معلومة

كيف تتشكل الكاتينانات عندما يتكاثر الحمض النووي؟


لذا فإنني آخذ دورة في تكرار وإصلاح الحمض النووي. ونحن نتحدث عن الكاتينانات التي تتشكل عندما يتكاثر الحمض النووي (دائرتان من dsDNA مترابطتان) كيف يكون هذا ممكنًا؟


الدائرة الأولى للحمض النووي مزدوجة الشريطة. إذا تمكنت من إذابة الحلزون المزدوج تمامًا ، فلن تكون قادرًا على فصل الاثنين دون كسر العمود الفقري للسكر والفوسفات على الأقل واحد من الخيوط. هذه مشكلة طوبولوجية ، الخيوط مرتبطة ببعضها البعض.

الآن فكر في تكرار الحمض النووي. في أبسط مثال ، يوجد أصل واحد للنسخ المتماثل وسيكون هناك شوكتان متماثلتان تدوران حول الجينوم الدائري في اتجاهين متعاكسين. هذا بالضبط ما يحدث أثناء تكرار الحمض النووي في البكتيريا بكتريا قولونية. "يذوب" الحلزون المزدوج للحمض النووي للجزيء الأبوي ، ويتم تصنيع بادئات الحمض النووي الريبي بواسطة بريماز ، وتبدأ معقدات بوليميريز الحمض النووي عملية التوليف. خلف كل شوكة نسخ يوجد الآن خيطان هجينان من الحمض النووي ، لكل منهما خيط أبوي وحبلة ابنة جديدة.

حتى الآن لم يتم تشقق روابط السكر والفوسفات. عند الانتهاء من النسخ المتماثل ، سيكون لكل ابنة د. حتى لو تم منع هذين الإنزيمين الإصلاحيين ، ويمكنك بطريقة ما إذابة خيوط الحمض النووي لكل من الكروموسومات الابنة ، فستكون قادرًا فقط على سحب جزيئات الحمض النووي الجديدة (مع النكات) ، فإن الخيوط الأبوية الأصلية هي ساكن مرتبط طوبولوجيًا.

لحل دائرتين من دوائر الحمض النووي المتسلسلة ، تحتاج إلى إجراء فاصل مزدوج في دائرة واحدة على الأقل من دوائر ds. يتم توفير هذا النشاط الأنزيمي من خلال فئة من الإنزيمات تسمى النوع الثاني من الحمض النووي توبويزوميراز.


التحديات الطوبولوجية لتكرار الحمض النووي: المطابقة عند مفترق الطرق

يؤدي فك اللفافة المزدوجة للحمض النووي الأبوي أثناء النسخ المتماثل إلى اختلاف رقم ارتباط موجب ، أو إجهاد فائق الحلزوني ، يتراكم حول شوكة النسخ المتماثل المطولة. يؤدي التفرع عند الشوكة وهذه السلالة إلى تشكيلات مختلفة عن تلك الموجودة في (-) الحمض النووي الفائق الالتفاف الذي لا يتم استنساخه. يمكن أن يشكل الحمض النووي المتضاعف (+) مادة مسبقة ، تتشابك فيها DNA الابنة ، و (+) لفائف فائقة. تلعب Topoisomerases دورًا أساسيًا في تخفيف الإجهاد الفائق عن طريق إزالة هذه الهياكل. تمتلك شوكات النسخ المتوقفة للجزيئات ذات السلالة الفائقة (+) خيارًا إضافيًا للتراجع ، وتشكيل تقاطع رباعي الاتجاهات عند شوكة النسخ المتماثل. يمكن تشغيل هذا التقاطع رباعي الاتجاهات عن طريق إنزيمات إعادة التركيب لإعادة تشغيل النسخ المتماثل. يتم جعل النسخ المتماثل وطي الكروموسوم أسهل من خلال حواجز المجال الطوبولوجية ، والتي تعزل ركائز الإيزوميراز العلوي في مناطق محددة ومركزة. تسمح حواجز المجال أيضًا بأن يكون الحمض النووي المكرر (-) ملفوفًا بشكل فائق. نناقش أهمية تكرار مطابقة الحمض النووي وأدوار الإيزوميراز العلوي ، مع التركيز على العمل الأخير من مختبرنا.

يتطلب الفهم الشامل لتكرار الحمض النووي وإعادة التركيب معرفة التوافقات وطوبولوجيا تكرار الحمض النووي. هذه تختلف عن تلك الخاصة بالحمض النووي غير المتماثل. يساهم عمل هليكازات الحمض النووي ، والانقطاعات في السلاسل المكررة ، والأهم من ذلك ، الهيكل المتفرّع بشكل فريد لشوكة النسخ نفسها ، في هذه الاختلافات. في هذه المراجعة ، قمنا بتوضيح الاختلافات التوافقية الرئيسية بين الحمض النووي المتماثل وغير المتماثل وأهميتها الفسيولوجية. نسلط الضوء على الدليل لكل هيكل في المختبر و في الجسم الحي. بالإضافة إلى ذلك ، نتناول كيفية حل الروابط الموجودة أصلاً في الحلزون المزدوج للزاوية الأبوية بشكل كامل في البكتيريا عن طريق نوعين من الإيزوميراز العلوي من النوع 2 ، جريز الحمض النووي وتوبوإيزوميراز (توبو) IV ، لتشكيل جزيئين ابنتين منفصلين. على الرغم من أننا نؤكد على الموقف في البكتيريا ، إلا أننا سنقوم أيضًا بعمل تعميمات تنطبق على حقيقيات النوى والعتائق.

نبدأ بتحديد بعض المصطلحات الأساسية التي تشكل لغة طوبولوجيا الحمض النووي (1). الطوبولوجيا التي سنركز عليها هي الروابط بين خيوط Watson و Crick التكميلية لقطعة سليمة ومقيدة طوبولوجيًا من الحمض النووي. أبسط مثال على ذلك هو DNA دائري مغلق ، كما هو موجود في البلازميدات والفيروسات ، ولكن يمكن تعميم النتائج على الكروموسومات الخطية بسبب تنظيمها في مجالات أو حلقات مغلقة. يوصف تشابك الخيوط التكميلية برقم الربط (Lk) ، وهو نصف العدد الموقَّع لمرات تقاطع الخيط مع الآخر في أي إسقاط. وفقًا لاتفاقية اللافتة ، فإن التقاطعات في الحمض النووي العادي من النوع B هي (+). يمكن أن تنتج التقاطعات ، أو العقد ، للخيوط التكميلية من التشابك المحلي للحلزون المزدوج نفسه ، وفي هذه الحالة يتم قياسها بواسطة معلمة تسمى تويست (Tw). بدلاً من ذلك ، تنتج العقد من جزء واحد من اللولب المزدوج يعبر الآخر ، كما تم قياسه بواسطة التلوي (Wr). Lk هو مجموع Tw و Wr. والجدير بالذكر أن Lk لم يتغير بسبب أي تشوه أقل من كسر الحمض النووي ولم شمله. الأهم هو الكمية ΔLk ، والفرق بين Lk و Lk0حيث Lk0 هو Lk جزيء DNA مرتاح. غالبًا ما يؤدي الضغط على الحمض النووي من Lk غير الصفري إلى تلف الحمض النووي الفائق ، وهو شكل من أشكال التواء. يمكن أن يكون الالتفاف الفائق إما بكتوني (interwound) أو ملف لولبي ، كما هو الحال عندما يلتف الحمض النووي حول بروتين. المقياس الأكثر فائدة للانحراف الطوبولوجي للحمض النووي عن حالة الاسترخاء هو كثافة الالتفاف الفائقة ، أو σ. سيجما تساوي ΔLk / Lk0 وبالتالي فهي مستقلة عن طول الحمض النووي. يتسبب النسخ المتماثل في زيادة ΔLk ، لأن فصل السلاسل الأبوية يقلل من قيمة Lk0. لذلك ، يزداد ΔLk من النسخ المتماثل بمقدار واحد تقريبًا لكل عشرة أزواج أساسية من الحمض النووي المكرر.

