Biologia i

genomy eukariotyczne są znacznie bardziej złożone i większe niż genomy prokariotyczne. Ludzki genom ma trzy miliardy par zasad na haploidalny zestaw chromosomów, a 6 miliardów par zasad jest replikowanych podczas fazy s cyklu komórkowego. Istnieje wiele początków replikacji na chromosomie eukariotycznym; ludzie mogą mieć do 100 000 początków replikacji. Szybkość replikacji wynosi około 100 nukleotydów na sekundę, znacznie wolniej niż replikacja prokariotyczna. U drożdży, które są eukariotami, na chromosomach znajdują się specjalne sekwencje znane jako sekwencje autonomicznie replikujące (ARS). Są one równoważne z pochodzeniem replikacji w E. coli.

liczba polimeraz DNA u eukariotów jest znacznie większa niż u prokariotów: znanych jest 14, z czego pięć odgrywa główną rolę podczas replikacji i zostało dobrze zbadanych. Są one znane jako POL α, POL β, POL γ, POL δ i POL ε.

podstawowe etapy replikacji są takie same jak u prokariotów. Przed rozpoczęciem replikacji DNA należy udostępnić jako szablon. Eukariotyczne DNA wiąże się z podstawowymi białkami znanymi jako histony tworząc struktury zwane nukleosomami. Chromatyna (kompleks między DNA a białkami) może ulegać pewnym modyfikacjom chemicznym, tak że DNA może być w stanie zsuwać się z białek lub być dostępne dla enzymów maszyn replikacji DNA. Na początku replikacji tworzy się kompleks przed replikacją z innymi białkami inicjującymi. Inne białka są następnie rekrutowane do rozpoczęcia procesu replikacji (tabela).

helikaza wykorzystująca energię z hydrolizy ATP otwiera helisę DNA. Widły replikacyjne powstają przy każdym początku replikacji, gdy dna się rozwija. Otwarcie podwójnej helisy powoduje nadmierne nawijanie się lub nadklejanie DNA przed widełką replikacyjną. Ustępują one wraz z działaniem topoizomeraz. Startery są tworzone przez enzym prymazę, a za pomocą startera DNA pol może rozpocząć syntezę. Podczas gdy nić wiodąca jest w sposób ciągły syntetyzowana przez enzym POL δ, nić opóźniona jest syntetyzowana przez Pol ε. Sliding clamp protein known as PCNA (Prolifering Cell Nuclear Antigen) trzyma DNA pol w miejscu tak, że nie ślizga się z DNA. Rnaza H usuwa Starter RNA, który jest następnie zastępowany nukleotydami DNA. Fragmenty Okazaki w nici opóźnionej są łączone ze sobą po zastąpieniu starterów RNA DNA. Pozostające luki są uszczelniane przez ligazę DNA, która tworzy wiązanie fosfodiestrowe.

w przeciwieństwie do chromosomów prokariotycznych, chromosomy eukariotyczne są liniowe. Jak się nauczyłeś, enzym DNA pol może dodawać nukleotydy tylko w kierunku 5′ do 3′. W nici wiodącej synteza trwa do osiągnięcia końca chromosomu. Na opóźnionej nici DNA jest syntetyzowane w krótkich odcinkach, z których każdy jest inicjowany przez oddzielny Starter. Gdy widelec replikacyjny dociera do końca chromosomu liniowego, nie ma miejsca na przygotowanie startera dla fragmentu DNA, który miałby być skopiowany na końcu chromosomu. Te końce w ten sposób pozostają niesparowane, a z czasem te końce mogą się stopniowo krótsze, ponieważ komórki nadal się dzielą.

końce chromosomów liniowych są znane jako telomery, które mają powtarzające się sekwencje, które nie kodują konkretnego genu. W pewien sposób te telomery chronią geny przed usunięciem, gdy komórki nadal się dzielą. U ludzi Sekwencja sześciu par zasad, ttaggg, jest powtarzana 100 do 1000 razy. Odkrycie enzymu telomerazy (rysunek) pomogło w zrozumieniu, w jaki sposób utrzymują się końce chromosomów. Enzym telomerazy zawiera część katalityczną i wbudowany szablon RNA. Przyłącza się do końca chromosomu, a komplementarne Zasady do szablonu RNA dodaje się na 3 ’ końcu nici DNA. Gdy 3 ’ koniec szablonu nici opóźnionej jest wystarczająco wydłużony, polimeraza DNA może dodać nukleotydy komplementarne do końców chromosomów. W ten sposób końce chromosomów są replikowane.

