Learning Objectives
A fejezet végére képes lesz a következőkre:
- Az eukarióták és a prokarióták DNS-replikációja közötti hasonlóságok és különbségek tárgyalása
- A telomeráz szerepének megnevezése a DNS-replikációban
Az eukarióta genomok sokkal összetettebbek és nagyobb méretűek, mint a prokarióta genomok. Az eukariótáknak is számos különböző lineáris kromoszómájuk van. Az emberi genom haploid kromoszómakészletenként 3 milliárd bázispárt tartalmaz, és 6 milliárd bázispár replikálódik a sejtciklus S fázisában. Minden egyes eukarióta kromoszómán több replikációs origó található; az ember genomjában akár 100 000 replikációs origó is lehet. A replikáció sebessége körülbelül 100 nukleotid/másodperc, ami sokkal lassabb, mint a prokarióta replikáció. Az élesztőben, amely egy eukarióta, a kromoszómákon speciális szekvenciák, az úgynevezett autonóm replikációs szekvenciák (ARS) találhatók. Ezek egyenértékűek az E. coli replikációs origójával.
A DNS-polimerázok száma az eukariótákban sokkal több, mint a prokariótákban: Tizennégyet ismerünk, amelyek közül ötről tudjuk, hogy fontos szerepet játszik a replikáció során, és jól tanulmányozták őket. Ezek a pol α, pol β, pol γ, pol δ és pol ε néven ismertek.
A replikáció alapvető lépései ugyanazok, mint a prokariótákban. Mielőtt a replikáció megkezdődhetne, a DNS-t sablonként rendelkezésre kell bocsátani. Az eukarióta DNS-t hisztonoknak nevezett alapfehérjékhez kötik, hogy nukleoszómáknak nevezett struktúrákat alkossanak. A replikációs folyamat során a hisztonokat el kell távolítani, majd vissza kell cserélni, ami magyarázatot ad az eukarióták alacsonyabb replikációs sebességére. A kromatin (a DNS és a fehérjék közötti komplex) bizonyos kémiai módosításokon mehet keresztül, hogy a DNS le tudjon csúszni a fehérjékről, vagy hozzáférhetővé váljon a DNS-replikációs gépezet enzimei számára. A replikáció origójánál egy pre-replikációs komplex jön létre más iniciátorfehérjékkel. A helikáz és más fehérjék ezután rekrutálódnak a replikációs folyamat elindításához ((ábra)).
| Különbség a prokarióta és az eukarióta replikáció között | |||
|---|---|---|---|
| Tulajdonság | Prokarióták | Eukarióták | Eukarióták |
| Replikáció eredete | Egyszeres | Sokszoros | |
| Replikáció sebessége | 1000 nukleotid/s | 50-100 nukleotid/s | |
| DNS-polimeráz típusok | 5 | 14 | |
| Telomeráz | Nincs jelen | Létezik | |
| RNS primer eltávolítása | DNS pol I | RNáz H | |
| Szálelongáció | DNS pol III | Pol α, pol δ, pol ε | |
| Sliding clamp | Sliding clamp | PCNA | |
A helikáz az ATP hidrolíziséből származó energiát felhasználva nyitja a DNS spirált. A DNS kitekeredése során minden replikációs origónál replikációs villák alakulnak ki. A kettős spirál felnyílása a replikációs villa előtt a DNS-ben túltekeredést, azaz szupertekeredést okoz. Ezeket a topoizomerázok hatására oldják fel. A primereket a primáz enzim képezi, és a primer segítségével a DNS-pol megkezdheti a szintézist. Ezután három fő DNS-polimeráz vesz részt: α, δ és ε. A DNS pol α mindkét szálon egy rövid (20-30 nukleotidos) DNS-töredéket illeszt az RNS-primerhez, majd átadja egy második polimeráznak. Míg a vezető szálat a pol δ enzim folyamatosan szintetizálja, addig a lemaradó szálat a pol ε. A PCNA (proliferáló sejtmagi antigén) nevű csúszó bilincsfehérje tartja a helyén a DNS-polt, hogy az ne csússzon le a DNS-ről. Ahogy a pol δ nekifut a késleltetett szálon lévő primer RNS-nek, kiszorítja azt a DNS-templátból. Az elmozdult primer RNS-t ezután az RNáz H (más néven flap endonukleáz) eltávolítja, és DNS-nukleotidokkal helyettesíti. A lemaradó szálon lévő Okazaki-fragmentumok az RNS-primerek DNS-sel történő kicserélése után kapcsolódnak össze. A fennmaradó réseket a foszfodiészterkötést kialakító DNS-ligáz zárja le.
