การจำลองแบบดีเอ็นเอ: กลไกในโปรคาริโอตและยูคาริโอต - ชีววิทยา

การจำลองแบบของ DNA (กรดดีออกซีไรโบนิวคลีอิก) คือการคัดลอกจีโนมกล่าวคือข้อมูลทางพันธุกรรมทั้งหมดในดีเอ็นเอของสิ่งมีชีวิตเพื่อสร้างสำเนาที่เหมือนกันสองชุด จีโนมมีข้อมูลที่จำเป็นในการสร้างสิ่งมีชีวิตที่สมบูรณ์

ก่อนการแบ่งเซลล์การจำลองแบบดีเอ็นเอจะเกิดขึ้น ด้วยไมโอซิส gametes ถูกสร้างขึ้นเพื่อการสืบพันธุ์แบบอาศัยเพศ การเปลี่ยนเซลล์ (เช่นผิวหนังและเลือด) และการพัฒนา (เช่นเนื้อเยื่อและอวัยวะ) เกิดขึ้นเมื่อผ่านไมโทซิส

ที่มา: I, Madprime

การรู้โครงสร้างของ DNA ทำให้เราเข้าใจว่าการจำลองแบบเกิดขึ้นได้อย่างไร โครงสร้างของดีเอ็นเอประกอบด้วยเกลียวคู่ซึ่งประกอบด้วยโซ่คู่ขนานสองสายของนิวคลีโอไทด์ต่อเนื่องกันซึ่งฐานไนโตรเจนจะเสริมซึ่งกันและกันในลักษณะเฉพาะ

ในระหว่างการจำลองแบบเส้นคู่ของ DNA แต่ละเส้นจะทำหน้าที่เป็นแม่แบบสำหรับการสังเคราะห์ทางชีวภาพของเส้นใยใหม่ โซ่ที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่ทั้งสองมีฐานที่เสริมกับฐานของห่วงโซ่แม่แบบ: อะดีนีน (A) กับไทมีน (T) และไซโตซีน (C) พร้อมกัวนีน (G)

เอนไซม์และโปรตีนต่างๆมีส่วนเกี่ยวข้องกับการจำลองดีเอ็นเอ ตัวอย่างเช่นการเปิด DNA double helix ทำให้ DNA เปิดอยู่และเพิ่ม deoxyribonucleosides-5′-triphosphate (dNTP) เพื่อสร้างเกลียวใหม่

การจำลองแบบดีเอ็นเอเป็นแบบกึ่งอนุรักษ์นิยม

วัตสันและคริกเสนอโครงสร้างของดีเอ็นเอตามโครงสร้างของดีเอ็นเอว่าการจำลองแบบดีเอ็นเอเกิดขึ้นแบบกึ่งอนุรักษ์ นี่คือการแสดงให้เห็นโดย Meselson และ Stahl โดยการติดฉลากดีเอ็นเอของเชื้อ Escherichia coli ที่มีไอโซโทปหนักของไนโตรเจน¹⁵ N, ต่อไปนี้รูปแบบการกระจายในสื่อวัฒนธรรมที่มีไนโตรเจนแสง¹⁴ N หลายชั่ว

Meselson และ Stahl พบว่าในรุ่นแรกโมเลกุล DNA ของลูกสาวทั้งสองมีโมเลกุลแต่ละโมเลกุลที่ติดฉลากด้วยโซ่ที่มีไอโซโทปหนักของไนโตรเจนและอีกโมเลกุลหนึ่งมีไอโซโทปแสง ซึ่งแตกต่างจากโมเลกุลดีเอ็นเอของแม่ซึ่งมีทั้งสองเส้นที่ติดป้ายด้วยไอโซโทปหนัก¹⁵ N

ในรุ่นที่สอง 50% ของโมเลกุลของ DNA เหมือนกับโมเลกุลรุ่นแรกและอีก 50% มีไนโตรเจนเบาเท่านั้น การแปลความหมายของผลลัพธ์นี้คือเกลียวคู่ของลูกสาวมีโซ่พาเรนต์ (ซึ่งทำหน้าที่เป็นเทมเพลต) และโซ่ใหม่

กลไกการจำลองแบบกึ่งอนุรักษ์นิยมเกี่ยวข้องกับการแยกสายดีเอ็นเอและการจับคู่เบสเสริมผ่านการจับคู่นิวคลีโอไทด์ที่ต่อเนื่องกันทำให้เกิดเกลียวคู่ลูกสาวสองคน

