تكرار الحمض النووي

الموسوعة الحرة
تكرار الحمض النووي: يتم فك اللولب المزدوج وفكه، ثم يعمل كل خيط منفصل (فيروزي) كقالب لتكرار خيط شريك جديد (أخضر). يتم مطابقة النيوكليوتيدات (القواعد) لتوليف الخيطين الشريكين الجديدين في لولبيين مزدوجين جديدين.

في علم الأحياء الجزيئي ، [1] [2] [3] تكرار الحمض النووي هو العملية البيولوجية لإنتاج نسختين متطابقتين من الحمض النووي من جزيء الحمض النووي الأصلي . [4] يحدث تكرار الحمض النووي في جميع الكائنات الحية التي تعمل كجزء أساسي من الوراثة البيولوجية . هذا ضروري لانقسام الخلايا أثناء نمو وإصلاح الأنسجة التالفة، بينما يضمن أيضًا أن تتلقى كل خلية جديدة نسختها الخاصة من الحمض النووي. [5] تمتلك الخلية الخاصية المميزة للانقسام، مما يجعل تكرار الحمض النووي ضروريًا.

يتكون الحمض النووي من حلزون مزدوج من سلسلتين متكاملتين . يصف الحلزون المزدوج مظهر الحمض النووي مزدوج السلسلة والذي يتكون بالتالي من سلسلتين خطيتين تعملان بشكل معاكس لبعضهما البعض وتلتفان معًا لتكوين. [6] أثناء التضاعف، يتم فصل هذه الخيوط. ثم يعمل كل خيط من جزيء الحمض النووي الأصلي كقالب لإنتاج نظيره، وهي العملية التي يشار إليها بالتضاعف شبه المحافظ . ونتيجة للتضاعف شبه المحافظ، سيتكون الحلزون الجديد من خيط DNA أصلي بالإضافة إلى خيط تم تصنيعه حديثًا. [7] تضمن آليات التدقيق الخلوي والتحقق من الأخطاء دقة شبه مثالية لتضاعف الحمض النووي. [8] [9]

في الخلية ، يبدأ تكرار الحمض النووي في مواقع محددة، أو أصول التكرار ، [10] في الجينوم [11] الذي يحتوي على المادة الوراثية للكائن الحي. [12] يؤدي فك الحمض النووي في الأصل وتخليق خيوط جديدة، يستوعبها إنزيم يُعرف باسم الهيليكاز ، إلى نمو شوكات التكرار في اتجاهين من الأصل. يرتبط عدد من البروتينات بشوكة التكرار للمساعدة في بدء واستمرار تخليق الحمض النووي . والأبرز من ذلك، يقوم بوليميراز الحمض النووي بتخليق الخيوط الجديدة عن طريق إضافة نيوكليوتيدات تكمل كل خيط (قالب). يحدث تكرار الحمض النووي أثناء المرحلة S من الطور البيني . [13]

يمكن أيضًا إجراء مضاعفة الحمض النووي (تضخيم الحمض النووي) في المختبر (اصطناعيًا، خارج الخلية). [14] يمكن استخدام بوليميرات الحمض النووي المعزولة من الخلايا وبادئات الحمض النووي الاصطناعية لبدء تخليق الحمض النووي في تسلسلات معروفة في جزيء الحمض النووي القالب. تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR)، وتفاعل الليجاز المتسلسل (LCR)، والتضخيم بوساطة النسخ (TMA) هي أمثلة. في مارس 2021، أبلغ الباحثون عن أدلة تشير إلى أن الشكل الأولي من الحمض النووي الريبي الناقل ، وهو مكون ضروري للترجمة ، والتوليف البيولوجي للبروتينات الجديدة وفقًا للرمز الجيني ، يمكن أن يكون جزيء مضاعف في حد ذاته في وقت مبكر جدًا من تطور الحياة، أو التولد التلقائي . [15] [16]

بنية الحمض النووي

بنية اللولب المزدوج للحمض النووي (النوع B-DNA ). الذرات في البنية مُرمَّزة بالألوان حسب العنصر ، وتظهر الهياكل التفصيلية لزوجين من القواعد في أسفل اليمين.

يوجد الحمض النووي DNA كبنية مزدوجة السلسلة، حيث يلتف كلا السلسلتين معًا لتشكيل الحلزون المزدوج المميز . كل خيط مفرد من الحمض النووي DNA عبارة عن سلسلة من أربعة أنواع من النيوكليوتيدات. تحتوي النيوكليوتيدات في الحمض النووي على سكر ريبوز منقوص الأكسجين وفوسفات وقاعدة نوكليوتيدية. تتوافق الأنواع الأربعة من النوكليوتيدات مع القواعد النووية الأربع الأدينين والسيتوزين والجوانين والثايمين ، والتي يشار إليها عادةً باسم A و C و G و T. الأدينين والجوانين هما قواعد بيورين [17]، بينما السيتوزين والثايمين بيريميدينات . تشكل هذه النيوكليوتيدات روابط فوسفودايستر ، مما يخلق العمود الفقري للفوسفات والريبوز منقوص الأكسجين للحلزون المزدوج للحمض النووي مع توجيه القواعد النووية إلى الداخل (أي نحو السلسلة المقابلة). يتم مطابقة القواعد النووية بين السلسلتين من خلال الروابط الهيدروجينية لتكوين أزواج القواعد . يقترن الأدينين مع الثايمين (رابطتان هيدروجينيتان)، ويرتبط الجوانين مع السيتوزين (ثلاث روابط هيدروجينية ). [18]

تمتلك خيوط الحمض النووي اتجاهية ، وتُسمى الأطراف المختلفة للخيط الواحد "النهاية 3' (ثلاثية أولية)" و"النهاية 5' (خمسية أولية)". وفقًا للاتفاقية، إذا تم إعطاء التسلسل الأساسي لخيط واحد من الحمض النووي، فإن النهاية اليسرى للتسلسل هي النهاية 5'، بينما النهاية اليمنى للتسلسل هي النهاية 3'. خيوط الحلزون المزدوج متوازية معاكسة، حيث يكون أحدها 5' إلى 3'، والخيط المقابل 3' إلى 5'. تشير هذه المصطلحات إلى ذرة الكربون في ديوكسي ريبوز التي يرتبط بها الفوسفات التالي في السلسلة. الاتجاهية لها عواقب في تخليق الحمض النووي، لأن بوليميراز الحمض النووي يمكنه تخليق الحمض النووي في اتجاه واحد فقط عن طريق إضافة نيوكليوتيدات إلى النهاية 3' لخيط الحمض النووي.

إن اقتران القواعد التكميلية في الحمض النووي (من خلال الرابطة الهيدروجينية ) يعني أن المعلومات الموجودة داخل كل خيط زائدة عن الحاجة. إن الروابط الفوسفودايسترية (داخل الخيط) أقوى من الروابط الهيدروجينية (بين الخيط). إن الوظيفة الفعلية للروابط الفوسفودايسترية هي حيث تقوم بوليمرات الحمض النووي بربط ذرة الكربون 5' من أحد النوكليوتيدات بذرة الكربون 3' من نوكليوتيد آخر، بينما تعمل الروابط الهيدروجينية على تثبيت حلزونات الحمض النووي المزدوجة عبر محور الحلزون ولكن ليس في اتجاه المحور. [19] وهذا يجعل من الممكن فصل الخيطين عن بعضهما البعض. وبالتالي يمكن استخدام النيوكليوتيدات الموجودة على خيط واحد لإعادة بناء النيوكليوتيدات على خيط شريك تم تصنيعه حديثًا. [20]

بوليميراز الحمض النووي

تضيف بوليميرازات الحمض النووي النوكليوتيدات إلى الطرف 3' من خيط الحمض النووي. [21] إذا تم دمج عدم تطابق عن طريق الخطأ، يتم منع البوليميراز من المزيد من الامتداد. يزيل التدقيق النوكليوتيد غير المتطابق ويستمر الامتداد.

بوليميرازات الحمض النووي هي عائلة من الإنزيمات التي تقوم بجميع أشكال مضاعفة الحمض النووي. [22] لا تستطيع بوليميرازات الحمض النووي بشكل عام بدء تخليق خيوط جديدة ولكنها تستطيع فقط تمديد خيط الحمض النووي أو الحمض النووي الريبي الموجود المقترن بخيط قالب. لبدء التخليق، يجب إنشاء جزء قصير من الحمض النووي الريبي، يسمى البادئ ، وإقرانه بخيط الحمض النووي القالب.

