OpenStax Biology 2e

Genomy eukariotyczne są znacznie bardziej złożone i mają większe rozmiary niż genomy prokariotyczne. Eukarionty mają również wiele różnych chromosomów liniowych. Ludzki genom ma 3 miliardy par zasad na haploidalny zestaw chromosomów, a 6 miliardów par zasad jest replikowanych podczas fazy S cyklu komórkowego. Na każdym chromosomie eukariotycznym znajduje się wiele początków replikacji; człowiek może mieć do 100 000 początków replikacji w całym genomie. Tempo replikacji wynosi około 100 nukleotydów na sekundę, znacznie wolniej niż replikacja u prokariotów. W drożdżach, które są eukariotami, na chromosomach znajdują się specjalne sekwencje znane jako sekwencje autonomicznie replikujące (ARS). Są one odpowiednikiem pochodzenia replikacji u E. coli.

Liczba polimeraz DNA u eukariotów jest znacznie większa niż u prokariotów: Znanych jest 14, z których wiadomo, że pięć pełni główne role podczas replikacji i zostało dobrze przebadanych. Są one znane jako pol α, pol β, pol γ, pol δ i pol ε.

Niezbędne etapy replikacji są takie same jak u prokariotów. Zanim rozpocznie się replikacja, DNA musi być udostępnione jako szablon. Eukariotyczne DNA jest związane z podstawowymi białkami znanymi jako histony, tworząc struktury zwane nukleosomami. Histony muszą być usuwane, a następnie zastępowane podczas procesu replikacji, co pomaga wyjaśnić niższe tempo replikacji u eukariotów. Chromatyna (kompleks pomiędzy DNA i białkami) może ulegać pewnym modyfikacjom chemicznym, dzięki czemu DNA może ześlizgiwać się z białek lub być dostępne dla enzymów mechanizmu replikacji DNA. W miejscu początku replikacji powstaje kompleks przedreplikacyjny z innymi białkami inicjującymi. Helicaza i inne białka są następnie rekrutowane w celu rozpoczęcia procesu replikacji ((Rysunek)).

.

Helikaza wykorzystując energię z hydrolizy ATP otwiera helisę DNA. Widelce replikacyjne powstają przy każdym źródle replikacji w miarę odwijania się DNA. Otwarcie podwójnej helisy powoduje nadmierne zwijanie, lub supercoiling, w DNA przed widełkami replikacyjnymi. Są one usuwane dzięki działaniu topoizomeraz. Primery są tworzone przez enzym primazę, a wykorzystując primer, DNA pol może rozpocząć syntezę. Zaangażowane są wówczas trzy główne polimerazy DNA: α, δ i ε. DNA pol α dodaje krótki (20-30 nukleotydów) fragment DNA do primera RNA na obu niciach, a następnie przekazuje go drugiej polimerazie. Podczas gdy nić wiodąca jest w sposób ciągły syntetyzowana przez enzym pol δ, nić opóźniająca jest syntetyzowana przez pol ε. Ślizgające się białko klamrowe znane jako PCNA (proliferating cell nuclear antigen) utrzymuje pol DNA w miejscu, tak aby nie ześlizgiwało się z DNA. Gdy pol δ natrafia na primer RNA na nici opóźniającej, wypiera go z szablonu DNA. Przemieszczony primer RNA jest następnie usuwany przez RNazę H (AKA endonukleaza klapowa) i zastępowany nukleotydami DNA. Fragmenty Okazaki w nici opóźniającej są łączone po zastąpieniu starterów RNA przez DNA. Pozostałe luki są zamykane przez ligazę DNA, która tworzy wiązanie fosfodiestrowe.

Replikacja telomerów

W przeciwieństwie do chromosomów prokariotycznych, chromosomy eukariotyczne są liniowe. Jak już się dowiedzieliście, enzym DNA pol może dodawać nukleotydy tylko w kierunku 5′ do 3′. W nici wiodącej synteza jest kontynuowana aż do osiągnięcia końca chromosomu. Na nici opóźniającej DNA jest syntetyzowane w krótkich odcinkach, z których każdy jest inicjowany przez oddzielny primer. Gdy widełki replikacyjne dotrą do końca liniowego chromosomu, nie ma możliwości zastąpienia primera na 5′ końcu nici opóźniającej. DNA na końcach chromosomów pozostaje zatem niesparowany, a z czasem te końce, zwane telomerami, mogą się stopniowo skracać, ponieważ komórki nadal się dzielą.

Telomery zawierają powtarzające się sekwencje, które nie kodują żadnego konkretnego genu. U ludzi, sześciobazowa sekwencja, TTAGGG, powtarza się od 100 do 1000 razy w regionach telomerów. W pewien sposób telomery te chronią geny przed usunięciem w trakcie podziału komórek. Telomery są dodawane do końców chromosomów przez oddzielny enzym, telomerazę ((Rysunek)), której odkrycie pomogło w zrozumieniu, w jaki sposób te powtarzające się końce chromosomów są utrzymywane. Enzym telomeraza zawiera część katalityczną i wbudowany szablon RNA. Przyłącza się on do końca chromosomu, a nukleotydy DNA komplementarne do szablonu RNA są dodawane na 3′ końcu nici DNA. Gdy 3′ koniec szablonu nici opóźniającej jest wystarczająco wydłużony, polimeraza DNA może dodać nukleotydy komplementarne do końców chromosomów. W ten sposób końce chromosomów ulegają replikacji.

Rysunek 1. Końce liniowych chromosomów są utrzymywane dzięki działaniu enzymu telomerazy.

