Learning Objectives
Aan het einde van dit deel, zul je in staat zijn om het volgende te doen:
- Discussieer de overeenkomsten en verschillen tussen DNA replicatie in eukaryoten en prokaryoten
- Bepaal de rol van telomerase in DNA replicatie
Eukaryote genomen zijn veel complexer en groter in omvang dan prokaryote genomen. Eukaryoten hebben ook een aantal verschillende lineaire chromosomen. Het menselijk genoom heeft 3 miljard basenparen per haploïde set chromosomen, en 6 miljard basenparen worden gerepliceerd tijdens de S-fase van de celcyclus. Er zijn meerdere replicatiehaarden op elk eukaryotisch chromosoom; mensen kunnen tot 100.000 replicatiehaarden over het genoom hebben. De replicatiesnelheid bedraagt ongeveer 100 nucleotiden per seconde, veel langzamer dan bij prokaryoten. In gist, een eukaryoot, worden op de chromosomen speciale sequenties aangetroffen die bekend staan als autonoom replicerende sequenties (ARS). Deze zijn gelijkwaardig aan de oorsprong van de replicatie in E. coli.
Het aantal DNA-polymerasen in eukaryoten is veel groter dan in prokaryoten: 14 zijn er bekend, waarvan er vijf een belangrijke rol spelen bij de replicatie en goed zijn bestudeerd. Zij zijn bekend als pol α, pol β, pol γ, pol δ, en pol ε.
De essentiële stappen van de replicatie zijn dezelfde als bij prokaryoten. Voordat de replicatie kan beginnen, moet het DNA als sjabloon beschikbaar worden gesteld. Eukaryotisch DNA is gebonden aan basiseiwitten, histonen genaamd, om structuren te vormen die nucleosomen worden genoemd. Histonen moeten tijdens het replicatieproces worden verwijderd en vervolgens vervangen, wat de lagere replicatiesnelheid bij eukaryoten helpt verklaren. Het chromatine (het complex tussen DNA en eiwitten) kan een aantal chemische modificaties ondergaan, zodat het DNA van de eiwitten kan glijden of toegankelijk wordt voor de enzymen van de DNA-replicatiemachine. Bij de oorsprong van de replicatie wordt een pre-replicatiecomplex gemaakt met andere initiator-eiwitten. Helicase en andere eiwitten worden vervolgens gerekruteerd om het replicatieproces te starten ((Figuur)).
| Verschil tussen prokaryotische en eukaryotische replicatie | ||
|---|---|---|
| Prokaryoten | Eukaryoten | |
| Origin of replication | Single | Multiple |
| Rate of replication | 1000 nucleotides/s | 50 tot 100 nucleotiden/s |
| DNA polymerase types | 5 | 14 |
| Telomerase | Niet aanwezig | Aanwezig |
| RNA primer removal | DNA pol I | RNase H |
| Strand elongation | DNA pol III | Pol α, pol δ, pol ε |
| Sliding clamp | Sliding clamp | PCNA |
Een helicase die de energie van ATP-hydrolyse gebruikt, opent de DNA-helix. Bij elke replicatieoorsprong worden replicatievorken gevormd wanneer het DNA zich afwikkelt. De opening van de dubbele helix veroorzaakt overwikkeling, of supercoiling, in het DNA vóór de replicatievork. Deze worden opgelost door de werking van topoisomerases. Primers worden gevormd door het enzym primase, en met behulp van de primer kan DNA pol de synthese starten. Er zijn dan drie grote DNA-polymerasen bij betrokken: α, δ en ε. DNA pol α voegt een kort (20 tot 30 nucleotiden) DNA-fragment toe aan de RNA-primer op beide strengen, en geeft dit vervolgens door aan een tweede polymerase. Terwijl de voorste streng voortdurend wordt gesynthetiseerd door het enzym pol δ, wordt de achterblijvende streng gesynthetiseerd door pol ε. Een glijdend klem-eiwit dat bekend staat als PCNA (proliferating cell nuclear antigen) houdt de DNA-pol op zijn plaats, zodat deze niet van het DNA glijdt. Wanneer pol δ op het primer RNA van de achterblijvende streng stuit, verdringt het dit van de DNA-template. Het verplaatste primer-RNA wordt vervolgens verwijderd door RNase H (AKA flap endonuclease) en vervangen door DNA-nucleotiden. De Okazaki-fragmenten in de achterblijvende streng worden samengevoegd na de vervanging van de RNA-primers door DNA. De resterende gaten worden gedicht door DNA-ligase, dat de fosfodiesterbinding vormt.