هذه المراجعة مقسمة إلى ثلاثة أجزاء. نبدأ بمناقشة مطابقة (-) الحمض النووي الفائق الالتفاف الذي لا يتكاثر ، وهو الشكل الذي يتبناه الحمض النووي بعيدًا عن الشوكة. بعد ذلك ، نناقش الطرق الثلاث التي قد يختلف بها الحمض النووي المتماثل عن الحمض النووي غير المتكرر: preatenanes ، (+) DNA فائق الالتفاف ، والتقاطع رباعي الاتجاهات في الشوكات المتوقفة. أخيرًا ، سنناقش حواجز المجال الطوبولوجية ، والتي يمكنها عزل هياكل الحمض النووي المتماثل في مناطق محدودة من الكروموسوم حيث يمكن معالجتها بسهولة أكبر ، مما يسمح بالتكرار وفصل الكروموسوم.


تكرار الحمض النووي: استطالة وإنهاء حقيقيات النوى.

ناقشنا حول البدء في الخلايا حقيقية النواة في آخر مشاركة. في المنشور الحالي ، دع & # 8217s ننظر في ملف استطالة و ال نهاية في نسخ الحمض النووي حقيقية النواة.

أثناء البدء ، تقوم مجموعة من البروتينات بربط وتفكيك الحمض النووي في الأصل. لهذا المركب البروتيني بوليميرازيتم تحميل الصورة. تعمل البوليمرات مع البروتينات الأخرى من أجل استطالة من خيوط الابنة.

(فقط لمزيد من المعلومات: اقرأ المزيد عن أصول حقيقية النواة في الورقة بعنوان & # 8216Making Sense of Eukaryotic DNA Replication Origins & # 8216.)

استطالة:

أول بوليميراز لبدء تخليق الحمض النووي هو بوليميريز DNA α، والذي يوجد في شكل مجمع DNA polymerase α-primase. تقوم الوحدة الفرعية الأولية بتوليف الاشعال RNA (حوالي 7-12 نيوكليوتيدات) والتي يتم نقلها بعد ذلك إلى مجال البوليميراز وتمتد مع قواعد الحمض النووي (حوالي 20-25 نيوكليوتيد). عامل النسخ المتماثل ج (RFC) يبدأ تفاعل يسمى تبديل البوليميراز. يتم بعد ذلك تمديد خيوط الحمض النووي بواسطة بوليميرات أخرى وهي بوليميريز الحمض النووي δ و بوليميريز الحمض النووي ε.

التوليف الرائد للخيوط:

الشكل 1: توليف الخيط الرئيسي أو المستمر.

نظرًا لأن DNA pol α يكمل توليف RNA التمهيدي وإضافة قواعد DNA ، فإن RFC يسبب تفكك DNA pol α ويتجمع تكاثر مستضد الخلية النووية (PCNA) في منطقة الطرف التمهيدي. PCNA هو ملف مشبك الحمض النووي لبوليميرات الحمض النووي.

بول ε تم الإبلاغ عنه باعتباره بوليميراز التوليف الرئيسي الرئيسي (في خميرة الخميرة). في الخيط الرئيسي حيث يكون التكرار مستمرًا ويتم تصنيع التمهيدي مرة واحدة فقط ويتم تنفيذ الامتداد (الشكل 1).

تأخر توليف حبلا:

الشكل 2: تخليق خصلة متأخرة أو متقطعة بسلسلة من شظايا أوكازاكي.

بوليميراز δ هو البوليميراز الرئيسي في تخليق الخيوط. النسخ المتماثل في السلاسل المتأخرة غير مستمر ويحدث بتكوين عدة أوكازاكي شظايا (الشكل 2).

تتكون شظايا Okazaki (الشكل 3) في حقيقيات النوى أثناء تخليق الخيوط المتأخرة من حوالي 200 قاعدة (بدائيات النوى ، حوالي 2000 قاعدة). نظرًا لتصنيع العديد من أجزاء Okazaki ، تبديل البوليميراز أثناء توليف شظايا أوكازاكي أهمية أكبر.

ومن ثم فإن جزء Okazaki يتكون من نيوكليوتيدات RNA (7-10 نيوكليوتيدات) ، ثم يتم إضافة حوالي 10-20 نيوكليوتيدات من قواعد DNA بواسطة DNA pol α. بعد ذلك ، فإن RFC يتسبب في تبديل البوليميراز ويتم إضافة ديوكسي ريبونوكليوتيدات بواسطة بولي DNA δ التي عقدها PCNA، الانزلاق المشبك (انظر الشكل أدناه). ينفصل DNA pol بعد تخليق امتداد الحمض النووي بالكامل ، حيث يقترب من التمهيدي السابق لـ RNA.

(فقط لمزيد من المعلومات: اعرف المزيد عن PCNA)

البروتينات المشاركة في التكرار ، وخاصة PCNA (Boehm et al. ، 2016).

تتم إزالة الاشعال RNA بواسطة RNase H1، بحيث يظل ريبونوكليوتيد واحدًا لا يزال مرتبطًا بجزء الحمض النووي (3 & # 8242 النهاية) من جزء أوكازاكي. ثم تتم إزالة هذا الريبونوكليوتيد المتروك نوكلياز داخلي رفرف 1 (FEN 1). بوليميراز δ ثم يملأ الفجوات المتكونة بين شظايا أوكازاكي بعد إزالة البرايمر. ال نيك تكونت بين جزء أوكازاكي والشريط المتأخر يتم ملؤها DNA ligase أنا، وبالتالي تشكيل حبلا متخلفا واحد.

الشكل 4: إزالة RNA التمهيدي وربط أجزاء Okazaki الفردية.

الجمعية النووية:

أثناء الاستطالة ، هناك تفكيك مستمر مثل إعادة تجميع العبوة النووية على طول الحمض النووي أيضًا. كما نعلم ، فإن إحدى ميزات الحمض النووي حقيقية النواة هي أنه يتم تعبئته في شكل هياكل مضغوطة للغاية تسمى الكروموسومات. إنه ينطوي على لف الحمض النووي سالب الشحنة حول البروتينات الأساسية المسماة هيستون لتشكيل هياكل تسمى النيوكليوزومات (الشكل أدناه). يتكون كل نوكليوسوم من 8 هيستون البروتينات ، اثنان من كل من H2A و H2B و H3 و H4. أشكال هيستون H1 رابط بين جسيمتين.

النيوكليوسومات.

أثناء التكاثر ، يصبح اثنان من النيوكليوسومات أمام شوكة النسخ ، أي الحمض النووي غير المتماثل ، غير مستقر. ومن ثم تتسبب حركة شوكة النسخ المتماثل في اضطراب تغليف الحمض النووي للسماح لبروتينات النسخ بالتفاعل مع الحمض النووي.