Telomeraza jest typowo aktywna w komórkach zarodkowych i dorosłych komórkach macierzystych. Nie jest ona aktywna w dorosłych komórkach somatycznych. Za odkrycie telomerazy i jej działanie Elizabeth Blackburn, Carol W. Greider i Jack W. Szostak ((rysunek)) otrzymali w 2009 roku Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii.

Rysunek 2. Elizabeth Blackburn, laureatka Nagrody Nobla z 2009 roku, jest jednym z naukowców, którzy odkryli, jak działa telomeraza. (credit: US Embassy Sweden)

Telomerase and Aging

Komórki, które ulegają podziałowi komórkowemu nadal mają skrócone telomery, ponieważ większość komórek somatycznych nie wytwarza telomerazy. To zasadniczo oznacza, że skracanie telomerów jest związane ze starzeniem się. Wraz z pojawieniem się nowoczesnej medycyny, profilaktycznej opieki zdrowotnej i zdrowszego stylu życia, długość ludzkiego życia wzrosła i istnieje coraz większe zapotrzebowanie na ludzi, aby wyglądać młodziej i mieć lepszą jakość życia, jak się starzeją.

W 2010 roku naukowcy odkryli, że telomeraza może odwrócić niektóre związane z wiekiem warunki u myszy. To może mieć potencjał w medycynie regeneracyjnej. Myszy z niedoborem telomerazy były używane w tych badaniach; myszy te mają atrofię tkanek, zubożenie komórek macierzystych, niewydolność systemu organów i upośledzone reakcje na urazy tkanek. Reaktywacja telomerazy u tych myszy spowodowała wydłużenie telomerów, zmniejszenie uszkodzeń DNA, odwrócenie neurodegeneracji i poprawę funkcji jąder, śledziony i jelit. Tak więc, reaktywacja telomerów może mieć potencjał w leczeniu chorób związanych z wiekiem u ludzi.

Rak charakteryzuje się niekontrolowanym podziałem komórkowym nieprawidłowych komórek. Komórki te gromadzą mutacje, proliferują w sposób niekontrolowany i mogą migrować do różnych części ciała w procesie zwanym przerzutami. Naukowcy zaobserwowali, że komórki nowotworowe mają znacznie skrócone telomery i że telomeraza jest aktywna w tych komórkach. Co ciekawe, dopiero po skróceniu telomerów w komórkach nowotworowych telomeraza stała się aktywna. Jeśli działanie telomerazy w tych komórkach może być zahamowane przez leki podczas terapii przeciwnowotworowej, wtedy komórki nowotworowe mogłyby potencjalnie zostać powstrzymane przed dalszym podziałem.

Podsumowanie

Replikacja u eukariotów rozpoczyna się w wielu początkach replikacji. Mechanizm ten jest dość podobny do tego u prokariotów. Do zainicjowania syntezy wymagany jest primer, który jest następnie przedłużany przez polimerazę DNA, która dodaje nukleotydy jeden po drugim do rosnącego łańcucha. Nić wiodąca syntetyzowana jest w sposób ciągły, natomiast nić opóźniająca syntetyzowana jest w krótkich odcinkach zwanych fragmentami Okazaki. Prymery RNA zastępowane są nukleotydami DNA; fragmenty DNA Okazaki łączone są w jedną ciągłą nić przez ligazę DNA. Końce chromosomów stanowią problem, ponieważ primery RNA na 5′ końcach DNA nie mogą być zastąpione DNA, a chromosom ulega stopniowemu skróceniu. Telomeraza, enzym posiadający wbudowany szablon RNA, wydłuża końce poprzez kopiowanie szablonu RNA i wydłużanie jednej nici chromosomu. Polimeraza DNA może następnie wypełnić komplementarną nić DNA za pomocą zwykłych enzymów replikacyjnych. W ten sposób, końce chromosomów są chronione.

Pytania przeglądowe

Końce liniowych chromosomów są utrzymywane przez

1. helikazę
2. primazę
3. DNA pol
4. telomerazę

.

Pokaż rozwiązanie

D

Które z poniższych stwierdzeń nie jest prawdziwym stwierdzeniem porównującym prokariotyczną i eukariotyczną replikację DNA?

1. Obie eukariotyczne i prokariotyczne polimerazy DNA budują na bazie starterów RNA wytworzonych przez primazę.
2. Eukariotyczna replikacja DNA wymaga wielu widełek replikacyjnych, podczas gdy replikacja prokariotyczna wykorzystuje jedno miejsce pochodzenia do szybkiej replikacji całego genomu.
3. Replikacja DNA zawsze zachodzi w jądrze.
4. Eukariotyczna replikacja DNA angażuje więcej polimeraz niż replikacja prokariotyczna.

Pokaż rozwiązanie

C

Darmowa odpowiedź

W jaki sposób liniowe chromosomy u eukariotów zapewniają całkowitą replikację jego końców?

Pokaż rozwiązanie

Telomeraza ma wbudowany szablon RNA, który przedłuża 3′ koniec, więc primer jest syntetyzowany i przedłużany. W ten sposób końce są chronione.

Glossary

telomeraza

enzym, który zawiera część katalityczną i wbudowany szablon RNA; funkcjonuje w celu utrzymania telomerów na końcach chromosomów

telomery

DNA na końcu chromosomów liniowych

1. -Jaskelioff i in., „Telomerase reactivation reverses tissue degeneration in aged telomerase-deficient mice,” Nature 469 (2011): 102-7. ↵