Replication

Replication

Copying: Cool voor DNA, cool voor ons

Toen sommige klasgenoten van Shmoop nog op school zaten, betrapten hun leraren hen altijd op kopiëren. Maar, de klasgenoten vertelden hun leraren dat het in hun DNA zat om te kopiëren. Ze kon niet tegen die logica ingaan, dus kwamen ze nooit in de problemen. Wat een leuk verhaal.

Welke parallel proberen we te trekken met dit niet-zo-subtiele en hokey verhaaltje? DNA kopieert de hele tijd, en het moet wel als het al die cellen wil blijven maken. En, oh, hoe doet het dat! DNA replicatie is het kopiëren van DNA zodat replicerende cellen genoeg DNA hebben voor dochtercellen, of de nieuwe cellen die zijn afgeleid van de oorspronkelijke cel. Celdeling, of het maken van één cel in twee nieuwe cellen, gebeurt door mitose voor niet-seksuele cellen, of die cellen die niet betrokken zijn bij…seks, en meiose voor geslachtscellen, of die cellen die wel sneller vies worden dan Vinny en Pauly D op een goede nacht bij Karma.

Het is maar een fase: Mitose of Meiose

Hoewel cellen er in alle vormen en maten zijn, zoals een Benetton advertentie, zijn er in principe twee soorten cellen:

1. Geslachtscellen (nee, niet die dingen in Amsterdam)
2. Somatische cellen (niet-geslachtscellen, die ook niet de dingen in Amsterdam zijn)

S geslachtscellen zijn de cellen die nakomelingen voortbrengen van eukaryoten die zich geslachtelijk voortplanten, en ze zijn onderverdeeld in de volgende:

1. Spermacellen die de mannelijke helft van het DNA bevatten
2. Eicellen die de vrouwelijke helft van het DNA bevatten

Er zijn vier belangrijke stadia in de levenscyclus van de meeste eukaryotische cellen (met uitzondering van geslachtscellen).

Deze worden

• Gap 1 (of G1) fase
• Synthese (of “S”) fase
• Gap 2 (G2) fase
• Mitose

En, nee, The Gap bevordert niet de mitose. De G1, S, en G2 fasen worden normaal “interfase” genoemd, meestal door mensen die mitose bestuderen. Hoewel, als je ze alleen krijgt, noemen ze het “saaie fase.”

G1

G1 is de fase van de eukaryotische levenscyclus na de mitose en vóór de DNA-synthese, die de S-fase is. Tijdens de mitose is het grootste deel van de niet-mitose activiteit stilgelegd, en G1 is de periode waarin alles opnieuw begint. G1 is als een krankzinnige slapeloze die de cel wakker maakt door te zeggen: “Hé, ik heb de hele nacht bonnen uitgeknipt, tijd om wakker te worden en met me te spelen!”

S-fase

S-fase is de DNA-replicatiefase van de levenscyclus. We zullen het hier later meer over hebben, maar als je niet kunt wachten, klik dan verder. In deze fase verdubbelt de cel de hoeveelheid DNA om genoeg DNA te maken voor de dochtercellen, en gaat de cel van 2n naar 4n, waarbij n het aantal sets chromosomen is, of ploïdie. De meeste somatische cellen zijn 2n, of diploïd, terwijl geslachtscellen haploïd zijn, wat betekent dat ze half zoveel DNA hebben als somatische cellen (gewone cellen).

G2 Fase

G2 is de Jan Brady van de celcyclus. Iedereen heeft het altijd over “Mitose, Mitose, Mitose!” en niemand bekommert zich om de arme G2. Het is de periode van de celcyclus waar meer eiwitsynthese plaatsvindt en microtubuli worden gemaakt, die belangrijk zijn voor mitose. “Dat is het?” Vraagt u? Yup. Niet echt zo belangrijk, en daarom slaan veel cellen deze stap over. Kikker cellen slaan het over, net als veel kankercellen. Arme G2…