يضيف بوليميراز الحمض النووي خيطًا جديدًا من الحمض النووي عن طريق تمديد الطرف 3' لسلسلة النوكليوتيدات الموجودة، وإضافة نيوكليوتيدات جديدة مطابقة لخيط القالب، واحدًا تلو الآخر، عن طريق إنشاء روابط فوسفودايستر . تأتي الطاقة اللازمة لعملية بلمرة الحمض النووي هذه من التحلل المائي لروابط الفوسفات عالية الطاقة (فوسفودانهيدريد) بين الفوسفات الثلاثة المرتبطة بكل قاعدة غير مدمجة . تسمى القواعد الحرة مع مجموعات الفوسفات المرتبطة بها نيوكليوتيدات ؛ وعلى وجه الخصوص، تسمى القواعد ذات المجموعات الفوسفاتية الثلاثة المرتبطة بها ثلاثي فوسفات النوكليوسيد . عندما تتم إضافة نوكليوتيد إلى خيط الحمض النووي المتنامي، فإن تكوين رابطة فوسفودايستر بين الفوسفات القريب للنوكليوتيد إلى السلسلة المتنامية يكون مصحوبًا بالتحلل المائي لرابطة فوسفات عالية الطاقة مع إطلاق مجموعتي الفوسفات البعيدتين على شكل بيروفوسفات . يؤدي التحلل الأنزيمي للبيروفوسفات الناتج إلى فوسفات غير عضوي إلى استهلاك رابطة فوسفاتية عالية الطاقة ثانية ويجعل التفاعل غير قابل للعكس بشكل فعال. [ملاحظة 1]

بشكل عام، تتميز بوليميرازات الحمض النووي بدقة عالية، مع معدل خطأ جوهري أقل من خطأ واحد لكل 10 7 نيوكليوتيدات مضافة. [23] يمكن لبعض بوليميرازات الحمض النووي أيضًا حذف نيوكليوتيدات من نهاية خيط متطور من أجل إصلاح القواعد غير المتطابقة. يُعرف هذا باسم التدقيق اللغوي. أخيرًا، تراقب آليات إصلاح عدم التطابق بعد التضاعف الحمض النووي بحثًا عن الأخطاء، وتكون قادرة على التمييز بين عدم التطابق في خيط الحمض النووي المُصنَّع حديثًا وتسلسل الخيط الأصلي. معًا، تمكن خطوات التمييز الثلاث هذه من دقة التضاعف أقل من خطأ واحد لكل 10 9 نيوكليوتيدات مضافة. [23]

تم قياس معدل تكرار الحمض النووي في الخلية الحية لأول مرة باعتباره معدل استطالة الحمض النووي لـ T4 في البكتيريا القولونية المصابة بـ فاج . [24] خلال فترة الزيادة الأسيّة للحمض النووي عند 37 درجة مئوية، كان المعدل 749 نوكليوتيدًا في الثانية. معدل الطفرة لكل زوج قاعدي لكل تكرار أثناء تخليق الحمض النووي لـ T4 هو 1.7 لكل 10 8. [25 ]

عملية التكرار

نظرة عامة على خطوات مضاعفة الحمض النووي
خطوات تركيب الحمض النووي

تتم عملية تكرار الحمض النووي، مثل جميع عمليات البلمرة البيولوجية، في ثلاث خطوات محفزة ومنسقة إنزيميًا: البدء والاستطالة والإنهاء.

البدء

دور المبادرين في بدء عملية تكرار الحمض النووي
تكوين معقد ما قبل التضاعف

لكي تنقسم الخلية ، يجب عليها أولاً مضاعفة الحمض النووي الخاص بها. [26] مضاعفة الحمض النووي هي عملية إما كل شيء أو لا شيء؛ بمجرد بدء التضاعف، فإنه يستمر حتى اكتماله. بمجرد اكتمال التضاعف، لا يحدث مرة أخرى في نفس دورة الخلية. يصبح هذا ممكنًا من خلال انقسام بداية مجمع ما قبل التضاعف .

مجمع ما قبل التضاعف

في أواخر الانقسام الفتيلي وأوائل مرحلة G1 ، تتجمع مجموعة كبيرة من البروتينات المبدئية في مجمع ما قبل التضاعف عند نقاط معينة في الحمض النووي، والمعروفة باسم " الأصول ". [11] [10] في E. coli، البروتين المبدئي الأساسي هو Dna A ؛ في الخميرة ، هذا هو مجمع التعرف على الأصل . [27] تميل التسلسلات المستخدمة بواسطة البروتينات المبدئية إلى أن تكون "غنية بـ AT" (غنية بقواعد الأدينين والثايمين)، لأن أزواج قواعد AT لها رابطتان هيدروجينيتان (بدلاً من الثلاثة التي تتشكل في زوج CG) وبالتالي يسهل فصلها عن الخيوط. [28] في حقيقيات النوى، يحفز مجمع التعرف على الأصل تجميع البروتينات المبدئية في مجمع ما قبل التضاعف. بالإضافة إلى ذلك، يشير تقرير حديث إلى أن بروتين ORC في الخميرة المتبرعمة يندمج بطريقة تعتمد على دورة الخلية للتحكم في الترخيص. [29] [30] في المقابل، تتم عملية ثنائي الترابط لـ ORC بواسطة دورة ثنائي الترابط لـ Noc3p المعتمدة على دورة الخلية في الجسم الحي، وهذا الدور لـ Noc3p منفصل عن دوره في تكوين الريبوسوم. تتوسط دورة ثنائي الترابط الأساسية لـ Noc3p تكوين سداسي الترابط المزدوج لـ ORC في ترخيص التضاعف، حيث يرتبط ORC وNoc3p باستمرار بالكروماتين طوال دورة الخلية. [31] ثم يرتبط Cdc6 و Cdt1 بمجمع التعرف على الأصل المرتبط في الأصل من أجل تكوين مجمع أكبر ضروري لتحميل مجمع Mcm على الحمض النووي. في حقيقيات النوى، يكون مجمع Mcm هو الهيليكاز الذي سيقسم حلزون الحمض النووي عند شوكات التضاعف والأصول. يتم تجنيد مجمع Mcm في مرحلة G1 المتأخرة ويتم تحميله بواسطة مجمع ORC-Cdc6-Cdt1 على الحمض النووي عبر إعادة تشكيل البروتين المعتمد على ATP. يشير تحميل مركب Mcm على الحمض النووي الأصلي إلى اكتمال تكوين مركب ما قبل التضاعف. [32]

إذا كانت الظروف البيئية مناسبة في أواخر مرحلة G1، يتم تنشيط مجمعات G1 وG1/S cyclin - Cdk ، والتي تحفز التعبير عن الجينات التي تشفر مكونات آلية تصنيع الحمض النووي. يعزز تنشيط G1/S-Cdk أيضًا التعبير عن مجمعات S-Cdk وتنشيطها، والتي قد تلعب دورًا في تنشيط أصول التضاعف اعتمادًا على الأنواع ونوع الخلية. يختلف التحكم في هذه Cdks اعتمادًا على نوع الخلية ومرحلة التطور. يمكن فهم هذا التنظيم بشكل أفضل في الخميرة المتبرعمة ، حيث تكون السيكلينات S Clb5 و Clb6 مسؤولة بشكل أساسي عن تكرار الحمض النووي. [33] تعمل مجمعات Clb5،6-Cdk1 بشكل مباشر على تنشيط أصول التضاعف وبالتالي فهي مطلوبة طوال مرحلة S لتنشيط كل أصل بشكل مباشر. [32]

وبنفس الطريقة، يلزم Cdc7 أيضًا خلال الطور S لتنشيط أصول التضاعف. لا يكون Cdc7 نشطًا طوال دورة الخلية، ويتم توقيت تنشيطه بدقة لتجنب البدء المبكر لتضاعف الحمض النووي. في أواخر G1، يرتفع نشاط Cdc7 بشكل مفاجئ نتيجة للارتباط بالوحدة التنظيمية DBF4 ، والتي ترتبط بـ Cdc7 بشكل مباشر وتعزز نشاط بروتين كيناز الخاص بها. وقد وجد أن Cdc7 هو منظم يحد من معدل نشاط المنشأ. معًا، تتعاون G1/S-Cdks و/أو S-Cdks وCdc7 لتنشيط أصول التضاعف بشكل مباشر، مما يؤدي إلى بدء تخليق الحمض النووي. [32]

مجمع ما قبل البدء

في المرحلة المبكرة من S، يؤدي تنشيط S-Cdk وCdc7 إلى تجميع معقد ما قبل البدء، وهو معقد بروتيني ضخم يتكون عند المنشأ. يؤدي تكوين معقد ما قبل البدء إلى إزاحة Cdc6 وCdt1 من معقد تكرار المنشأ، مما يؤدي إلى تعطيل وتفكيك معقد ما قبل التكرار. يؤدي تحميل معقد ما قبل البدء على المنشأ إلى تنشيط هليكاز Mcm، مما يتسبب في فك حلزون الحمض النووي. كما يحمل معقد ما قبل البدء أيضًا برايميز ألفا وبوليميرازات الحمض النووي الأخرى على الحمض النووي. [32]

بعد أن تقوم α-primase بتخليق البادئات الأولى، تتفاعل وصلات البادئ-القالب مع محمل المشبك، الذي يحمل المشبك المنزلق على الحمض النووي لبدء تخليق الحمض النووي. تظل مكونات مجمع ما قبل البدء مرتبطة بشوك التضاعف أثناء تحركها خارج الأصل. [32]