في ال جزء مكرر، كانت السلاسل الرائدة والمتأخرة خالية من النوكليوزوم حتى حوالي 225 نقطة أساس و 285 نقطة أساس على التوالي. بعد هذه المنطقة ، تم تعبئة الحمض النووي مع ثماني هيستون ولكن بعضها يفتقر إلى هيستون H1. بعد حوالي 450 نقطة أساس إلى 650 نقطة أساس من شوكة النسخ المتماثل ، تم اكتشاف نيوكليوسومات كاملة مع H1 في خيوط الابنة. ومن ثم هناك تجميع متدرج من خيوط الابنة في نواة كاملة.

تنفصل النيوكليوسومات الأبوية عن خيوط الحمض النووي للابنة وتربطها عشوائيًا ، بحيث يكون لكل خيوط نصف التابع النيوكليوسومات الأبوية. يتم تصنيع المكونات النوكليوزومية المتبقية اللازمة لتعبئة خيوط الابنتين من جديد وتجمعوا على خيوط الابنة.

نهاية:

بعد الاستطالة الناجحة ، يجب إنهاء التكرار لإعطاء نسختين منفصلتين من الحمض النووي.

تتضمن شوكتي نسخ متجاورتين:

حيث أن الخلية حقيقية النواة لديها عدد كبير من أصول، يتضمن الإنهاء دمج شوكتي نسخ متماثلتين متجاورتين. يتضمن ذلك أربع خطوات مختلفة:

& # 8211 حل:

امتداد الحمض النووي بين الشوكتين المتجاورتين (الشكل 5. أ) هو حل (الشكل 5. ب) والاقتراب CMGs تمر بعضنا البعض (الشكل 5.c). تتم معالجة الجزء الأخير من Okazaki بواسطة DNA pol δ و FEN1 (الشكل 5. د).

ال ثغرات في خيوط الابنة (كما هو الحال في شظايا أوكازاكي العادية) يتم ملؤها وربط خيوط مركبة تقترب بشكل معاكس.

& # 8211 تفكك ريبليزوم:

مجمع ريبليزوم يفكك بعد تقارب اثنين من شوكة النسخ المتماثل. تتضمن هذه العملية عملية تعدد كل مكان خاص بالإنهاء لـ Mcm7 و p97 / VCP / Cdc48 فصل (الشكل 5. هـ).

& # 8211 نزع السلالة:

إذا كان هناك أي توائم في خيوط DNA الابنة أو catenanes، يتم إزالتها باستخدام توبويزوميراز الثاني الفصل بين الخيوط.

الشكل 5: يتضمن الإنهاء دمج الشوكتين المتجاورتين (Dewar & amp Walter ، 2017).

إشراك نهايات الكروموسومات:

كما هو معروف فإن الحمض النووي في الكروموسومات حقيقية النواة هو أ خطي جزيء ، يتضمن إنهاء الحمض النووي حقيقيات النوى أيضًا إكمال النسخ المتماثل في ينتهي من الكروموسومات المعروفة باسم التيلوميرات (الشكل 6).

الشكل 6: تشكل التيلوميرات نهاية واقية للحمض النووي الخطي حقيقي النواة (Aulinas ، 2013).

أثناء تركيب شظايا أوكازاكي ، التمهيدي RNA يمد 3 & # 8242-أوه المجموعة لمدة 5 إلى 3 تكرار. حول إزالة RNA التمهيدي ، من حبلا متخلفة في ال نهاية الكروموسوم، تبقى النهاية غير متماثل والحبلا المركب حديثًا هو تقصير (الشكل 7).

الشكل 7: تقصير نهايات الكروموسوم.

يتم منع هذا التقصير في الكروموسوم من خلال وجود تكرارات خاصة لتسلسلات تسمى التيلوميرات (والبروتينات المرتبطة بالتيلومير) الموجودة في نهايات الحمض النووي في الكروموسومات. على سبيل المثال الكروموسومات البشرية محمية بواسطة التيلوميرات التي لها تسلسلات متكررة من (TTAGGG) n بحوالي 15-20 كيلو بايت عند الولادة. هذه الهياكل تحمي نهايات الكروموسومات من اعتبارها خطأ حبلا مزدوج الحمض النووي ينكسر (DSB).

بشكل طبيعي الخلايا الجسدية ، المنطقة التيلوميرية للكروموسومات حقيقية النواة هي تقصير مع كل جولة من تكرار الحمض النووي. بعد عدد معين من مضاعفات الحمض النووي ، وبالتالي الانقسامات الخلوية ، يتم تقصير التيلوميرات إلى حد يؤدي إلى تكرار الخلية شيخوخة أو موت الخلايا المبرمج.

(فقط لمزيد من المعلومات: يرجى القراءة عن جائزة نوبل الممنوحة لعمل عن التيلوميرات.)

ومع ذلك، في خط جرثومي و خلايا سرطان، وهو إنزيم يسمى تيلوميراز، يمتد نهايات الكروموسومات ، وخاصة نهاية 5 من الخيوط المتأخرة. القدرة على الحفاظ على طول التيلوميرات ، صنع هذه الخلايا أبدي.

تيلوميراز هو النسخ العكسي الذي يحتوي على RNA نموذج، معروف ك قالب ترميز جزيء الحمض النووي الريبي (TER) لتمديد الحمض النووي التيلومري (الشكل 8). الأساسية بروتين يُعرف مكون التيلوميراز باسم تيرت (نسخة عكسية من TElomerase).

في البشر ، يحتوي قالب الحمض النووي الريبي على التسلسل AUCCCAAUC. المركب حديثا يتكرر تيلومير الحمض النووي تضاف إلى المتدلي 3 نهاية واحدة تقطعت بهم السبل من الحمض النووي (الشكل 8).

الشكل 8: تخليق تيلومير الحمض النووي يتكرر بواسطة التيلوميراز (Verhoeven et al ، 2014).

(فقط لمزيد من المعلومات: قم بزيارة لمشاهدة الرسوم المتحركة أثناء عمل Telomerase وغير ذلك الكثير.)

بعد اكتمال تمديد الخيط على الطرف 3 بواسطة التيلوميراز ، يكمل DNA pol α و DNA ligase تخليق خيط DNA.

هذا كل شيء لهذا المنشور. آمل أن تعجبك هذه المشاركة ، إذا كانت الإجابة بنعم ، فيرجى التعليق والإعجاب والمشاركة !!

تابعنا أيضًا على Facebook أو Twitter أو Instagram أو راسلنا عبر البريد الإلكتروني ([email protected]).

اقرأ المزيد من مشاركات The Biotech Notes:

بامبارا وآخرون (1997) الإنزيمات والتفاعلات في شوكة تكرار الحمض النووي حقيقية النواة. J بيول كيم. 272 (8): 4647-50.

Abmayr and Workman (2012) التمسك من خلال النسخ المتماثل للحمض النووي: تعديل هيستون أم معدل؟ زنزانة. 150 (5): 875-7.

فيرهوفن وآخرون (2014). شيخوخة الخلايا في حالة الاكتئاب: بصمة دائمة أم عملية قابلة للعكس؟: نظرة عامة على الأدلة الحالية والمسارات الآلية وأهداف التدخلات. BioEssays 36 (10): 968-78.

Bailey et al (2015) إنهاء شوكات النسخ المتماثل للحمض النووي: "التفكك صعب الحدوث" النواة 6 (3): 187-196.

Dewar & amp Walter (2017) آليات إنهاء تكرار الحمض النووي. مراجعات الطبيعة بيولوجيا الخلية الجزيئية 18: 507-516.

Aulinas (2013) التيلوميرات والشيخوخة ومتلازمة كوشينغ & # 8217s: هل هم مرتبطون؟ طب الغدد الصماء والتغذية (الطبعة الإنجليزية) 60 (6): 329-335.

