedezéseket, a közelgő eseményeket, videókat, podcastokat és a hírek összegzését minden hónapban egyenesen a postaládájába juttassa.


DNS replikáció: Eukarióta eredetek és az Eredetfelismerési Komplexum ☆

Igor Csesnokov, Katarina Akhmetova, az élettudományok referencia moduljában, 2020

ORC felfedezése, megőrzése és felépítése

Az ORC azonosítása S. cerevisiae fontos előrelépés volt az eukarióta DNS-replikáció megértésében. Stephen Bell és Bruce Stillman 1992-ben mint olyan tényezőt azonosította, amely kifejezetten az élesztő ARS-hez kötődött (Bell és Stillman, 1992). Az élesztő ORC hat szorosan kapcsolódó fehérje alegységből áll, 104 kDa (Orc1) és 50 kDa (Orc6) tartományban. Eredeti felfedezése óta folyamatosan gyűltek a bizonyítékok arra, hogy az ORC központi szerepet játszik a DNS-replikáció megindításában és más lényeges replikációs faktorok toborzásában az eredetig.

Az ORC (2. ábra (A)) konzerválódott az eukarióta evolúció során. ORC alegységeket és / vagy teljes ORC komplexeket azonosítottak a S. pombe és különféle metazoák, köztük D. melanogaster, X. laevis, és az emberek. Az ORC ilyen megőrzése, valamint a DNS-replikációhoz szükséges számos egyéb tényező határozottan azt sugallja, hogy közös mechanizmusoknak kell lenniük a DNS-replikáció megindításához minden eukariótákban, annak ellenére, hogy a DNS-replikáció eukarióta eredetének szerkezete drámai különbségeket mutat, és nincs nyilvánvaló konzervált szekvenciák közöttük (Duncker et al., 2009 Parker et al., 2017 ).

Az ORC fehérjék homológiát mutatnak az pre-RC egy másik komponensével, nevezetesen a Cdc6-mal. Ez a fehérje jól konzervált az eukarióták között, és az Orc1 paralógja lehet. Ezenkívül az Orc1 jobban kapcsolódhat a Cdc6-hoz, mint más ORC alegységekhez. A strukturális adatok azt mutatják, hogy az ORC és a Cdc6 gyűrűszerű struktúrát képezhetnek az MCM helikázgyűrűt idéző ​​DNS körül (Parker et al., 2017). Az ORC 1–5 alegysége, valamint a Cdc6 konzervált Walker A és B ATP-kötő doméneket tartalmaz az AAA + redőn belül (Duncker et al., 2009 Bleichert et al., 2015 On et al., 2018). Ezek a tulajdonságok jellemzőek azokra a fehérjékre, amelyek gyűrű alakú komplexeket képeznek és megkötik a DNS-t a gyűrű központi csatornájában. Az Orc1 N-terminálisa tartalmaz bróm-szomszédos homológia (BAH) domént, amely fontos a fehérje-fehérje interakció szempontjából, és strukturális alapot nyújt az ORC funkcióinak heterokromatinban (Noguchi et al., 2006).Az Orc6 viszont nem osztja meg az Orc1–5 egyik szerkezeti jellemzőjét, és saját jellegzetes doménjeivel rendelkezik egyedülálló konzervált Orc6 fehérje redő doménnel az N-terminálison és a tekercs tekercselt motívummal a C-terminális részen. metazoa fajok. Az Orc6 N-terminális doménje strukturális homológiát mutat a TFIIB transzkripciós faktorral, önmagában rendelkezik DNS-kötő aktivitással és fontos ahhoz, hogy az ORC-t a DNS-replikáció eredetéhez irányítsuk (Csesnokov et al., 2001 Balasov et al., 2007 Balasov et al., 2007 Liu et al., 2011). Ez az Orc6 C-terminálisán tekercselt tekercses régió fontos a fehérje citokinetikai funkcióinak szempontjából (Csesnokov et al., 2003 ).