استطالة

إن إنزيم بوليميراز الحمض النووي له نشاط 5'–3'. وتتطلب جميع أنظمة تكرار الحمض النووي المعروفة مجموعة هيدروكسيل حرة 3' قبل أن تبدأ عملية التخليق (ملاحظة: تتم قراءة قالب الحمض النووي في اتجاه 3' إلى 5' بينما يتم تخليق خيط جديد في اتجاه 5' إلى 3'—وهذا غالبًا ما يكون مربكًا). يتم التعرف على أربع آليات مميزة لتخليق الحمض النووي:

  1. تستخدم جميع أشكال الحياة الخلوية والعديد من فيروسات الحمض النووي والبكتيريا والعاثيات والبلازميدات إنزيمًا أوليًا لتخليق بادئ RNA قصير مع مجموعة 3'OH حرة والتي يتم إطالتها لاحقًا بواسطة بوليميراز الحمض النووي .
  2. تستخدم العناصر الرجعية (بما في ذلك الفيروسات الرجعية ) الحمض النووي الريبوزي الناقل الذي يجهز تكرار الحمض النووي من خلال توفير 3'OH مجاني يستخدم للاستطالة بواسطة النسخ العكسي .
  3. في الفيروسات الغدية وعائلة φ29 من العاثيات ، يتم توفير المجموعة 3'OH بواسطة السلسلة الجانبية للحمض الأميني للبروتين المرتبط بالجينوم (البروتين الطرفي) الذي تتم إضافة النيوكليوتيدات إليه بواسطة بوليميراز الحمض النووي لتشكيل خيط جديد.
  4. في فيروسات الحمض النووي أحادية السلسلة - وهي المجموعة التي تضم الفيروسات الحلزونية والفيروسات الجيمينية والفيروسات البارفو وغيرها - وكذلك العديد من العاثيات والبلازميدات التي تستخدم آلية تكرار الدائرة المتدحرجة (RCR)، تخلق نوكلياز RCR شقًا في خيط الجينوم (الفيروسات أحادية السلسلة) أو أحد خيطي الحمض النووي (البلازميدات). يتم نقل الطرف 5' من الخيط المشقوق إلى بقايا التيروزين على النوكلياز ثم تستخدم بوليميراز الحمض النووي المجموعة 3' OH الحرة لتوليف الخيط الجديد.

تستخدم الكائنات الخلوية أول هذه المسارات لأنه الأكثر شهرة. في هذه الآلية، بمجرد فصل السلسلتين، تضيف البريميز بادئات RNA إلى سلسلتي القالب. يتلقى السلسل الرائد بادئ RNA واحدًا بينما يتلقى السلسل المتأخر عدة بادئات. يتم تمديد السلسل الرائد باستمرار من البادئ بواسطة بوليميراز DNA ذو معدل معالجة مرتفع ، بينما يتم تمديد السلسل المتأخر بشكل متقطع من كل بادئ مكونًا شظايا Okazaki . يزيل RNase شظايا RNA التمهيدية، ويدخل بوليميراز DNA منخفض معدل المعالجة ومتميز عن البوليميراز المتضاعف لملء الفجوات. عندما يكتمل هذا، يمكن العثور على شق واحد على السلسل الرائد وعدة شقوق على السلسل المتأخر. يعمل الليجاز على ملء هذه الشقوق، وبالتالي إكمال جزيء DNA المتضاعف حديثًا.

تختلف البريميز المستخدمة في هذه العملية بشكل كبير بين البكتيريا والعتائق / حقيقيات النوى . تستخدم البكتيريا بريميز ينتمي إلى عائلة بروتين DnaG التي تحتوي على مجال محفز من نوع طية TOPRIM. [34] تحتوي طية TOPRIM على نواة α / β بأربعة خيوط محفوظة في طوبولوجيا تشبه روسمان . تم العثور على هذا الهيكل أيضًا في المجالات التحفيزية لتوبويزوميراز Ia وتوبويزوميراز II ونوكليازات عائلة OLD وبروتينات إصلاح الحمض النووي المرتبطة ببروتين RecR.

على النقيض من ذلك، تحتوي البريميز التي تستخدمها العتائق والكائنات حقيقية النواة على نسخة مشتقة للغاية من نمط التعرف على الحمض النووي الريبي (RRM). تشبه هذه البريميز هيكليًا العديد من بوليميرات الحمض النووي الريبي المعتمدة على الحمض النووي الريبي الفيروسي، والنسخ العكسي، والسيكلازات المولدة للنوكليوتيدات الحلقية، وبوليميرات الحمض النووي من عائلات A/B/Y التي تشارك في تكرار الحمض النووي وإصلاحه. في تكرار حقيقيات النواة، تشكل البريميز معقدًا مع Pol α. [35]

تلعب بوليميرازات الحمض النووي المتعددة أدوارًا مختلفة في عملية تكرار الحمض النووي. في E. coli ، يعد DNA Pol III إنزيم البوليميراز المسؤول بشكل أساسي عن تكرار الحمض النووي. يتجمع في مجمع تكرار عند شوكة التكرار التي تظهر معدل معالجة مرتفع للغاية، ويظل سليمًا طوال دورة التكرار بأكملها. على النقيض من ذلك، يعد DNA Pol I الإنزيم المسؤول عن استبدال بادئات الحمض النووي الريبي بالحمض النووي. يتمتع DNA Pol I بنشاط إكسونوكلياز من 5' إلى 3' بالإضافة إلى نشاط البوليميراز الخاص به، ويستخدم نشاطه إكسونوكلياز لتحلل بادئات الحمض النووي الريبي أمامه أثناء تمديد خيط الحمض النووي خلفه، في عملية تسمى ترجمة النيك . يعد Pol I أقل معالجة بكثير من Pol III لأن وظيفته الأساسية في تكرار الحمض النووي هي إنشاء العديد من مناطق الحمض النووي القصيرة بدلاً من بضع مناطق طويلة جدًا.

في حقيقيات النوى ، يساعد الإنزيم منخفض القدرة على المعالجة، بول ألفا، في بدء التضاعف لأنه يشكل معقدًا مع البريميز. [36] في حقيقيات النوى، يُعتقد أن تخليق الخيوط الرائدة يتم بواسطة بول ألفا؛ ومع ذلك، فقد تم التشكيك في هذا الرأي مؤخرًا، مما يشير إلى دور بول ألفا. [37] تكتمل إزالة البادئ بواسطة بول ألفا [38] بينما يكتمل إصلاح الحمض النووي أثناء التضاعف بواسطة بول ألفا.

مع استمرار تخليق الحمض النووي، تستمر خيوط الحمض النووي الأصلية في التفكك على جانبي الفقاعة، لتكوين شوكة مضاعفة ذات شقين. في البكتيريا، التي لها أصل واحد للتضاعف على كروموسومها الدائري، تخلق هذه العملية " بنية ثيتا " (تشبه الحرف اليوناني ثيتا: θ). على النقيض من ذلك، تحتوي حقيقيات النوى على كروموسومات خطية أطول وتبدأ التضاعف عند أصول متعددة داخل هذه الأصول. [39]

شوكة التكرار

مخطط شوكة التضاعف.
أ: قالب، ب: خيط متقدم، ج: خيط متأخر، د: شوكة تضاعف، هـ: بادئ، و: شظايا أوكازاكي
تشارك العديد من الإنزيمات في شوكة تكرار الحمض النووي.

شوكة التضاعف هي بنية تتشكل داخل الحمض النووي الحلزوني الطويل أثناء تضاعف الحمض النووي. يتم إنتاجها بواسطة إنزيمات تسمى الهيليكازات التي تكسر الروابط الهيدروجينية التي تربط خيوط الحمض النووي معًا في حلزون. البنية الناتجة لها "شوكتان" متفرعتان، كل منهما مكونة من خيط واحد من الحمض النووي. يعمل هذان الخيطان كقالب للخيطين الرئيسيين والمتأخرين، اللذين سيتم إنشاؤهما عندما يطابق بوليميراز الحمض النووي النوكليوتيدات التكميلية مع القوالب؛ يمكن الإشارة إلى القوالب بشكل صحيح باسم قالب الخيط الرئيسي وقالب الخيط المتأخر.

يتم قراءة الحمض النووي بواسطة بوليميراز الحمض النووي في الاتجاه من 3' إلى 5'، مما يعني أن السلسلة الجديدة يتم تصنيعها في الاتجاه من 5' إلى 3'. نظرًا لأن قوالب السلسلة الأمامية والخلفية موجهة في اتجاهين متعاكسين عند شوكة التضاعف، فإن القضية الرئيسية هي كيفية تحقيق تصنيع الحمض النووي للسلسلة الخلفية الجديدة، والتي يكون اتجاه تصنيعها معاكسًا لاتجاه شوكة التضاعف المتنامية.

السلسلة الرائدة

الخيط الرائد هو خيط الحمض النووي الجديد الذي يتم تصنيعه في نفس اتجاه شوكة التضاعف المتنامية. هذا النوع من تكرار الحمض النووي مستمر.