بوهم وآخرون. (2016) الأدوار العديدة لـ PCNA في تكرار الحمض النووي حقيقية النواة. الإنزيمات 39: 231-54.


تخليق الحمض النووي

تتأثر آلية تكرار الحمض النووي بشكل كبير ببنية الحمض النووي. إن الاقتران الأساسي التكميلي بين قواعد النيتروجين A-T و G-C يكمن وراء الطبيعة شبه المحافظة لتكرار الحمض النووي ، مما ينتج عنه جينوم مكرر مع خيط أبوي واحد وخيط واحد مركب حديثًا. يعمل كل خيط كقالب لبوليميراز الدنا لتحفيز إضافة القاعدة الصحيحة أثناء تخليق حبلا تكميليًا جديدًا. نظرًا لأن الخيوط تتعارض مع القطبية المتعارضة وبما أن بوليميرات الحمض النووي يمكنها فقط توليف الحمض النووي في الاتجاه 5 & رئيس إلى 3 & الرئيسي ، يتم تصنيع خيط واحد فقط بشكل مستمر. هذا الخيط يسمى الخيط الرئيسي. أصبح تركيب الخيط الآخر ، المسمى بالخيط المتأخر ، ممكنًا من خلال التوليف المتقطع لشظايا قصيرة ، تسمى شظايا Okazaki ، في الاتجاه 5 & Prime إلى 3 & Prime ، والتي يتم ربطها معًا لاحقًا.

الحمض النووي المتماثل: بروتينات تكرار الحمض النووي في شوكة النسخ المتماثل. تقوم الهليكاز بفك طبقة الحمض النووي المزدوجة وبروتينات الربط الأحادي (SSBs) وتثبيت الحمض النووي المفرد الذي تقطعت به السبل والذي يتكون من فصل الخيوط. يتم رؤية Topoisomerase قبل الشوكة لإزالة التوتر الفائق الناتج عن فصل الخيوط. لاحظ أن الخيط الرئيسي يتم تصنيعه بشكل مستمر في الاتجاه 5 & Prime إلى 3 & Prime ، بينما يتم تصنيع الخيط المتأخر بشكل متقطع على هيئة أجزاء قصيرة تسمى شظايا Okazaki. يقوم مركب Polymerase & alpha-primase بتركيب بادئات RNA قصيرة تمتد حتى 30-40 نيوكليوتيد. بعد ذلك ، يتولى البوليميراز والإبسيلون والبوليميراز والدلتا مهمة تخليق الخيوط بشكل أسرع وفعال على السلاسل المتأخرة والرائدة على التوالي. يغلق Ligase الفجوة بين شظايا أوكازاكي.

يبدأ تخليق الحمض النووي في المرحلة S حيث تتحلل الهليكاز التكاثري وتفصل خيطي الحلزون المزدوج للحمض النووي [7]. نظرًا لأن الهليكاز يزيل الحمض النووي ، فإن بوليميراز الحمض النووي يصنع الحمض النووي باستخدام الحمض النووي المفرد الذي تقطعت به السبل كقالب. بوليميراز DNA & lsquoread & rsquo الشريط النموذجي وإضافة القاعدة التكميلية الصحيحة. تأتي الطاقة الخاصة بالبلمرة من إطلاق بيروفوسفات من ثلاثي فوسفات الديوكسي ريبونوكليوتيد الحر (dNTP) ، مما يؤدي إلى تكوين 5 وبريميمونوفوسفات يمكن ربطه تساهميًا بمجموعة الهيدروكسيل 3 & الأولية لنيوكليوتيد آخر. ومع ذلك ، لا تستطيع بوليميرات الدنا توليف DNA de novo وتتطلب مادة أولية موجودة مسبقًا مع مجموعة هيدروكسيل حرة لإضافة النيوكليوتيدات وإطالة السلسلة. يقوم بوليميراز RNA المتخصص المسمى primase بتركيب تسلسلات قصيرة من RNA يبلغ طولها حوالي 10 نيوكليوتيدات والتي تعمل بمثابة بادئات. يساعد التمهيدي الفردي على تكرار الحمض النووي على الشريط الرئيسي وتبدأ الاشعال المتعددة في تخليق شظايا أوكازاكي على الشريط المتأخر. في حقيقيات النوى ، يعتبر البريميز جزءًا من بوليميريز الحمض النووي وألفا (تمت مراجعته في [8]). تتعاون الهليكاز التكاثري والبرايميز وظيفيًا وتحفز كل منهما الأخرى ونشاط rsquos [9].

بعد أن يقوم بوليميراز الدنا وألفا بتخليق امتداد قصير من 30-40 نيوكليوتيد للحمض النووي ، يتم تسليم مزيد من تخليق الحمض النووي إلى البوليميراز والإبسيلون والبوليميراز والدلتا اللتين تتمتعان بقدرة معالجة أعلى من البوليميراز والألفا. ترجع العملية العالية أو قدرة البوليميرات على البقاء مرتبطة بالحمض النووي حتى 10 كيلو بايت دون السقوط إلى ارتباطها بمشبك منزلق يسمى PCNA. يتيح تبديل البوليميراز تخليق الحمض النووي بدقة عالية حيث أن البوليميراز والإبسيلون والبوليميراز والدلتا لها نشاط 3 & Prime & ndash 5 & Prime nuclease والذي يتيح قراءة الدليل وإزالة أي قواعد غير صحيحة مدمجة (تمت مراجعتها في [8]). عند شوكة النسخ المتماثل ، يوجد تقسيم للعمل بين البوليميراز حيث يقوم البوليميراز والإبسيلون بتخليق الخيوط الرائدة ويشارك البوليميراز والدلتا في تخليق الشريط المتأخر [10] ، 12)


يكتشف علماء الأحياء مشغلًا لبثق الخلايا - عملية للقضاء على الخلايا غير الضرورية

بالنسبة لجميع الحيوانات ، يعد التخلص من بعض الخلايا جزءًا ضروريًا من التطور الجنيني. تنسلخ الخلايا الحية بشكل طبيعي في الأنسجة الناضجة ، على سبيل المثال ، تنقلب بطانة الأمعاء كل بضعة أيام.

إحدى الطرق التي تتخلص بها الكائنات الحية من الخلايا غير الضرورية هي من خلال عملية تسمى البثق ، والتي تسمح للخلايا بالضغط خارج طبقة من الأنسجة دون تعطيل طبقة الخلايا المتبقية. اكتشف علماء الأحياء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا الآن أن هذه العملية يتم تشغيلها عندما تكون الخلايا غير قادرة على تكرار الحمض النووي الخاص بها أثناء انقسام الخلية.

اكتشف الباحثون هذه الآلية في الدودة C. ايليجانس، وقد أظهروا أن نفس العملية يمكن أن تكون مدفوعة بخلايا الثدييات التي يعتقدون أن البثق قد يكون بمثابة وسيلة للجسم للقضاء على الخلايا السرطانية أو السرطانية.

روبرت هورفيتز ، أستاذ علم الأحياء ديفيد إتش كوخ في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، عضو في معهد ماكغفرن لأبحاث الدماغ و معهد كوخ لأبحاث السرطان التكاملية ، وهو محقق في معهد هوارد هيوز الطبي ، وكبير مؤلفي الدراسة. "كان اكتشاف أن البثق مدفوعًا بفشل في تكرار الحمض النووي غير متوقع ويوفر طريقة جديدة للتفكير وربما التدخل في أمراض معينة ، وخاصة السرطان."

