Какое значение в жизни клетки имеет свойство самокопирования днк
С появлением первых «ГМО-детей» в Китае и вообще потоком новостей о редактировании ДНК стало ясно, что разбираться в генетике жизненно важно каждому из нас. «Лаба» начинает серию простых гайдов, чтобы разобраться в этой науке. А то как-то совсем тревожно.
Что такоек ДНК?
ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – это макромолекула, главное хранилище наследственной информации и генетической программы развития и функционирования живого организма.
ДНК имеет двухцепочечную структуру, где каждая цепочка представляет собой последовательность нуклеотидов: аденина, тимина, цитозина и гуанина. Нуклеотиды работают как небольшие «магнитики», которые сцепляют эти две цепочки водородными связями. Аденин соединяется только с тимином, а цитозин – с гуанином.
Длина ДНК обычно измеряется в числе пар нуклеотидов. У человека их около 3 миллиардов. ДНК человека сохраняется в ядре любой человеческой клетки в виде набора из 23 (в норме) хромосом.
И для чего нужна ДНК?
Соединенные вместе цепочки (знаменитая «двойная спираль» ДНК) представляют собой нечто похожее на винтовую лестницу. Каждая ступенька – это та самая пара нуклеотидов, например, аденин – тимин.
Крепления между ступеньками довольно прочные, а вот сами ступеньки – шаткие и легко переламываются, то есть разъединяются. И тогда на одной цепочке остается аденин, а на другой – тимин.
Это нужно для того, чтобы специальные белки могли «расплетать» ДНК и собирать на основе каждой цепочки комплементарную последовательности ДНК другую цепочку – РНК.
Так, не торопитесь. Что такое РНК?
РНК (рибонуклеиновая кислота) – это одноцепочечная последовательность, которая может выполнять совершенно разные задачи. РНК – своего рода зеркальное отражение ДНК. Если в ДНК на одном месте стоит аденин, то в РНК на том же месте будет тимин, и наоборот. Помните: нуклеотиды похожи на магнитики и соединяются только по парам.
Тем же самым зеркальным образом в РНК сохраняется та информация, что есть в ДНК.
А РНК чем занимается?
ДНК находится в ядре клетки, в специальных упаковках-хромосомах. А вот основная работа по синтезу белков происходит в цитоплазме клетки, где белки собирает специальная «машинка» –рибосома. Она связана с РНК.
Говоря по-простому, дело обстоит так. Белок расплетает ДНК, копирует информацию на РНК (зеркальным образом), а РНК доставляет информацию рибосоме.
В процессе этой доставки («процессинга») РНК проходит через целую последовательность преобразований, в частности, из нее вырезается информация, которая рибосоме не нужна.
Рибосома двигается по РНК и строит комплементарную цепочку. При этом она еще раз зеркально отражает информацию, возвращая ей изначальную ДНК-последовательность. И уже по комплементарной цепочке, расшифровывая генетический код, рибосома строит из подходящих аминокислот новые белки.
Зачем нужны белки?
Для того, чтобы клетка жила.
Некоторые белки поддерживают метаболизм клетки. Другие – вновь расплетают ДНК, строят РНК и доставляют информацию рибосоме. Третьи – организуют и реализуют деление клетки. Всю необходимую работу внутри клетки делают именно белки.
Если опять применить компьютерную метафору (надеюсь, ученые нас не побьют за огрубление), то ядро клетки с ДНК внутри, – это такой харддиск, где хранятся и данные, и программы.
Белки – это как раз программы, которые автоматически загружаются с харддиска и обрабатывают полученные данные.
Хорошо, а гены и ДНК – это не одно и то же?
Гены – часть цепочки ДНК. Это специальным образом оформленные – с концом и началом – отрезки цепочки, в которых закодированы белки и РНК. Внутри каждого гена находится особая последовательность нуклеотидов (например, ген CCR5 состоит 339 нуклеотидов).
Все гены, кодирующие белки, составляют около 2% ДНК. Еще 1% генов отвечают за кодирование РНК. А около 80% генов внутри ДНК выполняют вспомогательные функции, в частности, упаковки ДНК в ядре. Функции почти 20% ДНК в настоящее время неясны.
