§ 14. генетическая информация. удвоение днк

Модели репликации


Три постулируемых метода синтеза ДНК

Полуконсервативная репликация получила свое название от того факта, что этот механизм транскрипции был одной из трех первоначально предложенных моделей. за Репликация ДНК:

  • Полуконсервативная репликация создаст две копии, каждая из которых содержит одну из исходных цепей ДНК и одну новую цепь. Полуконсервативная репликация полезна для восстановления ДНК. Во время репликации новая цепь ДНК приспосабливается к модификациям, внесенным в цепь матрицы.
  • Консервативная репликация оставит две исходные цепи ДНК-матрицы вместе в двойная спираль и будет производить копию, состоящую из двух новых цепей, содержащих все новые пары оснований ДНК.
  • Дисперсионная репликация создаст две копии ДНК, каждая из которых содержит отдельные области ДНК, состоящие либо из обеих исходных цепей, либо из обеих новых цепей. Изначально считалось, что цепи ДНК разрываются на каждой десятой паре оснований, чтобы добавить новую матрицу ДНК. В конце концов, вся новая ДНК будет образовывать двойную спираль после многих поколений репликации.

Лицензирование Origin

Все известные механизмы, которые предотвращают репликацию ДНК у эукариотических организмов, препятствуют лицензированию происхождения. Лицензирование источника является предварительным шагом для нормальной инициации репликации во время поздней фазы G1 и ранней фазы S и включает в себя привлечение пререпликативного комплекса (pre-RC) к источникам репликации . Лицензирование начинается со связывания мульти-субъединичной АТФазы , комплекса распознавания ориджина (ORC), с ДНК в ориджинах репликации. После связывания с хроматином ORC рекрутирует AAA + ATPase Cdc6 и белок домена спиральной спирали Cdt1 . Связывание Cdt1 и АТФазная активность ORC и Cdc6 облегчают загрузку белков 2-7 поддержания минихромосомы (MCM) на хроматин. Комплекс MCM — это ДНК-геликаза, которая открывает спираль в точке начала репликации и раскручивает две цепи, когда репликационные вилки перемещаются по ДНК. Повышенная активность CDK в конце G1 запускает срабатывание источников и демонтаж pre-RC. Высокие уровни CDK, которые поддерживаются до конца митоза , ингибируют или разрушают компоненты пре-RC и предотвращают повторное лицензирование источника. Новый комплекс MCM не может быть загружен в источник до тех пор, пока субъединицы pre-RC не будут реактивированы со снижением активности CDK в конце митоза. Таким образом, CDK выполняют двойную роль в регуляции репликации эукариотической ДНК: повышенная активность CDK инициирует репликацию в ориджинах и предотвращает повторную репликацию за счет ингибирования повторного лицензирования ориджинов. Это гарантирует, что ни один источник репликации не сработает дважды в одном и том же клеточном цикле.

Репликация вирусов

Размножение вируса, или репликация, является весьма характерным процессом, свойственным только обитателям этого особого мира природы. Как известно, рост организмов растительного и животного мира природы невозможен без деления клеток. Вирус же вообще не увеличивается в размерах. Вирусные частицы появляются сразу «взрослыми» в результате своеобразного процесса, названного репликацией. Но самое поразительное — то, что в продуцировании новых вирусных частиц участвует только одна нить: одинарная цепочка нуклеиновой кислоты.

Проследим за нуклеиновой кислотой бактериофага, проникшей в клетку бактерии. Первым делом ДНК выключает жизненно важные для клетки хозяина процессы. Затем начинают образовываться специфические вещества ферменты, идущие на строительство молекул ДНК, точно таких же, какие были и у бактериофага. Примерно через 8 мин образование ферментов замедляется и начинают образовываться белки капсидов. На строительство цепочек нуклеиновых кислот потомства кроме ферментов идет часть родительской ДНК бактериофага и разбитая ДНК хозяина. Капсиды новых бактериофагов строятся из вновь образованных белков; сюда же идет часть белков разрушенной клетки и старого бактериофага.