خيط متأخر

إن السلسلة المتأخرة هي سلسلة الحمض النووي الجديدة التي يكون اتجاه تخليقها معاكسًا لاتجاه شوكة التضاعف المتنامية. وبسبب اتجاهها، تكون عملية تضاعف السلسلة المتأخرة أكثر تعقيدًا مقارنة بالسلسلة الرائدة. ونتيجة لذلك، يُرى أن بوليميراز الحمض النووي على هذه السلسلة "متأخر" عن السلسلة الأخرى.

يتم تصنيع الشريط المتأخر في أجزاء قصيرة منفصلة. على قالب الشريط المتأخر ، "تقرأ" البريميز قالب الحمض النووي وتبدأ في تصنيع برايمر RNA مكمل قصير . يقوم بوليميراز الحمض النووي بتمديد الأجزاء الأولية، مكونًا شظايا أوكازاكي . ثم تتم إزالة برايمرات الحمض النووي الريبي واستبدالها بالحمض النووي، ويتم ربط شظايا الحمض النووي بواسطة ليجاز الحمض النووي .

ديناميكيات عند شوكة التكرار

مشبك الحمض النووي البشري المجمع، وهو ثلاثي من البروتين PCNA

في جميع الحالات، يتكون الهيليكاز من ستة بولي ببتيدات تلتف حول خيط واحد فقط من الحمض النووي الذي يتم تكراره. يرتبط البوليميرازان بسداسي الهيليكاز. في حقيقيات النوى، يلتف الهيليكاز حول الخيط الرائد، وفي بدائيات النوى يلتف حول الخيط المتأخر. [40]

عندما يقوم الهيليكاز بفك لف الحمض النووي عند شوكة التضاعف، يضطر الحمض النووي الموجود أمامه إلى الدوران. تؤدي هذه العملية إلى تراكم الالتواءات في الحمض النووي الموجود أمامه. [41] يخلق هذا التراكم حملًا التواءًا من شأنه أن يوقف شوكة التضاعف في النهاية. إن التوبوإيزوميرازات هي إنزيمات تكسر خيوط الحمض النووي مؤقتًا، مما يخفف من التوتر الناتج عن فك لف سلسلتي حلزون الحمض النووي؛ تحقق التوبوإيزوميرازات (بما في ذلك جيراز الحمض النووي ) هذا عن طريق إضافة لفات فائقة سلبية إلى حلزون الحمض النووي. [42]

يميل الحمض النووي أحادي السلسلة العاري إلى الانحناء على نفسه لتكوين هياكل ثانوية ؛ ويمكن لهذه الهياكل أن تتداخل مع حركة بوليميراز الحمض النووي. ولمنع ذلك، ترتبط البروتينات المرتبطة بالسلسلة الأحادية بالحمض النووي حتى يتم تصنيع سلسلة ثانية، مما يمنع تكوين الهياكل الثانوية. [43]

يلتف الحمض النووي ثنائي السلسلة حول الهستونات التي تلعب دورًا مهمًا في تنظيم التعبير الجيني، لذا يجب أن يلتف الحمض النووي المكرر حول الهستونات في نفس الأماكن التي يتواجد بها الحمض النووي الأصلي. [44] ولضمان ذلك، تقوم مرافقات الهستونات بتفكيك الكروماتين قبل تكراره واستبدال الهستونات في المكان الصحيح. بعض الخطوات في عملية إعادة التجميع هذه تخمينية إلى حد ما. [45]

تعمل بروتينات المشبك كمشبك منزلق على الحمض النووي، مما يسمح لبوليميراز الحمض النووي بالارتباط بقالبه والمساعدة في عملية المعالجة. يتيح السطح الداخلي للمشبك تمرير الحمض النووي من خلاله. بمجرد وصول البوليميراز إلى نهاية القالب أو اكتشاف الحمض النووي ثنائي السلسلة، يخضع المشبك المنزلق لتغيير تكويني يحرر بوليميراز الحمض النووي. تُستخدم بروتينات تحميل المشبك لتحميل المشبك في البداية، والتعرف على الوصلة بين القالب وبرايمرات الحمض النووي الريبي. [9] :274-5

بروتينات تكرار الحمض النووي

عند شوكة التضاعف، تتجمع العديد من إنزيمات التضاعف على الحمض النووي في آلة جزيئية معقدة تسمى الريبلسوم . فيما يلي قائمة بأهم إنزيمات تضاعف الحمض النووي التي تشارك في الريبلسوم: [46]

إنزيم الوظيفة في مضاعفة الحمض النووي
هليكاز الحمض النووي يُعرف أيضًا باسم إنزيم زعزعة استقرار الحلزون. يفصل الهيليكاز سلسلتي الحمض النووي عند شوكة التضاعف خلف توبوإيزوميراز.
بوليميراز الحمض النووي الإنزيم المسؤول عن تحفيز إضافة ركائز النوكليوتيدات إلى الحمض النووي في الاتجاه من 5' إلى 3' أثناء تكرار الحمض النووي. كما يقوم أيضًا بتصحيح الأخطاء وتصحيحها. هناك العديد من الأنواع المختلفة من بوليميراز الحمض النووي، كل منها يؤدي وظائف مختلفة في أنواع مختلفة من الخلايا.
مشبك الحمض النووي بروتين يمنع بوليميرازات الحمض النووي المستطيلة من الانفصال عن سلسلة الحمض النووي الأصلية.
بروتين رابط للحمض النووي أحادي السلسلة يرتبط بـ ssDNA ويمنع حلزون الحمض النووي المزدوج من إعادة التلدين بعد أن يقوم هيليكاز الحمض النووي بفكه، وبالتالي الحفاظ على فصل الخيوط وتسهيل تخليق الخيوط الجديدة.
توبوإيزوميراز يريح الحمض النووي من طبيعته الملتوية للغاية.
جيراس الحمض النووي يخفف من إجهاد فك اللفة بواسطة هيليكاز الحمض النووي؛ وهو نوع محدد من توبوإيزوميراز
رباط الحمض النووي يعيد ربط الخيوط شبه المحافظة وينضم إلى أجزاء أوكازاكي من الخيوط المتأخرة.
بريماس يوفر نقطة بداية لـ RNA (أو DNA) لكي يبدأ بوليميراز DNA في تخليق سلسلة DNA الجديدة.
التيلوميراز يعمل على إطالة الحمض النووي التيلوميري عن طريق إضافة تسلسلات نيوكليوتيدية متكررة إلى نهايات الكروموسومات حقيقية النواة . وهذا يسمح للخلايا الجرثومية والخلايا الجذعية بتجنب حد هايفليك في انقسام الخلايا. [47]

وقد توصلت التجارب التي أجريت على جزيء واحد في المختبر (باستخدام ملاقط بصرية وملاقط مغناطيسية ) إلى تفاعلات تآزرية بين إنزيمات الريبليزوم ( الهيليكاز ، والبوليميراز ، وبروتين ربط الحمض النووي أحادي السلسلة ) وبين شوكة تكرار الحمض النووي التي تعمل على تعزيز فك الحمض النووي وتكراره. [14] وتؤدي هذه النتائج إلى تطوير نماذج حركية تأخذ في الاعتبار التفاعلات التآزرية واستقرارها. [14]

آلات الاستنساخ

جسيم الريبليزوم الخاص ببكتيريا الإشريكية القولونية. ومن الجدير بالذكر أن الحمض النووي الموجود على الشريط المتأخر يشكل حلقة. والبنية الدقيقة للجسيم الريبليزوم غير مفهومة جيدًا.

تتكون آليات التضاعف من العوامل المشاركة في تضاعف الحمض النووي والتي تظهر على قوالب الحمض النووي أحادي السلسلة. تشمل آليات التضاعف إنزيمات التضاعف الأولية؛ بوليميراز الحمض النووي، وهليكاز الحمض النووي، ومشابك الحمض النووي، وتوبويزوميراز الحمض النووي، وبروتينات التضاعف؛ على سبيل المثال، بروتينات ربط الحمض النووي أحادي السلسلة (SSB). في آليات التضاعف، تنسق هذه المكونات. في معظم البكتيريا، توجد جميع العوامل المشاركة في تضاعف الحمض النووي على شوكات التضاعف وتبقى المركبات على الشوكات أثناء تضاعف الحمض النووي. يشار إلى آليات التضاعف أيضًا باسم الريبليسومات، أو أنظمة تضاعف الحمض النووي. هذه المصطلحات هي مصطلحات عامة للبروتينات الموجودة على شوكات التضاعف. في الخلايا حقيقية النواة وبعض الخلايا البكتيرية لا تتشكل الريبليسومات. 