Внутри гена есть генетический код, правильно?
Да. Чтобы нормально синтезировать нужный белок и запустить его работу, информацию из ДНК надо доставить рибосоме, которая непосредственно занимается сборкой. Рибосома собирает белки из 20 аминокислот, а в ДНК только четыре нуклеотида.
Четырьмя нуклеотидами невозможно закодировать все 20 аминокислот – не хватает вариантов. Как же быть?
Спасает в этой ситуации как раз тот самый генетический код. Точнее, процесс кодирования с помощью нуклеотидов, выстроенных в определенную последовательность. Аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов в гене. Это позволяет «запрограммировать» не только 20, а 64 аминокислоты (в природе столько не нужно, так ученые уже пытаются понять, что еще могут делать аминокислоты)!
Так как можно «запрограммировать» аминокислоту?
Рибосома сдвигает по РНК считывающую рамку. Когда она считывает старт-кодон (это фиксированный набор из трех аминокислот, который дает команду: «Начало»), начинается считывание информации, необходимой для синтеза белка.
Рамка сдвигается – всегда на три нуклеотида – и рибосома поэтапно создает нужную аминокислоту. Когда рамка считывает стоп-кодон, синтез завершается.
Если при всей этой довольно сложной (и потому не самой надежной) процедуре будет потерян хотя бы один нуклеотид, рамка сдвинется неправильно и все последующие аминокислоты будут считаны неверно. Белок в таких условиях либо не удастся построить, либо он так изменится, что перестанет выполнять свои функции.
Описанная выше работа генетического кода – одно из древнейших изобретений эволюции, он работает практически одинаково как у человека, так и у бактерии.
Чем ген отличается от генома?
Геном – это весь наследственный материал организма, который содержит 3,1 млрд пар нуклеотидов.
Как редактируют ДНК?
Об этом мы совсем скоро напишем отдельный гайд. Все-таки процесс не самый простой, а вы, наверное, уже устали читать. Попробуем объяснить основную идею редактирования ДНК.
Раз уж мы знаем, где на «харддиске» человеческой клетки хранится кодирующая белки и РНК информация, давайте мы ее немного поправим! Это позволит улучшить всю работу клеток и всего организма. Но на этом пути очень много опасностей. О каких-то мы уже знаем, другие невозможно вычислить. По крайней мере, пока.
Источник
На чтение 10 мин.
В земной жизни способом образования новых клеток является ми-тотическое деление уже существующих. Этот процесс организован в форме митотического (пролиферативного) цикла, решающего важнейшую биоинформационно-генетическую задачу – обеспечение клеток дочерних поколений генетической информацией, полноценной в количественном и качественном (смысловом) отношении. Структура цикла и принципы его регуляции рассмотрены в главе 3. Здесь же речь идет о процессе самокопирования (самовоспроизведения) или реплика-ции1 ДНК в синтетическом (S) периоде интерфазы митотического цикла или же в гаметогенезе – перед первым делением мейоза.
Генетический материал эукариот имеет хромосомную организацию. В каждой хромосоме находится комплекс из двух взаимокомплементарных молекул (цепей) ДНК, закрученных в спираль. В ходе репликации вдоль каждой такой молекулы (цепи) «строится» комплементарная полинуклеотидная цепь. Репликация ДНК, таким образом, представляет собой симметричный процесс в том смысле, что обе молекулы биспирали выполняют роль матриц. Дезоксирибонуклеотиды выстраиваются в дочернюю молекулу в соответствии с правилом компле-ментарности: адениловый нуклеотид (А) встает в пару с тимидиловым (Т), а гуаниловый (Г) с цитидиловым (Ц) и наоборот. В итоге на основе одной биспирали ДНК возникают две, идентичные по информационному наполнению. Способ удвоения, при котором каждая возникающая вследствие репликации двойная спираль образована одной предсуще-ствующей материнской молекулой ДНК и одной заново образованной дочерней, называют полуконсервативным (рис. 2.25).