Mitose

Mitose is de fase in de celcyclus die zo belangrijk is, dat hij een eigen cyclus heeft. Mitose begint na G2, en begint met de profase, ofwel de condensatie van chromatine tot chromosomen en centrosomen die naar de tegenover elkaar liggende polen van de cel bewegen. Deze stap wordt gevolgd door de prometafase, een tussenstadium tussen profase en metafase, waarin het omhulsel van de kern afbreekt en de chromosomen zich beginnen te verzamelen op microtubuli die de centrosomen verbinden. In de metafase worden alle chromosomen in het centrum op één lijn gebracht, gevolgd door de anafase, waarin de chromosomen in tweeën worden gesplitst en de dochterchromatiden naar de dichtstbijzijnde centrosomenpool gaan. Telofase en cytokinese zijn de laatste stappen van de celdeling en de hermontage van de celkern in respectievelijk twee dochtercellen.

Meoisis

Meiose is de M-fase voor geslachtscellen. Zij begint zoals de mitose, en na de productie van de eerste twee dochtercellen gaat zij verder met een tweede mitosecyclus. De 2n dochtercellen delen zich verder om 4 dochtercellen te produceren, en een heleboel overpriced huwelijken, elk met n chromosomen.

In the Beginning…DNA Replication Origins

Als DNA nooit zou repliceren, zouden meiose en mitose langzaam de grootte van het genoom halveren tot elke cel zou sterven, wat waarschijnlijk niet lang zou duren. Daarom is het belangrijk dat het DNA zichzelf verdubbelt om de cellen te kunnen splitsen tijdens mitose/meiose. DNA replicatie is vergelijkbaar met RNA transcriptie.

Hieronder staat een tabel die de twee vergelijkt:

	DNA-replicatie	RNA-transcriptie
Product	Dubbel-gestrand DNA	mRNA
Enzym	DNA-polymerase	RNA-polymerase
Nucleotiden Toegevoegd	Deoxynucleotide trifosfaten	Nucleotide trifosfaten
Template Strand	Beiden	Beiden, maar transcribeert alleen van de antisense streng

Hoe noem je de plaatsen waar de replicatie begint? Oorsprong. Hadden ze het maar Star Wars Episode I: The Phantom Menace genoemd, maar die naam was al bezet.

Origins verschillen afhankelijk van het soort DNA. De meeste eukaryote cellen en sommige bacteriën en virussen hebben lineair DNA, wat betekent dat er een begin en een eind is aan de DNA-sequentie. Daarom ligt de oorsprong van de replicatie aan het 5′-uiteinde van het lineaire DNA. De meeste bacteriën en sommige virussen hebben circulair DNA, wat betekent dat er een specifieke sequentie is waaraan DNA-replicatie-eiwitten zich binden (wat enigszins analoog is aan RNA-transcriptie), en de replicatie begint vanaf deze plaats.

DNA-replicatie begint met het binden van een initiator-eiwit, zoals dnaA in E. coli-bacteriën, of een complex van eiwitten, zoals het herkenningscomplex van de oorsprong in gist. De functie van initiators is de twee DNA-strengen uit elkaar te halen zodat de replicatie kan beginnen. Deze situatie is niet te vergelijken met een krik die je auto optilt wanneer je een band verwisselt. (Omdat we allemaal weten hoe dat moet, toch?) Als je niet weet hoe je een band verwisselt, bel dan een sleepbedrijf en vraag hen hoe ze dat doen. Als ze je vertellen hoe het moet, schreeuw dan: “Hang dan de telefoon op en bid dat je nooit meer een band hoeft te verwisselen.

Als het DNA eenmaal uit elkaar is gehaald, komen de RNA-primers binnen, één bindt zich aan elke DNA-streng, en dan gaat de DNA-replicatie verder in een 5′-naar-3′-richting. Het is belangrijk te beseffen dat er twee replicaties van 5′ naar 3′ tegelijkertijd plaatsvinden. Deze twee replicaties worden elk een replicatievork genoemd. Niet te verwarren met de duplicatielepel.