Telomer replikáció
A prokarióta kromoszómákkal ellentétben az eukarióta kromoszómák lineárisak. Mint tanultuk, a DNS-pol enzim csak 5′-3′ irányban képes nukleotidokat hozzáadni. A vezető szálon a szintézis a kromoszóma végéig folytatódik. A lemaradó szálon a DNS szintézise rövid szakaszokban történik, amelyek mindegyikét külön primer indítja el. Amikor a replikációs villa eléri a lineáris kromoszóma végét, nincs mód a lemaradó szál 5′ végén lévő primer cseréjére. A kromoszóma végein lévő DNS így párosítatlan marad, és idővel ezek a végek, az úgynevezett telomerek, a sejtek további osztódása során fokozatosan rövidülhetnek.
A telomerek olyan ismétlődő szekvenciákból állnak, amelyek nem kódolnak semmilyen konkrét gént. Az emberekben egy hat bázispárból álló szekvencia, a TTAGGG, 100-1000-szer ismétlődik a telomer régiókban. Ezek a telomerek bizonyos értelemben megvédik a géneket attól, hogy a sejtek további osztódása során törlődjenek. A telomereket egy különálló enzim, a telomeráz ((ábra)) illeszti a kromoszómák végéhez, amelynek felfedezése segített annak megértésében, hogyan tartják fenn ezeket az ismétlődő kromoszómavégeket. A telomeráz enzim tartalmaz egy katalitikus részt és egy beépített RNS-sablont. Rákapcsolódik a kromoszóma végére, és a DNS-szál 3′ végére az RNS-sablonhoz komplementer DNS-nukleotidok kerülnek. Amint a lemaradó szál sablonjának 3′ vége kellően megnyúlt, a DNS-polimeráz hozzá tudja adni a kromoszóma végéhez komplementer nukleotidokat. Így a kromoszómák végei replikálódnak.
1. ábra. A lineáris kromoszómák végeit a telomeráz enzim működése tartja fenn.
A telomeráz jellemzően az ivarsejtekben és a felnőtt őssejtekben aktív. A felnőtt szomatikus sejtekben nem aktív. A telomeráz felfedezéséért és működéséért Elizabeth Blackburn, Carol W. Greider és Jack W. Szostak ((ábra)) 2009-ben orvosi és élettani Nobel-díjat kapott.
2. ábra. Elizabeth Blackburn, 2009-es Nobel-díjas, egyike azoknak a tudósoknak, akik felfedezték a telomeráz működését. (credit: US Embassy Sweden)
Telomeráz és az öregedés
A sejtosztódáson átesett sejtek telomerái továbbra is rövidülnek, mivel a legtöbb szomatikus sejt nem termel telomerázt. Ez lényegében azt jelenti, hogy a telomerek rövidülése az öregedéssel jár együtt. A modern orvostudomány, a megelőző egészségügyi ellátás és az egészségesebb életmód megjelenésével az emberi élettartam megnőtt, és egyre nagyobb igény mutatkozik arra, hogy az emberek idősebb korukban fiatalabbnak tűnjenek és jobb életminőséggel rendelkezzenek.