ДНК эукариот удваивается не одним блоком от начала и до конца биспирали, а участками или репликонами со средним размером порядка 30 мкм (1600 тыс. нуклеотидов в так называемой лидирующей цепи биспирали ДНК, см. здесь же, ниже). В ДНК хромосом соматической клетки человека насчитывается до 50 тыс. репликонов. В некоторых ре-пликонах удвоение ДНК происходит одновременно, в других – в раз-
1 Термин «репликация» обычно используют для обозначения самокопирования ДНК; термин «редупликация» чаще используют для обозначения удвоения хромосом.
Рис. 2.25. Полуконсервативный способ редупликации ДНК: I – материнская би-спираль ДНК; II – достраивание комплементарных полинуклеотидных цепей; III – две дочерние биспирали ДНК
ное время. Так, репликация ДНК гетерохроматиновых участков, будучи наиболее поздней, осуществляется в конце периода S. ДНК центромер-ных отделов хромосом удваивается даже не в периоде S интерфазы, а в начале анафазы предыдущего митоза непосредственно перед расхождением дочерних хромосом.
Самоудвоение происходит группами по 10-100 репликонов. Репли-конный формат самокопирования ДНК дает выигрыш по времени. Если бы молекула ДНК реплицировалась одним репликоном, то при скорости синтеза у человека порядка 0,5 мкм/мин (в среднем 100 п.н./с у эука-риот и 1500 п.н./с у прокариот) на удвоение хромосомы 1 (длина 8 см) потребовалось бы около 3 мес. Благодаря полирепликонной организации процесс самоудвоения всей ДНК в S периоде интерфазы занимает у млекопитающих, в среднем, 7-12 ч in vivo и 6-8 ч in vitro. Количество точек начала репликации (активируемых репликонов) и ее скорость меняется в зависимости от стадии индивидуального развития организма, типа клеток и стадии гистогенеза, на которой они находятся, условий их существования. Так, в сперматогониях на одну хромосому приходится в
среднем порядка 40 точек начала репликации (продолжительность периода S 15 ч), а на более поздних стадиях сперматогенеза в сперматоци-тах хромосомы имеют по 5-6 этих точек (продолжительность периода S 100 ч).
Для того чтобы пошла репликация, необходим пул субстратов (предшественников) в высоко энергизированном состоянии – дезок-сирибонуклеозидтрифосфаты тимина, аденина, цитозина и гуанина.
В процессе репликации ДНК выделяют фазы инициации (начало, старт), элонгации (удлинение, приращение) и терминации (завершение, окончание).
Хотя сама репликация происходит в периоде S (синтетический) интерфазы митотического цикла, пререпликативный комплекс образуется в периоде G1 (пресинтетический, постмитотический) интерфазы. Это сложный ферментный комплекс, включающий 15-20 белков, в частности, инициирующие («узнающие») белки, такие как ORS, Cdc6 и Mcm. Названный комплекс, благодаря белкам ORS, связывается с ДНК в точках инициации (начала) репликации. Отличительная черта этих точек – богатство парами А-Т. В таких парах 2 (а не 3, как в парах Г-Ц) водородные связи, что облегчает местную (в точке инициации) денатурацию ДНК с расхождением молекул двойной спирали. Образующиеся при этом одноцепочечные участки ДНК связываются дестабилизирующими белками комплекса (RPA – Replication Protein A эукариот или SSB – Single Strand Binding рroteins прокариот), молекулы которых выстраиваются вдоль полинуклеотидных цепей-матриц и «растягивают» их, делая азотистые основания доступными для присоединения нуклеотидов. Благодаря описанным событиям между соседними точками начала репликации образуется структура, получившая название « репликативный глаз» и соответствующая участку ДНК с разошедшимися («открывшимися» для репликации) полинуклеотидными цепями материнской биспирали. В точках начала репликации (точки ori) образуются репликативные вилки, начинающие процесс в двух взаимопротивоположных направлениях. С этого момента следует говорить не о пре-, а о репликативном комплексе (рис. 2.26). Такие комплексы являются мультимакромолекулярными образованиями, участники которых – специальные белки, в том числе ферменты – обеспечивают три функции: связь необходимых белков, включая ферменты, с точками начала репликации, раскручивание молекул ДНК и ее местную (в зоне репликации) денатурацию, непосредственно репликацию.
