Cíle učení
Na konci této části budete umět následující:
- Diskutovat o podobnostech a rozdílech mezi replikací DNA u eukaryot a prokaryot
- Uvést úlohu telomerázy při replikaci DNA
Eukaryotické genomy jsou mnohem složitější a větší než genomy prokaryot. Eukaryota mají také řadu různých lineárních chromozomů. Lidský genom má 3 miliardy párů bází na haploidní sadu chromozomů a 6 miliard párů bází se replikuje během S fáze buněčného cyklu. Na každém eukaryotickém chromozomu je více počátků replikace; člověk může mít v celém genomu až 100 000 počátků replikace. Rychlost replikace je přibližně 100 nukleotidů za sekundu, což je mnohem pomaleji než u prokaryotické replikace. U kvasinek, které patří mezi eukaryota, se na chromozomech nacházejí speciální sekvence známé jako autonomně replikující sekvence (ARS). Ty jsou ekvivalentem počátku replikace u E. coli.
Polymeráz DNA je u eukaryot mnohem více než u prokaryot: Je jich známo 14, z nichž pět má hlavní úlohu při replikaci a jsou dobře prozkoumány. Jsou známy jako pol α, pol β, pol γ, pol δ a pol ε.
Zásadní kroky replikace jsou stejné jako u prokaryot. Před zahájením replikace musí být DNA k dispozici jako templát. Eukaryotická DNA se váže na základní bílkoviny známé jako histony a vytváří struktury zvané nukleozomy. Histony musí být během procesu replikace odstraněny a následně nahrazeny, což pomáhá vysvětlit nižší rychlost replikace u eukaryot. Chromatin (komplex mezi DNA a bílkovinami) může procházet určitými chemickými modifikacemi, takže DNA může být schopna sklouznout z bílkovin nebo být přístupná enzymům replikačního aparátu DNA. Na počátku replikace se vytváří předreplikační komplex s dalšími iniciačními proteiny. Helikáza a další proteiny se pak rekrutují k zahájení procesu replikace ((obrázek)).
| Rozdíl mezi prokaryotickou a eukaryotickou replikací | ||
|---|---|---|
| Vlastnost | Prokaryota | Eukaryota |
| Původ replikace | Jednotlivé | Vícenásobné |
| Rychlost replikace | 1000 nukleotidů/s | 50 až 100 nukleotidů/s |
| Typy polymerázy DNA | 5 | 14 |
| Telomeráza | Není přítomna | Přítomna |
| Odstranění primerů RNA | DNA pol I | RNáza H |
| Prodloužení řetězce | DNA pol III | Pol α, pol δ, pol ε |
| Posuvná svorka | Posuvná svorka | PCNA |
Šroubovice DNA se pomocí energie z hydrolýzy ATP otevírá. Při odvíjení DNA se na každém replikačním počátku vytvářejí replikační vidličky. Otevření dvojité šroubovice způsobuje převinutí neboli supercoiling v DNA před replikační vidličkou. Ty jsou řešeny působením topoizomeráz. Primery jsou tvořeny enzymem primázou a pomocí primeru může DNA pol zahájit syntézu. Pak se zapojí tři hlavní DNA polymerázy: α, δ a ε. DNA pol α přidá krátký (20 až 30 nukleotidů) fragment DNA k RNA primeru na obou vláknech a pak jej předá druhé polymeráze. Zatímco vedoucí vlákno je průběžně syntetizováno enzymem pol δ, opožděné vlákno syntetizuje pol ε. Klouzavý svorkový protein známý jako PCNA (proliferating cell nuclear antigen) drží DNA pol na místě, aby nesklouzl z DNA. Když pol δ narazí na primerovou RNA na opožděném vlákně, vytlačí ji z templátu DNA. Vytlačená primerová RNA je poté odstraněna RNázou H (alias klopnou endonukleázou) a nahrazena nukleotidy DNA. Okazakiho fragmenty v zaostávajícím vlákně se po nahrazení RNA primerů DNA spojí. Zbylé mezery jsou uzavřeny ligázou DNA, která vytvoří fosfodiesterovou vazbu.
Replikace telomer
Na rozdíl od prokaryotických chromozomů jsou eukaryotické chromozomy lineární. Jak jste se dozvěděli, enzym DNA pol může přidávat nukleotidy pouze ve směru 5′ až 3′. Ve vedoucím vlákně syntéza pokračuje, dokud není dosaženo konce chromozomu. V zaostávajícím vlákně se DNA syntetizuje v krátkých úsecích, z nichž každý je iniciován samostatným primerem. Když replikační vidlice dosáhne konce lineárního chromozomu, není možné nahradit primer na 5′ konci zaostávajícího vlákna. DNA na koncích chromozomu tak zůstává nespárovaná a postupem času se tyto konce, nazývané telomery, mohou při dalším dělení buněk postupně zkracovat.