Примерно через 15 мин после инфицирования в клетке бактерий образуется столько вирусных частиц, что им становится тесно. Они разрывают оболочку хозяина и вырываются наружу, заражают новые клетки бактерий и т. д.

Общие представления

Репликация ДНК — ключевое событие в ходе деления клетки. Принципиально, чтобы к моменту деления ДНК была реплицирована полностью и при этом только один раз. Это обеспечивается определёнными механизмами регуляции репликации ДНК. Репликация проходит в три этапа:

  1. инициация репликации
  2. элонгация
  3. терминация репликации.

Регуляция репликации осуществляется в основном на этапе инициации. Это достаточно легко осуществимо, потому что репликация может начинаться не с любого участка ДНК, а со строго определённого, называемого сайтом инициации репликации. В геноме таких сайтов может быть как всего один, так и много. С понятием сайта инициации репликации тесно связано понятие репликон. Репликон — это участок ДНК, который содержит сайт инициации репликации и реплицируется после начала синтеза ДНК с этого сайта. Геномы бактерий, как правило, представляют собой один репликон, это значит, что репликация всего генома является следствием всего одного акта инициации репликации. Геномы эукариот (а также их отдельные хромосомы) состоят из большого числа самостоятельных репликонов, это значительно сокращает суммарное время репликации отдельной хромосомы. Молекулярные механизмы, которые контролируют количество актов инициации репликации в каждом сайте за один цикл деления клетки, называются контролем копийности. В бактериальных клетках помимо хромосомной ДНК часто содержатся плазмиды, которые представляют собой отдельные репликоны. У плазмид существуют свои механизмы контроля копийности: они могут обеспечивать синтез как всего одной копии плазмиды за клеточный цикл, так и тысяч копий.

Репликация начинается в сайте инициации репликации с расплетания двойной спирали ДНК, при этом формируется репликационная вилка — место непосредственной репликации ДНК. В каждом сайте может формироваться одна или две репликационные вилки в зависимости от того, является ли репликация одно- или двунаправленной. Более распространена двунаправленная репликация. Через некоторое время после начала репликации в электронный микроскоп можно наблюдать репликационный глазок — участок хромосомы, где ДНК уже реплицирована, окружённый более протяжёнными участками нереплицированной ДНК.

В репликационной вилке ДНК копирует крупный белковый комплекс (реплисома), ключевым ферментом которого является ДНК-полимераза. Репликационная вилка движется со скоростью порядка 100 000 пар нуклеотидов в минуту у прокариот и 500—5000 — у эукариот.

Ферменты и их функции
Фермент Функция
ДНК-гираза Относится к группе топоизомераз. Вносит временные двуцепочечные разрывы в ДНК, облегчая её разматывание.
Хеликаза Разделяет цепи двухцепочечной молекулы ДНК на одинарные цепи.
SSB-белки Связывают одноцепочечные фрагменты ДНК и предотвращают комплементарное спаривание.
Праймаза Синтезирует РНК-затравку (праймер) — короткий фрагмент РНК, которая является инициатором в работе ДНК-полимеразы (полимераза не способна синтезировать ДНК с нуля, но может добавлять нуклеотиды к уже имеющимся).
ДНК-полимераза Синтезирует ДНК, связываясь с праймером. Следует отметить, что один конец материнской ДНК полимераза синтезировала непрерывно и в одном направлении, а второй — в противоположном — фрагментами.
Белки скользящего зажима (застежки) Окружают кольцом ДНК и «скользят» по ней вместе с продвигающейся вперед фермента ДНК-полимеразы. Они предотвращают диссоциацию фермента от матрицы ДНК и повышают эффективность его работы.
РНКаза H Удаляет уже ненужные фрагменты РНК-затравки.
ДНК-лигаза Сшивает фрагменты ДНК (фрагменты Оказаки).
Теломераза Добавляет особые повторяющиеся последовательности нуклеотидов к одному концу цепи ДНК на участках теломер, тем самым компенсируя их укорачивание во время деления.
Реплисома

(комплекс всех ферментов репликации)

Движется вдоль молекулы ДНК-матрицы, расплетая её и наращивая комплементарные цепи ДНК.

