Informacije

14.5: DNK replikacija u eukariota - biologija

14.5: DNK replikacija u eukariota - biologija


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Vještine za razvoj

  • Razgovarajte o sličnostima i razlikama između replikacije DNK u eukariota i prokariota
  • Navedite ulogu telomeraze u replikaciji DNK

Eukariotski genomi su mnogo složeniji i veće veličine od prokariotskih genoma. Ljudski genom ima tri milijarde parova baza po haploidnom setu hromozoma, a 6 milijardi parova baza se replicira tokom S faze ćelijskog ciklusa. Postoji više izvora replikacije na eukariotskom hromozomu; ljudi mogu imati do 100.000 izvora replikacije. Brzina replikacije je približno 100 nukleotida u sekundi, mnogo sporija od prokariotske replikacije. U kvascu, koji je eukariot, specijalne sekvence poznate kao autonomno replicirajuće sekvence (ARS) nalaze se na hromozomima. Oni su ekvivalentni izvoru replikacije u E. coli.

Broj DNK polimeraza u eukariota mnogo je veći od broja prokariota: poznato je 14, od kojih je poznato da pet ima glavnu ulogu tijekom replikacije i da su dobro proučeni. Poznati su kao pol α, pol β, pol γ, pol δ, i pol ε.

Osnovni koraci replikacije su isti kao kod prokariota. Prije nego što replikacija počne, DNK mora biti dostupna kao šablon. Eukariotska DNK je vezana za osnovne proteine ​​poznate kao histoni kako bi formirala strukture koje se nazivaju nukleosomi. Kromatin (kompleks između DNK i proteina) može doživjeti neke kemijske modifikacije, tako da DNK može skliznuti s proteina ili biti dostupna enzimima strojeva za replikaciju DNA. Na početku replikacije, kompleks prije replikacije stvara se s drugim proteinima inicijatorima. Zatim se regrutiraju drugi proteini da započnu proces replikacije (Tablica ( PageIndex {1} )).

Helikaza koja koristi energiju iz ATP hidrolize otvara spiralu DNK. Replikacijske vilice se formiraju na svakom početku replikacije kako se DNK odmotava. Otvaranje dvostruke spirale uzrokuje premotavanje, ili supersmotavanje, u DNK ispred viljuške za replikaciju. Oni se rješavaju djelovanjem topoizomeraza. Prajmere formira enzim primaza, a pomoću prajmera DNK pol može započeti sintezu. Dok se vodeći lanac kontinuirano sintetizira enzimom pol δ, landing landing sintetizira pol ε. Protein klizne stege poznat kao PCNA (Proliferating Cell Nuclear Antigen) drži DNK pol na mjestu tako da ne klizi s DNK. RNaza H uklanja RNA primer, koji se zatim zamenjuje sa nukleotidima DNK. Okazaki fragmenti u zaostalom lancu se spajaju zajedno nakon zamjene RNA prajmera sa DNK. Praznine koje ostaju zapečaćene su DNK ligazom koja tvori fosfodiestersku vezu.

Replikacija telomera

Za razliku od prokariotskih hromozoma, eukariotski hromozomi su linearni. Kao što ste naučili, enzim DNK pol može dodati nukleotide samo u smjeru od 5' do 3'. U vodećem nizu sinteza se nastavlja sve dok se ne dođe do kraja kromosoma. Na lancu koji zaostaje, DNK se sintetiše u kratkim delovima, od kojih je svaki pokrenut posebnim prajmerom. Kad replikacijska vilica dosegne kraj linearnog kromosoma, nema mjesta za napraviti prajmer za kopiranje fragmenta DNK na kraju kromosoma. Ovi krajevi tako ostaju neupareni, a vremenom se ti krajevi mogu postupno smanjivati ​​kako se ćelije nastavljaju dijeliti.

Krajevi linearnih hromozoma poznati su kao telomeri, koji imaju ponavljajuće sekvence koje kodiraju nijedan određeni gen. Na neki način, ovi telomeri štite gene od brisanja kako ćelije nastavljaju da se dijele. Kod ljudi se sekvenca od šest parova baza, TTAGGG, ponavlja 100 do 1000 puta. Otkriće enzima telomeraze (slika (PageIndex{1})) pomoglo je u razumijevanju načina na koji se hromozomski krajevi održavaju. Enzim telomeraza sadrži katalitički dio i ugrađeni RNA šablon. Pričvršćuje se na kraj hromozoma, a komplementarne baze RNA šablonu se dodaju na 3' kraj lanca DNK. Nakon što je 3 'kraj šablona zaostale niti dovoljno produžen, DNA polimeraza može dodati nukleotide komplementarne krajevima kromosoma. Tako se krajevi kromosoma repliciraju.