باحث ما بعد الدكتوراة في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا فيفيك دويفيدي هو المؤلف الرئيسي للورقة ، التي نُشرت في 5 مايو 2021 ، في طبيعة سجية. المؤلفون الآخرون للورقة هم كارلوس باردو باستور ، زميل أبحاث كينجز كوليدج لندن ، وأخصائية أبحاث معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، ريتا دروست ، وجي نا كونغ ، طالب الدراسات العليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، نولان تاكر ، عالم نوفارتيس وباحث ما بعد الدكتوراة السابق في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا دانيال دينينج ، وأستاذ علوم الأحياء في كينجز كوليدج لندن. جودي روزنبلات.

عالق في دورة الخلية

في الثمانينيات ، كان هورفيتز من أوائل العلماء الذين قاموا بتحليل نوع من الانتحار الخلوي المبرمج يسمى موت الخلايا المبرمج ، والذي تستخدمه الكائنات الحية للقضاء على الخلايا التي لم تعد هناك حاجة إليها. قام باكتشافاته باستخدام C. ايليجانس، دودة خيطية صغيرة تحتوي بالضبط على 959 خلية. يُعرف النسب التطوري لكل خلية ، ويتبع التطور الجنيني نفس النمط في كل مرة. خلال هذه العملية التنموية ، يتم إنشاء 1090 خلية ، وتخضع 131 خلية لانتحار الخلية المبرمج عن طريق موت الخلايا المبرمج.

أظهر مختبر هورفيتز لاحقًا أنه إذا تم تحور الديدان وراثيًا بحيث لا تتمكن من القضاء على الخلايا عن طريق موت الخلايا المبرمج ، فسيتم بدلاً من ذلك القضاء على عدد قليل من تلك الخلايا البالغ عددها 131 خلية عن طريق قذف الخلية ، والتي يبدو أنها قادرة على العمل كآلية احتياطية لموت الخلايا المبرمج. ومع ذلك ، فإن كيفية بدء عملية البثق هذه ظلت لغزا.

لكشف هذا اللغز ، قام Dwivedi بعمل شاشة كبيرة الحجم لأكثر من 11000 C. ايليجانس الجينات. واحدًا تلو الآخر ، قام هو وزملاؤه بإسقاط التعبير عن كل جين في الديدان التي لا تستطيع أداء موت الخلايا المبرمج. سمحت لهم هذه الشاشة بتحديد الجينات الضرورية لتشغيل بثق الخلية أثناء التطور.

ولدهشة الباحثين ، فإن العديد من الجينات التي تبين أنها ضرورية للبثق كانت متورطة في دورة انقسام الخلية. كانت هذه الجينات نشطة بشكل أساسي خلال الخطوات الأولى من دورة الخلية ، والتي تتضمن بدء دورة انقسام الخلية ونسخ الحمض النووي للخلية.

كشفت تجارب أخرى أن الخلايا التي تنبثق في النهاية تدخل في البداية دورة الخلية وتبدأ في تكرار الحمض النووي الخاص بها. ومع ذلك ، يبدو أنها عالقة في هذه المرحلة ، مما يؤدي إلى انبثاقها.

معظم الخلايا التي يتم قذفها في نهاية المطاف صغيرة بشكل غير عادي ، ويتم إنتاجها من انقسام خلوي غير متكافئ ينتج عنه خلية ابنة كبيرة وواحدة أصغر بكثير. أظهر الباحثون أنهم إذا تداخلوا مع الجينات التي تتحكم في هذه العملية ، بحيث كانت الخليتان الابنتان أقرب إلى نفس الحجم ، فإن الخلايا التي كان من الممكن أن تنبثق في العادة تكون قادرة على إكمال دورة الخلية بنجاح ولم يتم انبثاقها.

أظهر الباحثون أيضًا أن فشل الخلايا الصغيرة جدًا في إكمال دورة الخلية ينبع من نقص البروتينات ولبنات بناء الحمض النووي اللازمة لنسخ الحمض النووي. من بين البروتينات الرئيسية الأخرى ، من المحتمل ألا تحتوي الخلايا على ما يكفي من إنزيم يسمى LRR-1 ، وهو أمر بالغ الأهمية لتكاثر الحمض النووي. عندما يتوقف تكرار الحمض النووي ، فإن البروتينات المسؤولة عن اكتشاف إجهاد النسخ توقف بسرعة انقسام الخلايا عن طريق تعطيل بروتين يسمى CDK1. يتحكم CDK1 أيضًا في التصاق الخلية ، لذلك افترض الباحثون أنه عند إيقاف تشغيل CDK1 ، تفقد الخلايا التصاقها وانفصالها ، مما يؤدي إلى البثق.

الحماية من السرطان

ثم تعاون مختبر هورفيتز مع باحثين في كينجز كوليدج لندن ، بقيادة روزنبلات ، للتحقيق فيما إذا كان يمكن استخدام نفس الآلية بواسطة خلايا الثدييات. في الثدييات ، يلعب قذف الخلايا دورًا مهمًا في استبدال بطانة الأمعاء والرئتين والأعضاء الأخرى.

استخدم الباحثون مادة كيميائية تسمى هيدروكسي يوريا للحث على إجهاد تكرار الحمض النووي في خلايا الكلى الكلبية المزروعة في زراعة الخلايا. ضاعف العلاج معدل البثق أربع مرات ، ووجد الباحثون أن الخلايا المبثوقة جعلتها تدخل مرحلة دورة الخلية حيث يتم تكرار الحمض النووي قبل أن يتم بثقها. وأظهروا أيضًا أنه في خلايا الثدييات ، يشارك مثبط السرطان المعروف p53 في بدء قذف الخلايا التي تعاني من إجهاد النسخ المتماثل.

يشير ذلك إلى أنه بالإضافة إلى أدواره الأخرى في الوقاية من السرطان ، قد يساعد البروتين p53 في القضاء على الخلايا السرطانية أو السرطانية عن طريق إجبارها على الانبثاق ، كما يقول دويفيدي.

إجهاد النسخ هو إحدى السمات المميزة للخلايا السرطانية أو السرطانية. وما تقترحه هذه النتيجة هو أن بثق الخلايا التي تعاني من إجهاد النسخ هو على الأرجح آلية لقمع الورم "، كما يقول.

حقيقة أن بثق الخلية يُرى في العديد من الحيوانات ، من الإسفنج إلى الثدييات ، قادت الباحثين إلى افتراض أنها ربما تكون قد تطورت كشكل مبكر جدًا من أشكال القضاء على الخلايا والذي تم استبداله لاحقًا بالانتحار الخلوي المبرمج الذي يتضمن موت الخلايا المبرمج.

يقول دويفيدي: "تعتمد آلية القضاء على الخلايا هذه فقط على دورة الخلية". "لا يتطلب الأمر أي آلية متخصصة مثل تلك اللازمة لموت الخلايا المبرمج للقضاء على هذه الخلايا ، لذلك ما اقترحناه هو أن هذا يمكن أن يكون شكلًا أساسيًا من أشكال القضاء على الخلايا. وهذا يعني أنها ربما كانت إحدى الطرق الأولى للتخلص من الخلايا ، لأنها تعتمد على نفس العملية التي يستخدمها الكائن الحي لتوليد المزيد من الخلايا ".