Репликация при раке

Репликация участвует в онкогенезе у модельных организмов и людей . Белки инициации репликации сверхэкспрессируются в образцах тканей нескольких типов рака человека, а экспериментальная сверхэкспрессия Cdt1 и Cdc6 может вызывать развитие опухоли в клетках мыши. Аналогичным образом, удаление геминина у мышей с нокаутом, как сообщалось, усиливает образование опухоли. Кроме того, эти исследования показывают, что повторная репликация может привести к увеличению анеуплоидии , хромосомных слияний и разрывов ДНК

Тщательное понимание механизмов регуляторной репликации важно для разработки новых методов лечения рака.

У дрожжей повышенная активность G1 CDK обычно ингибирует сборку пре-RC и переход в S-фазу с менее активным происхождением, но в раковых клетках пути p53 и Rb / E2F нарушены и позволяют войти в S-фазу с меньшим количеством активного происхождения. Это приводит к двухцепочечным разрывам ДНК, усилению рекомбинации и неправильному расположению хромосом. Механизм возникновения этого повреждения до сих пор неизвестен. Одна из возможностей заключается в том, что снижение активации ориджина приводит к неполной репликации ДНК. Значительная повторная репликация наблюдается только тогда, когда все пути регуляции CDK ингибированы.

В клетках млекопитающих Cdt1 и Cdc6 гораздо более важны для регуляции репликации. Сверхэкспрессия Cdt1 и Cdc6 была обнаружена в 43/75 случаях немелкоклеточного рака легких. Нацеливание на Cdc6 или ORC в клетках млекопитающих не вызывает существенной повторной репликации. С другой стороны, сверхэкспрессия Cdt1 может привести к потенциально летальным уровням повторной репликации сама по себе. Этот ответ наблюдается только в раковых клетках. Сверхэкспрессия членов семейства E2F способствует увеличению экспрессии Cdt1 и Cdc6. Потеря регуляции p53 в клетках также может часто наблюдаться в клеточных линиях, которые сверхэкспрессируют Cdt1 или Cdc6.

Молекулярный механизм репликации

Ферменты (хеликаза, топоизомераза) и ДНК-связывающие белки расплетают ДНК, удерживают матрицу в разведённом состоянии и вращают молекулу ДНК. Правильность репликации обеспечивается точным соответствием комплементарных пар оснований и активностью ДНК-полимеразы, способной распознать и ошибку. Репликация у прокариот[]
осуществляется несколькими разными ДНК-полимеразами. ДНК-полимераза I действует на запаздывающей цепи для удаления РНК-праймеров и дорепликации очищенных мест ДНК. ДНК полимераза III — основной фермент репликации ДНК, осуществляющий синтез ведущей цепи ДНК и фрагментов Оказаки при синтезе запаздывающей цепи. Далее происходит закручивание синтезированных молекул по принципу суперспирализации и дальнейшей компактизации ДНК. Синтез энергозатратный.

Цепи молекулы ДНК расходятся, образуют репликационную вилку, и каждая из них становится матрицей, на которой синтезируется новая комплементарная цепь. В результате образуются две новые двуспиральные молекулы ДНК, идентичные родительской молекуле.

Характеристики процесса репликации
  • матричный — последовательность синтезируемой цепи ДНК однозначно определяется последовательностью материнской цепи в соответствии с принципом комплементарности;
  • полуконсервативный — одна цепь молекулы ДНК, образовавшейся в результате репликации, является вновь синтезированной, а вторая — материнской;
  • идёт в направлении от 5’-конца новой молекулы к 3’-концу;
  • полунепрерывный — одна из цепей ДНК синтезируется непрерывно, а вторая — в виде набора отдельных коротких фрагментов (фрагментов Оказаки);
  • начинается с определённых участков ДНК, которые называются сайтами инициации репликации (англ. origin).