Telomeraza je tipično aktivna u zametnim stanicama i odraslim matičnim stanicama. Nije aktivan u odraslim somatskim stanicama. Za svoje otkriće telomeraze i njenog djelovanja, Elizabeth Blackburn (Slika (PageIndex{2})) dobila je Nobelovu nagradu za medicinu i fiziologiju 2009. godine.

Telomeraza i starenje

Stanicama koje se podvrgavaju diobi stanica i dalje se skraćuju telomeri jer većina somatskih stanica ne proizvodi telomerazu. To u suštini znači da je skraćivanje telomera povezano sa starenjem. Dolaskom moderne medicine, preventivne zdravstvene zaštite i zdravijeg načina života, ljudski životni vijek se produžio, a postoji i sve veća potražnja da ljudi izgledaju mlađe i imaju bolji kvalitet života kako stare.

Naučnici su 2010. godine otkrili da telomeraza može preokrenuti neke starosne uvjete kod miševa. Ovo može imati potencijal u regenerativnoj medicini.1 U ovim studijama korišćeni su miševi sa nedostatkom telomeraze; ti miševi imaju atrofiju tkiva, iscrpljivanje matičnih stanica, zatajenje organskog sistema i oslabljene reakcije na ozljede tkiva. Reaktivacija telomeraze u ovih miševa uzrokovala je produženje telomera, smanjila oštećenje DNA, preokrenula neurodegeneraciju i poboljšala funkciju testisa, slezene i crijeva. Stoga reaktivacija telomera može imati potencijal za liječenje bolesti povezanih sa starenjem kod ljudi.

Rak je karakteriziran nekontroliranom diobom abnormalnih stanica. Stanice akumuliraju mutacije, razmnožavaju se nekontrolirano i mogu migrirati u različite dijelove tijela kroz proces koji se naziva metastaza. Naučnici su primijetili da su stanice raka znatno skratile telomere i da je telomeraza aktivna u tim stanicama. Zanimljivo, tek nakon što su telomere skraćene u ćelijama raka, telomeraza je postala aktivna. Ako se djelovanje telomeraze u tim stanicama može inhibirati lijekovima tijekom terapije raka, tada bi se stanice raka potencijalno mogle zaustaviti od daljnje diobe.

Tabela ( PageIndex {1} ): Razlika između prokariotske i eukariotske replikacije
PropertyProkariotiEukarioti
Poreklo replikacijeSingleVišestruko
Brzina replikacije1000 nukleotida/s50 do 100 nukleotida/s
Tipovi DNK polimeraze514
TelomerazaNije tuPresent
Uklanjanje RNA prajmeraDNK pol IRNase H
Produženje nitiDNK pol IIIPol δ, pol ε
Klizna stezaljkaKlizna stezaljkaPCNA

Sažetak

Replikacija u eukariota počinje s više izvora replikacije. Mehanizam je vrlo sličan prokariotima. Za pokretanje sinteze potreban je prajmer, koji se zatim proširuje DNK polimerazom dodajući jedan po jedan nukleotid u rastući lanac. Vodeća nit se sintetizira kontinuirano, dok se zaostala nit sintetizira u kratkim dijelovima koji se nazivaju Okazaki fragmenti. RNA prajmeri su zamenjeni nukleotidima DNK; DNK ostaje jedan kontinuirani lanac povezivanjem DNK fragmenata sa DNK ligazom. Rubovi kromosoma predstavljaju problem jer ih polimeraza ne može proširiti bez prajmera. Telomeraza, enzim sa ugrađenim RNK šablonom, proširuje krajeve kopiranjem RNK šablona i produžujući jedan kraj hromozoma. DNA polimeraza tada može proširiti DNK pomoću prajmera. Na ovaj način se štite krajevi hromozoma.

  1. 1 Jaskelioff et al., “Reaktivacija telomeraze preokreće degeneraciju tkiva kod ostarjelih miševa s nedostatkom telomeraze,” Priroda 469 (2011): 102-7.

Pojmovnik

telomeraza
enzim koji sadrži katalitički dio i ugrađeni predložak RNK; funkcionira za održavanje telomera na krajevima hromozoma
telomere
DNK na kraju linearnih hromozoma

DNK replikacija u eukariota | Genetika

U ovom članku ćemo raspravljati o replikaciji DNK kod eukariota.

Kod eukariota postoje samo dva različita tipa DNK polimeraza za razliku od DNK polimeraze I, II i III prokariota. Nadalje, DNK eukariota je duga linearna molekula s nekoliko jedinica za replikaciju. Diploidna ćelija sisara sadrži u prosjeku oko 6 pg DNK u G fazi. Ova količina DNK ekvivalentna je dužini od 2 metra linearne molekule DNK.

