Молекулярные механизмы репликации

доцент

бактериальный геном
Механизмы репликации ДНК
Современная модель репликации
Ферменты репликации

неактивной ДНК, а на расположенных на периферии деспирализованных петлях происходят

интенсивные процессы образования различных типов РНК.
Хромосомы бывают не только кольцевыми, метод пульс-электрофореза позволил идентифицировать линейную бактериальную хромосому у спирохеты из рода боррелий Borrelia burgdorferi и у актиномицетов.
Бактерии могут иметь больше одной хромосомы на клетку. У Agrobacterium tumefaciens 2 плазмиды (200 тпн и 450 тпн) и 2 очень больших молекулы ДНК (2,1×106 и 3×106 пн). Меньшая из них линейная, большая – кольцевая.

раз - от 6*105 у некоторых облигатных паразитов до более

чем 107н.п. у цианобактерий.
Размеры ДНК
от 580 тыс н.п. у Micoplasma genitalium
до 9500 тыс. н.п. у Myxococcus xantus
E.coli - 4600 тыс. н.п.

-1000 п.н. то есть гены упакованы очень плотно

организмов.
Размеры генома:
Кузнечик – 17 pg
Лошадь – 3,2 pg
(1 pg

ДНК = 1000 млн.п.н.)
"Судить о степени эволюционной продвинутости по размерам генома столь же правомочно, как оценивать общественное положение человека по его весу"

С (от constant или characteristic), обозначая тот факт, что размер

гаплоидного генома довольно постоянен внутри любого вида.
Но между видами величина С широко варьирует как у прокариот, так и у эукариот.
В 1978 г. Т. Кавалье-Смит заметил, что у эукариот транскрибируется лишь незначительная часть последовательностей нуклеотидов генома (3% генома человека).

Избыточность генома

около 1/3 из 4289 генов.

достаточный для создания свободноживущего, способного к самостоятельному росту и размножению

микроорганизма, обладающего минимальным набором генетического материала. 
Такую генетическую единицу вполне можно было бы назвать «элементом жизни» - «минимальной» клеткой.
«Минимальной» клетки пока не существует, а организм с синтетическим геномом уже есть -Mycoplasma laboratorium - бактерия, ДНК которой является полностью синтезированой.
Синтетическая хромосома M.genitalium JCVI-1.0 имеет молекулярную массу 360,110 килодальтон (kDa) и содержит 517 генов, из которых 482 кодируют белки.

модуль ДНК. Для того, чтобы синтетический геном можно было отличить

от естественного, в него встроили короткие последовательности ДНК, кодирующие информацию, не встречающуюся в природе.
После этого ли разработали 5-ступенчатый процесс последовательной сборки модулей в более крупные фрагменты. На первом этапе объединение четверок модулей позволило получить 25 фрагментов ДНК, их клонировали в бактериях Escherichia coli.
E.coli не могут синтезировать фрагменты ДНК необходимого им размера и, в поисках замены, обнаружили, что дрожжи способны не только клонировать крупные фрагменты ДНК, но и объединять их между собой с помощью механизма гомологичной рекомбинации. В результате четвертинки генома были успешно объединены в одно целое, содержащее более 580 000 пар нуклеотидных оснований.
Полученную хромосому снова секвенировали для подтверждения точности химической структуры.

Минимальный геном

общих для Haemophilus influenzae и  Mycoplasma genitalium, являются хорошим приближением к минимальному

набору генов бактериальной клетки.
В 2004г. группа исследователей (Испания) предложила набор из 206 кодирующих белки генов, полученный в результате анализа нескольких бактериальных геномов.
К 2005г. расширили список жизненно необходимых генов до 382.
В дальнейшем были обнаружены бактериальные геномы меньшего размера.
В 2003 году был секвенирован геном Nanoarchaeum equitans размером 490 885 пар. Установлено также, что несеквенированный геном вида Buchnera имеет длину около 450 тыс. пар.
В 2006г. секвенировали геном внутриклеточного эндосимбионта листоблошек бактерии Carsonella, состоящий из 159 662 нуклеотидных пар и содержащий всего 182 гена, кодирующих белки.

