Репликация ДНК

ферментов и структурных белков
Репликация ДНК лежит в основе:

воспроизведения генетической

информации при размножении живых организмов

передачи наследственных свойств из поколения в поколение

развития многоклеточного организма из зиготы.

Общие принципы репликации ДНК применимы, с небольшими модификациями, ко всем организмам

рост обеих нитей от двух точек начала репликации (ori)
однонапрвленный рост

двух цепей от одной ori с формированием одной репликативной вилки
Двунаправленный рост двух цепей от одной ori с формированием двух репликативных вилок

специфической точки начала репликации (вариант С)
правило распространяется на прокариот,

эукариот, вирусы млекопитающих (например, SV 40)
имеются исключения из правил

Единица репликации - репликон

Репликон – молекула ДНК или ее участок, способные к автономной репликации

Репликон содержит регуляторные последовательности, которые обеспечивают регулируемое удвоение его ДНК; к ним относятся точки инициации (ori) и терминации репликации
Последовательность событий в репликоне:
Инициация репликации элонгация терминация репликации
Репликон контролируется на стадии инициации репликации
( у эукариот – переход от фазы G1 к S-фазе)

скорость репликации у эукариот
Средняя хромосома (единица сегрегации) – 150х105п.н., V

= 50 п.н./сек. При одном репликоне на репликацию хромосомы потребовался бы месяц, а происходит она за 1 час

Репликация ДНК в ядре культивируемых клеток китайского хомячка в S-фазе
Примерно 1 репликон со своим ориджаном на петлю хроматина

(в большинстве случаев)
Согласованность репликации и клеточного давления
Репликацию ДНК осуществляют

ферменты ДНК-полимеразы

положением соответствующего нуклеотида матрицы

однонитевой матрице.
Могут только удлинять предсуществующую нить ДНК или РНК,

но не способны инициировать синтез – потребность в затравке (праймере).
Однонаправленность (униполярность) синтеза: синтез каждой дочерней цепи ДНК происходит всегда в направлении 5ۥ->3ۥ: нуклеотид добавляется к 6-ОН концу растущей цепи.
Однонитевая матрица считывается в направлении 3ۥ->5ۥ.

Репликация конца запаздывающей цепи не может пройти полностью: после удаления

РНК-затравки ни одна ДНК-полимераза не сможет восстановить ее 5ۥ-конец. В хромосоме остаются выступающие 3ۥ-концы.
В каждом цикле деления теломеры клетки утрачивается. Этот феномен носит название концевой недорепликации и является одним из важнейших факторов биологического старения.
Теломеры имеют особое строение: они содержат простые некодирующие G-богатые повторяющиеся последовательности из 6-8 п.о. с выступающими 3ۥ-концом, способные сворачиваться с образованием петли (Т-loop).

концов линейных ДНК
- Защита концов от деградации нуклеазами

- Создание структурной основы для восстановления недореплицированных концов
Восстановление концов линейных ДНК происходит благодаря функционированию специального фермента – теломеразы. Теломераза репрессирована в соматических клетках и активна в клетках зародышевой линии, в стволовых т в раковых клетках.
Теломераза – РНК-зависимая ДНК-полимераза (обратная транскриптаза), помимо белковых субъединиц содержит специальную РНК, выполняющую роль матрицы для наращивания ДНУ комлементарными повторами.
Длина теломеразной ДНК колеблется от 150 нуклеотидов у простейших до 1400 нуклеотидов у дрожжей; у человека 450 нуклертидов.

1991 г. – экспериментально показано укорочение теломер
1997 г. – генно-инженерным путем получена активная теломераза, удлиняющая теломеры – «фермент бессмертия».
2009 г. – Нобелевская премия «за открытие того, как теломеры и фермент теломеразы защищают хромосомы» Элизабет Блэкберн, Кэрол Грейдер и Джек Шостак (США).