DNS replikáció prokariótákban

A prokarióta kromoszóma olyan kör alakú molekula, amelynek az eukarióta kromoszómáknál kevésbé kiterjedt tekercsstruktúrája van. Az eukarióta kromoszóma lineáris és erősen tekercselt a fehérjék körül. Bár a DNS-replikációs folyamat számos hasonlóságot mutat, ezek a strukturális különbségek szükségessé tesznek bizonyos különbségeket a DNS-replikációs folyamatban ebben a két életformában. A DNS-replikációt a prokariótákban alaposan tanulmányozták, így megismerjük a prokarióta DNS-replikáció alapfolyamatát, majd a prokarióták és az eukarióták közötti különbségekre összpontosítunk.

Honnan tudja a replikációs gép, honnan induljon el? Kiderült, hogy vannak specifikus nukleotidszekvenciák, az úgynevezett replikáció eredete hol kezdődik a replikáció. E. coli kromoszómáján egyetlen replikációs origó van, mint a legtöbb prokariótánál (1.ábra). A replikáció kezdete körülbelül 245 bázispár hosszú, és gazdag AT szekvenciákban. Ezt a bázispár-szekvenciát bizonyos fehérjék felismerik, amelyek ehhez a helyhez kötődnek. Az úgynevezett enzim helicase a nitrogén bázispárok közötti hidrogénkötések megszakításával kikapcsolja a DNS-t. A folyamathoz ATP-hidrolízis szükséges, mert energiát igényel. Amint a DNS megnyílik, Y alakú struktúrák hívódtak replikációs villák képződnek (1.ábra). Két replikációs villa képződik a replikáció kezdetén, és ezek a replikáció előrehaladtával kétirányban meghosszabbodnak. Egyszálú kötő fehérjék (2. ábra) vonja be a DNS egyetlen szálát a replikációs villa közelében, hogy megakadályozza az egyszálú DNS visszacsévélését kettős spirálba.

1.ábra: DNS-replikáció prokariótákban, amelyeknek egyetlen kör alakú kromoszómájuk van.

A következő fontos enzim az DNS-polimeráz III, más néven DNS pol III, amely egyesével ad hozzá nukleotidokat a növekvő DNS lánchoz (2. ábra). A nukleotidok hozzáadása energiát igényel, ezt az energiát azokból a nukleotidokból nyerik, amelyekhez három foszfát kapcsolódik. Az ATP szerkezetileg egy adenin-nukleotid, amelyhez három foszfátcsoport kapcsolódik, megtörve a harmadik foszfátot. Az ATP mellett léteznek TTP, CTP és GTP is. Ezek mindegyike a megfelelő nukleotidból áll, amelyhez három foszfát kapcsolódik. Amikor a foszfátok közötti kötés megszakad, a felszabaduló energiát felhasználják a bejövő nukleotid és a meglévő lánc közötti foszfodiészter kötés kialakításához.

A prokariótákban a polimerázok három fő típusa ismert: DNS pol I, DNS pol II és DNS pol III. A DNS pol III a DNS-szintézishez szükséges enzim A DNS pol I-t később felhasználják a folyamatban, és a DNS pol II-t elsősorban a helyrehozáshoz használják (ez egy másik irritáló példa a névadásra, amely a felfedezés sorrendje, nem pedig sorrend alapján történt) ennek van értelme).

A DNS-polimeráz nukleotidokat csak az 5 & # 8242 - 3 & # 8242 irányban képes hozzáadni (egy új DNS-szál csak ebben az irányban hosszabbítható meg). Szüksége van egy szabad 3 & # 8242-OH csoportra (amely a cukoron helyezkedik el), amelyhez hozzá tudja adni a következő nukleotidot úgy, hogy foszfodiészter kötést képez a 3 & # 8242-OH vége és a következő nukleotid 5 & # 8242 foszfátja között. Ez lényegében azt jelenti, hogy nem adhat hozzá nukleotidokat, ha nincs szabad 3 & # 8242-OH csoport. Akkor hogyan adja hozzá az első nukleotidot? A problémát a segítségével oldják meg alapozó amely biztosítja a szabad 3 & # 8242-OH véget. Egy másik enzim, RNS-primáz, körülbelül öt-tíz nukleotid hosszú és a DNS-sel komplementer RNS-primert szintetizál. Az RNS-primázhoz nincs szükség szabad 3 & # 8242-OH csoportra. Mivel ez a szekvencia megalapozza a DNS-szintézist, ezért megfelelően nevezzük primernek. A DNS-polimeráz most kiterjesztheti ezt az RNS-primert, egyesével hozzáadva a templátszálhoz komplementer nukleotidokat (2. ábra).

