Replikáció

Replikáció

Másolás:

Amikor Shmoop néhány osztálytársa még iskolába járt, a tanáraik mindig rajtakapták őket a másoláson. De az osztálytársak azt mondták a tanáraiknak, hogy a DNS-ükben van a másolás. Ezzel a logikával nem tudott vitatkozni, így sosem kerültek bajba. Milyen kedves kis történet.

Milyen párhuzamot akarunk vonni ezzel a nem túl finom és hamiskás mesével? A DNS állandóan másolódik, és muszáj is, ha továbbra is ennyi sejtet akar létrehozni. És, ó, hogy is csinálja! A DNS-replikáció a DNS másolása, hogy a replikálódó sejteknek elegendő DNS-ük legyen a leánysejtek, vagyis az eredeti sejtből származó új sejtek számára. A sejtosztódás, vagyis az, hogy egy sejtből két új sejt lesz, a nem nemi sejteknél, vagyis azoknál a sejteknél, amelyek nem vesznek részt a… szexben, a mitózis, a nemi sejteknél pedig a meiózis révén történik, vagyis azoknál a sejteknél, amelyek gyorsabban belekezdenek, mint Vinny és Pauly D egy jó éjszakán a Karmában.

Ez csak egy fázis:

Bár a sejtek mindenféle formában és méretben léteznek, mint egy Benetton-reklám, alapvetően kétféle sejt létezik:

1. ivarsejtek (nem, nem azok a dolgok Amszterdamban)
2. szomatikus sejtek (nem ivarsejtek, amelyek szintén nem azok a dolgok Amszterdamban)

Az ivarsejtek az ivarosan szaporodó eukarióták utódait előállító sejtek, és a következőkre oszthatók:

1. Sperma sejtek, amelyek a DNS hím felét tartalmazzák
2. Tojósejtek, amelyek a DNS női felét tartalmazzák

A legtöbb eukarióta sejt életciklusának négy fő szakasza van (kivéve az ivarsejteket).

Ezeket nevezzük

• Gap 1 (vagy G1) fázis
• Szintézis (vagy “S”) fázis
• Gap 2 (G2) fázis
• Mitózis

És nem, a Gap nem támogatja a mitózist. A G1, S és G2 fázisokat általában “interfázisnak” nevezik, főleg a mitózist tanulmányozó emberek. Bár, ha egyedül kapod őket, akkor “unalmas fázisnak” nevezik.”

G1

A G1 az eukarióta életciklusnak a mitózis utáni és a DNS-szintézis előtti fázisa, ami az S-fázis. A mitózis során a mitózison kívüli tevékenység nagy része leállt, és a G1 az az időszak, amikor minden újra kezdődik. A G1 olyan, mint egy őrült álmatlanság, amely azzal ébreszti fel a sejtet, hogy azt mondja: “Hé, egész éjjel kuponokat vágtam ki, ideje felébredni és játszani velem!”

S fázis

Az S fázis az életciklus DNS-replikációs fázisa. Erről később még többet fogunk beszélni, de ha nem tudsz várni, kattints előre. Ebben a fázisban a sejt megduplázza a DNS mennyiségét, hogy elegendő DNS-t készítsen a leánysejtek számára, és a sejt 2n-ről 4n-re változik, ahol n a kromoszómakészletek száma, vagyis a ploidia. A legtöbb szomatikus sejt 2n, azaz diploid, míg a nemi sejtek haploidok, ami azt jelenti, hogy fele annyi DNS-sel rendelkeznek, mint a szomatikus sejtek (normál sejtek).

G2 fázis

A G2 a sejtciklus Jan Brady fázisa. Mindenki mindig a “Mitózis, mitózis, mitózis!” -ról beszél, és senki sem törődik szegény G2-vel. Ez a sejtciklusnak az az időszaka, amikor több fehérjeszintézis történik és mikrotubulusok képződnek, amelyek fontosak a mitózishoz. “Ennyi?” Azt kérdezed? Aha. Nem igazán olyan fontos, ezért sok sejt kihagyja ezt a lépést. A békasejtek kihagyják, ahogyan sok rákos sejt is. Szegény G2…

