Lärandemål
I slutet av detta avsnitt kommer du att kunna göra följande:
- Diskutera likheter och skillnader mellan DNA-replikation hos eukaryoter och prokaryoter
- Ange telomerasets roll i DNA-replikation
Eukaryotiska genomer är mycket mer komplexa och större i storlek än prokaryotiska genomer. Eukaryoter har också ett antal olika linjära kromosomer. Det mänskliga genomet har 3 miljarder baspar per haploid kromosomuppsättning, och 6 miljarder baspar replikeras under cellcykelns S-fas. Det finns flera replikationsoriginaler på varje eukaryotisk kromosom; människor kan ha upp till 100 000 replikationsoriginaler i hela genomet. Replikationshastigheten är ungefär 100 nukleotider per sekund, vilket är mycket långsammare än prokaryotisk replikation. I jäst, som är en eukaryot, finns särskilda sekvenser som kallas autonomt replikerande sekvenser (ARS) på kromosomerna. Dessa motsvarar replikationsursprunget i E. coli.
Antalet DNA-polymeraser i eukaryoter är mycket större än i prokaryoter: Man känner till 14 stycken, varav fem är kända för att ha en viktig roll under replikationen och har studerats väl. De är kända som pol α, pol β, pol γ, pol δ och pol ε.
De väsentliga stegen i replikationen är desamma som hos prokaryoter. Innan replikationen kan påbörjas måste DNA:t göras tillgängligt som mall. Eukaryotiskt DNA är bundet till basproteiner som kallas histoner för att bilda strukturer som kallas nukleosomer. Histoner måste avlägsnas och sedan ersättas under replikationsprocessen, vilket bidrar till att förklara den lägre replikationshastigheten hos eukaryoter. Kromatinet (komplexet mellan DNA och proteiner) kan genomgå vissa kemiska modifieringar, så att DNA kan glida av proteinerna eller bli tillgängligt för enzymerna i DNA-replikeringsmaskineriet. Vid replikationens ursprung bildas ett pre-replikationskomplex med andra initiatorproteiner. Helikas och andra proteiner rekryteras sedan för att starta replikationsprocessen ((figur)).
| Skillnaden mellan prokaryotisk och eukaryotisk replikation | ||
|---|---|---|
| Egenskaper | Prokaryoter | Eukaryoter |
| Replikationens ursprung | Enkla | Flera |
| Replikationshastighet | 1000 nukleotider/s | 50 till 100 nukleotider/s |
| DNA-polymerastyper | 5 | 14 |
| Telomeras | Inte närvarande | Närvarande |
| RNA primer removal | DNA pol I | RNas H |
| Strand elongation | DNA pol III | Pol α, pol δ, pol ε |
| Sliding clamp | Sliding clamp | PCNA |
Ett helicas som använder sig av energin från ATP-hydrolys öppnar upp DNA-helixen. Replikationsgafflar bildas vid varje replikationsursprung när DNA:t rullas upp. Öppnandet av dubbelspiralen orsakar överspolning, eller supercoiling, i DNA:t framför replikationsgaffeln. Detta löses upp med hjälp av topoisomeraser. Primers bildas av enzymet primas, och med hjälp av primern kan DNA pol påbörja syntesen. Tre stora DNA-polymeraser är sedan inblandade: α, δ och ε. DNA pol α lägger till ett kort (20-30 nukleotider) DNA-fragment till RNA-primern på båda strängarna och lämnar sedan över till ett andra polymeras. Medan den ledande strängen kontinuerligt syntetiseras av enzymet pol δ syntetiseras den eftersläpande strängen av pol ε. Ett glidande klämprotein som kallas PCNA (proliferating cell nuclear antigen) håller DNA-polen på plats så att den inte glider av DNA. När pol δ stöter på primer-RNA på den eftersläpande strängen förskjuts det från DNA-mallen. Det förskjutna primer-RNA:t avlägsnas sedan av RNas H (AKA flap endonukleas) och ersätts med DNA-nukleotider. Okazaki-fragmenten i den eftersläpande strängen sammanfogas efter det att RNA-primerna har ersatts med DNA. De luckor som återstår förseglas av DNA-ligas, som bildar fosfodiesterbindningen.
Telomerreplikation
Till skillnad från prokaryotade kromosomer är eukaryotade kromosomer linjära. Som du har lärt dig kan enzymet DNA pol lägga till nukleotider endast i 5′ till 3′-riktningen. I den ledande strängen fortsätter syntesen tills kromosomens slut nås. I den efterföljande strängen syntetiseras DNA i korta sträckor, som var och en initieras av en separat primer. När replikationsgaffeln når slutet av den linjära kromosomen finns det inget sätt att ersätta primern i 5′-änden av den eftersläpande strängen. DNA:t i kromosomens ändar förblir alltså oparat, och med tiden kan dessa ändar, som kallas telomerer, bli allt kortare när cellerna fortsätter att dela sig.