การจำลองแบตเตอรี่

การเริ่มต้นของการจำลองแบบดีเอ็นเอในแบคทีเรีย

ดีเอ็นเอของแบคทีเรียประกอบด้วยโครโมโซมแบบวงกลมและมีแหล่งกำเนิดการจำลองแบบเพียงแห่งเดียว จากไซต์นี้การสังเคราะห์ทางชีวภาพของโซ่ลูกสาวทั้งสองเกิดขึ้นแบบสองทิศทางสร้างส้อมจำลองสองอันที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้ามกับจุดเริ่มต้น ในที่สุดกิ๊บติดผมก็พบกันเสร็จสิ้นการจำลองแบบ

การจำลองแบบเริ่มต้นด้วยการจับกับโปรตีน DnaA กับแหล่งกำเนิด โปรตีนเหล่านี้จะกลายเป็นสารประกอบเชิงซ้อน จากนั้นโปรตีน HU และ IHF รวมตัวกันซึ่งรวมกันทำให้ดีเอ็นเอโค้งงอทำให้เกิดการแยกสายดีเอ็นเอทั้งสองในบริเวณที่อุดมไปด้วยไทมีนและอะดีนีน

ถัดไปโปรตีน DNaC จับตัวซึ่งทำให้ดีเอ็นเอเฮลิเคสจับตัวกัน ช่วยคลายดีเอ็นเอและทำลายพันธะไฮโดรเจนซึ่งเกิดขึ้นระหว่างคู่เบส ดังนั้นโซ่ทั้งสองจึงแยกออกจากกันทำให้เกิดโซ่ธรรมดาสองเส้น

Topoisomerase II หรือ DNA gyrase เคลื่อนที่ไปด้านหน้า DNA helicase ลด supercoils เชิงบวก โปรตีนสายเดี่ยว DNA-binding (SSB) ทำให้สายดีเอ็นเอแยกจากกัน ดังนั้นการสังเคราะห์ทางชีวภาพของโซ่ลูกสาวสามารถเริ่มต้นได้

การสังเคราะห์ทางชีวภาพของสายดีเอ็นเอลูกสาวในแบคทีเรีย

เอนไซม์ไพรเมสมีหน้าที่สังเคราะห์สาย RNA สั้น ๆ เรียกว่าไพรเมอร์ซึ่งมีความยาว 10-15 นิวคลีโอไทด์ DNA polymerase เริ่มเพิ่ม 5′-triphosphate deoxynucleosides (dNTPs) ที่ปลาย 3′-OH ของน้ำตาลไพรเมอร์หลังจากนั้นเส้นใยยังคงเติบโตจากปลายเดียวกัน

เนื่องจากสายดีเอ็นเอมีลักษณะคล้ายกันจึงมีการสังเคราะห์ไพรเมอร์หนึ่งตัวบนแกนนำและไพรเมอร์จำนวนมากบนเส้นลาก ด้วยเหตุนี้การสังเคราะห์ทางชีวภาพของโซ่ล่าช้าจึงไม่ต่อเนื่อง แม้ว่าสายดีเอ็นเอจะเป็นแบบขนานกัน แต่ส้อมการจำลองจะเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวเท่านั้น

DNA polymerase ทำหน้าที่สร้างพันธะโควาเลนต์ระหว่างนิวคลีโอไทด์ที่อยู่ติดกันของโซ่ที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่ในทิศทาง5'®3 ′ ใน E. coli มี DNA polymerases 5 แบบ ได้แก่ DNA polymerases I และ III ทำการจำลองแบบ DNA และ DNA polymerases II, IV และ V มีหน้าที่ในการซ่อมแซมและจำลอง DNA ที่เสียหาย

การจำลองแบบส่วนใหญ่ดำเนินการโดย DNA polymerase III ซึ่งเป็นโฮโลเอ็นไซม์ที่มีหน่วยย่อยที่แตกต่างกัน 10 หน่วยพร้อมด้วยฟังก์ชันต่างๆในการจำลองแบบดีเอ็นเอ ตัวอย่างเช่นหน่วยย่อยอัลฟามีหน้าที่สร้างการเชื่อมโยงระหว่างนิวคลีโอไทด์

เอนไซม์ที่ซับซ้อนมีหน้าที่ในการจำลองดีเอ็นเอในแบคทีเรีย

ดีเอ็นเอเฮลิเคสและไพรเมสรวมตัวกันเพื่อสร้างคอมเพล็กซ์ที่เรียกว่าไพรโมโซม สิ่งนี้เคลื่อนที่ไปตาม DNA โดยทำหน้าที่ประสานกันเพื่อแยกเส้นใยพ่อแม่ทั้งสองออกจากกันสังเคราะห์ไพรเมอร์ทุกช่วงเวลาบนเส้นที่ล่าช้า