Ako bi se jedna jedinica replikacije kretala duž ove dužine DNK, mogla bi završiti replikaciju unutar 8 sati S faze samo ako je njena brzina kretanja oko 4 mm/min. Ovo je očito vrlo brza stopa.

Vilica koja se replicira zapravo se kreće sporijom brzinom (0,5 do 2,0 mikrona/min.) U eukariota dodajući oko 2600 baza u minuti. U E. coli se brže kreće dodajući oko 6.000 baza u minuti. Stoga je potrebno da se kod eukariota replikacija započne na nekoliko mjesta ishodišta.

Auto-radiografske studije o uzorcima označavanja pojedinih metafaznih kromosoma pokazale su da više susjednih jedinica inicira replikaciju istovremeno. Međutim, najuvjerljivija demonstracija došla je iz sličnih opažanja u ogromnim politenskim hromozomima.

Ovdje se tritirani timidin inkorporira istovremeno u veliki broj različitih traka. Po istoj tehnici jaje u Drosophila ima 6.000 replikacionih viljuški i sva sinteza DNK je završena u roku od 3 minute.

Jedinica replikacije je replikon. Veličina replikona se procjenjuje iz udaljenosti između susjednih inicijacijskih tačaka (udaljenost od centra do centra). Autoradiografijom je utvrđeno da jedinice unutar iste ćelije nisu ujednačene veličine, već se nalaze u rasponu od 15-60 mikrona.

Replikoni u brzo rastućim ćelijama sa kratkim S fazama su manji od onih u ćelijama koje rastu sporije sa dužim S fazama. Blumenthal (1973) je procijenio da su u Drosophila melanogaster replikoni u embrionalnim stanicama kratki samo 3-4 mikrona, dok su u ćelijskoj liniji iste vrste bili dugi oko 13 mikrona.

Eksperimentalne studije na kultivisanim ćelijama sisara (kineskog hrčka) pokazale su da brzina sinteze DNK nije konstantna tokom S faze, Kleveroz (1975) je otkrio da je sinteza spora na početku S faze, a zatim se povećava. Oko 50% replikacije se događa tokom posljednjeg sata S faze duge 5,5 sati.

Pojava višestrukih susjednih jedinica dovela je do koncepta da jedinice replikacije postoje u klasterima. Sve jedinice u klasteru se ne repliciraju istovremeno, neke kasne. U ćelijama sisara postoji oko 100 replicirajućih jedinica u klasteru.

Bitne karakteristike replikacije DNK slične su kod eukariota i prokariota. Nakon što replikacija započne na centralnoj tački ishodišta u svakoj jedinici, ona se nastavlja u oba smjera dalje od mjesta inicijacije. Rast lanca odvija se pomoću tačaka rasta nalik vilicama. Elektronske mikrofotografije stoga pokazuju brojne ‘oči’ ili ‘mjehuriće’, od kojih se svaki formira između dvije replicirajuće viljuške duž linearne molekule.

Čini se da u DNK ne postoji poseban termin za zaustavljanje replikacije. Vilice putuju jedna prema drugoj i novosintetisani lanci se susreću i spajaju sa lancima sintetizovanim na susednim jedinicama (slika 14.11). Na taj način nastaju dugi DNK dupleksi karakteristični za eukariotske kromosome.

Kao i kod prokariota, prvi korak u sintezi DNK kod eukariota je formiranje prajmera RNK dužine oko 10 nukleotida – kataliziranog enzimom RNA polimerazom. Nakon toga preuzima DNA polimeraza i dodaje deoksiribonukleotide na 3 ′ kraj početne RNK.

Tako formirani Okazaki fragmenti su kraći kod eukariota (dužine oko 100-150 nukleotida) nego kod prokariota (1.000 do 2.000 nukleotida). Praznine između fragmenata se popunjavaju u odnosu na matičnu DNK šablonu, a njihovi krajevi su spojeni enzimom DNK ligaze. RNK prajmer se digestira, počevši od svog 5 ′ kraja djelovanjem egzonukleaze DNA polimeraze.

Značaj RNA prajmera u sintezi DNK:

Zašto bi replikaciju DNK trebala inicirati enzim RNA polimeraza i doći do stvaranja lanca RNA? Detaljna analiza enzima DNA polimeraze otkrila je činjenicu da svaki enzim polimeraze može dodati nukleotide samo u već postojeći polinukleotidni lanac.

