Replikaatio
Kopiointi: Kun jotkut Shmoopin luokkakaverit olivat koulussa, opettajat saivat heidät aina kiinni kopioinnista. Mutta luokkatoverit kertoivat opettajilleen, että kopioiminen oli heidän DNA:ssaan. Hän ei voinut kiistää tuota logiikkaa, joten he eivät koskaan joutuneet vaikeuksiin. Mikä mukava pieni tarina.
Mitä rinnastusta yritämme vetää tällä ei niin hienovaraisella ja hokemattomalla tarinalla? DNA kopioi koko ajan, ja sen on pakko kopioida, jos se haluaa jatkaa kaikkien solujen luomista. Ja kuinka se tekeekään niin! DNA:n replikaatio on DNA:n kopiointia, jotta replikoituvissa soluissa on riittävästi DNA:ta tytärsoluja eli alkuperäisestä solusta peräisin olevia uusia soluja varten. Solunjakautuminen eli yhden solun muuttuminen kahdeksi uudeksi soluksi tapahtuu mitoosin kautta ei-sukupuolisille soluille eli niille soluille, jotka eivät osallistu… seksiin, ja meioosin kautta sukupuolisille soluille eli niille soluille, jotka likaantuvat ja likaantuvat nopeammin kuin Vinny ja Pauly D hyvänä iltana Karmassa.
Se on vain yksi vaihe: Mitoosi vai meioosi
Vaikka soluja on kaikenkokoisia ja -muotoisia kuin Benettonin mainoksessa, soluja on periaatteessa kahdenlaisia:
- Sukusolut (ei, ei niitä Amsterdamin juttuja)
- Somaattiset solut (ei-sukusolut, jotka eivät myöskään ole niitä Amsterdamin juttuja)
Sukusolut ovat soluja, jotka tuottavat suvullisesti lisääntyvien eukaryoottien jälkeläisiä, ja ne jaetaan seuraaviin:
- Spermisolut, jotka sisältävät DNA:n urospuolista puoliskoa
- Munasolut, jotka sisältävät DNA:n naaraspuolista puoliskoa
Useimpien eukaryoottisolujen (sukupuolisolut poislukien) elinkierrossa on neljä päävaihetta.
Nämä kutsutaan
- Aukko 1 (tai G1) vaihe
- Synteesi (tai ”S”) vaihe
- Aukko 2 (G2) vaihe
- Mitoosi
Eikä, Aukko ei sponsoroi mitoosia. G1-, S- ja G2-vaiheita kutsutaan yleensä ”interfaasiksi”, lähinnä mitoosia tutkivien ihmisten toimesta. Tosin, jos niitä saa yksin, niitä kutsutaan ”tylsäksi vaiheeksi.”
G1
G1 on eukaryoottisen elinkaaren vaihe mitoosin jälkeen ja ennen DNA-synteesiä, joka on S-vaihe. Mitoosin aikana suurin osa muusta kuin mitoosiin liittyvästä toiminnasta on sammunut, ja G1 on vaihe, jolloin kaikki alkaa uudelleen. G1 on kuin hullu uneton, joka herättää solun sanomalla: ”Hei, olen leikannut kuponkeja koko yön, aika herätä ja leikkiä kanssani!”
S-vaihe
S-vaihe on elinkaaren DNA:n monistusvaihe. Puhumme tästä lisää myöhemmin, mutta jos et jaksa odottaa, klikkaa eteenpäin. Tässä vaiheessa solu kaksinkertaistaa DNA:n määrän tehdäkseen riittävästi DNA:ta tytärsoluja varten, ja solu muuttuu 2n:stä 4n:ksi, missä n on kromosomikokonaisuuksien lukumäärä eli ploidia. Useimmat somaattiset solut ovat 2n eli diploideja, kun taas sukusolut ovat haploideja eli niissä on puolet vähemmän DNA:ta kuin somaattisissa soluissa (tavallisissa soluissa).