Telomeerreplicatie
In tegenstelling tot prokaryote chromosomen, zijn eukaryote chromosomen lineair. Zoals je hebt geleerd, kan het enzym DNA pol alleen nucleotiden toevoegen in de 5′ tot 3′ richting. In de voorste streng gaat de synthese door tot het einde van het chromosoom is bereikt. Op de achterblijvende streng wordt DNA gesynthetiseerd in korte stukken, die elk worden geïnitieerd door een afzonderlijke primer. Wanneer de replicatievork het einde van het lineaire chromosoom bereikt, is er geen manier om de primer op het 5′-uiteinde van de achterblijvende streng te vervangen. Het DNA aan de uiteinden van het chromosoom blijft dus ongepaard, en na verloop van tijd kunnen deze uiteinden, telomeren genaamd, geleidelijk korter worden naarmate de cellen zich blijven delen.
Telomeren bestaan uit repetitieve sequenties die voor geen specifiek gen coderen. Bij de mens wordt een sequentie van zes basenparen, TTAGGG, 100 tot 1000 maal herhaald in de telomeergebieden. Op een bepaalde manier beschermen deze telomeren de genen tegen verwijdering wanneer de cellen zich blijven delen. De telomeren worden aan de uiteinden van chromosomen toegevoegd door een apart enzym, telomerase ((Figuur)), waarvan de ontdekking heeft bijgedragen tot het begrip van hoe deze repetitieve chromosoomuiteinden in stand worden gehouden. Het enzym telomerase bevat een katalytisch deel en een ingebouwd RNA-sjabloon. Het hecht zich aan het uiteinde van het chromosoom, en DNA-nucleotiden die complementair zijn aan het RNA-sjabloon worden toegevoegd aan het 3′-uiteinde van de DNA-streng. Zodra het 3′-uiteinde van de achterblijvende DNA-strengsjabloon voldoende uitgerekt is, kan DNA-polymerase de nucleotiden toevoegen die complementair zijn aan de uiteinden van de chromosomen. Aldus worden de uiteinden van de chromosomen gerepliceerd.
Figuur 1. De uiteinden van lineaire chromosomen worden in stand gehouden door de werking van het enzym telomerase.
Telomerase is typisch actief in kiemcellen en volwassen stamcellen. Het is niet actief in volwassen somatische cellen. Voor hun ontdekking van telomerase en de werking ervan ontvingen Elizabeth Blackburn, Carol W. Greider en Jack W. Szostak ((Figuur)) in 2009 de Nobelprijs voor geneeskunde en fysiologie.
Figuur 2. Elizabeth Blackburn, Nobelprijswinnares 2009, is een van de wetenschappers die ontdekte hoe telomerase werkt. (credit: US Embassy Sweden)
Telomerase en veroudering
Cellen die een celdeling ondergaan, blijven hun telomeren verkorten omdat de meeste somatische cellen geen telomerase aanmaken. Dit betekent in wezen dat telomeerverkorting met veroudering samenhangt. Met de komst van de moderne geneeskunde, preventieve gezondheidszorg, en gezondere levensstijlen, is de menselijke levensduur toegenomen, en er is een toenemende vraag naar mensen om er jonger uit te zien en een betere kwaliteit van leven te hebben als ze ouder worden.