2. ábra Replikációs villa akkor képződik, amikor a helikáz elválasztja a DNS-szálakat a replikáció kezdetén. A DNS általában erősebben tekeredik a replikációs villa előtt. A topoizomeráz megtöri és megreformálja a DNS foszfát gerincét a replikációs villa előtt, enyhítve ezzel a nyomást, amelyet e szupertekercselés okoz. Az egyszálú kötő fehérjék az egyszálú DNS-hez kötődnek, hogy megakadályozzák a hélix újbóli kialakulását. A Primase szintetizál egy RNS primert. A DNS polimeráz III ezt a primert használja a leány DNS szál szintetizálására. A vezető szálon a DNS folyamatosan szintetizálódik, míg a lemaradó szálon a DNS rövid szakaszokban szintetizálódik, az úgynevezett Okazaki-fragmenseknek. A DNS-polimeráz I helyettesíti az RNS-primert DNS-sel. A DNS-ligáz lezárja az Okazaki-fragmensek közötti hézagokat, egyetlen fragmentumot egyesítve egyetlen DNS-molekulává. (kredit: Mariana Ruiz Villareal munkájának módosítása)

A replikációs villa másodpercenként 1000 nukleotid sebességgel mozog. A DNS-polimeráz csak az 5 & # 8242-től 3 & # 8242-ig terjedhet, ami enyhe problémát jelent a replikációs villánál. Mint tudjuk, a DNS kettős spirál anti-párhuzamos, vagyis az egyik szál az 5 & # 8242 - 3 & # 8242 irányba, a másik pedig a 3 & # 8242 - 5 & # 8242 irányba mutat. Az egyik szálat, amely komplementer a 3 & # 8242-től 5-ig és # 8242-ig terjedő szülői DNS-szálból, folyamatosan szintetizálják a replikációs villa felé, mert a polimeráz ebben az irányban adhat hozzá nukleotidokat. Ez a folyamatosan szintetizált szál a vezető szál. A másik szál, amely kiegészíti az 5 & # 8242 - 3 & # 8242 szülő DNS-t, a replikációs villától távolabb terül el, apró töredékekben, Okazaki töredékek, mindegyikhez egy primerre van szükség a szintézis megkezdéséhez. Az Okazaki-töredékeket azokról a japán tudósokról nevezik el, akik először fedezték fel őket. Az Okazaki-töredékeket tartalmazó szál a lemaradt szál.

A vezetőszálat csak egy primerrel lehet meghosszabbítani, míg a lemaradt szálhoz új primerre van szükség a rövid Okazaki-fragmensek mindegyikéhez. A lemaradó szál átfogó iránya 3 és # 8242-től 5-ig és # 8242-ig, a vezető 5-ös és # 8242-től 3-ig és 8242-ig terjed. Az úgynevezett fehérje csúszó bilincs a DNS-polimerázt a helyén tartja, miközben folytatja a nukleotidok hozzáadását. A csúszó bilincs egy gyűrű alakú fehérje, amely kötődik a DNS-hez és a helyén tartja a polimerázt. Topoizomeráz megakadályozza a DNS kettős spirál túlcsavarodását a replikációs villa előtt, miközben a DNS kinyílik, ezt úgy teszi, hogy átmeneti rést okoz a DNS spirálban, majd visszazárja azt. A szintézis előrehaladtával az RNS primereket a DNS pol I helyettesíti, amely lebontja az RNS-t, és a hiányosságokat DNS-nukleotidokkal tölti ki. Az újonnan szintetizált DNS (amely az RNS primert felváltotta) és a korábban szintetizált DNS között fennmaradó réseket az enzim lezárja DNS-ligáz amely katalizálja a foszfodiészter kötés kialakulását az egyik nukleotid 3 & # 8242-OH vége és a másik fragmens 5 & # 8242 foszfát vége között.