في شكل بديل، تشبه مصانع الحمض النووي أجهزة العرض وتكون الحمض النووي مثل الأفلام السينمائية التي تمر باستمرار إلى أجهزة العرض. في نموذج مصنع التضاعف، بعد تحميل كل من هيليكازات الحمض النووي للخيوط الرائدة والخيوط المتأخرة على الحمض النووي القالبي، تجري الهليكازات على طول الحمض النووي إلى بعضها البعض. تظل الهليكازات مرتبطة لبقية عملية التضاعف. لاحظ بيتر مايستر وآخرون مواقع التضاعف مباشرة في الخميرة المتبرعمة من خلال مراقبة بوليميرازات الحمض النووي α الموسومة بالبروتين الفلوري الأخضر (GFP). اكتشفوا تضاعف الحمض النووي لأزواج من المواضع الموسومة المتباعدة بشكل متماثل عن أصل التضاعف ووجدوا أن المسافة بين الأزواج انخفضت بشكل ملحوظ بمرور الوقت. [48] يشير هذا الاكتشاف إلى أن آلية تضاعف الحمض النووي تسير مع مصانع الحمض النووي. أي أن أزواج مصانع التضاعف محملة على أصول التضاعف والمصانع مرتبطة ببعضها البعض. أيضًا، تنتقل الحمض النووي القالبي إلى المصانع، مما يؤدي إلى بثق الحمض النووي القالبي أحادي السلسلة والحمض النووي الجديد. إن اكتشاف مايستر هو أول دليل مباشر على نموذج مصنع التضاعف. وقد أظهرت الأبحاث اللاحقة أن هيليكازات الحمض النووي تشكل ثنائيات في العديد من الخلايا حقيقية النواة وأن آليات التضاعف البكتيرية تظل في موقع واحد داخل النواة أثناء تخليق الحمض النووي. [49]

تعمل مصانع التضاعف على فك تشابك الكروماتيدات الشقيقة. إن فك التشابك ضروري لتوزيع الكروماتيدات إلى الخلايا الابنة بعد مضاعفة الحمض النووي. ولأن الكروماتيدات الشقيقة بعد مضاعفة الحمض النووي تتماسك مع بعضها البعض بواسطة حلقات الكوهسين ، فإن الفرصة الوحيدة لفك التشابك في مضاعفة الحمض النووي هي أن يتم تثبيت آليات التضاعف كمصانع تضاعف لتحسين معدل نجاح مضاعفة الحمض النووي. وإذا تحركت شوك التضاعف بحرية في الكروموسومات، فإن تسلسل النوى يزداد سوءًا ويعرقل الانفصال الانقسامي. [48]

إنهاء

تبدأ حقيقيات النوى عملية مضاعفة الحمض النووي في نقاط متعددة في الكروموسوم، لذا تلتقي شوكات التضاعف وتنتهي في نقاط عديدة في الكروموسوم. ولأن حقيقيات النوى تحتوي على كروموسومات خطية، فإن مضاعفة الحمض النووي غير قادرة على الوصول إلى نهاية الكروموسومات. وبسبب هذه المشكلة، يُفقد الحمض النووي في كل دورة مضاعفة من نهاية الكروموسوم. التيلوميرات هي مناطق من الحمض النووي المتكرر بالقرب من الأطراف وتساعد في منع فقدان الجينات بسبب هذا التقصير. تقصير التيلوميرات هو عملية طبيعية في الخلايا الجسدية . هذا يقصر التيلوميرات في كروموسوم الحمض النووي الابن. ونتيجة لذلك، لا يمكن للخلايا أن تنقسم إلا لعدد معين من المرات قبل أن يمنع فقدان الحمض النووي المزيد من الانقسام. (هذا ما يُعرف بحد هايفليك ). داخل خط الخلايا الجرثومية ، الذي ينقل الحمض النووي إلى الجيل التالي، يمدد التيلوميراز التسلسلات المتكررة لمنطقة التيلومير لمنع التحلل. يمكن أن يصبح التيلوميراز نشطًا عن طريق الخطأ في الخلايا الجسدية، مما يؤدي في بعض الأحيان إلى تكوّن السرطان . ويُعد نشاط التيلوميراز المتزايد أحد السمات المميزة للسرطان.

تتطلب عملية الإنهاء أن يتوقف تقدم شوكة تكرار الحمض النووي أو يتم حظرها. تتضمن عملية الإنهاء في مكان محدد، عندما تحدث، التفاعل بين عنصرين: (1) تسلسل موقع الإنهاء في الحمض النووي، و(2) بروتين يرتبط بهذا التسلسل لإيقاف تكرار الحمض النووي فعليًا. في أنواع مختلفة من البكتيريا، يُطلق على هذا البروتين اسم بروتين ربط موقع نهاية تكرار الحمض النووي، أو بروتين Ter .

نظرًا لأن البكتيريا تحتوي على كروموسومات دائرية، فإن إنهاء التضاعف يحدث عندما تلتقي شوكة التضاعف مع بعضها البعض على الطرف المقابل للكروموسوم الأبوي. تنظم الإشريكية القولونية هذه العملية من خلال استخدام تسلسلات الإنهاء التي، عند ربطها ببروتين Tus ، تمكن فقط من مرور اتجاه واحد لشوكة التضاعف. ونتيجة لذلك، يتم تقييد شوك التضاعف للالتقاء دائمًا داخل منطقة الإنهاء للكروموسوم. [50]

أنظمة

دورة الخلية في الخلايا حقيقية النواة

حقيقيات النوى

داخل حقيقيات النوى، يتم التحكم في تكرار الحمض النووي في سياق دورة الخلية . مع نمو الخلية وانقسامها، تتقدم عبر مراحل في دورة الخلية؛ يحدث تكرار الحمض النووي أثناء الطور S (مرحلة التخليق). يتم التحكم في تقدم الخلية حقيقية النواة خلال الدورة من خلال نقاط تفتيش دورة الخلية . يتم التحكم في التقدم عبر نقاط التفتيش من خلال التفاعلات المعقدة بين البروتينات المختلفة، بما في ذلك السيكلينات والكينازات المعتمدة على السيكلين . [51] على عكس البكتيريا، يتضاعف الحمض النووي حقيقي النواة داخل حدود النواة. [52]

تنظم نقطة التفتيش G1/S (نقطة التفتيش التقييدية) ما إذا كانت الخلايا حقيقية النواة تدخل في عملية تكرار الحمض النووي والانقسام اللاحق. الخلايا التي لا تمر عبر نقطة التفتيش هذه تظل في مرحلة G0 ولا تضاعف الحمض النووي الخاص بها.

بمجرد اجتياز الحمض النووي لاختبار "G1/S"، لا يمكن نسخه إلا مرة واحدة في كل دورة خلوية. عندما يتحرك مركب Mcm بعيدًا عن الأصل، يتم تفكيك مركب ما قبل التضاعف. نظرًا لأنه لا يمكن تحميل مركب Mcm جديد في الأصل حتى يتم إعادة تنشيط وحدات ما قبل التضاعف، فلا يمكن استخدام أصل التضاعف مرتين في نفس دورة الخلية. [32]

يعمل تنشيط S-Cdks في مرحلة S المبكرة على تعزيز تدمير أو تثبيط مكونات مجمع ما قبل التضاعف الفردية، مما يمنع إعادة التجميع الفوري. تستمر S وM-Cdks في منع تجميع مجمع ما قبل التضاعف حتى بعد اكتمال مرحلة S، مما يضمن عدم حدوث التجميع مرة أخرى حتى يتم تقليل نشاط Cdk بالكامل في الانقسام المتأخر. [32]

في الخميرة المتبرعمة، يحدث تثبيط التجميع بسبب الفسفرة المعتمدة على Cdk لمكونات معقد ما قبل التضاعف. في بداية الطور S، يتسبب فسفرة Cdc6 بواسطة Cdk1 في ارتباط Cdc6 ببروتين يوبيكويتين ربيطة SCF ، مما يتسبب في التدمير البروتيني لـ Cdc6. تعمل الفسفرة المعتمدة على Cdk لبروتينات Mcm على تعزيز تصديرها خارج النواة جنبًا إلى جنب مع Cdt1 أثناء الطور S، مما يمنع تحميل معقدات Mcm الجديدة في الأصول أثناء دورة خلية واحدة. كما تعمل فسفرة Cdk لمعقد تكرار الأصل على تثبيط تجميع معقد ما قبل التضاعف. إن الوجود الفردي لأي من هذه الآليات الثلاث كافٍ لتثبيط تجميع معقد ما قبل التضاعف. ومع ذلك، فإن طفرات البروتينات الثلاثة في نفس الخلية تؤدي إلى إعادة البدء في العديد من أصول التضاعف داخل دورة خلية واحدة. [32] [53]

في الخلايا الحيوانية، يعد بروتين الجيمينين مثبطًا رئيسيًا لتجميع معقد ما قبل التضاعف. يرتبط الجيمينين بـ Cdt1، مما يمنع ارتباطه بمعقد التعرف على الأصل. في G1، يتم الحفاظ على مستويات الجيمينين منخفضة بواسطة APC، الذي يوبيكويتين الجيمينين لاستهدافه للتحلل. عندما يتم تدمير الجيمينين، يتم إطلاق Cdt1، مما يسمح له بالعمل في تجميع معقد ما قبل التضاعف. في نهاية G1، يتم تعطيل APC، مما يسمح للجيمينين بالتراكم والارتباط بـ Cdt1. [32]

تتم عملية تكرار جينومات البلاستيدات الخضراء والميتوكوندريا بشكل مستقل عن دورة الخلية، من خلال عملية تكرار الحلقة D.