Ovi enzimi nisu u stanju pokrenuti nove DNK lance. Izvornu točku u dupleksu DNK možda prepoznaje RNA polimeraza, enzim koji katalizira sintezu RNA na šablonu DNK. Drugim riječima, RNA polimeraza je potrebna i za sintezu RNA i DNK.

Sinteza prajmera RNK na šabloni DNK se nastavlja sve dok se ne postigne signal zaustavljanja. Enzim se zatim oslobađa i lanac RNK služi kao prajmer za dodavanje DNK nukleotida pomoću enzima DNK polimeraze. Međutim, molekularni mehanizam koji pokreće replikaciju DNK nije u potpunosti poznat.


Proteinski kompleks nazvan Kompleks prepoznavanja porijekla (ORC) vezuje se na početku sekvence replikacije u DNK tokom kasne M faze/G1 faze ćelijskog ciklusa. ORC stupa u interakciju s nekoliko drugih proteina, jednim poznatim kao Cdc6 radi s drugim proteinom tzv Cdt1 da pomogne učitavanju kompleksa proteina poznatih kao helikaza na DNK. (Zapamtite da DNK helikaze koriste ATP da odmotaju spiralu DNK razbijanjem vodikovih veza između uparenih baza.) Kompleks ORC/Cdc6/Cdt1/Helicase zajedno sa drugim povezanim proteinima poznat je kao pre-replikacijski kompleks ili pre-RC (Slika 14-1). Pred-RC traje do G1/S prijelaza, koji se događa kada ćelija primi signal za podjelu. Na G1/S tranziciji, smatra se da se Cdc6 i Cdt1 odvajaju od pre-RC i drugih proteina koji su odgovorni za regrutovanje dodatnih proteina za replikaciju DNK koji se povezuju sa helikazom kako bi formirali kompleks pre inicijacije. Zanimljivo je da ORC inhibira replikaciju i mora se ukloniti prije nego što se replikacija nastavi.

Slika 14-1: Licenciranje replikacije. U kasnoj M fazi/ranom G1, proteini prepoznavanja porijekla (ORC) prepoznaju porijeklo replikacije (Ori), prikazano zelenom bojom. Oni regrutuju mnoge proteine, jedan je Cdc6, koji pomaže u regrutovanju helikaze. Ovo uspostavlja kompleks replikacije prije inicijacije (Pre-RC). Aktivacija replikacije se dešava tokom rane S faze, kada se ORC, Cdc6, helikaza i nekoliko drugih proteina (nisu prikazani) fosforiliraju pomoću S-faze CDK/ciklina. Fosforilacija ORC i Cdc6 uzrokuje deaktivaciju proteina, dok fosforilacija helikaze uzrokuje aktivaciju proteina. (Pripisuje se Devinu A. Kingu)

U ovom trenutku, aktivirana S-faza CDK/ciklin fosforilira nekoliko proteina da započne ili 'pokrene' replikaciju. Jedan od proteina S-faze CDK/ciklin fosforiliše je Cdc6, koji pomaže u ciljanju ovog proteina radi razgradnje. Dodatno, ORC je fosforiliran kako bi se spriječilo njegovo ponovno korištenje (ili ponovno vezanje izvora replikacije), a smatra se da fosforilacija smanjuje afinitet vezanja ORC za podrijetlo. Helikaza je također fosforilirana kako bi je aktivirala i potaknula da počne odmotavati DNK. Dakle, ova tri događaja fosforilacije, i mnogi drugi koji ovdje nisu opisani, olakšavaju početak replikacije DNK.

Otvaranje dvostruke spirale pomoću helikaze uzrokuje premotavanje, ili supersmotavanje, u DNK ispred viljuške za replikaciju. Oni se rješavaju djelovanjem topoizomeraze , koji su presjekli okosnicu fosfodiestera kako bi oslobodili torzijsko naprezanje, a zatim ponovo zajedno zavezali lanac. Osim toga, otvaranje spirale čini DNK jednolančanom. Kako bi spriječili ponovno stvaranje lanaca DNK prije replikacije i zaštitili ih od kemijskih modifikacija iz okoline, proteini tzv. jednolančani proteini koji vezuju DNK (SSBs) povezani su sa DNK.


14.5: Replikacija DNK kod eukariota - Biologija

Većina prokariotskih faktora koji se koriste tokom replikacije imaju ekvivalente koji igraju slične uloge u duplikaciji eukariotske DNK.

Ovaj proces započinje u izvoru replikacije, za koji se veže kompleks prepoznavanja. Helikaza se zatim privlači na mjesto i odvaja niti DNK, stvarajući mjehurić s dvije vilice.