История изучения

Каждая молекула ДНК состоит из одной цепи исходной родительской молекулы и одной вновь синтезированной цепи. Такой механизм репликации называется полуконсервативным. В настоящее время этот механизм считается доказанным благодаря опытам Мэтью Мезельсона и Франклина Сталя ( г.). Ранее существовали и две другие модели: «консервативная» — в результате репликации образуется одна молекула ДНК, состоящая только из родительских цепей, и одна, состоящая только из дочерних цепей; «дисперсионная» — все получившиеся в результате репликации молекулы ДНК состоят из цепей, одни участки которых вновь синтезированы, а другие взяты из родительской молекулы ДНК. Молекула ДНК разрезается пополам и образуются два шаблона. Два шаблона выходят из репликационной вилки. Если представить их в выпрямленном виде, то можно видеть линейку из гребёнок, которые соединены концами, но имеют промежуток. Представим, что одна гребёнка синяя, а другая — красная. Теперь подставим нижнюю красную (она из пяти гребней, как и верхняя) пятым концом к третьему верхнему (третьей верхней иголке). Удлиним цепь и сверху, и снизу. Как бы получится: пять, три, пять и т. д.- наверху и снизу тоже. Потом к этим гребёнкам добавляются после выхода шаблонов (гребёнок) из репликационной вилки ещё два шаблона. Из одной молекулы ДНК получается две идентичные материнской (если нет мутаций) молекулы, это называется полуконсервативностью.

Длина теломер

Так почему длина теломер — величина непостоянная и меняется в течение жизни?

Для того, чтобы ткани организма восстанавливались, клетки находятся в непрерывном процессе деления. И наша система репликации (процесс удвоения ДНК) во время каждого деления клетки не может должным образом завершить воспроизведение концов хромосом, и их “защитные колпачки” изнашиваются. Поэтому в течение жизни сокращение теломер только прогрессирует.

А когда они перестают защищать хромосому, она разрушается во время деления клеток. Затем клетки стареют и погибают в результате апоптоза. Это “клеточное самоубийство” запрограммировано в нашем организме, но с возрастом этот механизм становится менее эффективным, и некоторым постаревшим клеткам удается избежать гибели. И они накапливаются в тканях и органах, мешая их функционированию.

Возможно, именно укорочение теломер объясняет, почему после 50-70 делений большинство клеток в теле человека умирают. Этот лимит известен как предел Хейфлика.

Модели репликации


Три постулируемых метода синтеза ДНК

Полуконсервативная репликация получила свое название от того факта, что этот механизм транскрипции был одной из трех первоначально предложенных моделей. за Репликация ДНК:

  • Полуконсервативная репликация создаст две копии, каждая из которых содержит одну из исходных цепей ДНК и одну новую цепь. Полуконсервативная репликация полезна для восстановления ДНК. Во время репликации новая цепь ДНК приспосабливается к модификациям, внесенным в цепь матрицы.
  • Консервативная репликация оставит две исходные цепи ДНК-матрицы вместе в двойная спираль и будет производить копию, состоящую из двух новых цепей, содержащих все новые пары оснований ДНК.
  • Дисперсионная репликация создаст две копии ДНК, каждая из которых содержит отдельные области ДНК, состоящие либо из обеих исходных цепей, либо из обеих новых цепей. Изначально считалось, что цепи ДНК разрываются на каждой десятой паре оснований, чтобы добавить новую матрицу ДНК. В конце концов, вся новая ДНК будет образовывать двойную спираль после многих поколений репликации.

Регулирование репликации

Бутоновые дрожжи

Регуляция репликации лучше всего понятна у почкующихся дрожжей. Клетки Saccharomyces cerevisiae предотвращают повторную репликацию, напрямую регулируя сборку пре-RC посредством CDK-опосредованного фосфорилирования компонентов пре-RC Cdc6, MCM2-7 и субъединиц ORC. Фосфорилирование этих компонентов инициируется в начале S-фазы и поддерживается на протяжении всего остального клеточного цикла, поскольку активность CDK остается высокой. Фосфорилированный Cdc6 связывается убиквитин-протеинлигазой SCF, что приводит к его протеолитической деградации . CDK-зависимое фосфорилирование белков MCM2-7 приводит к экспорту комплекса из ядра . (Cdt1, который ассоциируется с комплексом MCM, аналогично экспортируется из ядра). Фосфорилирование субъединиц ORC, по-видимому, нарушает способность ORC связывать другие компоненты пре-RC. Таким образом, несколько механизмов гарантируют, что пре-RC не может быть повторно собран на пострепликативных источниках.