обязательное разделение двух цепей ДНК и узнавание каждого нуклеотида в

ДНК свободным комплементарным нуклеотидом.

из одной цепи исходной молекулы и одной вновь синтезированной цепи),
дисперсионная.

фермент, катализирующий процесс полимеризации ДНК из нуклеотидов. Этот фермент способен

наращивать ДНК только на 3΄– конце.

1958 г. Подтверждена гипотеза полуконсервативной репликации (эксперимент Мезельсона-Сталя)

у нее вначале образуется "глазок", затем он расширяется, в конце

концов вся кольцевая молекула ДНК оказывается реплицированной.
Репликация всегда начинается в определенной области, OriС, и идет в основном симметрично по правому и левому полукружию хромосомы к конечной точке, ТегС.
Такой механизм носит название Ө-механизм.

цитоплазматической мембраны. Наиболее типичным является формирование подобного контакта в зоне

мезосомы, положение которого соответствует точке старта репликации ДНК.
Завершение репликации служит началом для клеточного деления.
Дуплицированные геномы сегрегируют по одному в каждую дочернюю клетку.

3’-ОН-концу полинуклеотидной цепи. Эту предобразованную цепь называют затравкой или праймером.
Фермент

синтезирующий из рибонуклеозидтрифосфатов праймеры называется ДНК-праймазой.
Молекула праймазы непосредственно сцепленная с ДНК-геликазой – расплетающим двойную спираль ферментом, образуют вместе с ней на отстающей цепи структуру, называемую праймосомой.

ДНК-праймаза

чтобы поступающие дезоксирибонуклеозидтрифосфаты могли спариваться с родительской матричной цепью. Однако,

в обычных условиях двойная спираль весьма стабильна.
Ферменты ДНК-геликазы присоединяются к одноцепочечной ДНК и двигаясь вдоль расплетают двойные участки. В области репликационной вилки работают две ДНК-геликазы, одна из которых перемещается по ведущей, а другая по отстающей цепи, т.е. движутся в противоположных направлениях.
Белки, связывающиеся с одноцепочечной ДНК (SSB-белки) оставляют основания доступными для спаривания.

Расплетание ДНК перед репликационной вилкой

цепи ряд несшитых фрагментов Оказаки, всё ещё содержащих РНК-затравки, которые

должны быть сшиты при помощи репарирующих ферментов, работающих позади репликационной вилки.
Чтобы репликационная вилка могла продвигаться вперёд, вся хромосома впереди неё должна быстро вращаться. Это решается образованием в спирали своего рода «шарнира», особого класса белков, называемых ДНК-топоизомеразами (типа I и II), которые разрывают цепь и присоединяются к разорванному концу.

«Репликационная машина»

процессах: вырезает повреждённые участки одной цепи и застраивает брешь комплиментарными

нуклеотидами; удаляет затравочную РНК.
ДНК – полимераза II: обуславливает начало синтеза каждого нового фрагмента (инициация), окончание синтеза фрагмента (терминация).
ДНК – полимераза III: наращивание синтезируемой цепи в длину – элонгация.

ДНК – праймаза: синтез затравочной РНК.
ДНК – геликаза: раскручивание спирали ДНК.
ДНК – лигаза: сшивает разрывы в цепи ДНК при синтезе фрагментов Оказаки и репарации.
Топоизомеразы: проводят временный разрыв в одной цепи или разрыв двойной спирали.
ДНК – гираза: поддерживает сверх спирализацию и ослабляет напряжение скручивания перед репликационной вилкой.
Белок SSB: предохраняет одноцепочечную ДНК в процессе репликации, репарации и рекомбинации.