Primaza takođe stiže i stvara RNA prajmere, koji, kako se helikaza kreće, DNK polimeraza se produžava sa novom DNK. Kao i kod prokariota, novoformirani vodeći lanac kontinuirano raste, prateći viljušku za replikaciju.

Nasuprot tome, pramen koji zaostaje izrađen je u malim Okazaki fragmentima koji putuju nasuprot vilici.

Zbog više faktora, šablon DNK koji se koristi za generiranje vodećeg lanca u 1/2 ove strukture stvara zaostali lanac u drugom.

Zanimljivo je da različiti podrijetli replikacije postoje na linearnom eukariotskom kromosomu, a replikacija prestaje kada se njihove povezane sfere spoje. Prajmeri se zatim eliminišu putem enzima poput RNK-aze i zamenjuju za DNK. Nakon toga, DNK ligaza vezuje sve segmente.

Međutim, kada krajnji prajmer nestane sa zaostajućeg lanca, prostor ostaje prazan, a postoji i nekopirani dio DNK predloška koji se naslanja na njega. Da bi se borio protiv toga, enzim zvan telomeraza pričvršćuje se na previsoku regiju i izdužuje je nekodirajućom sekvencom DNK.

Primaza i DNK polimeraza djeluju na ovu proširenu regiju, stvarajući kapu telomera koja štiti od gubitka kodirajućeg DNK iz lanca koji zaostaje tokom višestrukih replikacija.

Tako se eukariotska replikacija DNK završava s dvije molekule DNK, svaka s roditeljskom i novosintetiziranom niti, brojnim izvorima replikacije i telomerima.

13.6: Replikacija u Eukariota

Pregled

U eukariotskim stanicama replikacija DNK je visoko konzervirana i čvrsto regulirana. Više linearnih kromosoma mora se duplicirati s velikom vjernošću prije podjele stanica, tako da postoji mnogo proteina koji ispunjavaju specijalizirane uloge u procesu replikacije. Replikacija se odvija u tri faze: inicijacija, elongacija i terminacija, a završava se sa dva kompletna seta hromozoma u jezgri.

Mnogi proteini orkestriraju replikaciju u podrijetlu

Eukariotska replikacija slijedi mnoge iste principe kao replikacija prokariotske DNK, ali budući da je genom mnogo veći i da su kromosomi linearni, a ne kružni, proces zahtijeva više proteina i ima nekoliko ključnih razlika. Replikacija se događa istovremeno na više izvora replikacije duž svakog kromosoma. Proteini inicijatori prepoznaju i vežu se za podrijetlo, regrutirajući helikazu da odmota dvostruku spiralu DNK. Na svakoj početnoj tački formiraju se dvije viljuške za replikaciju. Primase zatim dodaje kratke RNA prajmere pojedinačnim lancima DNK, koji služe kao početna tačka da se DNK polimeraza veže i započne kopiranje sekvence. DNK se može sintetizirati samo u smjeru 5&rsquo do 3&rsquo, tako da se replikacija oba lanca iz jedne viljuške replikacije odvija u dva različita smjera. Vodeći lanac se sintetiše kontinuirano, dok se zaostali lanac sintetiše u kratkim deonicama dužine 100-200 parova baza, koji se nazivaju Okazaki fragmenti. Kada je glavnina replikacije završena, enzimi RNaze uklanjaju RNA prajmere i DNK ligaza spaja sve praznine u novom lancu.

Podjela rada replikacije na polimeraze

Radno opterećenje kopiranja DNK kod eukariota podijeljeno je na više različitih tipova enzima DNK polimeraze. Glavne porodice DNA polimeraza u svim organizmima kategorizirane su po sličnosti proteinskih struktura i aminokiselinskih sekvenci. Prve porodice koje su otkrivene nazvane su A, B, C i X, a porodice Y i D identifikovane su kasnije. Polimeraze porodice B u eukariota uključuju Pol & alpha, koji također funkcionira kao primaza na replikacijskoj vilici, te Pol & delta i & epsilon, enzime koji obavljaju većinu posla replikacije DNK na vodećim i zaostalim lancima šablona. Druge DNK polimeraze odgovorne su za zadatke poput popravljanja oštećenja DNK, kopiranja mitohondrijske i plastidne DNK i popunjavanja praznina u sekvenci DNK na zaostalom lancu nakon uklanjanja prajmera RNK.