(Lisa & # 8217s megjegyzés: szerintem ezt a folyamatot szinte lehetetlen megjeleníteni a szövegolvasásból. Javasoljuk, hogy nézzen meg néhány animációt / videót, mint például az itt elérhető. További linkek vannak a táblára)

Miután a kromoszóma teljesen megismétlődött, a két DNS-kópia két különböző sejtbe költözik a sejtosztódás során. A DNS-replikáció folyamata a következőképpen foglalható össze:

  1. A DNS kikapcsolódik a replikáció kezdetén.
  2. A Helicase megnyitja a DNS-képző replikációs villákat, amelyek mindkét irányban meghosszabbodnak.
  3. Az egyszálú kötő fehérjék bevonják a DNS-t a replikációs villa köré, hogy megakadályozzák a DNS visszatekerését.
  4. A topoizomeráz a replikációs villa előtti régióban kötődik a szupertekercselés (túltekercselés) megakadályozása érdekében.
  5. A primáz a RNS primereket szintetizálja a komplementer DNS szálral.
  6. A DNS-polimeráz III nukleotidokat ad hozzá a primer 3 & # 8242-OH (cukor) végéhez.
  7. A lemaradó és a vezető szál megnyúlása folytatódik.
  8. Az RNS-primereket eltávolítjuk, és a hézagokat DNS-sel töltjük be DNS pol I-vel.
  9. A DNS-fragmensek közötti réseket DNS-ligáz zárja le.

1. táblázat: A prokarióta DNS-replikációban részt vevő enzimek és mindegyikük funkciói.

Prokarióta DNS replikáció: enzimek és működésük
Enzim / fehérje Specifikus funkció
DNS pol I. Az exonukleáz aktivitás eltávolítja az RNS primert és helyettesíti az újonnan szintetizált DNS-t
DNS pol II Javítási funkció
DNS pol III Fő enzim, amely nukleotidokat ad hozzá az 5 & # 8242-3 & # 8242 irányba
Helicase Megnyitja a DNS-spirált a hidrogénkötések megszakításával a nitrogénbázisok között
Ligase Tömíti az Okazaki-fragmensek közötti hézagokat, így egy folyamatos DNS-szálat hoz létre
Primase Szintetizálja a replikáció megkezdéséhez szükséges RNS primereket
Csúszó bilincs Segít a DNS-polimerázt a helyén tartani, amikor nukleotidokat adnak hozzá
Topoizomeráz Segít enyhíteni a DNS-t érő stresszt a kikapcsolódás során, töréseket okozva, majd visszazárva a DNS-t
Egyszálú kötő fehérjék (SSB) Az egyszálú DNS-hez kötődik, hogy elkerülje a DNS visszatekerését.

A DNS-replikációt rendkívül jól tanulmányozták a prokariótákban, elsősorban a genom kis mérete és a rendelkezésre álló változatok nagy száma miatt. Escherichia coli 4,6 millió bázispár van egyetlen körkörös kromoszómában, és mindegyik kb. 42 perc alatt replikálódik, egyetlen replikációs origóból kiindulva és a kromoszóma körül mindkét irányban haladva. Ez azt jelenti, hogy másodpercenként hozzávetőlegesen 1000 nukleotidot adnak hozzá. A folyamat sokkal gyorsabb, mint az eukariótáknál.


Testvér eredetek és replikák szervezése a többágú DNS replikációja során Escherichia coliban

A gazdag táptalajban tenyésztett Escherichia coli sejtek replikációs periódusa egy generációnál tovább tart. A beavatás tehát az „anya” vagy a „nagymama generációban” történik. Az ilyen sejtekben a nővér eredetek egy vagy több generáción át voltak kolokalizálva, míg a lassan növő sejtekben a nővér eredetek kb. 0,1-0,2 generáció alatt. A SeqA fehérje által az eredet inaktiválásának (szekszvestálásának) szerepét a származási kolokalizációban a szekvenáció hiányos mutánsok és a vad típusú sejtek összehasonlításával vizsgáltuk. A mutáns, nem elválasztható eredetű sejtek a testvér eredetű vad típusú kolokalizációt mutatták. Ezzel szemben azok a sejtek, amelyek a SeqA elvesztése miatt nem tudtak új eredetet elválasztani, a származások rendellenes lokalizációját mutatták, ami az új eredetek szerveződésének hiányát jelzi. Ezekben a sejtekben rendellenes replikázó szerveződést is találtak. Ezek az eredmények arra engednek következtetni, hogy a testvér eredet és a nővér replikák helyes szerveződése függ a SeqA fehérje megkötésétől az újonnan képződött DNS-hez a replikációs villáknál, de független a származás szeksztálásától. Egyetértésképpen az in vitro kísérletek azt mutatják, hogy a SeqA képes párosítani az újonnan replikált DNS-molekulákat.

