Læringsmål
Efter dette afsnit vil du være i stand til at gøre følgende:
- Diskutere ligheder og forskelle mellem DNA-replikation hos eukaryoter og prokaryoter
- Oplyse telomerasens rolle i DNA-replikation
Eukaryote genomer er meget mere komplekse og større i størrelse end prokaryote genomer. Eukaryoter har også en række forskellige lineære kromosomer. Det menneskelige genom har 3 milliarder basepar pr. haploidt sæt kromosomer, og 6 milliarder basepar replikeres i løbet af S-fasen af cellecyklussen. Der er flere replikationsoprindelsessteder på hvert eukaryot kromosom; mennesker kan have op til 100 000 replikationsoprindelsessteder i hele genomet. Replikationshastigheden er ca. 100 nukleotider pr. sekund, hvilket er meget langsommere end prokaryote replikation. I gær, som er en eukaryot, findes der særlige sekvenser, der kaldes autonomt replikerende sekvenser (ARS), på kromosomerne. Disse svarer til replikationsoprindelsen i E. coli.
Tallet af DNA-polymeraser i eukaryoter er meget større end i prokaryoter: Der kendes 14, hvoraf fem har en vigtig rolle under replikationen og er velundersøgte. De er kendt som pol α, pol β, pol γ, pol δ og pol ε.
De væsentlige trin i replikationen er de samme som hos prokaryoter. Før replikationen kan begynde, skal DNA’et gøres tilgængeligt som skabelon. Eukaryote DNA er bundet til basale proteiner, der er kendt som histoner, for at danne strukturer kaldet nukleosomer. Histoner skal fjernes og derefter erstattes under replikationsprocessen, hvilket er med til at forklare den lavere replikationshastighed hos eukaryoter. Kromatinet (komplekset mellem DNA og proteiner) kan undergå nogle kemiske ændringer, så DNA’et kan glide af proteinerne eller blive tilgængeligt for enzymerne i DNA-replikationsmaskineriet. Ved replikationens oprindelse dannes et præ-replikationskompleks med andre initiatorproteiner. Helicase og andre proteiner rekrutteres derefter til at starte replikationsprocessen ((Figur)).
| forskel mellem prokaryote og eukaryote replikation | |||
|---|---|---|---|
| Egenskab | Prokaryoter | Eukaryoter | Eukaryoter |
| Original af replikation | Enkel | Multipel | |
| Replikationshastighed | 1000 nukleotider/s | 50 til 100 nukleotider/s | |
| DNA-polymerasetyper | 5 | 14 | |
| Telomerase | Indeværende | ikke | An stede |
| RNA-primerfjernelse | DNA pol I | RNase H | |
| Strandforlængelse | DNA pol III | Pol α, pol δ, pol ε | |
| Glidningsklemme | Glidningsklemme | PCNA | |
En helicase bruger energien fra ATP-hydrolyse til at åbne DNA-helixen. Der dannes replikationsgafler ved hver replikationsoprindelse, når DNA’et rulles af. Åbningen af dobbeltspiralen forårsager overvikling, eller supercoiling, i DNA’et foran replikationsgaflen. Disse opløses ved hjælp af topoisomeraser. Primere dannes af enzymet primase, og ved hjælp af primeren kan DNA pol starte syntesen. Derefter er der tre store DNA-polymeraser involveret: α, δ og ε. DNA pol α tilføjer et kort (20-30 nukleotider) DNA-fragment til RNA-primeren på begge strenge og overdrager det derefter til en anden polymerase. Mens den forreste streng syntetiseres løbende af enzymet pol δ, syntetiseres den bageste streng af pol ε. Et glideklemmeprotein kaldet PCNA (proliferating cell nuclear antigen) holder DNA-polen på plads, således at den ikke glider af DNA’et. Når pol δ løber ind i primer-RNA’et på den efterslæbende streng, flytter det det det fra DNA-skabelonen. Det fortrængte primer-RNA fjernes derefter af RNase H (AKA flap endonuklease) og erstattes med DNA-nukleotider. Okazaki-fragmenterne i den efterslæbende streng forbindes efter udskiftning af RNA-primerne med DNA. De resterende huller forsegles af DNA-ligase, som danner fosfodiesterbindingen.
Telomereplikation
I modsætning til prokaryote kromosomer er eukaryote kromosomer lineære. Som du har lært, kan enzymet DNA pol kun tilføje nukleotider i 5′ til 3′-retningen. I den forreste streng fortsætter syntesen, indtil kromosomet er nået til enden af kromosomet. På den langsomme streng syntetiseres DNA i korte strækninger, som hver især initieres af en separat primer. Når replikationsgaflen når enden af det lineære kromosom, er der ingen mulighed for at udskifte primeren i 5′-enden af den bagvedliggende streng. DNA’et i kromosomets ender forbliver således uparret, og med tiden kan disse ender, kaldet telomerer, blive stadig kortere, efterhånden som cellerne fortsætter med at dele sig.