In 2010 ontdekten wetenschappers dat telomerase sommige leeftijdsgerelateerde aandoeningen bij muizen kan omkeren. Dit kan potentieel hebben in de regeneratieve geneeskunde. In deze studies werden telomerase-deficiënte muizen gebruikt; deze muizen hebben weefselatrofie, stamceldepletie, orgaanstelselfalen en een verminderde respons op weefselschade. Telomerase reactivering in deze muizen veroorzaakte verlenging van telomeren, verminderde DNA schade, keerde neurodegeneratie om, en verbeterde de functie van de testikels, milt, en darmen. Zo kan reactivering van telomeren potentieel hebben voor de behandeling van leeftijdsgebonden ziekten bij mensen.
Kanker wordt gekenmerkt door ongecontroleerde celdeling van abnormale cellen. De cellen accumuleren mutaties, woekeren ongecontroleerd, en kunnen migreren naar verschillende delen van het lichaam via een proces dat metastase wordt genoemd. Wetenschappers hebben waargenomen dat kankercellen aanzienlijk verkorte telomeren en dat telomerase in deze cellen actief is. Interessant is dat pas nadat de telomeren in de kankercellen waren verkort, het telomerase actief werd. Als de werking van telomerase in deze cellen kan worden geremd door medicijnen tijdens kankertherapie, dan zouden de kankercellen mogelijk van verdere deling kunnen worden afgehouden.
Sectie Samenvatting
Replicatie in eukaryoten begint bij meerdere replicatie-oorsprongsgebieden. Het mechanisme lijkt sterk op dat bij prokaryoten. Er is een primer nodig om de synthese op gang te brengen, die vervolgens door DNA-polymerase wordt verlengd terwijl het een voor een nucleotiden aan de groeiende keten toevoegt. De voorste streng wordt continu gesynthetiseerd, terwijl de achterblijvende streng wordt gesynthetiseerd in korte stukken die Okazaki-fragmenten worden genoemd. De RNA-primers worden vervangen door DNA-nucleotiden; de DNA Okazaki-fragmenten worden door DNA-ligase tot één ononderbroken streng verbonden. De uiteinden van de chromosomen vormen een probleem, aangezien de RNA-primers aan de 5′-uiteinden van het DNA niet door DNA kunnen worden vervangen, en het chromosoom geleidelijk wordt verkort. Telomerase, een enzym met een ingebouwd RNA-sjabloon, verlengt de uiteinden door het RNA-sjabloon te kopiëren en één streng van het chromosoom te verlengen. DNA-polymerase kan dan de complementaire DNA-streng invullen met behulp van de gewone replicatie-enzymen. Op deze manier worden de uiteinden van de chromosomen beschermd.
Herzieningsvragen
De uiteinden van de lineaire chromosomen worden in stand gehouden door
- helicase
- primase
- DNA pol
- telomerase
Welke van de volgende beweringen is geen ware vergelijking tussen prokaryotische en eukaryotische DNA replicatie?
- Zowel eukaryote als prokaryote DNA-polymerasen bouwen voort op RNA-primers gemaakt door primase.
- Eukaryote DNA replicatie vereist meerdere replicatie vorken, terwijl prokaryotische replicatie een enkele oorsprong gebruikt om snel het gehele genoom te repliceren.
- DNA replicatie vindt altijd plaats in de kern.
- Eukaryotische DNA replicatie omvat meer polymerasen dan prokaryotische replicatie.
Vrij antwoord
Hoe zorgen de lineaire chromosomen bij eukaryoten ervoor dat de uiteinden volledig worden gerepliceerd?
Glossary
telomerase
enzym dat een katalytisch deel en een ingebouwd RNA-sjabloon bevat; Het heeft tot taak telomeren aan de chromosoomuiteinden in stand te houden
telomeer
DNA aan het uiteinde van lineaire chromosomen
- -Jaskelioff et al., “Telomerase reactivatie keert weefseldegeneratie om in muizen met een verouderde telomerase-deficiëntie,” Nature 469 (2011): 102-7. ↵