G2-vaihe
G2 on solusyklin Jan Brady. Kaikki puhuvat aina ”Mitoosi, mitoosi, mitoosi!” eikä kukaan välitä G2-parasta. Se on solusyklin vaihe, jossa tapahtuu enemmän proteiinisynteesiä ja muodostuu mikrotubuluksia, jotka ovat tärkeitä mitoosille. ”Siinäkö kaikki?” Kysytkö sinä? Jep. Ei oikeastaan niin tärkeää, minkä vuoksi monet solut jättävät tämän vaiheen väliin. Sammakkosolut ohittavat sen, samoin kuin monet syöpäsolut. G2-parka…
Mitoosi
Mitoosi on solusyklin vaihe, joka on niin tärkeä, että sillä on oma syklinsä. Mitoosi alkaa G2:n jälkeen ja alkaa profaasilla eli kromatiinin tiivistymisellä kromosomeiksi ja sentrosomeilla, jotka liikkuvat kohti solun vastakkaisia napoja. Tätä vaihetta seuraa prometafaasivaihe, joka on profaasin ja metafaasin välivaihe, jossa ydinkuori hajoaa ja kromosomit alkavat kasaantua sentrosomeja yhdistäviin mikrotupliin. Metafaasivaiheessa kaikki kromosomit kohdistuvat keskelle, jota seuraa anafaasi, jossa kromosomit jakautuvat kahtia ja tytärkromatidit siirtyvät lähimpään sentrosomipooliin. Telofaasi ja sytokinesis ovat solunjakautumisen viimeiset vaiheet ja tuman uudelleen kokoaminen kahdeksi tytärsoluksi.
Meioosi
Meioosi on sukusolujen M-vaihe. Se alkaa kuten mitoosi, ja kahden ensimmäisen tyttärisolun syntymisen jälkeen se jatkaa toisen mitoosisyklin. Nämä 2n tytärsolua jakautuvat edelleen tuottaen 4 tytärsolua ja paljon ylihintaisia häitä, joissa jokaisessa on n kromosomia.
Alussa…DNA:n replikaation alkuperä
Jos DNA ei koskaan replikoituisi, meioosi ja mitoosi puolittaisivat hitaasti genomin koon, kunnes jokainen solu kuolisi, mikä ei todennäköisesti kestäisi kauan. Siksi on tärkeää, että DNA kaksinkertaistaa itsensä, jotta solut jakautuvat mitoosin/meioosin aikana. DNA:n replikaatio muistuttaa RNA:n transkriptiota.
Alla on taulukko, jossa näitä kahta verrataan:
| DNA:n replikaatio | RNA:n transkriptio | |
| Tuote | TuplausDNA | mRNA |
| entsyymi | DNA-polymeraasi | RNA-polymeraasi |
| Nukleotidit Lisätty | Deoksinukleotiditrifosfaatit | Nukleotiditrifosfaatit |
| Mallijuoste | Kumpikin | Kumpikin, mutta transkriboi vain antisense-juosteesta |
Miksi kutsutaan paikkoja, joissa replikaatio alkaa? Alkuperä. Olisivatpa kutsuneet sitä nimellä Star Wars Episode I: The Phantom Menace, mutta se nimi oli jo varattu.
Originit vaihtelevat DNA:n tyypin mukaan. Useimmilla eukaryoottisoluilla ja joillakin bakteereilla ja viruksilla on lineaarinen DNA, mikä tarkoittaa, että DNA-sekvenssillä on alku ja loppu. Siksi replikaation alkulähteet ovat lineaarisen DNA:n 5′-päässä. Useimmilla bakteereilla ja joillakin viruksilla on sirkulaarista DNA:ta, mikä tarkoittaa, että on olemassa tietty sekvenssi, johon DNA:n replikaatioproteiinit sitoutuvat (mikä on jokseenkin analogista RNA:n transkription kanssa), ja replikaatio alkaa tästä paikasta.
DNA:n replikaatio alkaa aloittajaproteiinin sitoutumisella, kuten dnaA:n sitoutumisella E. coli -bakteereissa, tai valkuaisainekompleksin sitoutumisella, kuten alkuperän tunnistamiskompleksin sitoutumisella hiivassa. Initiaattoreiden tehtävänä on purkaa kaksi DNA-juostetta erilleen, jotta replikaatio voi alkaa. Tilanne muistuttaa tunkkia, joka nostaa autoa renkaanvaihdon yhteydessä. (Koska me kaikki tiedämme, miten se tehdään, eikö?) Jos et tiedä, miten rengas vaihdetaan, soita hinausfirmalle ja kysy heiltä, miten he tekevät sen. Kun he ovat kertoneet, huuda: ”Se on täsmälleen samanlaista kuin DNA:n replikaatio!” Sulje puhelin ja rukoile sitten, ettei sinun tarvitse enää koskaan vaihtaa rengasta.
Kun DNA on hajotettu toisistaan, RNA-alukkeet tulevat sisään, yksi sitoutuu kuhunkin DNA:n säikeeseen, ja sitten DNA:n replikaatio etenee 5′-3′-suunnassa. On tärkeää ymmärtää, että samanaikaisesti tapahtuu kaksi 5′ 3′ -replikaatiota. Näitä kahta replikaatiota kutsutaan replikaatiohaarukaksi. Ei pidä sekoittaa monistushaarukkaan.
