Oppimistavoitteet
Tämän osion lopussa osaat seuraavat asiat:
- Keskustella eukaryoottien ja prokaryoottien DNA:n replikaation yhtäläisyyksistä ja eroista
- Kerrotaan telomeraasin rooli DNA:n replikaatiossa
Eukaryoottien genomit ovat paljon monimutkaisempia ja kooltaan suurempia kuin prokaryoottien genomien. Eukaryooteilla on myös useita erilaisia lineaarisia kromosomeja. Ihmisen genomissa on 3 miljardia emäsparia haploidista kromosomisarjaa kohti, ja 6 miljardia emäsparia monistuu solusyklin S-vaiheen aikana. Jokaisessa eukaryoottikromosomissa on useita replikaation alkulähteitä; ihmisellä voi olla jopa 100 000 replikaation alkulähdettä koko genomissa. Replikaationopeus on noin 100 nukleotidia sekunnissa, mikä on paljon hitaampaa kuin prokaryoottien replikaatio. Hiivassa, joka on eukaryootti, kromosomeissa on erityisiä sekvenssejä, joita kutsutaan itsenäisesti replikoituviksi sekvensseiksi (ARS). Nämä vastaavat E. colin replikaatioalkuperää.
Eukaryooteissa DNA-polymeraaseja on paljon enemmän kuin prokaryooteissa: Niitä tunnetaan 14, joista viidellä tiedetään olevan merkittävä rooli replikaation aikana ja niitä on tutkittu hyvin. Ne tunnetaan nimillä pol α, pol β, pol γ, pol δ ja pol ε.
Replikaation olennaiset vaiheet ovat samat kuin prokaryooteilla. Ennen kuin replikaatio voi alkaa, DNA:n on oltava käytettävissä mallina. Eukaryoottinen DNA on sitoutunut histoneiksi kutsuttuihin perusproteiineihin muodostaen nukleosomeiksi kutsuttuja rakenteita. Histoneja on poistettava ja sitten korvattava replikaatioprosessin aikana, mikä selittää osaltaan eukaryoottien alhaisemman replikaationopeuden. Kromatiini (DNA:n ja proteiinien välinen kompleksi) voi kokea joitakin kemiallisia muutoksia, jotta DNA voi liukua irti proteiineista tai olla DNA:n replikaatiokoneiston entsyymien saatavilla. Replikaation alkulähteessä muodostuu esireplikaatiokompleksi muiden initiaattoriproteiinien kanssa. Helikaasi ja muut proteiinit rekrytoituvat sitten käynnistämään replikaatioprosessin ((kuva)).
| Prokaryoottisen ja eukaryoottisen replikaation ero | |||
|---|---|---|---|
| Ominaisuus | Prokaryootit | Eukaryootit | Eukaryootit |
| Replikaation alkuperä | Yksittäinen | Moninkertainen | |
| Replikaation nopeus | 1000 nukleotidia/s | 50-100 nukleotidia/s | |
| DNA-polymeraasityypit | 5 | 14 | |
| Telomeraasityypit | Ei esiinny | Esiintyy | |
| RNA-alukkeen poisto | DNA pol I | RNaasi H | |
| Säikeen pidentyminen | DNA pol III | Pol α, pol δ, pol ε | |
| Liukukiristin | Liukukiristin | PCNA | |
Helikaasi, joka käyttää ATP:n hydrolyysistä saatavaa energiaa DNA-kierteen avaamiseen. Replikaatiohaarukat muodostuvat jokaisen replikaatioperustan kohdalle DNA:n purkautuessa. Kaksoiskierteen avautuminen aiheuttaa replikaatiohaarukkaa edeltävässä DNA:ssa ylikierteen eli superkierteen. Nämä ratkaistaan topoisomeraasien avulla. Primaasi-entsyymi muodostaa alukkeita, ja alukkeen avulla DNA pol voi aloittaa synteesin. DNA pol α lisää lyhyen (20-30 nukleotidia) DNA-fragmentin RNA-primeriin molemmilla säikeillä ja luovuttaa sen jälkeen toiselle polymeraasille. Kun johtavaa säiettä syntetisoi jatkuvasti entsyymi pol δ, jäljessä olevaa säiettä syntetisoi pol ε. Liukuva puristinproteiini, joka tunnetaan nimellä PCNA (proliferating cell nuclear antigen), pitää DNA-polin paikallaan, jotta se ei liukastuisi pois DNA:lta. Kun pol δ törmää viivejuosteessa olevaan alukkeen RNA:han, se syrjäyttää sen DNA-mallineelta. RNaasi H (AKA läppäendonukleaasi) poistaa sitten syrjäytyneen alukkeen RNA:n ja korvaa sen DNA-nukleotideilla. Jäljellä olevan säikeen Okazaki-fragmentit yhdistyvät sen jälkeen, kun RNA-alukkeet on korvattu DNA:lla. Jäljelle jäävät aukot sulkee DNA-ligaasi, joka muodostaa fosfodiesterisidoksen.