Passeer de replicatievork

Wanneer u DNA splitst, hebben we een streng die van 5′ naar 3′ loopt als we van links naar rechts kijken, die we de “achterblijvende” streng zullen noemen, en een complementaire streng die van 3′ naar 5′ loopt als we van links naar rechts kijken, die we de “voorlopende” streng zullen noemen. Wanneer we RNA-primers toevoegen, bindt de ene primer zich dus aan de leidende streng, en de andere primer bindt zich aan de achterblijvende streng. De primer die zich bindt aan de leidende streng is identiek aan de sequentie van de vertragende streng, terwijl de primer die zich bindt aan de vertragende streng identiek is aan de sequentie van de leidende streng. Hopelijk is uw hoofd nog niet ontploft.

Denk aan DNA-replicatie als uw linker- en rechterhand. Ze zijn in wezen hetzelfde, maar hebben subtiele verschillen. Uw linkerhand heeft de duim als vijfde vinger als u van links naar rechts telt, terwijl uw rechterhand de duim als eerste vinger heeft. Zie je? Sorry als we je op het verkeerde been hebben gezet. Net als je handen repliceren beide DNA-strengen dus op dezelfde manier, maar er is een subtiel verschil. DNA replicatie werkt alleen in een 5′ naar 3′ richting, dus twee DNA polymerase moleculen binden de RNA primers en beginnen te repliceren in tegengestelde richtingen. De replicatie van de leidende streng stuurt het replicatieproces aan, omdat de RNA-primer de replicatie van de 5′-naar-3′-streng aanstuurt.

“Maar Shmoop, hoe repliceer je dan de ‘achterblijvende’ streng?” zul je je misschien afvragen.

Zoals de naam al aangeeft, gaat de DNA-replicatie van de leidende streng enige tijd door totdat een nieuwe RNA-primer wordt ingevoegd, en een tweede DNA-polymerase priemt vanaf die tweede achterblijvende RNA-primer en repliceert het DNA tot het de eerste RNA-primer, of het vorige stuk dubbelstrengs DNA, raakt. Daar valt DNA-polymerase af, en DNA-ligase voegt deze DNA-fragmenten samen. Dit proces gaat gelijktijdig door met de synthese van de leidende streng, zodat er veel kleine replicerende dubbelstrengs DNA-fragmenten op de achterblijvende streng zijn. Deze worden Okazaki fragmenten genoemd, naar het echtpaar Reiji en Tsuneko Okazaki, die ze ontdekten.

Zijn we al klaar?

De replicatie van DNA eindigt in bacteriën en virussen met circulaire genomen wanneer de twee replicatievorken elkaar ontmoeten aan de andere kant van het chromosoom dan de oorsprong van de replicatie, in een prachtig spel van de kip. Het dappere replicatie-terminatoreiwit grijpt in en onderbreekt de DNA-replicatie zodat ze niet tegen elkaar botsen. Het mechanisme van de beëindiging leidt echter tot twee in elkaar grijpende cirkelvormige chromosomen die als toverringen aan elkaar vastzitten. Topoisomerase-enzymen, zoals DNA-gyrase en topoisomerase IV, die verantwoordelijk zijn voor het inkerven van DNA, snijden tijdelijk één chromosoom door zodat het andere kan passeren. Daar gaan we, het verpesten van goocheltrucs voor iedereen.

Animation of Linear Chromosome Shortening

Lineaire chromosomen hebben een andere set problemen, want met deze jongens bereiken we nooit volledige replicatie van het volledige chromosoom. Bij elke replicatiestap wordt het DNA een beetje korter. Bacteriën en virussen met lineaire chromosomen omzeilen dit probleem door ofwel

• de replicatie te starten in het midden van het chromosoom, of door

• de replicatie te starten met een eiwit in plaats van een RNA-primersequentie.

Eukaryoten kunnen echter geen van beide doen en hebben terminator-sequenties ontwikkeld, telomeren genaamd, die het probleem van DNA-verkorting omzeilen.