Mitózis

Mitózis a sejtciklusnak az a szakasza, amely annyira fontos, hogy saját ciklusa van. A mitózis a G2 után kezdődik, és a profázissal, vagyis a kromatin kromoszómákká és a sejt ellentétes pólusai felé mozgó centroszómákká való tömörülésével kezdődik. Ezt a lépést követi a prometafázis szakasz, a profázis és a metafázis közötti köztes szakasz, ahol a magburkolat lebomlik, és a kromoszómák elkezdenek összeállni a centroszómákat összekötő mikrokábelekre. A metafázisban az összes kromoszóma középre igazodik, amit az anafázis követ, ahol a kromoszómák kettéválnak, és a leánykromatidák a legközelebbi centroszómapólus felé mozognak. A telofázis és a citokinézis a sejtosztódás utolsó lépései, illetve a sejtmag újra összeállása két leánysejtre.

Meoiszisz

A meoiszisz a nemi sejtek M fázisa. Úgy kezdődik, mint a mitózis, és az első két leánysejt keletkezése után egy második mitózisciklussal folytatódik. A 2n leánysejt tovább osztódik, így 4 leánysejt keletkezik, és rengeteg túlértékelt esküvő, mindegyik n kromoszómával.

A kezdet kezdetén… A DNS-replikáció eredete

Ha a DNS soha nem replikálódna, a meiózis és a mitózis lassan megfelezné a genom méretét, amíg minden sejt el nem pusztul, ami valószínűleg nem tartana sokáig. Ezért fontos, hogy a DNS megduplázza önmagát, hogy a mitózis/meiózis során a sejtek kettéválnak. A DNS-replikáció hasonló az RNS-átíráshoz.

Az alábbi táblázatban összehasonlítjuk a kettőt:

	DNS-replikáció	RNS-átírás
Produkt	Dupla-DNS	mRNS
Enzim	DNS-polimeráz	RNS-polimeráz
Nukleotidok Hozzáadott	Deoxinukleotid-trifoszfátok	Nukleotid-trifoszfátok
Mintaszál	Mindkettő	Mindkettő, De csak az antisense szálról íródik át

Hogyan nevezzük azokat a helyeket, ahol a replikáció elindul? Eredet. Bárcsak Star Wars Episode I: The Phantom Menace-nek hívták volna, de ez a név már foglalt volt.

Az origók a DNS típusától függően különböznek. A legtöbb eukarióta sejt és néhány baktérium és vírus lineáris DNS-sel rendelkezik, ami azt jelenti, hogy a DNS-szekvenciának van eleje és vége. Ezért a replikáció origója a lineáris DNS 5′ vége. A legtöbb baktériumnak és néhány vírusnak cirkuláris DNS-e van, ami azt jelenti, hogy van egy meghatározott szekvencia, amelyhez a DNS-replikációs fehérjék kötődnek (ez némileg analóg az RNS-átíráshoz), és a replikáció ezen a helyen kezdődik.

A DNS-replikáció egy iniciátorfehérje kötődésével kezdődik, mint például a dnaA az E. coli baktériumokban, vagy egy fehérjekomplex, mint például az origin recognition complex az élesztőben. Az iniciátorok feladata a DNS két szálának szétfeszítése, hogy a replikáció megkezdődhessen. Ez a helyzet nem különbözik attól, mint amikor egy emelő felemeli az autót, amikor kereket cserélünk. (Mert ugye mindannyian tudjuk, hogyan kell ezt csinálni?) Ha nem tudod, hogyan kell kereket cserélni, akkor hívj fel egy autómentőt, és kérdezd meg, hogyan csinálják. Miután elmondták, hogyan kell, sikítson: “Ez pontosan olyan, mint a DNS-replikáció!” Tegye le a telefont, majd imádkozzon, hogy soha többé ne kelljen kereket cserélnie.”

Mihelyt a DNS-t szétszedték, belépnek az RNS-primerek, egy-egy kötődik a DNS mindkét szálához, majd a DNS-replikáció 5′ és 3′ irányban folytatódik. Fontos felismerni, hogy egyszerre két 5′ 3′ irányú replikáció zajlik. Ezt a két replikációt nevezzük replikációs villának. Nem tévesztendő össze a duplikációs kanállal.