Telomery obsahují opakující se sekvence, které nekódují žádný konkrétní gen. U člověka se v oblastech telomer 100 až 1000krát opakuje sekvence o šesti párech bází, TTAGGG. Tyto telomery svým způsobem chrání geny před vymazáním při dalším dělení buněk. Telomery jsou na konce chromozomů přidávány samostatným enzymem telomerázou ((obrázek)), jehož objev pomohl pochopit, jak jsou tyto opakující se konce chromozomů udržovány. Enzym telomeráza obsahuje katalytickou část a zabudovaný RNA templát. Ta se připojí ke konci chromozomu a na 3′ konec vlákna DNA se přidají nukleotidy DNA komplementární k šabloně RNA. Jakmile je 3′ konec šablony zaostávajícího vlákna dostatečně prodloužen, může DNA polymeráza přidat nukleotidy komplementární ke koncům chromozomů. Tím dochází k replikaci konců chromozomů.
Obrázek 1. Konce lineárních chromozomů jsou udržovány působením enzymu telomerázy.
Telomeráza je typicky aktivní v zárodečných buňkách a dospělých kmenových buňkách. V dospělých somatických buňkách aktivní není. Za objev telomerázy a jejího působení obdrželi Elizabeth Blackburnová, Carol W. Greiderová a Jack W. Szostak ((obrázek)) v roce 2009 Nobelovu cenu za lékařství a fyziologii.
Obr. 2. Telomeráza a její působení. Elizabeth Blackburnová, nositelka Nobelovy ceny za rok 2009, je jednou z vědkyň, které objevily, jak telomeráza funguje. (kredit: Velvyslanectví USA ve Švédsku)
Telomeráza a stárnutí
Buňky, které se dělí, mají nadále zkrácené telomery, protože většina somatických buněk telomerázu nevytváří. To v podstatě znamená, že zkracování telomer je spojeno se stárnutím. S nástupem moderní medicíny, preventivní zdravotní péče a zdravějšího životního stylu se délka lidského života prodloužila a roste požadavek, aby lidé s přibývajícím věkem vypadali mladší a měli kvalitnější život.
V roce 2010 vědci zjistili, že telomeráza dokáže zvrátit některé stavy související s věkem u myší. To může mít potenciál v regenerativní medicíně. V těchto studiích byly použity myši s deficitem telomerázy; u těchto myší dochází k atrofii tkání, vyčerpání kmenových buněk, selhání orgánových systémů a zhoršení reakcí na poranění tkání. Reaktivace telomerázy u těchto myší způsobila prodloužení telomer, snížila poškození DNA, zvrátila neurodegeneraci a zlepšila funkci varlat, sleziny a střev. Reaktivace telomer tak může mít potenciál pro léčbu onemocnění souvisejících s věkem u lidí.
Rakovina je charakterizována nekontrolovaným dělením abnormálních buněk. Buňky hromadí mutace, nekontrolovaně se množí a mohou migrovat do různých částí těla prostřednictvím procesu zvaného metastazování. Vědci vypozorovali, že rakovinné buňky mají výrazně zkrácené telomery a že telomeráza je v těchto buňkách aktivní. Zajímavé je, že teprve po zkrácení telomer v rakovinných buňkách se telomeráza stala aktivní. Pokud by se působení telomerázy v těchto buňkách dalo při léčbě rakoviny potlačit léky, pak by se potenciálně dalo rakovinným buňkám zabránit v dalším dělení.
Souhrn oddílu
Replikace u eukaryot začíná u více počátků replikace. Mechanismus je dosti podobný mechanismu u prokaryot. K zahájení syntézy je zapotřebí primer, který pak prodlužuje DNA polymeráza, když přidává jeden nukleotid po druhém do rostoucího řetězce. Vedoucí řetězec je syntetizován kontinuálně, zatímco opožděný řetězec je syntetizován v krátkých úsecích nazývaných Okazakiho fragmenty. RNA primery jsou nahrazeny nukleotidy DNA; Okazakiho fragmenty DNA jsou spojeny do jednoho souvislého řetězce pomocí DNA ligázy. Konce chromozomů představují problém, protože primární RNA na 5′ koncích DNA nelze nahradit DNA a chromozom se postupně zkracuje. Telomeráza, enzym s vestavěným templátem RNA, prodlužuje konce kopírováním templátu RNA a prodlužováním jednoho vlákna chromozomu. DNA polymeráza pak může doplnit komplementární vlákno DNA pomocí běžných replikačních enzymů. Tímto způsobem jsou konce chromozomů chráněny.
Odpovědi na otázky
Konce lineárních chromozomů udržuje
- helikáza
- primáza
- DNA pol
- telomeráza
.
Které z následujících tvrzení není pravdivé při porovnání prokaryotické a eukaryotické replikace DNA?
- Polymerázy eukaryotické i prokaryotické DNA vycházejí z primerů RNA vytvořených primázou.
- Eukaryotická replikace DNA vyžaduje více replikačních vidlic, zatímco prokaryotická replikace využívá jediný origin k rychlé replikaci celého genomu.
- Replikace DNA probíhá vždy v jádře.
- Eukaryotická replikace DNA zahrnuje více polymeráz než prokaryotická replikace.
Volná odpověď
Jak zajišťují lineární chromozomy u eukaryot, že jsou jeho konce kompletně replikovány?
Slovníček
telomerasa
enzym, který obsahuje katalytickou část a vestavěný templát RNA; jeho funkcí je udržovat telomery na koncích chromozomů
telomery
DNA na konci lineárních chromozomů
- -Jaskelioff et al., „Reaktivace telomerázy zvrátí degeneraci tkání u stárnoucích myší s deficitem telomerázy,“ Nature 469 (2011): 102-7. ↵