Ábrák

Gyorsan növekvő replikációs mintázat…

Gyorsan növekvő replikációs mintázat E. coli vad típusú sejtek. Sejtek (sárga) kromoszómákkal…

Az eredet és a replikációs villa lokalizálása…

Eredeti és replikációs villa lokalizációja a gyorsan növekvő vad típusú sejtekben. Sejteket növesztettek…

Az eredet és a replikációs villa lokalizálása…

Eredeti és replikációs villa lokalizációja oriCm3 és Δ seqA mutáns sejtek. (…

Az újonnan replikált származások kohéziója…

Az újonnan replikált eredetek kohéziója a SeqA által kétirányú in vitro DNS replikáció.…

Származási szervezet négy különböző…

Származási szervezet négy különböző növekedési ütemben. Sejtek (sárga) kromoszómákkal (kék vonalak)…


Vírusos bejegyzés

A vírusok a sejtfelszíni receptorokhoz kötődve két fő úton jutnak be az eukarióta sejtekbe. Egyes vírusok úgy jutnak be a sejtekbe, hogy közvetlenül összeolvadnak a sejtmembránnal vagy behatolnak a sejtmembránba, de a legtöbb vírus endocitózis útján áramlik a sejtbe (a koronavírusok mindkétféleképpen képesek bejutni) (1.ábra) [5,6]. Leggyakrabban ez az endocitózis klathrinnel bevont gödrökön keresztül történik, amelyek rakománya egyre savanyúbb organellákba kerül, a korai endoszómáktól a késői endoszómákig a lizoszómákig [7]. Például a koronavírusok az endocitózis különböző szakaszaiban fúzióval járhatnak: a MERS koronavírus korai endoszómákkal, míg a SARS koronavírus késői endoszómákkal olvad össze [4]. Azok a vírusok, amelyek még savasabb pH-értéket igényelnek, addig nem folynak be, amíg el nem jutnak a lizoszómába [2]. Ezeknek az endocita és lizoszómális vezikuláknak alacsony a pH-ja és bőséges proteázaik vannak, amelyek kiválthatják a konformációs változásokat egy vírusban, ami bevonatossághoz, fúzióhoz vagy a citoplazmába való behatoláshoz vezethet. Még azok a vírusok is, amelyek nem igényelnek alacsony pH-értéket, az endocitózist használják kényelmes útként a plazmamembrán gyors áthaladásához és a citoplazmán keresztül a replikációs helyükhöz való átjutáshoz [2]. A vírusrészecskék pH-érzékeny festékekkel, például a pHrodo IFL Green STP észter festékkel történő megjelölése lehetővé teszi a vírus bejutásának vizualizálását [8].

1. ábra A vírus sejtekbe jutásának útjai. (A) A burkolt vírusok kötődhetnek a sejtfelszíni receptorokhoz, és közvetlenül összeolvadnak a plazmamembránnal. A vírusrészecskék endocitózis útján is internalizálhatók, a citoszol felé menekülve a (B) korai endoszóma vagy (C) késői endoszóma és lizoszóma. Ezekben a rekeszekben a savas környezet és a proteolitikus enzimek szükségesek a különböző vírusok fúziójához és citoszolba jutásához.


Hivatkozások

Watson, J. D. és Crick, F. H. C. A dezoxiribóz-nukleinsav szerkezete. Természet 171, 737–738. (1953).

Crick, F. H. C. A makromolekulák biológiai replikációja. Symp. Soc. Exp. Biol. 12, 138–163 (1958).

Doty, P. Belül nukleinsavak (Harvey előadás, 1960) (Academic, New York, 1961).