التركيز على التكرار

في خلايا الفقاريات، تتركز مواقع التضاعف في مواضع تسمى بؤر التضاعف . [48] يمكن اكتشاف مواقع التضاعف عن طريق التلوين المناعي للخيوط الابنة وإنزيمات التضاعف ومراقبة عوامل التضاعف التي تحمل علامة GFP. من خلال هذه الأساليب، وجد أن بؤر التضاعف ذات الحجم والمواقع المختلفة تظهر في الطور S من انقسام الخلايا وأن عددها لكل نواة أصغر بكثير من عدد شوك التضاعف الجينومي.

قام P. Heun et al. ، [48] (2001) بتتبع بؤر التضاعف التي تحمل علامة GFP في خلايا الخميرة المتبرعمة وكشف أن أصول التضاعف تتحرك باستمرار في طور G1 وS وأن الديناميكيات انخفضت بشكل كبير في طور S. [48] تقليديًا، تم تثبيت مواقع التضاعف على البنية المكانية للكروموسومات بواسطة المصفوفة النووية أو اللامينات . نفت نتائج Heun المفاهيم التقليدية، حيث لا تحتوي الخميرة المتبرعمة على اللامينات، وتدعم أن أصول التضاعف تتجمع ذاتيًا وتشكل بؤر تضاعف.

من خلال إطلاق أصول التضاعف، التي يتم التحكم فيها مكانيًا وزمانيًا، يتم تنظيم تكوين بؤر التضاعف. كشف DA Jackson وآخرون (1998) أن الأصول المجاورة تنطلق في وقت واحد في الخلايا الثديية. [48] يؤدي التقابل المكاني لمواقع التضاعف إلى تجمع شوك التضاعف. ينقذ التجمع شوك التضاعف المتوقفة ويفضل التقدم الطبيعي لشوك التضاعف. يتم تثبيط تقدم شوك التضاعف من خلال العديد من العوامل؛ الاصطدام بالبروتينات أو بالمركبات التي ترتبط بقوة بالحمض النووي، ونقص dNTPs، والخدوش على الحمض النووي القالب وما إلى ذلك. إذا علقت شوك التضاعف ولم يتم نسخ بقية التسلسلات من الشوكات العالقة، فإن الخيوط الابنة تحصل على مواقع غير مكررة. المواقع غير المكررة على خيط أحد الوالدين تربط السلسلة الأخرى معًا ولكن ليس الخيوط الابنة. لذلك، لا يمكن للكروماتيدات الشقيقة الناتجة أن تنفصل عن بعضها البعض ولا يمكن أن تنقسم إلى خليتين ابنتين. عندما تشتعل الأصول المجاورة ويتوقف شوكة من أصل واحد، فإن الشوكة من أصل آخر تصل إلى الاتجاه المعاكس للشوكة المتوقفة وتضاعف المواقع غير المتماثلة. كآلية أخرى للإنقاذ، هناك تطبيق لأصول التضاعف الخاملة التي لا تشتعل الأصول الزائدة في تكرار الحمض النووي الطبيعي.

البكتيريا

يقوم السد بمثيلة الأدينين في مواقع GATC بعد التكرار

لا تمر معظم البكتيريا بدورة خلوية محددة جيدًا ولكنها بدلاً من ذلك تنسخ حمضها النووي باستمرار؛ أثناء النمو السريع، يمكن أن يؤدي هذا إلى حدوث جولات متعددة من التضاعف في نفس الوقت. [54] في E. coli ، البكتيريا الأكثر تميزًا، يتم تنظيم تضاعف الحمض النووي من خلال العديد من الآليات، بما في ذلك: نصف ميثيل وعزل تسلسل الأصل، ونسبة أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) إلى أدينوسين ثنائي الفوسفات (ADP) ، ومستويات بروتين DnaA. كل هذه تتحكم في ارتباط البروتينات المبدئية بتسلسلات الأصل. [55]

نظرًا لأن البكتيريا القولونية تقوم بمثيلة تسلسلات الحمض النووي GATC، فإن تخليق الحمض النووي يؤدي إلى تسلسلات نصف ميثيلية. يتم التعرف على هذا الحمض النووي نصف الميثيلي بواسطة البروتين SeqA ، الذي يرتبط ويحجز تسلسل الأصل؛ بالإضافة إلى ذلك، يرتبط DnaA (المطلوب لبدء التضاعف) بشكل أقل بالحمض النووي نصف الميثيلي. ونتيجة لذلك، يتم منع الأصول المتضاعفة حديثًا من بدء جولة أخرى من تضاعف الحمض النووي على الفور. [56]

تتراكم جزيئات ATP عندما تكون الخلية في وسط غني، مما يؤدي إلى تضاعف الحمض النووي بمجرد أن تصل الخلية إلى حجم معين. يتنافس ATP مع ADP للارتباط بـ DnaA، ويصبح مركب DnaA-ATP قادرًا على بدء التضاعف. كما أن هناك حاجة إلى عدد معين من بروتينات DnaA لتضاعف الحمض النووي - في كل مرة يتم فيها نسخ الأصل، يتضاعف عدد مواقع الارتباط بـ DnaA، مما يتطلب تخليق المزيد من DnaA لتمكين بدء التضاعف مرة أخرى.

في البكتيريا سريعة النمو، مثل الإشريكية القولونية ، يستغرق تكرار الكروموسوم وقتًا أطول من انقسام الخلية. تحل البكتيريا هذه المشكلة عن طريق بدء جولة جديدة من التكرار قبل إنهاء الجولة السابقة. [57] ستشكل الجولة الجديدة من التكرار كروموسوم الخلية الذي يولد بعد جيلين من الخلية المنقسمة. تخلق هذه الآلية دورات تكرار متداخلة.

مشاكل في تكرار الحمض النووي

يتم إعادة تشغيل شوكة التضاعف عن طريق إعادة التركيب المتماثل بعد إجهاد التضاعف
العواقب الوراثية الناتجة عن عيوب إعادة تجميع النوكليوزوم عند شوكات التضاعف المتوقفة

هناك العديد من الأحداث التي تساهم في إجهاد التضاعف، بما في ذلك: [58]

تفاعل البوليميراز المتسلسل

يقوم الباحثون عادة بتكرار الحمض النووي في المختبر باستخدام تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR). يستخدم تفاعل البوليميراز المتسلسل زوجًا من البادئات لتغطية منطقة مستهدفة في الحمض النووي القالبي، ثم يقوم ببلمرة خيوط الشريك في كل اتجاه من هذه البادئات باستخدام بوليميراز الحمض النووي الثابت حراريًا . يؤدي تكرار هذه العملية عبر دورات متعددة إلى تضخيم منطقة الحمض النووي المستهدفة. في بداية كل دورة، يتم تسخين خليط القالب والبادئات، مما يؤدي إلى فصل الجزيء والقالب المصنّع حديثًا. ثم، مع تبريد الخليط، يصبح كلاهما قوالب لتلدين بادئات جديدة، ويمتد البوليميراز من هذه. ونتيجة لذلك، يتضاعف عدد نسخ المنطقة المستهدفة في كل جولة، ويزداد بشكل كبير . [59]

انظر أيضا

يوجد في ويكيميديا ​​كومنز وسائط متعلقة بـ تكرار الحمض النووي .
تحتوي ويكي الجامعة على مصادر تعليمية حول الحمض النووي#DNA_Replication

ملحوظات

  1. ^ قد تساعد طاقة هذه العملية أيضًا في تفسير اتجاه التركيب - إذا تم تصنيع الحمض النووي في الاتجاه من 3' إلى 5'، فإن الطاقة اللازمة للعملية ستأتي من الطرف 5' من الشريط النامي بدلاً من النيوكليوتيدات الحرة. تكمن المشكلة في أنه إذا كانت ثلاثيات الفوسفات عالية الطاقة موجودة على الشريط النامي وليس على النيوكليوتيدات الحرة، فإن التدقيق عن طريق إزالة نوكليوتيد طرفي غير متطابق سيكون مشكلة: بمجرد إضافة نوكليوتيد، يتم فقدان ثلاثي الفوسفات ويبقى فوسفات واحد على العمود الفقري بين النيوكليوتيد الجديد وبقية الشريط. إذا كانت النوكليوتيدات المضافة غير متطابقة، فإن الإزالة ستؤدي إلى إنهاء شريط الحمض النووي بواسطة أحادي الفوسفات في نهاية "الشريط النامي" بدلاً من ثلاثي الفوسفات عالي الطاقة. لذلك فإن الشريط سوف يعلق ولن يكون قادرًا على النمو بعد الآن. في الواقع، تنشأ ثلاثيات الفوسفات عالية الطاقة التي يتم تحليلها في كل خطوة من النيوكليوتيدات الحرة، وليس من الشريط المبلمر، وبالتالي فإن هذه المشكلة غير موجودة.

