شظايا أوكازاكي

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 4 صور
الموسوعة الحرة
عدم التماثل في تركيب الخيوط الرائدة والمتأخرة

تُعدّ شظايا أوكازاكي تسلسلات قصيرة من نيوكليوتيدات الحمض النووي (يبلغ طولها حوالي 150 إلى 200 زوج قاعدي في حقيقيات النوى ) يتم تصنيعها بشكل متقطع، ثم يتم ربطها معًا بواسطة إنزيم ليغاز الحمض النووي لتكوين الشريط المتأخر أثناء تضاعف الحمض النووي . [ 1 ] وقد اكتشفها الزوجان ريجي وتسونيكو أوكازاكي في ستينيات القرن الماضي ، بمساعدة بعض زملائهم.

أثناء تضاعف الحمض النووي، يُفك اللولب المزدوج ، ويفصل إنزيم هيليكاز الحمض النووي السلاسل المكملة ، مُكَوِّنًا ما يُعرف بشوكة تضاعف الحمض النووي . بعد هذه الشوكة، يبدأ إنزيم برايميز الحمض النووي وإنزيم بوليميراز الحمض النووي بالعمل لإنشاء سلسلة مكملة جديدة. ولأن هذه الإنزيمات لا تعمل إلا في الاتجاه من 5' إلى 3'، فإن سلسلتي القالب المفكوكتين تُضاعفان بطرق مختلفة. [ 2 ] إحدى السلسلتين، وهي السلسلة الرائدة ، تخضع لعملية تضاعف مستمرة لأن سلسلة قالبها لها اتجاه من 3' إلى 5'، مما يسمح لإنزيم البوليميراز الذي يُجمِّع السلسلة الرائدة بمتابعة شوكة التضاعف دون انقطاع. أما السلسلة المتأخرة، فلا يمكن إنشاؤها بشكل مستمر لأن سلسلة قالبها لها اتجاه من 5' إلى 3'، مما يعني أن إنزيم البوليميراز يجب أن يعمل عكسيًا من شوكة التضاعف. وهذا يُسبب انقطاعات دورية في عملية إنشاء السلسلة المتأخرة. يتحرك كل من إنزيم البرايميز وإنزيم البوليميراز في اتجاه معاكس لاتجاه شوكة التضاعف، لذا يجب أن يتوقف الإنزيمان ويبدآ العمل بشكل متكرر بينما يقوم إنزيم الهيليكاز بفك ارتباط خيوط الحمض النووي. بمجرد تكوين هذه القطع، يقوم إنزيم الليغاز بربطها لتكوين خيط واحد متصل. [ 3 ] تُعتبر عملية التضاعف بأكملها "شبه متقطعة" لأن أحد الخيوط الجديدة يتكون بشكل متصل بينما الآخر لا يتكون كذلك. [ 4 ]

[ ٢ ] خلال ستينيات القرن العشرين، أجرى ريجي وتسونيكو أوكازاكي تجارب على تضاعف الحمض النووي في بكتيرياالإشريكية القولونية. قبل ذلك، كان يُعتقد أن التضاعف عملية مستمرة لكلا سلسلتي الحمض النووي، لكن الاكتشافات المتعلقةبالإشريكية القولونيةأدت إلى نموذج جديد للتضاعف. فقد وجد العلماء أن عملية التضاعف غير متصلة، وذلك من خلال وسم الحمض النووي نبضياً ومراقبة التغيرات التي أشارت إلى تضاعف غير متجاور.

التجارب

تكوين شظايا أوكازاكي

The work of Kiwako Sakabe, Reiji Okazaki and Tsuneko Okazaki provided experimental evidence supporting the hypothesis that DNA replication is a discontinuous process. Previously, it was commonly accepted that replication was continuous in both the 3' to 5' and 5' to 3' directions. 3' and 5' are specifically numbered carbons on the deoxyribose ring in nucleic acids, and refer to the orientation or directionality of a strand. In 1967, Tsuneko Okazaki and Toru Ogawa suggested that there is no found mechanism that showed continuous replication in the 3' to 5' direction, only 5' to 3' using DNA polymerase, a replication enzyme. The team hypothesized that if discontinuous replication was used, short strands of DNA, synthesized at the replicating point, could be attached in the 5' to 3' direction to the older strand.[5]

To distinguish the method of replication used by DNA experimentally, the team pulse-labeled newly replicated areas of Escherichia coli chromosomes, denatured, and extracted the DNA. A large number of radioactive short units meant that the replication method was likely discontinuous. The hypothesis was further supported by the discovery of polynucleotide ligase, an enzyme that links short DNA strands together.[6]

In 1968, Reiji and Tsuneko Okazaki gathered additional evidence of nascent DNA strands. They hypothesized that if discontinuous replication, involving short DNA chains linked together by polynucleotide ligase, is the mechanism used in DNA synthesis, then "newly synthesized short DNA chains would accumulate in the cell under conditions where the function of ligase is temporarily impaired." E. coli were infected with bacteriophage T4 that produce temperature-sensitive polynucleotide ligase. The cells infected with the T4 phages accumulated a large number of short, newly synthesized DNA chains, as predicted in the hypothesis, when exposed to high temperatures. This experiment further supported the Okazakis' hypothesis of discontinuous replication and linkage by polynucleotide ligase. It disproved the notion that short chains were produced during the extraction process as well.[7]

The Okazakis' experiments provided extensive information on the replication process of DNA and the existence of short, newly synthesized DNA chains that later became known as Okazaki fragments.