المرجع: & # 8220 الإجهاد المضاعف يعزز القضاء على الخلايا عن طريق البثق & # 8221 بواسطة Vivek K. Dwivedi ، و Carlos Pardo-Pastor ، و Rita Droste ، و Ji Na Kong ، و Nolan Tucker ، و Daniel P. Denning ، و Jody Rosenblatt ، و H. Robert Horvitz ، 5 مايو 2021 و طبيعة سجية.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03526-y

كان دويفيدي ، الذي حصل على درجة الدكتوراه من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، باحثًا في خورانا قبل التحاقه بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا للدراسات العليا. تم دعم هذا البحث من قبل معهد هوارد هيوز الطبي والمعاهد الوطنية للصحة.


كيف يخزن الحمض النووي المعلومات الجينية؟

الحمض النووي ، المعروف أيضًا باسم حمض Deoxyribonucleic هو مخطط الحياة & # 8211 مما يعني أنه يخزن جميع المعلومات التي تشكل أي كائن حي. لكن كيف يخزن الحمض النووي المعلومات الجينية؟

اكتشف جيمس واتسون وفرانسيس كريك بنية الحمض النووي - خصلان (بولينيوكليوتيد) متشابكان في حلزون مزدوج - في عام 1953 ، ووجدوا أن الحمض النووي يخزن المعلومات باستخدام رمز بسيط مكون من أربعة أحرف ، والذي يتضمن ميزة رائعة تعرف باسم القاعدة التكميلية الاقتران.

إذن كيف يعمل الاقتران الأساسي التكميلي؟

لقد تعلمنا جميعًا أن الحمض النووي يحتوي على شريطين ملتويين حول بعضهما البعض لتشكيل حلزون مزدوج ، والذي يشبه السلم إذا قمنا بتسويته.

في الحمض النووي ، تتكون كل خطوة في السلم من قطعتين ، وتسمى هاتان القطعتان بالقاعدة. يحتوي الحمض النووي على أربع قواعد تسمى - الأدينين والسيتوزين والجوانين والثايمين. يتم اختصارها ببساطة بالأحرف الأولى من اسمها الأول ، أي - A و C و G و T - وتمثل هذه الأحرف الشفرة التي يستخدمها DNA لتخزين المعلومات الجينية.

كان أحد الأجزاء الرئيسية في اكتشاف Watson and Crick & # 8217 هو الطريقة التي تقترن بها هذه القواعد مع بعضها البعض. وجدوا أن أزواج A فقط مع أزواج T و C فقط مع G. وهذا يعني & # 8211 A و T يكمل أحدهما الآخر وأن C في G يكمل أحدهما الآخر. هذا يعني أيضًا أن C و G لا يمكن الاقتران بـ A أو T.

على سبيل المثال ، إذا كان أحد خيوط الحمض النووي يحتوي على قواعد CTGAC ، فسيكون لدى الآخر GACTG. طريقة واحدة لتذكر أي زوج من القواعد التي يتم بها كتابة الأحرف بترتيب أبجدي ، ثم أسفل ذلك & # 8211 اكتب الأحرف بالترتيب العكسي.

لكن ماذا يعني كل هذا بالنسبة للخلية؟

عندما تستعد الخلية للانقسام الخلوي ، فإنها تصنع نسخة طبق الأصل من الحمض النووي الخاص بها بحيث يكون للخلايا الوليدة نفس المعلومات الجينية تمامًا ، أو الحمض النووي ، مثل الخلية الأم. لذا فإن الاقتران الأساسي التكميلي يعني أن الخلايا يمكنها نسخ حمضها النووي بسرعة وكفاءة.

أثناء عملية النسخ المتماثل ، يفصل اللولب المزدوج أسفل الوسط حيث تنضم أزواج القواعد. هذا يفضح تسلسل A & # 8217s C & # 8217s G و T & # 8217s على كل جانب. بعد ذلك ، تأتي مجموعات من الإنزيمات وتضيف قواعد تكميلية واحدة تلو الأخرى على طول كل من خيوط الحمض النووي ، أي - جينًا تلو الآخر بطول الكروموسوم بالكامل. ثم في النهاية ، هناك نوعان من الكروموسومات متطابقة مشفرة بنفس المعلومات الجينية.

يلعب الاقتران القاعدي التكميلي أيضًا دورًا مهمًا عندما تصنع الخلايا البروتينات. أثناء تخليق البروتين ، ينفتح الحمض النووي وهو الجين الذي يرمز للبروتين المطلوب & # 8211 ، مما يكشف تسلسل القواعد في هذا الجين. ثم يتم نسخ تسلسل القواعد في شكل RNA ، ولكن مع اختلاف واحد مهم & # 8211 RNA ليس لديه T (الثايمين). بدلا من قاعدة الثايمين ، فإنه يستخدم قاعدة تسمى اليوراسيل (اختصار U). لذلك ، عندما يتم نسخ جين أثناء تخليق البروتين ، فإن كل A في الحمض النووي يتطابق مع U في RNA.

يمكنك قراءة المزيد حول كيفية تحويل الخلية للحمض النووي إلى بروتينات عاملة في & # 8211 Translation: DNA to mRNA to Protein (تعليم الطبيعة)

ساعد الاقتران الأساسي التكميلي العلماء في فهم كيفية حدوث السرطان. على سبيل المثال ، إذا كانوا يعرفون تسلسل القواعد لقطعة من الحمض النووي من خلية ، فيمكنهم معرفة التسلسل الأساسي للقطعة المقابلة باستخدام الاقتران الأساسي التكميلي.

تكشف تقنية التسلسل الجيني عن تشكيلة القواعد في الحمض النووي الريبي (DNA) والرنا المرسال (messenger RNA). يمكن للعلماء بعد ذلك استخدام الاقتران الأساسي التكميلي لتحديد الجين الذي أنتج هذا الرنا المرسال. بمجرد أن يعرف العلماء تسلسل الأحماض الأمينية في البروتين ، يمكنهم فك تشفير تسلسل القواعد في الرنا المرسال للبروتين ثم الجين الذي يرمز لهذا البروتين.

يسمح الاقتران الأساسي التكميلي للعلماء بمقارنة الجينات من الخلايا السرطانية والخلايا السليمة من المريض. يساعدهم هذا في معرفة المزيد حول سبب حدوث السرطان وكيفية نمو الأورام.

وُصف اكتشاف واطسون وكريك بأنه أهم عمل بيولوجي في كل العصور. كما أكسبهم جائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء أو الطب عام 1962.


تكرار الحمض النووي

في الانقسام الفتيلي ، تنفصل الخلية عن بعضها لتشكل خليتين متطابقتين. هذا يعني أن لديها نفس # "DNA" وعدد الكروموسومات مثل الخلية السابقة. لذا ، فإن الوظيفة الرئيسية للانقسام هي حرفيا # تكرار "DNA".

إجابة:

الزوج الأساسي في تكرار الحمض النووي هو طريقة يجب على الكروموسومات التحقق منها مرة أخرى للتأكد من أن التكرار دقيق.

تفسير:

الزوج الأساسي في تكرار الحمض النووي هو طريقة يجب على الكروموسومات أن تتحقق منها مرة أخرى للتأكد من أن التكرار دقيق.

The replication is termed semiconservative since each new cell contains one strand of original DNA and one newly synthesized strand of DNA. The original polynucleotide strand of DNA serves as a template to guide the synthesis of the new complementary polynucleotide of DNA. A template is a guide that may be used for example, by a carpenter to cut intricate designs in wood.