Marmur, J. és amp. Doty, P. A dezoxiribonukleinsavak termikus renaturációja. J. Mol. Biol. 3, 585–594 (1961).

Cairns, J. A bakteriális kromoszóma és annak replikációs módja az autoradiográfia alapján. J. Mol. Biol. 6, 208–213 (1963).

Kavenoff, R., Klotz, L. C. és amp Zimm, B. H. A kromoszóma méretű DNS-molekulák természetéről. Hideg tavaszi Harb. Symp. Quant. Biol. 38, 1–8 (1974).

Watson, J. D. és amp. Crick, F. H. C. A dezoxiribonukleinsav szerkezetének genetikai következményei. Természet 171, 964–967 (1953).

Meselson, M. és amp. Stahl, F. W. A DNS replikációja E. coli. Proc. Natl Acad. Sci. USA 44, 671–682 (1958).

Kornberg, A. A DNS biológiai szintézise. Tudomány 131, 1503–1508 (1960).

Epstein, R. H. és mtsai. A T4D bakteriofág feltételes halálos mutánsainak fiziológiai vizsgálata. Hideg tavaszi Harb. Symp. Quant. Biol. 28, 375 (1963).

Bonhoeffer, F. & amp Schaller, H.. Módszer mutánsok szelektív dúsítására az 5-bróm-uracilt tartalmazó DNS magas UV-érzékenységén alapul. Biochem. Biophys. Res. Commun. 20, 93 (1965).

Kohiyama, M., unokatestvér, D., Ryter, A. és amp. Jacob, F. Mutánsok hőre hígítható d 'Escherichia coli K / 12. I. Isolement et caracterisation rapide. Ann. Inst. pasztőr 110, 465 (1966).

Huberman, J. A., Kornberg, A. & amp Alberts, B. M. A T4 bakteriofág DNS-polimeráz stimulálása a 32. T4 gén fehérjetermékével. J. Mol. Biol. 62, 39–52 (1971).

Morris, C. F., Sinha, N. K. és amp Alberts, B. M. bakteriofág T4 DNS-replikációs készülék rekonstrukciója tisztított komponensekből: gördülő kör replikációja de novo láncindítás egyszálú körkörös DNS-templáton. Proc. Natl Acad. Sci. USA 72, 4800–4804 (1975).

Kornberg, A. és amp. Baker, T. A. DNS-replikáció 2. edn (Freeman, New York, 1992).

Okazaki R. és mtsai. A DNS-lánc növekedésének mechanizmusa: az újonnan szintetizált láncok lehetséges megszakadása és szokatlan másodlagos szerkezete. Proc. Natl Acad. Sci. USA 59, 598–605 (1968).

Radding, C. M. rekombinációs tevékenységei E. coli RecA fehérje. Sejt 25, 3–4 (1981).

Davey, M. J. és amp. O'Donnell, M. A DNS-replikáció mechanizmusai. Curr. Opin. Chem. Biol. 4, 581–586 (2000).

Waga, S. és amp. Stillman, B. A DNS-replikációs villa eukarióta sejtekben. Annu. Tiszteletes Biochem. 67, 721–751 (1998).

Benkovic, S. J., Valentine, A. M. és Salinas F. Replisome által közvetített DNS-replikáció. Annu. Tiszteletes Biochem. 70, 181–208 (2001).

Alberts, B. M. A fehérjegépek DNS-enzimológiája. Hideg tavaszi Harb. Symp. Quant. Biol. 49, 1–12 (1984).

Alberts, B. A sejt mint fehérjegépek gyűjteménye: a molekuláris biológusok következő generációjának előkészítése. Sejt 92, 291–294 (1998).

Radding, C. kollokvium bevezetése. A rekombináció és a replikáció közötti kapcsolatok: a rekombináció létfontosságú szerepei. Proc. Natl Acad. Sci. USA 98, 8172 (2001).

Dwight, S. S. és mtsai. Saccharomyces A Genome Database (SGD) másodlagos gén annotációt biztosít a Gene Ontology (GO) segítségével. Nukleinsavak Res. 30, 69–72 (2002).

Trakselis, M. A. és amp Benkovic, S. J. Bonyolultságok az ATP-függő bilincs terhelésben: variációk a replikációs rendszerek között. Szerkezet 9, 999–1004 (2001).