Примечание: поскольку источники срабатывают в разное время на протяжении фазы S, очень важно, чтобы тормозные механизмы, которые предотвращают рекрутирование новых MCM2-7, не дестабилизировали существующие пре-RC. Pre-RC могут оставаться собранными в источниках, которые не сработали, даже если механизмы ингибирования репликации ингибируют или разрушают компоненты pre-RC.

Другие организмы

Хотя регуляция CDK сборки пре-RC, по-видимому, является высоко эволюционно консервативной , отмечаются некоторые различия между организмами. У многоклеточных эукариот сборка пре-RC регулируется комплексом, способствующим анафазе (APC), в дополнение к CDK. APC, фермент E3 , убиквитинирует белок геминин и нацелен на его распад. Геминин обычно предотвращает лицензирование происхождения путем связывания и ингибирования Cdt1. В G1 активность APC адекватна для подавления накопления геминина, тем самым косвенно способствуя сборке пре-RC. В конце G1 APC инактивируется, и geminin может накапливаться и предотвращать повторное лицензирование происхождения.

Cdt1 обычно активируется посредством E2F-опосредованной активации транскрипции и путем связывания ацетилазы человека с Orc1. Протеолитическая деградация Cdt1 также является консервативным механизмом у различных эукариот более высокого порядка. Cdt1 деградирует посредством комплекса убиквитин лигазы Cul4-Ddb1-Cdt2 E3, так что контроль лицензирования ДНК сохраняется в S и G2. Cdt1 является важным регуляторным белком, и эволюция привела к различным путям регуляции у разных организмов. Сверхэкспрессия Cdt1 или инактивация Geminin может приводить к повторной репликации, поскольку неградиентный Cdt1 будет вызывать сборку пре-RC.

Пре-RC регуляция у большинства животных до сих пор не изучена.

Можно ли удлинить теломеры

В поисках ключей к долгой молодости группа ученых предположила, что если активировать теломеразу, это удлинит теломеры и автоматически затормозит старение.

В 2010-2011 годах были проведены соответствующие исследования — активация теломеразы у мышей действительно позволила сделать их теломеры длиннее.

Однако этот эксперимент так и не дал ответов на важные вопросы.

Применимо ли это ко всем нашим клеткам? Какими могут быть последствия этих манипуляций?

Согласно научным данным, теломераза очень активна в раковых клетках человека, которые почти «бессмертны». И есть вероятность, что воздействие на нее может вызвать онкозаболевания. На сегодняшний день эта тема требует всестороннего изучения.

При этом уже существуют вещества, способные активировать теломеразу:

  • Низкие дозы аспирина. Некоторые исследования показали, что он может защищать эндотелиальные клетки сосудов. Этот эффект частично связан с реактивацией теломеразы.

  • Астрагал. Это растение, с давних пор используемое в традиционной китайской и аюрведической медицине, в частности, для оздоровления ослабленных людей. Исследования показали, что астрагал способен воздействовать на теломеры и может вызывать небольшое их удлинение.

  • Силимарин. Это активный компонент, полученный из расторопши, хорошо известной своим защитным действием на клетки печени. Силимарин также считается активатором теломеразы.

ВАЖНО: Вещества, удлиняющие теломеры, вероятно, влияют на некоторые процессы старения, а не на длину теломер напрямую. Так, эти вещества могут уменьшить окисление, которое ведет к укорачиванию теломер.

Приложения

Полуконсервативная репликация дает ДНК множество преимуществ. Это быстро, точно и позволяет легко восстанавливать ДНК. Он также отвечает за фенотипический разнообразие нескольких видов прокариот. Процесс создания вновь синтезированной цепи из цепи шаблона позволяет старой цепи быть метилированный в отдельное время от новой пряди. Это позволяет ферментам репарации корректировать новую нить и исправлять любые мутации или ошибки.