Telomeerien replikaatio
Toisin kuin prokaryoottiset kromosomit, eukaryoottiset kromosomit ovat lineaarisia. Kuten olet oppinut, entsyymi DNA pol voi lisätä nukleotideja vain 5′-3′-suunnassa. Johtavassa säikeessä synteesi jatkuu, kunnes kromosomin loppu saavutetaan. Myöhästyneessä säikeessä DNA:ta syntetisoidaan lyhyissä pätkissä, joista jokainen aloitetaan erillisellä alukkeella. Kun replikaatiohaarukka saavuttaa lineaarisen kromosomin lopun, ei ole mitään keinoa korvata aluketta jäljessä olevan säikeen 5′ päässä. Kromosomin päissä oleva DNA jää näin ollen parittomaksi, ja ajan mittaan nämä päät, joita kutsutaan telomeereiksi, voivat lyhentyä asteittain solujen jatkaessa jakautumistaan.
Telomeerit koostuvat toistuvista sekvensseistä, jotka eivät koodaa mitään tiettyä geeniä. Ihmisillä telomeerialueilla toistuu 100-1000 kertaa kuuden emäsparin sekvenssi TTAGGG. Tavallaan nämä telomeerit suojaavat geenejä poistumasta, kun solut jatkavat jakautumistaan. Telomeerejä lisää kromosomien päihin erillinen entsyymi, telomeraasi ((kuva)), jonka löytäminen auttoi ymmärtämään, miten nämä toistuvat kromosomien päät säilyvät. Telomeraasientsyymi sisältää katalyyttisen osan ja sisäänrakennetun RNA-mallin. Se kiinnittyy kromosomin päähän, ja DNA-juosteen 3′-päähän lisätään RNA-mallin kanssa komplementaarisia DNA-nukleotideja. Kun jäljessä olevan säikeen mallin 3′-pää on riittävän pitkittynyt, DNA-polymeraasi voi lisätä kromosomien päihin komplementaarisia nukleotideja. Näin kromosomien päät replikoituvat.
Kuva 1. Lineaaristen kromosomien päät säilyvät telomeraasientsyymin vaikutuksesta.
Telomeraasi on tyypillisesti aktiivinen sukusoluissa ja aikuisten kantasoluissa. Se ei ole aktiivinen aikuisten somaattisissa soluissa. Telomeraasin löytämisestä ja sen toiminnasta Elizabeth Blackburn, Carol W. Greider ja Jack W. Szostak ((kuva)) saivat lääketieteen ja fysiologian Nobel-palkinnon vuonna 2009.
Kuva 2. Telomeraasin löytämisestä ja sen toiminnasta. Elizabeth Blackburn, vuoden 2009 Nobel-palkittu, on yksi niistä tutkijoista, jotka löysivät telomeraasin toiminnan. (luotto: Yhdysvaltain Ruotsin suurlähetystö)
Telomeraasi ja ikääntyminen
Solujen, jotka käyvät läpi solunjakautumisen, telomeerit lyhenevät edelleen, koska useimmat somaattiset solut eivät valmista telomeraasia. Tämä tarkoittaa lähinnä sitä, että telomeerien lyheneminen liittyy ikääntymiseen. Nykyaikaisen lääketieteen, ennaltaehkäisevän terveydenhuollon ja terveellisempien elintapojen myötä ihmisten elinikä on pidentynyt, ja yhä useammat haluavat näyttää nuoremmilta ja saada paremman elämänlaadun ikääntyessään.