Replikaatiohaarukan ohittaminen
Kun DNA:ta halkaistaan, meillä on juoste, joka on 5′:sta 3′:een, kun katsomme vasemmalta oikealle, jota kutsumme ”jäljessä olevaksi” juosteeksi (lagging strand), ja komplementaarinen juoste, joka lukee 3′:sta 5′:een, kun tarkastelemme sitä vasemmalta oikealle, ja jota kutsumme ”johtavaksi” juosteeksi. Kun siis lisäämme RNA-alkuaineita, yksi alukkeista sitoutuu johtavaan säikeeseen ja toinen alukkeista sitoutuu jäljessä olevaan säikeeseen. Alukke, joka sitoutuu johtavaan säikeeseen, on identtinen jäljessä olevan säikeen sekvenssin kanssa, kun taas alukke, joka sitoutuu jäljessä olevaan säikeeseen, on identtinen johtavan säikeen sekvenssin kanssa. Toivottavasti pääsi ei ole vielä räjähtänyt.
Ajattele DNA:n replikaatiota kuin vasenta ja oikeaa kättäsi. Ne ovat pohjimmiltaan samanlaiset, mutta niissä on hienoisia eroja. Vasemman käden peukalo on viides sormi, jos lasketaan vasemmalta oikealle, kun taas oikean käden peukalo on ensimmäinen sormi. Näettekö? Anteeksi, jos räjäytimme mielesi. Kuten kätesi, molemmat DNA-juosteet monistuvat siis samalla tavalla, mutta niissä on hienovarainen ero. DNA:n replikaatio toimii vain 5′ – 3′ -suunnassa, joten kaksi DNA-polymeraasimolekyyliä sitoo RNA-alukkeet ja aloittaa replikaation vastakkaisiin suuntiin. Johtavan säikeen replikaatio ohjaa replikaatioprosessia, koska RNA-alkuaine ohjaa 5′-3′-säikeen replikaatiota.
”Mutta Shmoop, miten ’jäljessä oleva’ säie replikoidaan?” saatat kysyä.
Nimensä mukaisesti johtavan säikeen DNA:n replikaatio jatkuu jonkin aikaa, kunnes uusi RNA-alkukerroin asettuu paikalleen, ja toinen DNA-polymeraasi käynnistyy tuosta toisesta jäljessä olevasta RNA-alkukerrasta ja replikoi DNA:ta, kunnes se osuu ensimmäiseen RNA-alkukerraaseen eli aiempaan DNA:n kaksoissäikeeseen. Siellä DNA-polymeraasi putoaa pois, ja DNA-ligaasi yhdistää nämä DNA-pätkät. Tämä prosessi jatkuu samanaikaisesti johtavan säikeen synteesin kanssa, joten jäljessä olevalla säikeellä on monta pientä replikoituvaa kaksijuosteista DNA-fragmenttia. Näitä kutsutaan Okazaki-fragmenteiksi Reiji ja Tsuneko Okazakin avioparin mukaan, jotka löysivät ne.
Olemmeko jo valmiita?
DNA:n replikaatio päättyy bakteereissa ja viruksissa, joilla on sirkulaarinen genomi, kun kaksi replikaatiohaarukkaa kohtaavat toisensa replikaatioperustan vastakkaisella puolella kromosomia upeassa kananlihapeliä pelaten. Urhea replikaation terminaattoriproteiini tulee väliin ja pysäyttää DNA:n replikaation, jotta ne eivät törmää toisiinsa. Lopetusmekanismi johtaa kuitenkin siihen, että kaksi toisiinsa lukittunutta pyöreää kromosomia on kiinni toisissaan kuin taikurin sormukset. Topoisomeraasientsyymit, kuten DNA-gyraasi ja topoisomeraasi IV, jotka vastaavat DNA:n nikkimisestä, katkaisevat tilapäisesti toisen kromosomin, jotta toinen kromosomi voi kulkea sen läpi. Siinä sitä mennään, pilaamme taikatemput kaikkien osalta.
Lineaarisen kromosomin lyhenemisen animaatio
Lineaarisissa kromosomeissa on toinen joukko ongelmia, koska näiden kavereiden kanssa emme koskaan saavuta koko kromosomin täydellistä monistumista. Jokainen replikaatiovaihe lyhentää DNA:ta hieman lisää. Bakteerit ja virukset, joilla on lineaariset kromosomit, kiertävät tämän ongelman joko
- Aloittamalla replikaation kromosomin keskeltä tai
- Primeroimalla replikaation proteiinilla RNA-alkusekvenssin sijaan.
Eukaryootit eivät kuitenkaan pysty kumpaankaan näistä, ja ne ovat kehittäneet telomeereiksi kutsuttuja terminaattorisekvenssejä, jotka kiertävät DNA:n lyhenemisen ongelman.