مقدمة

Topoisomerases unlink DNA during and after replication ( Ullsperger وآخرون., 1995 ). Lk, the linking number of the parental DNA strands, must be reduced to zero for separation of daughter DNA molecules. ΔLk is the difference between Lk and Lk 0 , the value of Lk for the same DNA molecule in relaxed form. The unwinding of parental DNA by replicative helicases causes a compensatory (+)ΔLk that must be removed by topoisomerases. Champoux and Been (1980) suggested that the (+)ΔLk could take the form of (+) supercoils in the unreplicated region as well as windings of the two newly replicated regions around each other. Thus, topoisomerases could unlink replication intermediates (RIs) by acting either in front of or behind the fork. The form of (+)ΔLk in the replicated DNA was subsequently named precatenane, due to structural similarity to catenanes and to distinguish it from the (+)ΔLk in the unreplicated DNA ( Ullsperger وآخرون., 1995 ). Any (+)ΔLk not removed before termination would form catenanes, and these would be unlinked after replication.

This model did not achieve immediate acceptance because early electron microscopy (EM) observations of circular RIs showed supercoils but no precatenanes, suggesting that topoisomerases only act ahead of the fork. However, studies of plasmid replication with purified الإشريكية القولونية enzymes suggested that precatenanes are important in unlinking during replication ( Peng and Marians, 1993 Hiasa and Marians, 1994 , 1996 ). Moreover, both (−) precatenanes and (−) supercoils were observed on purified RIs accumulated by replication of plasmids containing two termination sites in بكتريا قولونية ( Peter وآخرون. ، 1998). An EM artefact apparently caused earlier studies to miss precatenanes. Finally, a topological analysis of knots trapped within arrested RIs suggested that (−) precatenanes exist in بكتريا قولونية cells ( Sogo وآخرون., 1999 ).

However, removing (−) precatenanes would just increase Lk. Arrested RIs from بكتريا قولونية cells have a (−)ΔLk, presumably due to gyrase activity after replication arrest. Direct evidence for precatenanes on (+)ΔLk RIs, as predicted by Champoux and Been, has been lacking. In fact, (+)ΔLk RIs prepared by adding intercalating agents to purified (−)ΔLk RIs contain neither supercoils nor precatenanes. Instead, the (+) topological stress is relieved by re-annealing of the parental strands and formation of a Holliday junction, a process called fork reversal ( Postow وآخرون., 2001 J.B.Schvartzman, personal communication). It remains unclear, at least in bacteria, whether transient (not arrested) RIs carry a (+) or a (−)ΔLk and whether protein binding inside the cell prevents fork reversal and/or spinning and (+) precatenane formation.

In bacteria, two type 2 topoisomerases can unlink replicating DNA. Gyrase introduces (−) supercoils in front of the forks and may suffice to overcome the (+)ΔLk generated by replication until late RI stages, while topoisomerase IV (topo IV) is responsible for decatenating complete replication products (reviewed in Levine وآخرون. ، 1998). Studies with purified enzymes support a role for precatenane unlinking by topo IV ( Peng and Marians, 1993 Hiasa and Marians, 1996 ). However, in topo IV mutants, newly synthesized plasmid DNA accumulates as catenanes with the same node number distribution as transient catenanes in wild-type cells ( Zechiedrich and Cozzarelli, 1995 ). هكذا، في الجسم الحي evidence for precatenane removal by topo IV is lacking. In fact, the recent discovery that topo IV relaxes (+) supercoils 20-fold faster than (−) supercoils suggests that it may unlink DNA in front of the fork as efficiently as gyrase ( Crisona وآخرون., 2000 ).

Eukaryotes lack unconstrained (−) supercoils and the (−) supercoiling activity of gyrase. Thus, free (+) supercoils and possibly (+) precatenanes are expected to form during elongation. Both topo I and topo II can remove (+) supercoils في المختبر. Studies with yeast mutants showed that replication can initiate in the absence of both enzymes, but elongation stops after a couple of thousand base pairs ( Kim and Wang, 1989 ). Either topo I or topo II (but not topo III) can support further elongation and completion of S phase ( Uemura and Yanagida, 1986 Brill وآخرون., 1987 ). Topo II is strictly required at mitosis for separation of sister chromatids ( Holm وآخرون., 1985 Uemura and Yanagida, 1986 ). Similar observations were made for the replication of naked SV40 DNA in cell-free extracts ( Yang وآخرون., 1987 ) or with purified proteins ( Ishimi وآخرون., 1992b ). The usual interpretation is that either topo I or topo II can remove (+) supercoils to drive elongation, while topo II is required to remove catenane crossings persisting after replication. However, it is unclear whether topo II relaxes (+) supercoils in front of the forks, like topo I, or removes (+) precatenanes behind the forks. Studies of SV40 minichromosome replication in cellular extracts or in infected cells suggest that topo II inhibition in some cases blocks elongation at the late RI stage ( Richter وآخرون., 1987 Ishimi وآخرون., 1992a , b ), but in other cases allows synthesis of complete catenated dimers, even though late RIs accumulate ( Sundin and Varshavsky, 1981 Ishimi وآخرون., 1995 and references therein reviewed in Snapka, 1996 ). Thus, the implication of topo II in the late stages of DNA synthesis in higher eukaryotes is unclear.

Another unresolved issue is what drives decatenation of daughter DNA molecules. في المختبر, topo II catalyses both catenation and decatenation of DNA rings, and favours catenation at high DNA concentration ( Krasnow and Cozzarelli, 1982 ). Given the high concentration of DNA في الجسم الحي, one expects the equilibrium to be toward catenation. Mechanical separation of sister chromatids during mitosis has been proposed to drive decatenation ( Holm, 1994 Duplantier وآخرون., 1995 ). Although experiments in yeast and Xenopus show that topo II is required for mitotic chromosome condensation and segregation (reviewed in Holm, 1994 ), it is not known whether decatenation is postponed entirely until mitosis or already starts in S or G2 المراحل.

To investigate these questions, we have studied the effect of topo II inhibition on DNA replication in Xenopus egg extracts. Because studying replication and topology of a long linear chromosome would be difficult, we focused on circular plasmid DNA. Any plasmid DNA incubated in Xenopus egg extracts is replicated under cell cycle control, but only after it has been assembled by the egg extract into chromatin and then into synthetic nuclei, in which replication occurs at discrete foci as in normal nuclei ( Blow and Laskey, 1986 Blow and Sleeman, 1990 Cox and Laskey, 1991 ). Small plasmids (<15 kb) support a single, randomly located initiation event that closely mimics replication of chromosomal domains in early embryonic nuclei ( Hyrien and Méchali, 1992 , 1993 Mahbubani وآخرون., 1992 Lucas وآخرون، 2000). Although caution is required because plasmids may be free of some of the topological restraints of long linear chromosomes, extrapolation from this system to what happens inside cells seems reasonable.

We have analysed the effect of various topo II inhibitors on plasmid DNA replication using high-resolution two-dimensional gel electrophoresis of replication products. ICRF-193 traps the enzyme in the form of a closed protein clamp without introducing DNA breaks ( Tanabe وآخرون., 1991 ). Etoposide (VP-16) and teniposide (VM-26) poison topo II by stabilizing a covalent reaction intermediate, the cleavable complex. Subsequent treatment with protein denaturants reveals the DNA strand breaks and the covalent linking of a topoisomerase subunit to the 5′ end of the broken DNA ( Chen وآخرون., 1984 ). The covalent intermediates can be extracted selectively with phenol prior to deproteinization. These properties were exploited to map the sites of topo II action during DNA replication. Our results provide direct evidence for the Champoux and Been model in this eukaryotic system, and reveal a division of labour between topo I and topo II. We suggest a role for chromatin assembly in driving DNA unlinking behind the replication fork.