A replikációs villa áthaladása

A DNS felosztásakor van egy olyan szál, amely balról jobbra nézve 5′-tól 3′-ig tart, amit “lemaradó” szálnak nevezünk, és egy komplementer szál, amely balról jobbra nézve 3′-tól 5′-ig tart, amit “vezető” szálnak nevezünk. Ezért amikor RNS-primereket adunk hozzá, az egyik primer a vezető szálhoz, a másik primer pedig a lemaradó szálhoz kötődik. A vezető szálhoz kötődő primer azonos a lemaradó szál szekvenciájával, míg a lemaradó szálhoz kötődő primer azonos a vezető szál szekvenciájával. Reméljük, még nem robbant fel a fejed.

Gondolj a DNS-replikációra úgy, mint a bal és a jobb kezedre. Lényegében ugyanolyanok, de vannak finom különbségek. A bal kezednek a hüvelykujjad az ötödik ujja, ha balról jobbra számolsz, míg a jobb kezednek a hüvelykujjad az első ujja. Látod? Sajnálom, ha elszúrtuk az agyadat. Ezért, akárcsak a kezed, a DNS mindkét szála ugyanúgy replikálódik, de van egy finom különbség. A DNS-replikáció csak 5′ és 3′ irányban működik, ezért két DNS-polimeráz molekula megköti az RNS-primereket, és ellentétes irányban kezdi el a replikációt. A vezető szál replikációja hajtja a replikációs folyamatot, mert az RNS-primer az 5′-től 3′-ig terjedő szál replikációját hajtja.”

“De Shmoop, hogyan replikálódik a “lemaradó” szál?” – kérdezheted.

Amint a neve is mutatja, a vezető szál DNS-replikációja egy ideig folytatódik, amíg egy új RNS-primer be nem illeszkedik, és egy második DNS-polimeráz elindul erről a második lemaradó RNS-primerről, és addig replikálja a DNS-t, amíg el nem éri az első RNS-primer, vagyis az előző, kettős szálú DNS-szakaszt. Ott a DNS-polimeráz leáll, és a DNS-ligáz egyesíti ezeket a DNS-darabkákat. Ez a folyamat a vezető szál szintézisével egyidejűleg folytatódik, így a lemaradó szálon sok kis replikálódó kettős szálú DNS-darabkát találunk. Ezeket Okazaki-darabkáknak nevezik, Reiji és Tsuneko Okazaki férj és feleség párosa után, akik felfedezték őket.

Végeztünk már?

A DNS-replikáció a körkörös genommal rendelkező baktériumokban és vírusokban akkor ér véget, amikor a két replikációs villa a kromoszómának a replikáció eredetével ellentétes oldalán találkozik egymással, egy csodálatos csirkejátékban. A bátor replikációs terminátorfehérje közbelép, és szünetelteti a DNS-replikációt, hogy ne ütközzenek egymásnak. A terminációs mechanizmus azonban ahhoz vezet, hogy a két egymásba kapcsolódó körkörös kromoszóma egymáshoz tapad, mint a bűvészgyűrűk. A topoizomeráz enzimek, mint például a DNS-giráz és a topoizomeráz IV, amelyek a DNS becsipkedéséért felelősek, átmenetileg elvágják az egyik kromoszómát, hogy a másik áthaladhasson. Na tessék, tönkretesszük a bűvészmutatványokat mindenki számára.

A lineáris kromoszómarövidülés animációja

A lineáris kromoszómáknak egy másik problémakörük van, mert ezekkel a fickókkal soha nem érjük el a teljes kromoszóma teljes replikációját. Minden replikációs lépés egy kicsit tovább rövidíti a DNS-t. A lineáris kromoszómákkal rendelkező baktériumok és vírusok úgy kerülik meg ezt a problémát, hogy vagy

• A replikációt a kromoszóma közepén indítják el, vagy

• A replikációt RNS-primer szekvencia helyett egy fehérjével kezdik meg.

Az eukarióták azonban egyikre sem képesek, ezért kifejlesztették a telomereknek nevezett terminátorszekvenciákat, amelyek megkerülik a DNS-rövidülés problémáját.