Рис. 2.26. Репликационный комплекс (репликационная вилка): главные участники процесса самокопирования ДНК (схема)
Разделение закрученных в биспираль полинуклеотидных цепей ДНК осуществляется ферментом геликазой при участии дестабилизирующего белка RPA. Местное разделение полинуклеотидных цепей при сохранении двуцепочечной структуры на остальном протяжении биспирали должно было бы приводить к образованию супервитков перед репликационной вилкой. Для снятия напряжения, с необходимостью возникавшего бы в такой ситуации, и создания условий для поступательного продвижения репликационной вилки вся материнская биспираль должна была бы быстро вращаться вокруг своей оси. Это высоко энергозатратный процесс. Эволюция нашла выход: ферменты ДНК топоизомеразы I и II , разрывая, соответственно, одну или обе цепи биспирали ДНК, создают возможность для локального вращения, что ослабляет напряжение и препятствует образованию супервитков.
Ферментом, катализирующим образование дочерних полинуклео-тидных цепей, является ДНК-полимераза, представляющая собой сложный мультимакромолекулярный комплекс. В репликативном образовании ДНК эукариот на отдельных этапах участвуют разные ферменты с функцией ДНК-полимеразы. На старте процесса функционирует комплекс из ферментов α ДНК-полимеразы и праймазы (ферменту
праймазе принадлежит роль РНК-полимеразы, что необходимо для синтеза РНК-праймера, см. здесь же, ниже). Указанный комплекс, будучи вытесненным с 3′-конца начавшей рост полинуклеотидной цепи, уступает место δ ДНК-полимеразе. В клетках эукариот присутствуют также β, ε ДНК-полимеразы, участвующие в процессах репарации молекулярных повреждений ДНК, и γ ДНК-полимераза, катализирующая репликацию ДНК митохондрий.
ДНК-полимеразы не способны начать синтез полинуклеотида самостоятельно путем соединения двух дезоксирибонуклеозидтрифос-фатов. Они лишь присоединяют при помощи фосфодиэфирной связи трифосфонуклеотид-предшественник к уже имеющейся нуклеотидной цепи на 3′-конце. В связи с этим инициация репликации ДНК требует предварительного образования затравки или праймера – короткого фрагмента РНК, образующегося при участии репликационного белка RPA и ферментного комплекса «α ДНК-полимераза-праймаза» (рис. 2.27). Из схемы следует, что матрицей для репликации может служить только молекула ДНК, несущая спаренный с ней РНК-праймер, который имеет свободный 3′-ОН-конец.
Построение одной из дочерних полипептидных цепей (лидирующая) на материнской матрице опережает построение второй (запаздывающая). Элонгацию обеих полинуклеотидных цепей ДНК катализирует фермент δ ДНК-полимераза. Кроме собственно фермента, в репликативный комплекс входят белки RFC – Replication Factor C и PCNA – Proliferating Cell Nuclear Antigen. Первый блокирует наращивание РНК-праймера на 3′-конце сверх требуемой длины. Второй играет роль «прищепки» или зажима, крепящего δ ДНК-полимеразу к реплици-руемой полинуклеотидной цепи. Участки ДНК лидирующей цепи синтезируются в пределах репликонов как непрерывные достаточно длинные фрагменты, тогда как ДНК запаздывающей цепи образуется короткими (у эукариот 1000-2000 нуклеотидов) участками – фрагменты Ока-заки. Смысл образования запаздывающей цепи фрагментами Оказаки заключается в том, что в пределах такого фрагмента наращивание молекулы происходит, как обычно, в направлении от 5′ к 3′-концу (по типу шитья «назад иголкой»), так как по-иному ДНК-полимераза не работает.