Telomerer består af gentagne sekvenser, der ikke koder for noget bestemt gen. Hos mennesker gentages en sekvens med seks basepar, TTAGGG, 100 til 1000 gange i telomerområderne. På en måde beskytter disse telomerer generne mod at blive slettet, når cellerne fortsætter med at dele sig. Telomererne tilføjes til kromosomernes ender af et særskilt enzym, telomerase ((Figur)), hvis opdagelse har bidraget til forståelsen af, hvordan disse gentagne kromosomender opretholdes. Telomeraseenzymet indeholder en katalytisk del og en indbygget RNA-skabelon. Det sætter sig fast på kromosomets ende, og DNA-nukleotider, der er komplementære til RNA-skabelonen, tilføjes i 3′-enden af DNA-strengen. Når 3′-enden af skabelonen for den efterslæbende streng er tilstrækkeligt forlænget, kan DNA-polymerase tilføje de nukleotider, der er komplementære til kromosomernes ender. Således replikeres kromosomernes ender.
Figur 1. Enderne af lineære kromosomer opretholdes ved hjælp af telomeraseenzymets virkning.
Telomerase er typisk aktiv i kønsceller og voksne stamceller. Det er ikke aktivt i voksne somatiske celler. For deres opdagelse af telomerase og dets virkning modtog Elizabeth Blackburn, Carol W. Greider og Jack W. Szostak ((Figur)) Nobelprisen for medicin og fysiologi i 2009.
Figur 2. Elizabeth Blackburn, nobelpristager i 2009, er en af de forskere, der har opdaget, hvordan telomerase virker. (credit: US Embassy Sweden)
Telomerase og aldring
Celler, der gennemgår celledeling, fortsætter med at få deres telomerer afkortet, fordi de fleste somatiske celler ikke laver telomerase. Det betyder i bund og grund, at telomerforkortning er forbundet med aldring. Med fremkomsten af moderne medicin, forebyggende sundhedspleje og en sundere livsstil er menneskets levetid blevet længere, og der er et stigende krav om, at folk skal se yngre ud og have en bedre livskvalitet, når de bliver ældre.
I 2010 fandt forskere ud af, at telomerase kan vende nogle aldersrelaterede tilstande hos mus. Dette kan have potentiale inden for regenerativ medicin. Der blev anvendt telomerase-deficiente mus i disse undersøgelser; disse mus har vævsatrofi, stamcelleudtømning, organsystemfejl og nedsat respons på vævsskader. Telomerase-reaktivering i disse mus forårsagede en forlængelse af telomererne, reducerede DNA-skader, vendte neurodegeneration og forbedrede funktionen af testiklerne, milten og tarmene. Telomerreaktivering kan således have potentiale til behandling af aldersrelaterede sygdomme hos mennesker.
Kræft er karakteriseret ved ukontrolleret celledeling af unormale celler. Cellerne akkumulerer mutationer, formerer sig ukontrolleret og kan vandre til forskellige dele af kroppen gennem en proces, der kaldes metastase. Forskere har observeret, at kræftceller har betydeligt forkortede telomerer, og at telomerase er aktiv i disse celler. Det er interessant, at telomerasen først blev aktiv, efter at telomererne var blevet forkortet i kræftcellerne. Hvis telomerasens virkning i disse celler kan hæmmes af lægemidler under kræftbehandling, kan kræftcellerne potentielt stoppes i yderligere deling.
Section Summary
Replikation i eukaryoter starter ved flere replikationsoprindelsessteder. Mekanismen er ganske lig den, der findes hos prokaryoter. Der kræves en primer for at indlede syntesen, som derefter forlænges af DNA-polymerase, idet den tilføjer nukleotider et efter et til den voksende kæde. Den forreste streng syntetiseres kontinuerligt, mens den bageste streng syntetiseres i korte strækninger, der kaldes Okazaki-fragmenter. RNA-primere erstattes med DNA-nukleotider; DNA-Okazaki-fragmenterne bindes sammen til én sammenhængende streng af DNA-ligase. Kromosomernes ender udgør et problem, da primer-RNA’et i 5′-enden af DNA’et ikke kan erstattes med DNA, og kromosomet forkortes gradvist. Telomerase, et enzym med en indbygget RNA-skabelon, forlænger enderne ved at kopiere RNA-skabelonen og forlænge den ene streng af kromosomet. DNA-polymerase kan derefter udfylde den komplementære DNA-streng ved hjælp af de almindelige replikationsenzymer. På denne måde er kromosomernes ender beskyttet.
Review Questions
Enderne af de lineære kromosomer opretholdes af
- helikase
- primase
- DNA pol
- telomerase
Hvilket af følgende er ikke et sandt udsagn, der sammenligner prokaryotisk og eukaryotisk DNA-replikation?
- Både eukaryote og prokaryote DNA-polymeraser bygger på RNA-primere, der er fremstillet af primase.
- Eukaryotisk DNA-replikation kræver flere replikationsgafler, mens prokaryotisk replikation bruger en enkelt oprindelse til hurtigt at replikere hele genomet.
- DNA-replikation foregår altid i kernen.
- Eukaryotisk DNA-replikation involverer flere polymeraser end prokaryotisk replikation.
Frit svar
Hvordan sikrer de lineære kromosomer i eukaryoter, at dets ender bliver replikeret fuldstændigt?
Glossar
telomerase
enzym, der indeholder en katalytisk del og en indbygget RNA-skabelon; det fungerer til at vedligeholde telomerer ved kromosomeenderne
telomere
DNA ved enden af lineære kromosomer
- -Jaskelioff et al., “Telomerase-reaktivering vender vævsdegeneration i aldrende telomerase-deficiente mus”,” Nature 469 (2011): 102-7. ↵