Linjaisen eukaryootti-DNA:n päät ovat nimeltään telomeerejä, ja vaikka ne lyhenevät säännöllisesti jokaisessa replikaatiosyklissä, telomeraaseiksi kutsutut entsyymit korjaavat DNA:n lyhenemisen ongelman. Telomeerit ovat hyvin toistuvia, ja telomeraasit lisäävät lyhyitä sekvenssejä pidentääkseen DNA:n päätä niin, etteivät ne lyhene liikaa ja etteivät tärkeät osat DNA-sekvenssistä katoa. Telomeraasit ovat käänteisiä transkriptaaseja eli entsyymejä (sen tunnistaa -aasista), jotka muuttavat RNA:n DNA:ksi. Katso lisätietoja kohdasta Hämähäkkimies ja muita esimerkkejä rekombinantti-DNA:sta.
Telomeraasit ottavat lyhyen RNA-sekvenssin, muuttavat sen kaksijuosteiseksi DNA-sekvenssiksi ja kiinnittävät sen DNA:n päähän. Telomeerien on säilytettävä tietty vähimmäispituus, ja jos DNA-sekvenssi on lyhyempi kuin vähimmäispituus, jota kutsutaan Hayflick-rajaksi, solu kuolee. Telomeraasit varmistavat, että solu voi jatkaa replikaatiota ja jakautumista loputtomiin. Telomeraasien yliaktiivisuus liittyy yleisesti syöpään, sillä soluista tulee kuolemattomia, kuten Highlanderista.
Hups, virheitä tehtiin: Proofreading and Repair
Ajattelet varmaan: ”DNA-polymeraasi luulee olevansa niin mahtava, koska se monistaa kaiken DNA:n kehossani, jotta voin selvitä hengissä ja jatkaa mitoosin ja meioosin läpikäymistä.” Okei, olemme varmoja, että suurin osa teistä ei ajattele niin, mutta leikitäänpä mukana niille kourallisille ihmisiä, jotka ajattelevat niin.
Tosiasiassa DNA-polymeraasi ei ole niin mahtava! Se tekee virheitä kuten sinä tai Shmoop – tosin meidän virheemme ovat enimmäkseen liian monen viiden tunnin energiajuoman ja friteerattujen Twinkiesien sekoittamia tuotteita. DNA-polymeraasin on kuitenkin korjattava nämä virheet, kun taas me Shmoopissa vaipumme sokerin aiheuttamaan koomaan.
Joskus DNA:n replikaation kiireessä sekvenssiin lisätään väärä emäs, joka ei muodosta oikeaa emäsparia mallijuosteen kanssa. Näin ollen syntyy outoja G-T- tai A-G-emäspareja. Me kaikki muistamme, että normaalit parit ovat G-C ja A-T (Eh? Mikä se on?). Nämä väärät parit eivät ole meille hyväksi, koska ne merkitsevät, että geenimme mutatoituvat, ja meistä tulee mutantteja. Harvat mutaatiot johtavat mahtaviin asioihin, kuten teleportaatioon tai lasernäköön… tai mihinkään X-Menistä. Shucks.
Meidän kaltaisemme suuret eukaryootit, jotka monistuvat hitaasti ja elävät pitkään, eivät halua, että mutaatioita tapahtuu paljon. Miksi? Mikä tahansa mutaatio, joka vaikuttaa kasvuumme, on yleensä… ei hyvä… ja vahingoittaa meitä. Surulliset kasvot.
Mutta pienemmillä organismeilla, kuten bakteereilla, viruksilla ja jopa kärpäsillä, on lyhyet elinkaaret, jotka ovat päivien ja joskus tuntien luokkaa. Ne monistuvat hullun lailla, jolloin jokaisessa uudessa sukupolvessa on 100-1000 000 yksilöä enemmän kuin edellisessä sukupolvessa. Siksi mutaatiot voivat niiden tapauksessa olla edullisempia. Joskus ne haluavat paeta torjunta-aineita, antibiootteja tai lääkkeitä, jotka on suunniteltu niiden hoitamiseksi tai tappamiseksi, minkä vuoksi on niin vaikeaa valmistaa lääkettä, joka estää meitä sairastumasta. Bakteerit ja virukset muuntuvat ja lisääntyvät jatkuvasti. Ja kuten olemme jo huomanneet, niiden polymeraaseissa on vain vähän virheiden hallintaa.
Aivojen välipala
Tässä on nätti video siitä, miten DNA:n replikaatio oikeasti toimii.
Voitteko havaita DNA-polymeraasit? Ne ovat monivärisiä palloja, yksi johtavalle säikeelle ja yksi jäljessä olevalle säikeelle. Jäljellä olevan säikeen polymeraasit ovat niitä, jotka tulevat sisään ja sitten putoavat pois, kun kaksoissäie on valmis.