พรีโมโซมจะจับกับ DNA polymerase III และสร้างแบบจำลอง DNA polymerases III สองอันมีหน้าที่ในการจำลองดีเอ็นเอของไกด์และโซ่ล่าช้า ในส่วนที่เกี่ยวกับ DNA polymerase III เส้นใยที่ล่าช้าจะสร้างวงรอบด้านนอกซึ่งช่วยให้การเพิ่มนิวคลีโอไทด์ไปยังเส้นใยนี้เกิดขึ้นในทิศทางเดียวกับเส้นใยผู้นำ

การเติมนิวคลีโอไทด์ในห่วงโซ่ผู้นำเป็นไปอย่างต่อเนื่อง ในขณะที่ล่าช้าจะไม่ต่อเนื่อง มีการสร้างชิ้นส่วนนิวคลีโอไทด์ความยาว 150 ชิ้นเรียกว่าชิ้นส่วนโอกาซากิ

กิจกรรม exonuclease 5 ′-> 3′ของ DNA polymerase I มีหน้าที่กำจัดไพรเมอร์และการเติมเติมนิวคลีโอไทด์ เอนไซม์ลิเกสปิดผนึกช่องว่างระหว่างชิ้นส่วน การจำลองแบบจะสิ้นสุดลงเมื่อตะขอการจำลองทั้งสองมาบรรจบกันในลำดับการสิ้นสุด

Tus โปรตีนจับกับลำดับการยุติการหยุดการเคลื่อนที่ของส้อมจำลอง Topoisomerase II ช่วยให้สามารถแยกโครโมโซมทั้งสองออกจากกันได้

Deoxyribonucleotide triphosphates ถูกใช้โดย DNA polymerase

Deoxynucleoside triphosphate (dNTP) ประกอบด้วยหมู่ฟอสเฟตสามกลุ่มที่ติดอยู่กับคาร์บอน 5 ′ของ deoxyribose dNTPs (dATP, dTTP, dGTP และ dCTP) ผูกกับแม่แบบเชนตามกฎ AT / GC

DNA พอลิเมอเรสเร่งปฏิกิริยาต่อไปนี้: หมู่ 3 ′ไฮดรอกซิล (–OH) ของนิวคลีโอไทด์ที่กำลังเจริญเติบโตทำปฏิกิริยากับแอลฟาฟอสเฟตของ dNTP ที่เข้ามาโดยปล่อยอนินทรีย์ไพโรฟอสเฟต (PPi) การไฮโดรไลซิสของ PPi ทำให้เกิดพลังงานสำหรับการสร้างพันธะโควาเลนต์หรือพันธะฟอสโฟดิสเตอร์ระหว่างนิวคลีโอไทด์ของห่วงโซ่ที่กำลังเติบโต

กลไกที่รับประกันความเที่ยงตรงของการจำลองแบบดีเอ็นเอ

ในระหว่างการจำลองแบบของ DNA DNA polymerase III เกิดความผิดพลาดโดย 100 ล้านนิวคลีโอไทด์ แม้ว่าความน่าจะเป็นของข้อผิดพลาดจะต่ำมาก แต่ก็มีกลไกที่ทำให้มั่นใจได้ถึงความเที่ยงตรงในการจำลองแบบดีเอ็นเอ กลไกเหล่านี้คือ:

1) ความเสถียรในการจับคู่ฐาน พลังงานพันธะไฮโดรเจนระหว่าง AT / GC สูงกว่าในคู่เบสที่ไม่ถูกต้อง

2) โครงสร้างบริเวณที่ใช้งานของ DNA polymerase DNA polymerase เร่งปฏิกิริยาทางแยกของนิวคลีโอไทด์โดยมีฐานที่ถูกต้องบนเส้นตรงข้าม การจับคู่เบสที่ไม่ดีทำให้เกิดการบิดเบี้ยวของเกลียวคู่ของดีเอ็นเอซึ่งจะป้องกันไม่ให้นิวคลีโอไทด์ที่ไม่ถูกต้องเข้าครอบครองไซต์ที่ใช้งานของเอนไซม์

3) การทดสอบการอ่าน DNA polymerase ระบุนิวคลีโอไทด์ที่ผิดพลาดและกำจัดออกจากเส้นใยของลูกสาว กิจกรรม exonuclease ของ DNA polymerase ทำลายพันธะ phosphodiester ระหว่างนิวคลีโอไทด์ที่ปลาย 3′ของเส้นใยใหม่