مراجع

  1. ^ O'Donnell M, Langston L, Stillman B (يوليو 2013). "مبادئ ومفاهيم تكرار الحمض النووي في البكتيريا والعتائق والحقيقيات". Cold Spring Harbor Perspectives in Biology . 5 (7): a010108. doi :10.1101/cshperspect.a010108. PMC 3685895.  PMID 23818497  .
  2. ^ Prioleau MN, MacAlpine DM (أغسطس 2016). "أصول تكرار الحمض النووي - من أين نبدأ؟". الجينات والتنمية . 30 (15): 1683-1697. doi :10.1101/gad.285114.116. PMC 5002974. PMID  27542827 . 
  3. ^ Dewar JM, Walter JC (أغسطس 2017). "Mechanisms of DNA replication termination". Nature Reviews. Molecular Cell Biology . 18 (8): 507–516. doi :10.1038/nrm.2017.42. PMC 6386472. PMID 28537574  . 
  4. ^ Sabhadiya A (2022-03-01). "ما هو تكرار الحمض النووي وخطواته؟" . تم الاسترجاع في 2023-08-04 .
  5. ^ "GENETICS / DNA REPLICATION (BASIC) – Pathwayz". pathwayz.org . تم الاسترجاع في 2020-12-10 .
  6. ^ "اللولب المزدوج". تعلم العلوم على Scitable . Nature Education . تم الاسترجاع في 2020-12-10 .
  7. ^ Pray LA (2008). "Semi-Conservative DNA Replication; Meselson and Stahl". Nature Education . 1 (1): 98.
  8. ^ يؤدي تكرار الحمض النووي غير الكامل إلى حدوث طفرات . Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L, Clarke ND (2002). "الفصل 27: تكرار الحمض النووي وإعادة تركيبه وإصلاحه". الكيمياء الحيوية. WH Freeman and Company. ISBN 0-7167-3051-0. تم أرشفة النسخة الأصلية في 2020-03-26 . تم استرجاعها في 2019-08-09 .
  9. ^ ab Lodish H, Berk A, Zipursky SL, et al. (2000). "DNA Replication, Repair, and Recombination". Molecular Cell Biology (الطبعة الرابعة). WH Freeman. ISBN 0-7167-3136-3.
  10. ^ ab Hu Y, Stillman B (فبراير 2023). "أصول تكرار الحمض النووي في حقيقيات النوى". الخلية الجزيئية . 83 (3): 352-372. doi :10.1016/j.molcel.2022.12.024. PMC 9898300. PMID  36640769 . 
  11. ^ ab Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L, Clarke ND (2002). "الفصل 27، القسم 4: تكرار الحمض النووي لكلا السلسلتين يتقدم بسرعة من مواقع بداية محددة". الكيمياء الحيوية. WH Freeman and Company. ISBN 0-7167-3051-0. تم أرشفة النسخة الأصلية في 2020-03-26 . تم استرجاعها في 2019-08-09 .
  12. ^ "ما هو الجينوم؟". yourgenome . تم الاسترجاع في 2020-12-10 .
  13. ^ Chagin, Vadim O.; Stear, Jeffrey H.; Cardoso, M. Cristina (April 2010). "Organization of DNA replication". Cold Spring Harbor Perspectives in Biology . 2 (4): a000737. doi :10.1101/cshperspect.a000737. ISSN  1943-0264. PMC 2845211. PMID 20452942  . 
  14. ^ abc Jarillo J, Ibarra B, Cao-García FJ (2021). "تكرار الحمض النووي: تحليل بيانات ونماذج التلاعب بالجزيء الواحد في المختبر". مجلة التكنولوجيا الحيوية الحاسوبية والبنيوية . 19 : 3765-3778. doi :10.1016/j.csbj.2021.06.032. PMC 8267548. PMID  34285777 . 
  15. ^ Kühnlein A, Lanzmich SA, Braun D (مارس 2021). "يمكن تجميع تسلسلات tRNA في مكرر". eLife . 10 : e63431. doi : 10.7554/eLife.63431 . PMC 7924937. PMID  33648631 . 
  16. ^ Maximilian L (3 أبريل 2021). "حل مشكلة الدجاجة والبيضة - خطوة أقرب إلى إعادة بناء أصل الحياة". SciTechDaily . تم الاسترجاع في 3 أبريل 2021 .
  17. ^ Friedberg EC (يناير 2003). "تلف الحمض النووي وإصلاحه". Nature . 421 (6921): 436–440. Bibcode :2003Natur.421..436F. doi : 10.1038/nature01408 . PMID  12540918.
  18. ^ Sabhadiya A (2023-03-13). "Base Pair: Definition, Rules In DNA And RNA" . تم الاسترجاع في 2023-08-04 .
  19. ^ "وظيفة وبنية الحمض النووي (مع رسم بياني) (مقال)". أكاديمية خان . تم الاسترجاع في 10 ديسمبر 2020 .
  20. ^ ألبرتس ب، جونسون أ، لويس ج، راف م، روبرتس ك، والتر ب (2002). علم الأحياء الجزيئي للخلية (الطبعة الرابعة). جارلاند ساينس. ص 238-240. رقم ISBN 0-8153-3218-1.
  21. ^ أليسون إل (2007). علم الأحياء الجزيئي الأساسي . دار بلاكويل للنشر. ص 112. رقم ISBN 978-1-4051-0379-4.
  22. ^ Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L, Clarke ND (2002). الكيمياء الحيوية. WH Freeman and Company. ISBN 0-7167-3051-0.الفصل 27، القسم 2: تتطلب بوليميرات الحمض النووي قالبًا وطبقة أولية
  23. ^ ab McCulloch SD, Kunkel TA (يناير 2008). "دقة تخليق الحمض النووي بواسطة بوليميرات التكاثر والتوليف عبر الآفات حقيقية النواة". Cell Research . 18 (1): 148–161. doi :10.1038/cr.2008.4. PMC 3639319. PMID  18166979 . 
  24. ^ McCarthy D, Minner C, Bernstein H, Bernstein C (أكتوبر 1976). "معدلات استطالة الحمض النووي وتوزيعات نقاط النمو للبكتيريا العصوية من النوع البري T4 وطفرة العنبر التي تؤخر الحمض النووي". مجلة علم الأحياء الجزيئي . 106 (4): 963-981. doi :10.1016/0022-2836(76)90346-6. PMID  789903.
  25. ^ Drake JW (1970) The Molecular Basis of Mutation. Holden-Day, San Francisco ISBN 0-8162-2450-1 ISBN 978-0-8162-2450-0   
  26. ^ ألبرتس ب، جونسون أ، لويس ج، راف م، روبرتس ك، والتر ب (2002). "الفصل 5: آليات تكرار الحمض النووي". علم الأحياء الجزيئي للخلية . جارلاند ساينس. رقم ISBN 0-8153-3218-1.
  27. ^ Weigel C، Schmidt A، Rückert B، Lurz R، Messer W (نوفمبر 1997). "ارتباط بروتين DnaA بصناديق DnaA الفردية في أصل تكرار الإشريكية القولونية، oriC". مجلة إمبو . 16 (21): 6574-6583. دوى :10.1093/emboj/16.21.6574. بمك 1170261 . بميد  9351837. 
  28. ^ Lodish H, Berk A, Zipursky LS, Matsudaira P, Baltimore D, Darnell J (2000). علم الأحياء الخلوي الجزيئي. WH Freeman and Company. ISBN 0-7167-3136-3.12.1. السمات العامة للتضاعف الكروموسومي: ثلاث سمات مشتركة لأصول التضاعف
  29. ^ Lin YC, Prasanth SG (يوليو 2021). "بدء التضاعف: الآثار المترتبة على سلامة الجينوم". إصلاح الحمض النووي . 103 : 103131. doi : 10.1016/j.dnarep.2021.103131 . PMC 8296962. PMID  33992866 . 
  30. ^ أمين أ، وو ر، تشيونج م. هـ، سكوت ج. ف، وانج ز، تشو ز، وآخرون (مارس 2020). "دورة ثنائية الترابط الأساسية والمعتمدة على دورة الخلية تنظم تكرار الحمض النووي الصبغي حقيقيات النوى". تقارير الخلايا . 30 (10): 3323–3338.e6. doi : 10.1016/j.celrep.2020.02.046 . PMID  32160540.
  31. ^ Zhang Y, Yu Z, Fu X, Liang C (يونيو 2002). "Noc3p، وهو بروتين bHLH، يلعب دورًا لا يتجزأ في بدء تكرار الحمض النووي في الخميرة المتبرعمة". Cell . 109 (7): 849–860. doi : 10.1016/s0092-8674(02)00805-x . PMID  12110182.
  32. ^ abcdefghi Morgan DO (2007). دورة الخلية: مبادئ التحكم . لندن: مطبعة العلوم الجديدة. ص 64-75. ISBN 978-0-19-920610-0. OCLC  70173205.