Nemzeti Kutatási Tanács. Bio2010: Egyetemi képzés az orvosbiológiai kutatók előkészítésére (The National Academies Press, Washington DC, 2002).

Alberts, B. és mtsai. A sejt molekuláris biológiája 4. edn (Garland, New York, 2002).


Lektorálás DNS

A DNS-replikáció nagyon pontos folyamat, de időnként hibák is előfordulhatnak, például rossz DNS-t építhet be egy DNS-polimeráz. A kijavítatlan hibák néha súlyos következményekhez vezethetnek, például rákhoz. A javító mechanizmusok kijavítják a hibákat. Ritka esetekben a hibákat nem korrigálják, más esetekben mutációkhoz vezetnek, a javító enzimek maguk is mutáltak vagy hibásak.

A DNS-replikáció során elkövetett hibák nagy részét a DNS-polimeráz azonnal javítja az imént hozzáadott bázis korrektúrájával (7. ábra). Ban ben lektorálás, a DNS pol beolvassa az újonnan hozzáadott bázist, mielőtt hozzáadná a következőt, így korrekció végezhető. A polimeráz ellenőrzi, hogy az újonnan hozzáadott bázis megfelelően párosodott-e a sablonszálban lévő bázissal. Ha ez a megfelelő bázis, a következő nukleotidot adjuk hozzá. Ha helytelen bázist adtak hozzá, az enzim elvágja a foszfodiészter kötést, és rossz nukleotidot szabadít fel. Ezt a DNS pol III exonukleáz hatásával hajtják végre. Amint a helytelen nukleotidot eltávolítottuk, ismét egy újat adunk hozzá.

7. ábra: A DNS-polimeráz által végzett lektorálás kijavítja a replikáció során fellépő hibákat.

Bizonyos hibákat a replikáció során nem javítanak ki, hanem a replikáció befejezése után kijavítják nem megfelelő javítás (8. ábra). Az enzimek felismerik a helytelenül hozzáadott nukleotidot és kivágják, majd ezt helyettesítik a megfelelő bázissal. Ha ez nem korrigálódik, maradandóbb károkat okozhat.Hogyan ismerik fel a nem megfelelő javító enzimek, hogy a két bázis közül melyik a helytelen? Ban ben E. colireplikáció után a nitrogén bázisú adenin metilcsoportot nyer, a szülő DNS szálnak metilcsoportjai lesznek, míg az újonnan szintetizált szálból hiányoznak. Így a DNS-polimeráz képes eltávolítani a helytelenül beépített bázisokat az újonnan szintetizált, nem metilezett szálból. Az eukariótákban a mechanizmus nem nagyon érthető, de feltételezik, hogy magában foglalja az új szálban lévő lezáratlan kullancsok felismerését, valamint a replikációs fehérjék egy részének rövid távú folyamatos társulását az új leányszállal a replikáció befejezése után .

8. ábra A nem megfelelő javítás során a helytelenül hozzáadott bázist a replikáció után észlelik. A nem egyező helyreállító fehérjék ezt a bázist detektálják, és nukleáz hatással eltávolítják az újonnan szintetizált szálból. A hézagot a megfelelő párosítású talppal töltötték meg.

Egy másik típusú javító mechanizmusban nukleotid kivágás javítása, az enzimek a helytelen bázisokat helyettesítik azzal, hogy a helytelen bázis 3 és # 8242, valamint 5 és # 8242 végén vágást végeznek (9. ábra).

9. ábra: A nukleotid kivágása helyrehozza a timin dimereket. UV hatásnak kitéve az egymás mellett fekvő timinek timin dimereket képezhetnek. Normál sejtekben kivágják és kicserélik őket.

A DNS szegmensét eltávolítjuk és helyesen párosított nukleotidokkal helyettesítjük a DNS pol hatására. Miután a bázisok be vannak töltve, a fennmaradó rést egy DNS-ligáz által katalizált foszfodiészter kötéssel zárjuk le. Ezt a javító mechanizmust gyakran alkalmazzák, amikor az UV-expozíció pirimidin-dimerek képződését okozza.


Nézd meg a videót: DNS Replikáció 8 percben