ДНК может иметь способность активировать или деактивировать определенные области на недавно синтезированной цепи, что позволяет фенотип ячейки, которую нужно изменить. Это может быть выгодно для клетки, потому что ДНК может активировать более благоприятный фенотип, чтобы помочь в выживании. Из-за естественный отбор, более благоприятный фенотип будет сохраняться у всего вида. Это дает начало идее наследования или того, почему одни фенотипы наследуются над другими.

Что такое мейоз

Второй способ деления эукариотической клетки — мейоз. Во время такого процесса деления клетки получаются дочерние клетки, которые называются гаметы. У мужчин это сперматозоид, а у женщин яйцеклетка. Гаметы получают только половину генетической информации родительской клетки. Число хромосом уменьшается в два раза. 

 Схема мейоза‍

Затем гаметы могут объединяться, образуя новую клетку, сочетающую генетическую информацию обеих клеток-родителей — зиготу. Процесс слияния половых клеток называется оплодотворением. Если зигота совершит цепь митозов, сформируется новый организм. 

По промокоду BIO92021 вы получите бесплатный доступ к курсу биологии 9 класса, по промокоду BIO10112021 бесплатный доступ к курсу биологии 10 класса. Выберите нужный раздел и изучайте биологию вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»!

Каждая гамета человека содержит 23 хромосомы — гаплоидный набор (n). Когда гаметы объединяются, получается зигота с 46 хромосомами — диплоидный набор (2n). 

Во время мейоза одна клетка с 46 хромосомами делится дважды. Первое деление называется мейоз I, второе деление называется мейоз II. Интерфаза между двумя этапами деления мейоза настолько кратковременна, что практически незаметна, и в ней не происходит удвоение ДНК. В результате образуются четыре дочерние клетки, каждая с 23 хромосомами. 

Мейоз I подразделяется на четыре фазы, аналогичные фазам митоза:

  • Профаза I (2n4c) — занимает 90% времени. Происходит скручивание молекул ДНК и образование хромосом. Каждая хромосома состоит из двух гомологичных хроматид — 2n4c. Происходит конъюгация хромосом: гомологичные (парные) хромосомы сближаются и скручиваются, образуя структуры из двух соединённых хромосом — такие структуры называют тетрады, или биваленты. Затем гомологичные хромосомы начинают расходиться. При этом происходит кроссинговер — обмен участками между гомологичными хромосомами. В результате этого процесса создаются новые комбинации генов в потомстве. Растворяется ядерная оболочка. Разрушаются ядрышки. Формируется веретено деления.
  • ‍Метафаза I (2n4c) — биваленты выстраиваются на экваторе веретена деления, при этом ориентация центромер к полюсам абсолютно случайная.
  • Анафаза I (хромосомный набор к концу анафазы: у полюсов — 1n2c, в клетке — 2n4c) — гомологичные хромосомы отходят к разным полюсам, при этом сестринские хроматиды всё ещё соединены центромерой. За счёт случайной ориентации центромер распределение хромосом к полюсам также случайно, так как нити веретена прикрепляются произвольно. 
  • Телофаза I (1n2c) — происходит деспирализация хромосом. Если интерфаза между делениями длительна, может образоваться новая ядерная оболочка.

Мейоз I

Мейоз II подразделяется на четыре такие же фазы: 

  • Профаза II (1n2c) — восстанавливается новое веретено деления, ядерная мембрана растворяется, если образовывалась в телофазе I.
  • Метафаза II (1n2c) — хромосомы выстраиваются в экваториальной части веретена, а нити веретена прикрепляются к центромерам.
  • Анафаза II (хромосомный набор у каждого полюса — 1n1c, в клетке — 2n2c) — центромеры расщепляются, двухроматидные хромосомы разделяются, и теперь к каждому полюсу движется однохроматидная хромосома. 
  • Телофаза II (1n1c) — происходит деспирализация хромосом, формирование ядерных оболочек и разделение цитоплазмы; в результате двух делений из диплоидной материнской клетки получается четыре гаплоидных дочерних клетки. 

Мейоз II

Биологическое значение мейоза — образование гаплоидных клеток, отличающихся генетически друг от друга: половых клеток (гамет) у животных  и спор у растений.