Завершение репликации (терминация) состоит в удалении РНК-праймеров, заполнении нуклеотидами образующихся при этом «брешей», «сшивании» фрагментов ДНК для восстановления целостности молекулы. В этой фазе процесса участвует группа ферментов: РНК-аза Н или просто нуклеаза Н (удаляет праймер, разрушая РНК в гибридных
Рис. 2.27. Образование РНК-затравки, катализируемое РНК-праймазой, в дебюте репликации ДНК (схема)
РНК/ДНК-комплексах; предположительно, у эукариот эту функцию выполняет δ ДНК-полимераза), β ДНК-полимераза (заполняет «бреши»), ДНК-лигаза («пришивает» фрагмент ДНК, заменивший РНК-праймер, к дочерней цепи). У эукариот репликационный синтез ДНК прекращается при встрече репликационных вилок соседних репликонов.
Полирепликонный формат построения лидирующей цепи и образование запаздывающей цепи фрагментами Оказаки приводит к тому, что по завершении процесса дочерние полинуклеотиды ДНК представлены отдельными участками. Целостность (непрерывность) молекул
восстанавливается благодаря активности фермента ДНК-лигазы, катализирующего, как и ДНК-полимераза, образование межнуклеотидной фосфодиэфирной связи. Особенность действия названного фермента в том, что он «сшивает конец в конец» только такие одноцепочечные участки, которые находятся в составе двухцепочечной ДНК.
Самокопирование вирусных и бактериальных ДНК имеет особенности. У прокариот ДНК реплицируется не прерываясь (как один репликон) с одной точки начала репликации и с образованием двух ре-пликационных вилок. Так как реплицирующаяся хромосома (ДНК) исходно кольцевой формы по конфигурации напоминает греческую букву θ (тета), то весь процесс получил название θ-репликации. У ряда вирусов – бактериофаг λ – наблюдается репликация по типу «катящегося кольца» или σ-репликация. Ключевой фермент репликации ДНК прокариот – ДНК-полимераза III. Функционируя в комплексе примерно с 20 белками, названный фермент строит единым блоком лидирующую и запаздывающую (фрагменты Оказаки) полинуклеотидные цепи. Завершение процесса в запаздывающей цепи требует подключения ДНК-полимеразы I, которая заполняет дезоксирибонуклеотидами участки, образующиеся на месте удаляемых праймеров. ДНК-полимераза I в рассматриваемом процессе выполняет три функции. Наряду с катализом образования ДНК на месте РНК-праймеров (ДНК-полимеразная активность), она обеспечивает удаление этих праймеров в запаздывающей цепи («передняя» или «от 5′ к 3’» экзонуклеазная активность), а также редактирование ДНК-текста путем удаления ошибочно встроившихся неспаренных нуклеотидов на растущем конце цепи («задняя» или «от 3′ к 5’» экзонуклеазная активность). ДНК-полимераза I прокариот является, по-видимому, функциональным аналогом одновременно нуклеазы Н, β ДНК-полимеразы и δ ДНК-полимеразы эукариот. ДНК-полимераза III (функциональный аналог α и δ ДНК-полимераз эукариот) лишена «передней» экзонуклеазной активности. ДНК-полимераза II участвует в процессе молекулярной репарации повреждений бактериальной ДНК.
Завершение (терминация) репликации у прокариот характеризуется своими особенностями. В ДНК прокариот присутствует участок из нескольких коротких (23 п.н.) последовательностей – сайты ter. Репликация завершается по достижении репликационной вилкой указанного участка в том случае, если с вышеназванными сайтами связывается продукт гена tus.
Известны примеры, когда механизм репликации, не будучи связанным с клеточным размножением, решает другие задачи. Это происходит,
в частности, при амплификации (увеличение числа ДНК-копий путем многократного самокопирования) генов рРНК в профазе первого деления мейоза при образовании яйцеклеток у амфибий (см. п. 2.4.3.4-а). В описанном случае используется вариант σ-репликации.
Самокопирование митохондриальной ДНК осуществляется с участием фермента γ ДНК-полимеразы. Репликация ДНК – сложный процесс. У человека, например, за процесс репликации и контроль клеточного (митотического) цикла ответственно более 400 генов. Некоторые из них активны на стадии инициации, другие – на стадии элонгации. Далеко не все детали организации и функционирования «репликационной машины» в достаточной мере ясны.
Источник