A lineáris eukarióta DNS végeit telomereknek nevezik, és bár minden replikációs ciklusban rendszeresen rövidülnek, a telomerázoknak nevezett enzimek megoldják a DNS-rövidülés problémáját. A telomerek erősen ismétlődőek, és a telomerázok rövid szekvenciákkal hosszabbítják meg a DNS végét, hogy azok ne váljanak túl rövidre, és hogy a DNS-szekvencia fontos részei ne vesszenek el. A telomerázok reverz transzkriptázok, vagyis olyan enzimek (az -ázról tudjuk megkülönböztetni), amelyek az RNS-t DNS-é alakítják át. Lásd a Pókember és más példák a rekombináns DNS-re” című részt.

A telomerázok vesznek egy rövid RNS-szekvenciát, átalakítják kétszálú DNS-szekvenciává, és a DNS végéhez csatolják. Van egy minimális hossz, amit a telomereknek fenn kell tartaniuk, és ha a DNS-szekvencia rövidebb, mint a minimális hossz, amit Hayflick-határnak neveznek, a sejt elpusztul. A telomerázok biztosítják, hogy a sejt a végtelenségig képes legyen a replikációra és osztódásra. A telomerázok túlműködése pedig általában a rákhoz kapcsolódik, mivel a sejtek halhatatlanná válnak, mint a Highlander.

Hoppá, hiba történt: Proofreading and Repair

Valószínűleg arra gondolsz, hogy “a DNS-polimeráz azért gondolja magát olyan nagyszerűnek, mert az összes DNS-t lemásolja a testemben, hogy életben maradhassak, és folytathassam a mitózist és a meiózist”. OK, Biztosak vagyunk benne, hogy a legtöbben nem ezt gondolják, de játsszunk el azzal a maroknyi emberrel, aki ezt gondolja.

A DNS-polimeráz valójában nem is olyan nagyszerű! Ugyanúgy hibázik, mint te vagy a Shmoop – bár a mi hibáink többnyire a túl sok 5 órás energiaital és mélyhűtött Twinkies keverékéből származnak. A DNS-polimeráznak azonban ki kell javítania ezeket a hibákat, míg mi, a Shmoopnál cukor okozta kómába esünk.

Néha a DNS-replikáció sietségében egy rossz bázis, amely nem megfelelő bázispárost alkot a sablonszállal, hozzáadódik a szekvenciához. Ezért furcsa G-T vagy A-G bázispárokat kapunk. Mindannyian emlékszünk arra, hogy a normális bázispárok a G-C és az A-T (Eh? Mi az?). Ezek a hibás párok nem tesznek jót nekünk, mert ez azt jelenti, hogy a génjeink mutálódnak, és mutánsokká válunk. Kevés mutáció vezet olyan fantasztikus dolgokhoz, mint a teleportálás vagy a lézeres látás… vagy bármi más az X-Menből. Shucks.

A hozzánk hasonló nagy eukarióták, amelyek lassan szaporodnak és sokáig élnek, nem akarják, hogy sok mutáció történjen. Miért? Minden mutáció, ami a növekedésünket befolyásolja, általában… nem jó… és árt nekünk. Szomorú arc.

A kisebb organizmusok, mint a baktériumok, vírusok, sőt még a legyek is, rövid, napok, sőt néha órák nagyságrendű életciklusokkal rendelkeznek. Őrült módon szaporodnak, ahol minden új generáció 100-1000-rel több egyedet tartalmaz, mint az előző generáció. Ezért a mutációk az ő esetükben előnyösebbek lehetnek. Néha el akarnak menekülni a növényvédő szerek, antibiotikumok vagy a kezelésük/elpusztításuk céljából kifejlesztett gyógyszerek elől, ezért olyan nehéz olyan gyógyszert gyártani, amely megóv minket a megbetegedéstől. A baktériumok és vírusok folyamatosan mutálódnak és szaporodnak. És, ahogy már észrevettük, a polimerázaikban kevés a hibakontroll.

Agyrágcsálnivaló

Itt egy ügyes videó arról, hogyan is működik valójában a DNS-replikáció.

Kiszúrja a DNS-polimerázokat? Ezek a többszínű gömbök, egy a vezető szálhoz, egy pedig a lemaradó szálhoz. Az elmaradó szál polimerázai azok, amelyek bejönnek, majd leesnek, amikor a kettős szál elkészül.