Telomeri štite krajeve kromosoma od propadanja

Budući da su eukariotski hromozomi linearni, podložni su degradaciji na krajevima. Da bi se važne genetske informacije zaštitile od oštećenja, krajevi hromozoma sadrže mnogo nekodirajućih ponavljanja visoko konzervirane G-bogate DNK: telomera. Kratki jednolančani 3&rsquo previs na svakom kraju hromozoma stupa u interakciju sa specijalizovanim proteinima, što stabilizuje hromozom unutar jezgra. Zbog načina na koji se sintetizira zaostali lanac, mala količina telomerne DNK ne može se replicirati sa svakom diobom stanice. Kao rezultat toga, telomeri se postupno skraćuju tijekom mnogih ćelijskih ciklusa i mogu se mjeriti kao marker staničnog starenja. Određene populacije ćelija, kao što su zametne ćelije i matične ćelije, eksprimiraju telomerazu, enzim koji produžava telomere, omogućavajući ćeliji da prođe više ćelijskih ciklusa pre nego što se telomere skrate.

Garcia-Diaz, Miguel i Katarzyna Bebenek. &ldquoViše funkcija DNK polimeraza.&rdquo Kritički osvrti u nauci o biljkama 26 (2007): 105-122. [Izvor]


Replikacija telomera

Za razliku od prokariotskih hromozoma, eukariotski hromozomi su linearni. Kao što ste naučili, enzim DNK pol može dodati nukleotide samo u smjeru od 5' do 3'. U vodećem nizu sinteza se nastavlja sve dok se ne dođe do kraja kromosoma. Na lancu koji zaostaje, DNK se sintetiše u kratkim delovima, od kojih je svaki pokrenut posebnim prajmerom. Kada viljuška za replikaciju dođe do kraja linearnog hromozoma, nema mjesta za izradu prajmera za DNK fragment koji će se kopirati na kraju hromozoma. Ovi krajevi stoga ostaju neupareni, a vremenom ovi krajevi mogu postati progresivno kraći kako ćelije nastavljaju da se dijele.


Telomeraza i starenje

Stanicama koje se podvrgavaju diobi stanica i dalje se skraćuju telomeri jer većina somatskih stanica ne proizvodi telomerazu. To u suštini znači da je skraćivanje telomera povezano sa starenjem. Dolaskom moderne medicine, preventivne zdravstvene zaštite i zdravijeg načina života, ljudski životni vijek se produžio, a postoji i sve veća potražnja da ljudi izgledaju mlađe i imaju bolji kvalitet života kako stare.

Naučnici su 2010. godine otkrili da telomeraza može preokrenuti neke starosne uvjete kod miševa. Ovo može imati potencijal u regenerativnoj medicini. 1 U ovim studijama korišćeni su miševi sa nedostatkom telomeraze. Ovi miševi imaju atrofiju tkiva, iscrpljivanje matičnih ćelija, zatajenje sistema organa i poremećene reakcije na povredu tkiva. Reaktivacija telomeraze u ovih miševa uzrokovala je produženje telomera, smanjila oštećenje DNA, preokrenula neurodegeneraciju i poboljšala funkciju testisa, slezene i crijeva. Stoga, reaktivacija telomera može imati potencijal za liječenje bolesti povezanih sa starenjem kod ljudi.

Rak je karakteriziran nekontroliranom diobom abnormalnih stanica. Stanice akumuliraju mutacije, razmnožavaju se nekontrolirano i mogu migrirati u različite dijelove tijela kroz proces koji se naziva metastaza. Naučnici su primijetili da su stanice raka znatno skratile telomere i da je telomeraza aktivna u tim stanicama. Zanimljivo, tek nakon što su telomere skraćene u ćelijama raka, telomeraza je postala aktivna. Ako se djelovanje telomeraze u tim stanicama može inhibirati lijekovima tijekom terapije raka, tada bi se stanice raka potencijalno mogle zaustaviti od daljnje diobe.

Razlika između prokariotske i eukariotske replikacije
Property Prokarioti Eukarioti
Poreklo replikacije Single Višestruko
Brzina replikacije 1000 nukleotida/s 50 do 100 nukleotida/s
Tipovi DNK polimeraze 5 14
Telomeraza Nije tu Present
Uklanjanje RNA prajmera DNK pol I RNase H
Produženje niti DNK pol III Pol δ, pol ε
Klizna stezaljka Klizna stezaljka PCNA


Telomeraza i starenje

Stanicama koje se podvrgavaju diobi stanica i dalje se skraćuju telomeri jer većina somatskih stanica ne proizvodi telomerazu. To u suštini znači da je skraćivanje telomera povezano sa starenjem. Dolaskom moderne medicine, preventivne zdravstvene zaštite i zdravijeg načina života, ljudski životni vijek se produžio, a postoji i sve veća potražnja da ljudi izgledaju mlađe i imaju bolji kvalitet života kako stare.