А. Оловникова (2-ой мед): Постепенное укорочение ДНК хромосом с каждым

раундом репликации может лежать в основе ограниченного потенциала удвоения нормальных соматических клеток («лимита Хайфлика»). Длина теломерной ДНК – счетчик времени, определяющий старение клетки.
Укорочение ДНК в ходе каждого раунда репликации (концевая недорепликация) в пределах «лимита Хайфлика» сокращает длину простых повторяющихся последовательностей теломеры, но не приводит к утрате смысловых последовательностей – генов и регуляторов их экспрессии. Сокращение длины теломер в ходе пролиферации соматических клеток до критического значения приводит к аресту деления.
Должен существовать фермент для наращивания теломер.
1971 г. – публикация Оловникова в ДАН и дж.Уотсона в Nature (что ДНК бактериофага должна укорачиваться при каждом делении клетки за счет некопируемых концевых участков).

матрице теломеразной РНК
На новом теломерном повторе синтезируется РНК-затравка для

запаздывающей нити

дефектами системы репарации:
Пигментация ксеродерма (пятна, короста, рак кожи)

– нарушение репарации УФ – повреждений.
Синдром Блума (глубокие поражения капилляров на лице – мутация ДНК-лигазы.
Злокачественные перерождения – нарушение репарации неспаренных нуклеотидов.

Пигментная ксеродерма

Синдром Блума

(excizion – отсекание, вырезание):
- Вырезание основания (baze excizion

repair) BER
- Вырезание нуклеотидов (nucleotide excizion repair) NER ( в случае повреждений, заметно нарушающих вторичную структуру).
при увеличении количества повреждений в ДНК блокируется делений клеток и происходит индукция дополнительных репаративных ресурсов клетки.

Индуцируемая репарация с исправлением ошибок:
- Например, индукция SOS-системы при УФ-облучении
Индуцируемая репарация с мутагенным эффектом.
- Именно она определяет мутагенный эффект УФ-облучения и химического мутагенеза: мутагенез – активный процесс.

Общие принципы репарации:
чем серьезнее повреждение, тем большее количество ресурсов клетки привлекается на исправление ошибки;
принцип «меньшего из зол»: репарация ценой жертв, например с мутагенным эффектом

время репликации хромосом;
Двухцепочечные разрывы могут вызваться гамма-облучением;
Действие некоторых

противоопухолевых препаратов, таких как блеомицин, основано на внесении двухцепочечных разрывов, чтобы убивать быстро растущие клетки.

Способы клеточного ответа на повреждение ДНК

эукариот участвует > 300 макромолекул:
>40 видов тРНК и рРНК;

>70 различных рибосомных белков;
>20 ферментов, активирующих аминокислоты;
>12 белковых факторов инициации, элонгации и терминации;
>100 ферментов процессинга белков;

У прокариот приблизительно столько же компонентов (до 35% сухого веса клетки E.coli).

Наиболее энергоемкий процесс
Потребляет 90% энергии всех биосинтетических реакций
Протекает с высокой скоростью
При 37°С из ста амнокислотных остатков синтезируется в E.coli за 5 сек.

структуре белков (полипептидов) посредством последовательности нуклеотидов в нуклеиновых кислотах
(ДНК

или РНК)
Генетический код диктует состав и последовательность аминокислот в белке.
состоит из 64 триплетных кодонов, включающих A, G, C и U:43 = 64 Дуплетов для 20 АК недостаточно: 42 = 16
все кодоны используются в белковом синтезе: 61 кодон кодирует 20 аминокислот; 3 кодона являются терминирующими(стоп-, или нонсенс-кодоны): UAA, UAG, UGA
считывание начинается с определенной точки, но нет специальных инициаторных кодонов
между последовательностью нуклеотидов и кодируемой последовательностью аминокислот существует линейное соответствие (колинеальность)
считывание идет в одном направлении в пределах одного гена
вырожденный: для одной АК существует несколько кодонов-синонимов Вырожденность генетического кода уменьшает вероятность того, что мутационная замена основания в триплете приведет к ошибке
неперекрывающийся (3 потенциальных рамки считывания)
без запятых (без незначащих остатков)
специфичный

пространстве