De uiteinden van lineair eukaryotisch DNA worden telomeren genoemd, en hoewel deze bij elke replicatiecyclus regelmatig worden verkort, lossen enzymen, telomerasen genaamd, het probleem van DNA-verkorting op. Telomeren zijn zeer repetitief, en telomerasen voegen korte sequenties toe om het einde van DNA te verlengen zodat het niet te kort wordt, en zodat belangrijke delen van de DNA-sequentie niet verloren gaan. Telomerases zijn omgekeerde transcriptases, of enzymen (we kunnen dat zien aan de -ase) die RNA omzetten in DNA. Zie het gedeelte “Spiderman en andere voorbeelden van recombinant-DNA” voor meer informatie.

Telomerases nemen een korte RNA-sequentie, zetten die om in een dubbelstrengs DNA-sequentie, en hechten die aan het eind van het DNA. Er is een minimumlengte die telomeren moeten behouden, en als de DNA-sequentie korter is dan de minimumlengte, de zogeheten Hayflick-limiet, sterft de cel. Telomerases zorgen ervoor dat de cel oneindig kan blijven repliceren en delen. En, overactiviteit van telomerases wordt vaak in verband gebracht met kanker, omdat cellen onsterfelijk worden, zoals The Highlander.

Whoops, er zijn fouten gemaakt: Proofreading and Repair

Je denkt waarschijnlijk: “DNA polymerase vindt zichzelf zo geweldig omdat het al het DNA in mijn lichaam repliceert, zodat ik kan overleven en mitose en meiose kan blijven ondergaan.” OK, we zijn er zeker van dat de meesten van jullie dat niet denken, maar laten we meespelen met het handjevol mensen dat dat wel denkt.

In werkelijkheid is DNA polymerase helemaal niet zo geweldig! Het maakt fouten, net als jij of Shmoop – hoewel onze fouten meestal het gevolg zijn van te veel energiedrankjes van 5 uur gemengd met gefrituurde Twinkies. Maar DNA-polymerase moet deze fouten herstellen, terwijl wij bij Shmoop in een door suiker veroorzaakte coma raken.

Soms wordt er in de haast van de DNA-replicatie een verkeerde base aan de sequentie toegevoegd, die niet goed basepaar is met de sjabloonstreng. Daardoor krijgen we vreemde G-T of A-G basenparen. We weten allemaal nog dat normale paren G-C en A-T zijn (Eh? Wat is dat?). Deze onjuiste paren zijn niet goed voor ons, omdat het betekent dat onze genen gemuteerd zijn, en we mutanten worden. Weinig mutaties leiden ooit tot geweldige dingen zoals teleportatie of laser zicht… of iets uit X-Men. Verdorie.

Grote eukaryoten zoals wij, die langzaam repliceren en lang leven, willen niet dat er veel mutaties optreden. Waarom? Elke mutatie die onze groei beïnvloedt, is meestal…niet goed…en zal ons schaden. Droevig gezicht.

Maar kleinere organismen, zoals bacteriën, virussen en zelfs vliegen, hebben korte levenscycli in de orde van dagen, en soms, uren. Zij repliceren als gekken, waarbij elke nieuwe generatie 100s-1000s meer individuen zal hebben dan de vorige generatie. Daarom kunnen mutaties in hun gevallen voordeliger zijn. Soms willen zij ontsnappen aan pesticiden, antibiotica of geneesmiddelen die bedoeld zijn om hen te behandelen/doden, en daarom is het zo moeilijk om een geneesmiddel te maken dat ervoor zorgt dat wij niet ziek worden. Bacteriën en virussen blijven muteren en repliceren. En, zoals we al hebben gemerkt, is er weinig foutcontrole in hun polymerases.

Brain Snack

Hier is een leuke video van hoe DNA replicatie eigenlijk werkt.

Kun je de DNA polymerases herkennen? Het zijn de veelkleurige bolletjes, een voor de leidende streng, en een voor de achterblijvende streng. De achterblijvende streng polymerases zijn degenen die erin komen en er weer afvallen als de dubbele streng voltooid is.