การจำลองแบบดีเอ็นเอในยูคาริโอต

ต่างจากการจำลองแบบในโปรคาริโอตที่การจำลองแบบเริ่มต้นที่ไซต์เดียวการจำลองแบบในยูคาริโอตเริ่มต้นที่ไซต์ต้นทางหลายแห่งและส้อมการจำลองจะเคลื่อนที่แบบสองทิศทาง ต่อจากนั้นจึงหลอมรวมกิ๊บติดผมจำลองทั้งหมดซึ่งสร้างโครมาทิดสองพี่น้องเข้าด้วยกันที่เซนโทรเมียร์

ยูคาริโอตมี DNA polymerase หลายประเภทซึ่งชื่อนี้ใช้อักษรกรีก DNA polymerase αสร้างสารประกอบเชิงซ้อนด้วยไพรเมส คอมเพล็กซ์นี้สังเคราะห์ไพรเมอร์สั้น ๆ ซึ่งประกอบด้วย RNA 10 นิวคลีโอไทด์ตามด้วย DNA 20 ถึง 30 นิวคลีโอไทด์

ถัดไปεหรือδ DNA polymerase เร่งการยืดตัวของเส้นใยลูกสาวจากไพรเมอร์ DNA polymerase εมีส่วนเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์ห่วงโซ่ผู้นำในขณะที่ DNA polymerase δสังเคราะห์สายโซ่หน่วงเหนี่ยว

DNA polymerase δจะยืดส่วนของ Okazaki ทางด้านซ้ายออกไปจนถึง RNA primer ทางด้านขวาทำให้เกิดแผ่นรองพื้นสั้น ๆ ซึ่งแตกต่างจากโปรคาริโอตที่ DNA polymerase จะกำจัดไพรเมอร์ในยูคาริโอตเอนไซม์เอนโดนิวคลีเอสของยูคาริโอตจะกำจัดไพรเมอร์ RNA

จากนั้น DNA ligase จะผนึกชิ้นส่วน DNA ที่อยู่ติดกัน การจำลองแบบเสร็จสมบูรณ์เกิดขึ้นพร้อมกับการแยกตัวของโปรตีนออกจากส้อมการจำลอง

การจำลองแบบของดีเอ็นเอในวัฏจักรเซลล์ยูคาริโอตและ

การจำลองแบบในยูคาริโอตเกิดขึ้นในระยะ S ของวงจรเซลล์ โมเลกุลของดีเอ็นเอที่จำลองแบบจะหลั่งออกมาในเซลล์ลูกสาวสองเซลล์ระหว่างไมโทซิส เฟส G1 และ G2 แยกเฟส S และไมโทซิส ความก้าวหน้าในแต่ละเฟสของวัฏจักรเซลล์ถูกควบคุมอย่างมากโดยไคเนสฟอสฟาเตสและโปรตีเอส

ในเฟส G1 ของวัฏจักรเซลล์คอมเพล็กซ์การจดจำแหล่งกำเนิด (OCR) จะเชื่อมโยงกับไซต์ต้นทาง สิ่งนี้ทำให้เกิดการจับกันของเฮลิคอปเตอร์ MCM และโปรตีนอื่น ๆ เช่น Cdc6 และ Cdt1 เพื่อสร้างคอมเพล็กซ์ก่อนการจำลองแบบ (preRC) MCM helicase ผูกติดกับไกด์เชน

ในเฟส S preRC จะกลายเป็นไซต์การจำลองแบบที่ใช้งานอยู่ โปรตีน OCR, Cdc6 และ Cdt1 จะถูกปล่อยออกมาและ MCM helicase จะเคลื่อนที่ไปในทิศทาง 3 ′ถึง 5′ เมื่อการจำลองแบบเสร็จสิ้นจะเริ่มต้นใหม่ในรอบเซลล์ถัดไป

การจำลองส่วนปลายของโครโมโซมในยูคาริโอต

ส่วนปลายของโครโมโซมเรียกว่าเทโลเมียร์ซึ่งประกอบด้วยลำดับการตีคู่ซ้ำ ๆ กันและบริเวณ 3 that ที่ยื่นออกมามีความยาว 12 ถึง 16 นิวคลีโอไทด์