Vuonna 2010 tiedemiehet havaitsivat, että telomeraasi voi kääntää joidenkin ikääntymiseen liittyvien tilojen kulkua hiirissä. Tällä voi olla potentiaalia regeneratiivisessa lääketieteessä. Näissä tutkimuksissa käytettiin telomeraasipuutteisia hiiriä; näillä hiirillä esiintyy kudosten surkastumista, kantasolujen köyhtymistä, elinjärjestelmän vajaatoimintaa ja heikentyneitä kudosvammareaktioita. Telomeraasin reaktivointi näissä hiirissä aiheutti telomeerien pidentymistä, vähensi DNA-vaurioita, kumosi neurodegeneraation ja paransi kivesten, pernan ja suoliston toimintaa. Telomeerien uudelleenaktivoinnilla voi siis olla potentiaalia ikääntymiseen liittyvien sairauksien hoidossa ihmisillä.
Syövälle on ominaista epänormaalien solujen hallitsematon jakautuminen. Solut keräävät mutaatioita, lisääntyvät hallitsemattomasti ja voivat siirtyä kehon eri osiin metastaasiksi kutsutun prosessin kautta. Tutkijat ovat havainneet, että syöpäsolujen telomeerit ovat huomattavasti lyhentyneet ja että telomeraasi on aktiivinen näissä soluissa. Mielenkiintoista on, että vasta kun telomeerit olivat lyhentyneet syöpäsoluissa, telomeraasi aktivoitui. Jos telomeraasin toimintaa näissä soluissa voidaan estää lääkkeillä syöpähoidon aikana, syöpäsolujen jakautuminen voitaisiin mahdollisesti pysäyttää.
Yhteenveto
Replikaatio eukaryooteissa alkaa useista replikaatioperustoista. Mekanismi on melko samanlainen kuin prokaryooteilla. Synteesin aloittamiseen tarvitaan aluketta, jota DNA-polymeraasi jatkaa, kun se lisää nukleotideja yksi kerrallaan kasvavaan ketjuun. Johtava säie syntetisoituu jatkuvasti, kun taas jäljessä oleva säie syntetisoituu lyhyissä pätkissä, joita kutsutaan Okazaki-fragmenteiksi. RNA-alukkeet korvataan DNA-nukleotideilla; DNA:n Okazaki-fragmentit yhdistetään yhdeksi jatkuvaksi säikeeksi DNA-ligaasin avulla. Kromosomien päät muodostavat ongelman, koska DNA:n 5′ päissä olevaa RNA-aluketta ei voida korvata DNA:lla, ja kromosomi lyhenee vähitellen. Telomeraasi, entsyymi, jolla on sisäänrakennettu RNA-malli, pidentää päitä kopioimalla RNA-mallin ja pidentämällä yhtä kromosomin säiettä. DNA-polymeraasi voi sitten täyttää komplementaarisen DNA-juosteen tavanomaisten replikaatioentsyymien avulla. Tällä tavoin kromosomien päät ovat suojattuja.
Kertauskysymykset
Linjaisten kromosomien päitä ylläpitävät
- helikaasi
- primaasi
- DNA-pol
- telomeraasi
.
Mikä seuraavista väittämistä ei pidä paikkaansa verrattaessa prokaryoottista ja eukaryoottista DNA:n replikaatiota?
- Kaikki eukaryoottiset ja prokaryoottiset DNA-polymeraasit rakentuvat primaasin tekemistä RNA-alukkeista.
- Eukaryoottinen DNA:n replikaatio vaatii useita replikaatiohaarakoita, kun taas prokaryoottinen replikaatio käyttää yhtä alkuperää koko genomin nopeaan replikointiin.
- DNA:n replikaatio tapahtuu aina ytimessä.
- Eukaryoottiseen DNA:n replikaatioon osallistuu enemmän polymeraaseja kuin prokaryoottiseen.
Vapaa vastaus
Kuinka lineaariset kromosomit eukaryooteissa varmistavat, että sen päät replikoituvat täysin?
Sanasto
telomeraasi
entsyymi, joka sisältää katalyyttisen osan ja sisäänrakennetun RNA-mallin; sen tehtävänä on ylläpitää telomeereja kromosomien päissä
telomeeri
DNA:ta lineaaristen kromosomien päässä
- -Jaskelioff et al., ”Telomeraasin reaktivointi kääntää kudosdegeneraation ikääntyneissä telomeraasipuutteisissa hiirissä,” Nature 469 (2011): 102-7. ↵