علم الأحياء 171

بنهاية هذا القسم ، ستكون قادرًا على القيام بما يلي:

  • Explain how the structure of DNA reveals the replication process
  • Describe the Meselson and Stahl experiments

The elucidation of the structure of the double helix provided a hint as to how DNA divides and makes copies of itself. In their 1953 paper, Watson and Crick penned an incredible understatement: “It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material.” With specific base pairs, the sequence of one DNA strand can be predicted from its complement. The double-helix model suggests that the two strands of the double helix separate during replication, and each strand serves as a template from which the new complementary strand is copied. What was not clear was how the replication took place. There were three models suggested ((Figure)): conservative, semi-conservative, and dispersive.


In conservative replication, the parental DNA remains together, and the newly formed daughter strands are together. The semi-conservative method suggests that each of the two parental DNA strands acts as a template for new DNA to be synthesized after replication, each double-stranded DNA includes one parental or “old” strand and one “new” strand. In the dispersive model, both copies of DNA have double-stranded segments of parental DNA and newly synthesized DNA interspersed.

Meselson and Stahl were interested in understanding how DNA replicates. They grew بكتريا قولونية for several generations in a medium containing a “heavy” isotope of nitrogen ( 15 N), which gets incorporated into nitrogenous bases, and eventually into the DNA ((Figure)).


ال بكتريا قولونية culture was then placed into medium containing 14 N and allowed to grow for several generations. After each of the first few generations, the cells were harvested and the DNA was isolated, then centrifuged at high speeds in an ultracentrifuge. During the centrifugation, the DNA was loaded into a الانحدار (typically a solution of salt such as cesium chloride or sucrose) and spun at high speeds of 50,000 to 60,000 rpm. Under these circumstances, the DNA will form a band according to its buoyant density: the density within the gradient at which it floats. DNA grown in 15 N will form a band at a higher density position (i.e., farther down the centrifuge tube) than that grown in 14 N. Meselson and Stahl noted that after one generation of growth in 14 N after they had been shifted from 15 N, the single band observed was intermediate in position in between DNA of cells grown exclusively in 15 N and 14 N. This suggested either a semi-conservative or dispersive mode of replication. The DNA harvested from cells grown for two generations in 14 N formed two bands: one DNA band was at the intermediate position between 15 N and 14 N, and the other corresponded to the band of 14 N DNA. These results could only be explained if DNA replicates in a semi-conservative manner. And for this reason, therefore, the other two models were ruled out.

During DNA replication, each of the two strands that make up the double helix serves as a template from which new strands are copied. The new strands will be complementary to the parental or “old” strands. When two daughter DNA copies are formed, they have the same sequence and are divided equally into the two daughter cells.

Click through DNA Replication (Flash animation).

ملخص القسم

During cell division, each daughter cell receives a copy of each molecule of DNA by a process known as DNA replication. The single chromosome of a prokaryote or each chromosome of a eukaryote consists of a single continuous double helix. The model for DNA replication suggests that the two strands of the double helix separate during replication, and each strand serves as a template from which the new complementary strand is copied. In the conservative model of replication, the parental DNA is conserved, and the daughter DNA is newly synthesized. The semi-conservative model suggests that each of the two parental DNA strands acts as template for new DNA to be synthesized after replication, each double-stranded DNA retains the parental or “old” strand and one “new” strand. The dispersive model suggested that the two copies of the DNA would have segments of parental DNA and newly synthesized DNA. The Meselson and Stahl experiment supported the semi-conservative model of replication, in which an entire replicated chromosome consists of one parental strand and one newly synthesized strand of DNA.

إستجابة مجانية

How did the scientific community learn that DNA replication takes place in a semi-conservative fashion?

Meselson’s experiments with بكتريا قولونية grown in 15 N deduced this finding.

Imagine the Meselson and Stahl experiments had supported conservative replication instead of semi-conservative replication. What results would you predict to observe after two rounds of replication? Be specific regarding percent distributions of DNA incorporating 15 N and 14 N in the gradient.

Following two rounds of conservative replication, two bands would be detected after ultracentrifugation. A lower (heavier) band would be at the 15 N density, and would comprise 25% of the total DNA. A second, higher (lighter) band would be at the 14 N density, and would contain 75% of the total DNA.


تكرار الحمض النووي

Since DNA forms the genetic code and that it is known that genes may be inherited, it follows that DNA must be copied exactly before being incorporated into gametes at meiosis.

It also follows that all new cells in an organism must gain a copy of the genes at mitosis, because they are able to continue the characteristic biochemical behaviour of that organism.

What is the mechanism for this exact copying or تكرار of the DNA?

Three theories existed:

  1. The parent DNA molecule breaks into segments and new nucleotides fill in the gaps precisely (fragmentation theory).
  2. The complete parent DNA molecule acts as a template for the new daughter molecule, which is assembled from new nucleotides. The parent molecule is unchanged (تحفظا hypothesis).
  3. The parent DNA molecule separates into its two component strands, each of which acts as a template for the formation of a new complementary strand. The two daughter molecules therefore contain half the parent DNA and half new DNA (شبه محافظ hypothesis).

The semi conservative hypothesis

The semi conservative hypothesis was shown to be the true mechanism by the work of Meselsohn and Stahl (1958).

In their experiment they grew the bacterium بكتريا قولونية in the presence of radioactive 15 N until a culture was obtained in which all the DNA was labelled with 15 شمال.

A subculture of this labelled bacterium was than transferred for growth in the presence of normal 14 N. The generation time of بكتريا قولونية is known, so it was possible to take samples of this growing subculture after exactly one, two, three generations and so on.

Each sample had its DNA extracted and the isolated DNA was then centrifuged in a caesium chloride solution (high viscosity) at 40,000G for 20 hours, causing the DNA to sediment out.

The heavier the DNA, the further it moved down the centrifuge tubes. 15 شمال DNA is heavier than 14 N الحمض النووي. Mixed 14 N و 15 شمال DNA is intermediate in mass between the two.

الأصلي 15 شمال DNA moved to the lowest position in the tube.

After one generation all the DNA moved to an intermediate position, indicating the presence of only mixed 14 N and 15 N DNA. This was because the DNA in this generation contained one strand of the parent molecule and one new 14 N strand.

Had the conservative hypothesis been true, two DNA masses would have been visible, one heavy and the other light.

In the second generation half the DNA was intermediate and half was light, for the same reason.

Process of DNA replication

The actual process is simple. To begin with one strand in the DNA duplex is nicked by the enzyme DNA topoisomerase, allowing part of the molecule to unravel to form a شوكة النسخ المتماثل (the DNA is replicated a bit at a time and the whole molecule is never completely uncoiled).

Next, the enzyme هيليكاز الحمض النووي splits the two strands by breaking the hydrogen bonds. This exposes the bases.

بوليميريز الحمض النووي enzyme then moves along the exposed bases sequences, creating a new complementary strand as it goes. DNA polymerase reads the exposed code from the 3' to the 5' end and therefore assembles the new strand from the 5' to the 3'.

Several molecules of DNA polymerase act simultaneously, each assembling a separate section of the new strand of DNA. Each DNA polymerase is preceded by an بوليميراز الحمض النووي الريبي enzyme, which constructs an RNA primer to guide the action of the DNA polymerase.

These new DNA segments are then joined together by the enzyme ligase DNA. The two new daughter molecules then coil up again to reform the double helix structure. This process occurs during the المرحلة S. التابع دورة الخلية.


شاهد الفيديو: ما هو الحمض النووي DNA وكيف يعمل شرح بسيط وعلمي (كانون الثاني 2022).