telomeraza jest zazwyczaj aktywna w komórkach zarodkowych i dorosłych komórkach macierzystych. Nie jest aktywny w dorosłych komórkach somatycznych. Za odkrycie telomerazy i jej działania Elizabeth Blackburn (rysunek) otrzymała Nagrodę Nobla w dziedzinie medycyny i fizjologii w 2009 roku.

telomeraza i starzenie się

komórki, które ulegają podziałowi komórkowemu, nadal mają skrócone telomery, ponieważ większość komórek somatycznych nie wytwarza telomerazy. Zasadniczo oznacza to, że skrócenie telomerów wiąże się ze starzeniem. Wraz z pojawieniem się nowoczesnej medycyny, profilaktycznej opieki zdrowotnej i zdrowszego stylu życia, długość życia człowieka wzrosła, a istnieje rosnące zapotrzebowanie na ludzi, aby wyglądać młodziej i mieć lepszą jakość życia w miarę starzenia się.

w 2010 roku naukowcy odkryli, że telomeraza może odwrócić niektóre warunki związane z wiekiem u myszy. Może to mieć potencjał w medycynie regeneracyjnej.1 w tych badaniach wykorzystano myszy z niedoborem telomerazy; u tych myszy występuje zanik tkanek, wyczerpanie komórek macierzystych, niewydolność układu narządów i upośledzona odpowiedź na uszkodzenia tkanek. Reaktywacja telomerazy u tych myszy spowodowała rozszerzenie telomerów, zmniejszenie uszkodzeń DNA, odwrócenie neurodegeneracji i poprawę funkcji jąder, śledziony i jelit. Z tego względu reaktywacja telomerów może mieć możliwość leczenia chorób związanych z wiekiem u ludzi.

rak charakteryzuje się niekontrolowanym podziałem komórek nieprawidłowych komórek. Komórki gromadzą mutacje, rozmnażają się w sposób niekontrolowany i mogą migrować do różnych części ciała w procesie zwanym przerzutami. Naukowcy zaobserwowali, że komórki nowotworowe znacznie skróciły 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 hamowane przez leki podczas terapii nowotworowej, to komórki nowotworowe mogą potencjalnie zostać powstrzymane przed dalszym podziałem.

Difference between Prokaryotic and Eukaryotic Replication
Property	Prokaryotes	Eukaryotes
Origin of replication	Single	Multiple
Rate of replication	1000 nucleotides/s	50 to 100 nucleotides/s
DNA polymerase types	5	14
Telomerase	Not present	Present
RNA usuwanie podkładu	DNA pol i	RNase H
wydłużenie nici	DNA pol III	Pol δ, POL ε
zacisk przesuwny	zacisk przesuwny	PCNA

podsumowanie sekcji

replikacja w eukariotach rozpoczyna się od wielu początków replikacji. Mechanizm jest dość podobny do prokariotów. Starter jest wymagany do rozpoczęcia syntezy, która jest następnie rozszerzana przez polimerazę DNA, ponieważ dodaje nukleotydy jeden po drugim do rosnącego łańcucha. Nić wiodąca jest syntetyzowana w sposób ciągły, podczas gdy nić opóźniona jest syntetyzowana w krótkich odcinkach zwanych fragmentami Okazaki. Startery RNA są zastępowane nukleotydami DNA; DNA pozostaje jedną ciągłą nicią łącząc fragmenty DNA z ligazą DNA. Końce chromosomów stanowią problem, ponieważ polimeraza nie jest w stanie ich rozszerzyć bez startera. Telomeraza, enzym z wbudowanym szablonem RNA, rozszerza końce, kopiując szablon RNA i rozszerzając jeden koniec chromosomu. Polimeraza DNA może następnie rozszerzyć DNA za pomocą startera. W ten sposób chronione są końce chromosomów.

pytania przeglądowe

wolna odpowiedź