2010-ben a tudósok megállapították, hogy a telomeráz képes visszafordítani egyes, az öregedéssel kapcsolatos állapotokat egerekben. Ez potenciális lehet a regeneratív gyógyászatban. Telomeráz-hiányos egereket használtak ezekben a vizsgálatokban; ezeknél az egereknél szöveti sorvadás, őssejt-csökkenés, szervrendszeri elégtelenség és károsodott szöveti sérülésválaszok jelentkeztek. A telomeráz reaktiválása ezekben az egerekben a telomerek meghosszabbodását okozta, csökkentette a DNS-károsodást, visszafordította a neurodegenerációt, és javította a herék, a lép és a belek működését. Így a telomerek reaktiválása potenciálisan alkalmas lehet az emberekben az öregedéssel összefüggő betegségek kezelésére.
A rákot a kóros sejtek ellenőrizetlen sejtosztódása jellemzi. A sejtek mutációkat halmoznak fel, kontrollálatlanul szaporodnak, és a test különböző részeire vándorolhatnak az áttétképződésnek nevezett folyamat révén. A tudósok megfigyelték, hogy a rákos sejtek telomerei jelentősen megrövidültek, és hogy a telomeráz aktív ezekben a sejtekben. Érdekes módon a telomeráz csak azután vált aktívvá, hogy a telomerek megrövidültek a rákos sejtekben. Ha a telomeráz működését ezekben a sejtekben gyógyszerekkel meg lehetne gátolni a rákterápia során, akkor a rákos sejtek további osztódását potenciálisan meg lehetne állítani.
Szakaszösszefoglaló
A replikáció az eukariótákban több replikációs origónál kezdődik. A mechanizmus meglehetősen hasonló a prokariótákéhoz. A szintézis elindításához egy primerre van szükség, amelyet aztán a DNS-polimeráz meghosszabbít, miközben a nukleotidokat egyenként hozzáadja a növekvő lánchoz. A vezető szál folyamatosan szintetizálódik, míg a lemaradó szál rövid szakaszokban, úgynevezett Okazaki-fragmentumokban. Az RNS-primereket DNS-nukleotidokkal helyettesítjük; a DNS Okazaki-fragmentumokat a DNS-ligáz egyetlen folyamatos szálba kapcsolja össze. A kromoszómák végei problémát jelentenek, mivel a DNS 5′ végén lévő primer RNS-t nem lehet DNS-sel helyettesíteni, és a kromoszóma fokozatosan megrövidül. A telomeráz, egy beépített RNS-sablonnal rendelkező enzim, az RNS-sablon másolásával és a kromoszóma egyik szálának meghosszabbításával meghosszabbítja a végeket. A DNS-polimeráz ezután a szokásos replikációs enzimek segítségével ki tudja tölteni a komplementer DNS-szálat. Ily módon a kromoszómák végei védve vannak.
Kérdések
A lineáris kromoszómák végeit a
- helikáz
- primáz
- DNS pol
- telomeráz
tartja fenn.
Az alábbiak közül melyik nem igaz állítás a prokarióta és eukarióta DNS replikációt összehasonlítva?
- Mind az eukarióta, mind a prokarióta DNS-polimerázok a primáz által készített RNS-primerekből építkeznek.
- Az eukarióta DNS-replikáció több replikációs villát igényel, míg a prokarióta replikáció egyetlen origót használ a teljes genom gyors replikációjához.
- A DNS-replikáció mindig a sejtmagban történik.
- Az eukarióta DNS-replikáció több polimerázt vesz igénybe, mint a prokarióta replikáció.
Free Response
Hogyan biztosítják az eukarióták lineáris kromoszómái, hogy a végei teljesen replikálódjanak?
Glosszárium
telomeráz
enzim, amely egy katalitikus részt és egy beépített RNS-templát tartalmaz; funkciója a telomerek fenntartása a kromoszómavégeken
telomer
DNS a lineáris kromoszómák végén
- -Jaskelioff et al., “Telomerase reactivation reverses tissue degeneration in aged telomerase-deficient mice,” Nature 469 (2011): 102-7. ↵