Telomerer består av repetitiva sekvenser som inte kodar för någon särskild gen. Hos människor upprepas en sekvens med sex baspar, TTAGGG, 100 till 1000 gånger i telomerregionerna. På ett sätt skyddar dessa telomerer generna från att raderas när cellerna fortsätter att dela sig. Telomererna läggs till i kromosomernas ändar av ett separat enzym, telomeras ((figur)), vars upptäckt bidrog till förståelsen av hur dessa upprepade kromosomändar upprätthålls. Telomerasenzymet innehåller en katalytisk del och en inbyggd RNA-mall. Det fäster vid kromosomens ände och DNA-nukleotider som är komplementära till RNA-mallen läggs till i 3′-änden av DNA-strängen. När 3′-änden av den eftersläpande strängmallen är tillräckligt förlängd kan DNA-polymeraset lägga till de nukleotider som är komplementära till kromosomernas ändar. På så sätt replikeras kromosomernas ändar.
Figur 1. De linjära kromosomernas ändar upprätthålls genom telomerasenzymets verkan.
Telomeras är vanligtvis aktivt i könsceller och vuxna stamceller. Det är inte aktivt i vuxna somatiska celler. För sin upptäckt av telomeras och dess verkan fick Elizabeth Blackburn, Carol W. Greider och Jack W. Szostak ((figur)) Nobelpriset i medicin och fysiologi 2009.
Figur 2. Elizabeth Blackburn, Nobelpristagare 2009, är en av de forskare som upptäckte hur telomeras fungerar. (kredit: USA:s ambassad i Sverige)
Telomeras och åldrande
Celler som genomgår celldelning fortsätter att få sina telomerer förkortade eftersom de flesta somatiska celler inte tillverkar telomeras. Detta innebär i huvudsak att telomerförkortning är förknippad med åldrande. Med tillkomsten av modern medicin, förebyggande hälsovård och hälsosammare livsstil har människans livslängd ökat, och det finns en ökande efterfrågan på att människor ska se yngre ut och ha en bättre livskvalitet när de blir äldre.
Under 2010 upptäckte forskare att telomeras kan vända vissa åldersrelaterade tillstånd hos möss. Detta kan ha potential inom regenerativ medicin. Telomerasbristande möss användes i dessa studier; dessa möss har vävnadsatrofi, stamcellsutarmning, organsystemfel och nedsatt respons på vävnadsskador. Telomerasreaktivering hos dessa möss orsakade förlängning av telomererna, minskade DNA-skador, vände neurodegeneration och förbättrade funktionen hos testiklarna, mjälten och tarmarna. Således kan telomerreaktivering ha potential för behandling av åldersrelaterade sjukdomar hos människor.
Cancer kännetecknas av okontrollerad celldelning av onormala celler. Cellerna ackumulerar mutationer, förökar sig okontrollerat och kan vandra till olika delar av kroppen genom en process som kallas metastasering. Forskare har observerat att cancerceller har avsevärt förkortade telomerer och att telomeras är aktivt i dessa celler. Intressant nog var det först när telomererna hade förkortats i cancercellerna som telomeraset blev aktivt. Om telomerasets verkan i dessa celler kan hämmas med läkemedel under cancerbehandling kan cancercellerna eventuellt stoppas från fortsatt delning.
Avsnittssammanfattning
Replikation i eukaryoter startar vid flera replikationsoriginaler. Mekanismen är ganska lik den hos prokaryoter. Det krävs en primer för att inleda syntesen, som sedan förlängs av DNA-polymeras när det lägger till nukleotider en efter en till den växande kedjan. Den ledande strängen syntetiseras kontinuerligt, medan den efterföljande strängen syntetiseras i korta sträckor som kallas Okazaki-fragment. RNA-primerna ersätts med DNA-nukleotider, och DNA-Okazaki-fragmenten kopplas samman till en kontinuerlig sträng med hjälp av DNA-ligas. Kromosomernas ändar utgör ett problem eftersom primer-RNA vid DNA:s 5′-ändar inte kan ersättas med DNA, och kromosomen förkortas successivt. Telomeras, ett enzym med en inbyggd RNA-mall, förlänger ändarna genom att kopiera RNA-mallen och förlänga kromosomens ena sträng. DNA-polymeras kan sedan fylla i den komplementära DNA-strängen med hjälp av de vanliga replikationsenzymerna. På detta sätt skyddas kromosomernas ändar.
Review Questions
De linjära kromosomernas ändar upprätthålls av
- helikas
- primas
- DNA pol
- telomeras
.
Vilket av följande är inte ett sant påstående som jämför prokaryotisk och eukaryotisk DNA-replikation?
- Både eukaryotiska och prokaryotiska DNA-polymeraser bygger på RNA-primers som görs av primas.
- Eukaryotisk DNA-replikation kräver flera replikationsgafflar, medan prokaryotisk replikation använder ett enda ursprung för att snabbt replikera hela genomet.
- DNA-replikation sker alltid i cellkärnan.
- Eukaryotisk DNA-replikation involverar fler polymeraser än prokaryotisk replikation.
Fri svar
Hur säkerställer de linjära kromosomerna i eukaryoter att dess ändar replikeras fullständigt?
Förklaringar
telomeras
enzym som innehåller en katalytisk del och en inbyggd RNA-mall; Den fungerar för att upprätthålla telomerer vid kromosomändar
telomerer
DNA i slutet av linjära kromosomer
- -Jaskelioff et al., ”Telomerase reactivation reverses tissue degeneration in aged telomerase-deficient mice”, Nature 469 (2011): 102-7. ↵