  33. ^ Donaldson AD, Raghuraman MK, Friedman KL, Cross FR, Brewer BJ, Fangman WL (أغسطس 1998). "تنشيط CLB5 المعتمد على أصول التضاعف المتأخر في S. cerevisiae". Molecular Cell . 2 (2): 173–182. doi : 10.1016/s1097-2765(00)80127-6 . PMID  9734354.
  34. ^ Aravind L, Leipe DD, Koonin EV (سبتمبر 1998). "Toprim--a conserved catalytic domain in type IA and II topoisomerases, DnaG-type primases, OLD family nucleases and RecR protein". Nucleic Acids Research . 26 (18): 4205–4213. doi :10.1093/nar/26.18.4205. PMC 147817. PMID  9722641 . 
  35. ^ Frick DN, Richardson CC (يوليو 2001). "بدائل الحمض النووي". المراجعة السنوية للكيمياء الحيوية . 70 : 39–80. doi :10.1146/annurev.biochem.70.1.39. PMID  11395402. S2CID  33197061.
  36. ^ Barry ER, Bell SD (ديسمبر 2006). "تكرار الحمض النووي في العتائق". مراجعات علم الأحياء الدقيقة والبيولوجيا الجزيئية . 70 (4): 876-887. doi :10.1128/MMBR.00029-06. PMC 1698513. PMID  17158702 . 
  37. ^ Stillman B (يوليو 2015). "إعادة النظر في بوليميرات الحمض النووي عند شوكة التضاعف في حقيقيات النوى". الخلية الجزيئية . 59 (2): 139-141. doi :10.1016/j.molcel.2015.07.004. PMC 4636199. PMID  26186286 . 
  38. ^ Rossi ML (فبراير 2009). التمييز بين مسارات إزالة البادئ أثناء نضوج شظايا أوكازاكي حقيقية النواة (أطروحة دكتوراه). كلية الطب وطب الأسنان، جامعة روتشستر. hdl :1802/6537.
  39. ^ Huberman JA, Riggs AD (مارس 1968). "حول آلية تكرار الحمض النووي في الكروموسومات الثديية". مجلة علم الأحياء الجزيئي . 32 (2): 327-341. doi :10.1016/0022-2836(68)90013-2. PMID  5689363.
  40. ^ Gao Y, Cui Y, Fox T, Lin S, Wang H, de Val N, et al. (فبراير 2019). "هياكل ومبادئ تشغيل الريبليزوم". Science . 363 (6429): 835. doi :10.1126/science.aav7003. PMC 6681829. PMID  30679383 . 
  41. ^ ألبرتس ب، جونسون أ، لويس ج، راف م، روبرتس ك، والتر ب (2002). "آليات تكرار الحمض النووي: تمنع توبوإيزوميرازات الحمض النووي تشابك الحمض النووي أثناء التكرار". علم الأحياء الجزيئي للخلية . جارلاند ساينس. رقم ISBN 0-8153-3218-1.
  42. ^ Reece RJ, Maxwell A (26 سبتمبر 2008). "DNA gyrase: structure and function". Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology . 26 (3–4): 335–375. doi :10.3109/10409239109114072. PMID  1657531.
  43. ^ ألبرتس ب، جونسون أ، لويس ج، راف م، روبرتس ك، والتر ب (2002). "آليات تكرار الحمض النووي: بروتينات خاصة تساعد على فتح الحلزون المزدوج للحمض النووي أمام شوكة التكرار". علم الأحياء الجزيئي للخلية . جارلاند ساينس. رقم ISBN 0-8153-3218-1.
  44. ^ Koonin, Eugene V.; Krupovic, Mart; Ishino, Sonoko; Ishino, Yoshizumi (2020-06-09). "آلية تكرار LUCA: الأصل المشترك لتكرار الحمض النووي والنسخ". BMC Biology . 18 (1): 61. doi : 10.1186/s12915-020-00800-9 . ISSN  1741-7007. PMC 7281927. PMID 32517760  . 
  45. ^ Ransom M, Dennehey BK, Tyler JK (يناير 2010). "مرافقة الهستونات أثناء تكرار الحمض النووي وإصلاحه". Cell . 140 (2): 183–195. doi :10.1016/j.cell.2010.01.004. PMC 3433953. PMID  20141833 . 
  46. ^ Griffiths AJ, Wessler SR, Lewontin RC, Carroll SB (2008). مقدمة في التحليل الوراثي . WH Freeman and Company. ISBN 978-0-7167-6887-6.[الفصل السابع: الحمض النووي: البنية والتضاعف. ص 283-290]
  47. ^ كلارك ج (2009-05-11). "هل سيمنعنا حد هايفليك من العيش إلى الأبد؟". Howstuffworks . تم الاسترجاع في 20 يناير 2015 .
  48. ^ abcdef Meister P, Taddei A, Gasser SM (يونيو 2006). "داخل وخارج مصنع التكرار". Cell . 125 (7): 1233–5. doi : 10.1016/j.cell.2006.06.014 . PMID  16814710. S2CID  15397410.
  49. ^ Watson JD, Baker TA, Bell SP, Gann A, Levine M, Losick R, Inglis CH (2008). Molecular Biology of the Gene (الطبعة السادسة). سان فرانسيسكو: بيرسون/بنيامين كومينجز. ص. 237. ISBN 978-0-8053-9592-1.
  50. ^ Brown TA (2002). "الفصل 13.2.3. إنهاء التضاعف". الجينومات . دار نشر BIOS العلمية . رقم ISBN 1-85996-228-9.
  51. ^ ألبرتس ب، جونسون أ، لويس ج، راف م، روبرتس ك، والتر ب (2002). "التحكم داخل الخلايا في أحداث دورة الخلية: مجمعات السيكلين-سي دي كيه في الطور S (S-Cdks) تبدأ تكرار الحمض النووي مرة واحدة لكل دورة". علم الأحياء الجزيئي للخلية . جارلاند ساينس. رقم ISBN 0-8153-3218-1.
  52. ^ Brown TA (2002). "الفصل 13: تكرار الجينوم". الجينومات (الطبعة الثانية). أكسفورد: وايلي ليس.
  53. ^ Nguyen VQ, Co C, Li JJ (يونيو 2001). "الكينازات المعتمدة على السيكلين تمنع إعادة تكرار الحمض النووي من خلال آليات متعددة". مجلة نيتشر . 411 (6841): 1068–1073. رمز Bibcode :2001Natur.411.1068N. doi :10.1038/35082600. PMID  11429609. S2CID  4393812.
  54. ^ توبيسون دي إم، سيفيرت إتش إس (يونيو 2006). "البكتيريا المسببة للأمراض البشرية، النيسرية البنية، متعددة الصبغيات". PLOS Biology . 4 (6): e185. doi : 10.1371/journal.pbio.0040185 . PMC 1470461. PMID  16719561 . 
  55. ^ أودونيل، مايكل؛ لانغستون، لانس؛ ستيلمان، بروس (2013-07-01). "مبادئ ومفاهيم تكرار الحمض النووي في البكتيريا والعتائق والحقيقيات". مجلة كولد سبرينج هاربور للآفاق في علم الأحياء . 5 (7): a010108. doi :10.1101/cshperspect.a010108. ISSN  1943-0264. PMC 3685895. PMID 23818497  . 
  56. ^ Slater S, Wold S, Lu M, Boye E, Skarstad K, Kleckner N (سبتمبر 1995). "يرتبط بروتين E. coli SeqA بـ oriC في تفاعلين مختلفين معدلين بالميثيل مناسبين لأدواره في بدء تكرار الحمض النووي وعزل الأصل". Cell . 82 (6): 927–936. doi : 10.1016/0092-8674(95)90272-4 . PMID  7553853. S2CID  14652024.
  57. ^ كوبر إس، هيلمستيتر سي إي (فبراير 1968). "تضاعف الكروموسوم ودورة انقسام الإشريكية القولونية ب/ر". مجلة علم الأحياء الجزيئي . 31 (3): 519-540. doi :10.1016/0022-2836(68)90425-7. PMID  4866337.
  58. ^ Zeman MK, Cimprich KA (يناير 2014). "أسباب وعواقب إجهاد التضاعف". Nature Cell Biology . 16 (1): 2–9. doi :10.1038/ncb2897. PMC 4354890. PMID 24366029  . 
  59. ^ Saiki RK, Gelfand DH, Stoffel S, Scharf SJ, Higuchi R, Horn GT, et al. (يناير 1988). "التضخيم الإنزيمي الموجه بالبادئ للحمض النووي باستخدام بوليميراز الحمض النووي الثابت حراريًا". مجلة العلوم . 239 (4839): 487–491. رمز Bibcode :1988Sci...239..487S. doi :10.1126/science.239.4839.487. PMID  2448875.
تم الاسترجاع من "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=تكرار_الحمض_النووي&oldid=1232161716"
Original text
Rate this translation
Your feedback will be used to help improve Google Translate