Naučnici su 2010. godine otkrili da telomeraza može preokrenuti neke starosne uvjete kod miševa. Ovo može imati potencijal u regenerativnoj medicini. Jaskelioff et al., “Reaktivacija telomeraze preokreće degeneraciju tkiva kod ostarjelih miševa s nedostatkom telomeraze,” Priroda 469 (2011): 102-7. U ovim istraživanjima korišteni su miševi s nedostatkom telomeraze. Ti miševi imaju atrofiju tkiva, iscrpljivanje matičnih stanica, zatajenje organskog sistema i oslabljene reakcije na ozljede tkiva. Reaktivacija telomeraze u ovih miševa uzrokovala je produženje telomera, smanjila oštećenje DNA, preokrenula neurodegeneraciju i poboljšala funkciju testisa, slezene i crijeva. Stoga, reaktivacija telomera može imati potencijal za liječenje bolesti povezanih sa starenjem kod ljudi.

Rak je karakteriziran nekontroliranom diobom abnormalnih stanica. Stanice akumuliraju mutacije, razmnožavaju se nekontrolirano i mogu migrirati u različite dijelove tijela kroz proces koji se naziva metastaza. Naučnici su primijetili da su stanice raka znatno skratile telomere i da je telomeraza aktivna u tim stanicama. Zanimljivo, tek nakon što su telomere skraćene u ćelijama raka, telomeraza je postala aktivna. Ako se djelovanje telomeraze u tim stanicama može inhibirati lijekovima tijekom terapije raka, tada bi se stanice raka potencijalno mogle zaustaviti od daljnje diobe.

Razlika između prokariotske i eukariotske replikacije
PropertyProkariotiEukarioti
Poreklo replikacijeSingleVišestruko
Brzina replikacije1000 nukleotida/s50 do 100 nukleotida/s
Tipovi DNK polimeraze514
TelomerazaNije tuPresent
Uklanjanje RNA prajmeraDNK pol IRNase H
Produženje nitiDNK pol IIIPol δ, pol ε
Klizna stezaljkaKlizna stezaljkaPCNA


Šta je replikacija eukariotske DNK?

Događaji replikacije na vilici replikacije su isti kod eukariota kao i kod prokariota, samo što su enzimi i proteinski faktori različiti. Glavni polimerizacijski enzim je polimeraza a, (3, y, 8 & amp e.

Ovaj polimerazni enzim je mnogo sporiji u poređenju sa enzimom prokaiyote. DNA pol III dodaje oko 1000 nukleotida u sekundi, dok kao DXA pol dodaje oko 50 nukleotida u sekundi. SSB protein je poznat kao faktor replikacije A kod eukariota, a topoizomeraza je tip I topoizomeraza.

Druga velika razlika je ogromna količina DXA i veća veličina DXA. Eukarioti imaju više od jednog hromozoma, a keš hromozom ima DXA veći od genoma bakterije. Na primjer, ukupna dužina ljudske DXA jedne ćelije je oko 2 metra, dok je E.coli samo l mm. Dakle, da bi se veći DXA brzo replicirao, eukariotski DXA ima višestruko porijeklo i keš eukariotski DXA je višestruki replikon.

Stanični hromozomi kvasca imaju oko 400 porijekla i čuvaju ljudsku DXA sa oko 1000 porijekla. Zamislite situaciju ljudskog genoma sa 4xio 9 baznih parova da se rcplicira kao jedan odgovor: to će potrajati nekoliko sedmica. Ali, ćelijski ciklus se završava za 24 sata i da bi taj ciklus na vrijeme radio, replikacija DXA kod ljudi završava se za 6-8 sati S-faze. To se postiže zbog prisustva višestrukog porijekla.

Tokom S-faze ćelijskog ciklusa, DXA se replicira samo jednom, a zatim se ćelija dijeli. Stoga se količina ukupne DXA prvo udvostručuje u S-fazi, a zatim se jednako dijeli između dvije kćerke ćelije tokom ćelijske diobe. Tako se nivo DXA (i broj hromozoma) održava konstantnim nakon uzastopnih dioba ćelija.

Tačna replikacija DXA i njihova jednaka distribucija među ćelijama kćeri čine osnovu prijenosa nasljednih karaktera. Za svaku grešku u DXA replikaciji brine se mehanizam za popravku DXA koji je dostupan u ćeliji. Zamislite situaciju u kojoj se DXA dijeli ne jednom nego mnogo puta prije diobe ćelije. U takvoj situaciji ukupna DXA će se povećati dva puta, četiri puta ili mnogo više puta, a naknadnom diobom će se stvoriti poliploidne ćelije (ćelije s više od normalnog broja kromosoma).