ดีเอ็นเอพอลิเมอเรสไม่สามารถทำซ้ำส่วนปลายของสายดีเอ็นเอ 3 ′ เนื่องจากดีเอ็นเอพอลิเมอเรสสามารถสังเคราะห์ดีเอ็นเอในทิศทาง 5'-3 'ได้เท่านั้นและสามารถยืดเส้นที่มีอยู่ก่อนแล้วได้โดยไม่สามารถสังเคราะห์ไพรเมอร์ในภูมิภาคนี้ได้ ดังนั้นเทโลเมียร์จึงสั้นลงด้วยการจำลองแบบแต่ละรอบ

เอนไซม์เทโลเมอเรสช่วยป้องกันไม่ให้เทโลเมียร์สั้นลง Telomerase เป็นเอนไซม์ที่มีโปรตีนและหน่วยย่อย RNA (TERC) ส่วนหลังเชื่อมโยงกับลำดับการทำซ้ำของดีเอ็นเอและอนุญาตให้เทโลเมอเรสผูกกับปลาย 3 ′ของเทโลเมียร์

ลำดับอาร์เอ็นเอที่อยู่หลังจุดเชื่อมต่อทำหน้าที่เป็นแม่แบบสำหรับการสังเคราะห์ลำดับนิวคลีโอไทด์ 6 ลำดับ (พอลิเมอไรเซชัน) ที่ส่วนท้ายของสายดีเอ็นเอ การยืดตัวของเทโลเมียร์ถูกเร่งปฏิกิริยาโดยหน่วยย่อยของเทโลเมียร์เรียกว่าเทโลเมียร์รีเวิร์สทรานสคริปเทส (TERT)

หลังจากการเกิดพอลิเมอไรเซชันแล้วการย้ายตำแหน่งจะเกิดขึ้นซึ่งประกอบด้วยการเคลื่อนที่ของเทโลเมอเรสไปยังจุดสิ้นสุดใหม่ของสายโซ่ดีเอ็นเอโดยรวมนิวคลีโอไทด์อีก 6 ตัวจนสิ้นสุด

หน้าที่ของ DNA polymerases อื่น ๆ ในยูคาริโอต

DNA polymerase βมีบทบาทสำคัญในการลบฐานที่ไม่ถูกต้องออกจาก DNA แต่ไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับการจำลองแบบ DNA

DNA polymerases ที่ค้นพบจำนวนมากอยู่ในกลุ่มของ polymerases "translesion-replicating" polymerases เหล่านี้มีหน้าที่ในการสังเคราะห์เส้นเสริมในบริเวณที่มี DNA ที่เสียหาย

polymerases "translesion-replicating" มีหลายประเภท ตัวอย่างเช่น DNA polymerase ηสามารถจำลองบนไทมีนไดเมอร์ซึ่งเกิดจากแสง UV

การจำลองแบบดีเอ็นเอใน archaebacteria

การจำลองดีเอ็นเอของ Archaebacterial คล้ายกับในยูคาริโอต เนื่องจากสิ่งต่อไปนี้: 1) โปรตีนที่เข้าร่วมในการจำลองแบบมีความคล้ายคลึงกับยูคาริโอตมากกว่าของโปรคาริโอต และ 2) แม้ว่าจะมีเพียงไซต์การจำลองแบบเดียวเช่นในโปรคาริโอต แต่ลำดับของมันก็คล้ายกับไซต์ต้นกำเนิดของยูคาริโอต

ความคล้ายคลึงกันในการจำลองแบบระหว่าง Archea และยูคาริโอตสนับสนุนแนวคิดที่ว่าทั้งสองกลุ่มมีความสัมพันธ์ทางสายวิวัฒนาการซึ่งกันและกันมากกว่าโปรคาริโอต

อ้างอิง

Brooker, RJ 2018 การวิเคราะห์และหลักการทางพันธุศาสตร์. McGraw-Hill นิวยอร์ก
Hartwell, LH, Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, L. 2018 พันธุศาสตร์ - จากยีนสู่จีโนม McGraw-Hill นิวยอร์ก
Kušić-Tišma, J. 2011. พื้นฐานของการจำลองแบบดีเอ็นเอ. InTech Open access, โครเอเชีย
Lewis, R. , 2015. แนวคิดและการประยุกต์ใช้พันธุศาสตร์มนุษย์. McGraw-Hill นิวยอร์ก
Pierce, BA 2548. พันธุศาสตร์ - แนวความคิด. WH ฟรีแมนนิวยอร์ก

การจำลองแบบดีเอ็นเอ: กลไกในโปรคาริโอตและยูคาริโอต - ชีววิทยา - 2025