Ovo se ne dešava jer ćelije imaju sistem licenciranja replikacije. Tokom diobe ćelije, u fazi anafaze, porijeklo replikacije je licencirano od strane nedifuzionih faktora licenciranja replikacije ili RLF-a. Nakon anafaze ne može doći do daljnjeg licenciranja zbog prisutnosti nuklearne membrane.

RLF omogućava DNK da se replicira jednom u S-fazi, a RLF se uništava tokom replikacije. Dalji krug replikacije će zahtijevati dalje licenciranje. Ako ćelija ne poduzme ciklus diobe, ona ne može doći do anafaze i ne može doći do licenciranja podrijetla. Ovaj mehanizam osigurava da se ćelija mora podijeliti nakon jedne runde replikacije DNK.


Replikacija telomera

Za razliku od prokariotskih hromozoma, eukariotski hromozomi su linearni. Kao što ste naučili, enzim DNK pol može dodati nukleotide samo u smjeru od 5' do 3'. U vodećem nizu sinteza se nastavlja sve dok se ne dođe do kraja kromosoma. Na lancu koji zaostaje, DNK se sintetiše u kratkim delovima, od kojih je svaki pokrenut posebnim prajmerom. Kad replikacijska vilica dosegne kraj linearnog kromosoma, nema mjesta za napraviti prajmer za kopiranje fragmenta DNK na kraju kromosoma. Ovi krajevi stoga ostaju neupareni, a vremenom ovi krajevi mogu postati progresivno kraći kako ćelije nastavljaju da se dijele.

Krajevi linearnih hromozoma poznati su kao telomere, koji imaju ponavljajuće sekvence koje kodiraju nijedan određeni gen. Na neki način, ovi telomeri štite gene od brisanja kako ćelije nastavljaju da se dijele. Kod ljudi se niz od šest parova baza, TTAGGG, ponavlja 100 do 1000 puta. Otkriće enzima telomeraze (slika) pomoglo je u razumijevanju načina na koji se održavaju krajevi kromosoma. Enzim telomeraza sadrži katalitički dio i ugrađeni RNA šablon. Pričvršćuje se na kraj kromosoma, a komplementarne baze RNA šabloni dodaju se na 3 'kraj DNK lanca. Nakon što je 3 'kraj šablona zaostale niti dovoljno produžen, DNA polimeraza može dodati nukleotide komplementarne krajevima kromosoma. Tako se krajevi hromozoma repliciraju.

Krajevi linearnih hromozoma održavaju se djelovanjem enzima telomeraze.

Telomeraza je tipično aktivna u zametnim stanicama i odraslim matičnim stanicama. Nije aktivan u odraslim somatskim stanicama. Za otkriće telomeraze i njeno djelovanje, Elizabeth Blackburn (slika) dobila je Nobelovu nagradu za medicinu i fiziologiju 2009.

Elizabeth Blackburn, nobelovka za 2009. godinu, naučnica je koja je otkrila kako funkcioniše telomeraza. (kredit: Ambasada SAD u Švedskoj)


Sažetak – Prokariotska vs Eukariotska transkripcija

Transkripcija je prvi korak ekspresije gena, nakon čega slijedi translacija. Iako je mehanizam transkripcije isti kod prokariota i eukariota, postoji nekoliko razlika među njima. Ključna razlika između prokariotske i eukariotske transkripcije je ta što se prokariotska transkripcija javlja u citoplazmi, dok se eukariotska transkripcija javlja u jezgri. Nadalje, prokariotska transkripcija uključuje samo jednu RNA polimerazu, dok eukariotska transkripcija uključuje tri vrste RNA polimeraza. Štaviše, sekvenca mRNA prokariota je policistronska, dok je kod eukariota sekvenca mRNA monocistronska. Ne samo to, kod eukariota dolazi do posttranskripcionih modifikacija, dok se kod prokariota ne dešavaju. Ovo je sažetak razlike između prokariotske i eukariotske transkripcije.

Referenca:

1. Cooper, Geoffrey M. “Transkripcija kod prokariota.” Current Neurology and Neuroscience Reports., Nacionalna medicinska biblioteka SAD-a, 1. januar 1970. Dostupno ovdje
2. “Eukariotska transkripcija.” Wikipedia, Wikimedia fondacija, 17. januar 2019. Dostupno ovdje

Slika ljubaznošću:

1.”Bakterijska sinteza proteina” Autori Joan L. Slonczewski, John W. Foster – Mikrobiologija: Nauka u razvoju, (CC BY-SA 3.0) preko Commons Wikimedia
2.”Eukariotska transkripcija”Autor Frank Starmer (CC BY 1.0) preko Commons Wikimedia


Pogledajte video: Replikacija (Februar 2023).