Pathways

Two pathways have been proposed to process Okazaki fragments: the short flap pathway and the long flap pathway.

Short Flap Pathway

في مسار الطية القصيرة في حقيقيات النوى، يتم تحضير الشريط المتأخر من الحمض النووي على فترات قصيرة. في هذا المسار القصير فقط، يشارك إنزيم النيوكلياز FEN1 . غالبًا ما يصادف بوليميراز دلتا (Pol δ) قطعة أوكازاكي المحضرة في اتجاه المصب، فيزيح بادئ الحمض النووي الريبي/الحمض النووي إلى طية 5'. يتعرف إنزيم النيوكلياز الداخلي FEN1 5'-3' على إزاحة الطية 5'، فيقوم بقطعها، مما يُهيئ ركيزة للربط. في هذه الطريقة، تتم إزالة البادئ المُصنّع بواسطة بوليميراز ألفا (Pol α). تشير الدراسات إلى أن FEN1 يُقترح نموذج "التتبع"، حيث ينتقل إنزيم النيوكلياز من الطية 5' إلى قاعدتها لإجراء القطع. [ 8 ] لا يمتلك بوليميراز دلتا نشاطًا نيوكليازيًا لقطع الطية المُزاحة. يقوم FEN1 بقطع الطية القصيرة فور تشكلها. يُثبَط الانقسام عندما يُحجب الطرف 5' من طية الحمض النووي إما ببادئ مكمل أو بجزيء ستربتأفيدين مرتبط بالبيوتين. يقوم إنزيم ربط الحمض النووي بإغلاق القطع الذي أحدثه إنزيم FEN1، مما يُنشئ سلسلة مزدوجة متصلة وظيفيًا من الحمض النووي. يُحاكي بروتين PCNA الوظائف الإنزيمية للبروتينات الخاصة بكل من إنزيم FEN1 وإنزيم ربط الحمض النووي. يُعد هذا التفاعل حاسمًا في إنشاء ربط صحيح لسلسلة الحمض النووي المتأخرة. يُساعد الإزاحة المتسلسلة للسلسلة والانقسام بواسطة بوليميراز δ وإنزيم FEN1، على التوالي، في إزالة الحمض النووي الريبوزي البادئ بالكامل قبل الربط. يتطلب الأمر حدوث العديد من عمليات الإزاحة وتفاعلات الانقسام لإزالة البادئ البادئ. تتم معالجة الطية المُنشأة ونضجها عبر مسار الطية القصيرة.

مسار ذو غطاء طويل

في بعض الحالات، لا يدوم إنزيم FEN1 إلا لفترة قصيرة ثم ينفصل عن مُركّب التضاعف. يُؤدي هذا إلى تأخير في عملية القطع، فتصبح الأجزاء المُزاحة بواسطة بوليميراز دلتا (Pol δ) طويلة. عندما يصل مُركّب RPA إلى طول كافٍ، يُمكنه الارتباط بثبات. عندما تُعاد هيكلة الأجزاء المرتبطة بـ RPA لتخضع لقطع FEN1، فإنها تتطلب نوكليازًا آخر للمعالجة، وقد تم تحديد هذا النيوكلياز البديل، DNA2. يُعاني DNA2 من عيوب في حالة الإفراط في التعبير عن DEN1. وقد أظهر DNA2 قدرته على العمل مع FEN1 لمعالجة الأجزاء الطويلة. يستطيع DNA2 فصل RPA عن الجزء الطويل، وذلك باستخدام آلية مشابهة لآلية FEN1. يرتبط DNA2 بالجزء الطويل ويُمرر النيوكلياز عبر طرفه 5'. يقوم النيوكلياز بقطع الجزء الطويل، مما يجعله قصيرًا جدًا بحيث لا يُمكنه الارتباط بـ RPA، وبالتالي يُصبح مُتاحًا لـ FEN1 والربط. تُعرف هذه الطريقة بطريقة الجزء الطويل. يمكن أن يعمل DNA2 كـ FEN1 كنسخة احتياطية لنشاط النيوكلياز، لكنها ليست عملية فعالة.

مسار بديل

حتى وقت قريب، لم يكن معروفًا سوى مسارين لمعالجة شظايا أوكازاكي. إلا أن الدراسات الحديثة خلصت إلى وجود مسار جديد لتجزئة أوكازاكي وتضاعف الحمض النووي. يتضمن هذا المسار البديل إنزيمي بوليميراز دلتا (Pol δ) وPif1 اللذين يقومان بنفس عملية إزالة الزوائد التي يقوم بها إنزيما بوليميراز دلتا وFEN1. [ 9 ]

الإنزيمات المشاركة في تكوين الشظايا

برايميز

يُضيف إنزيم البرايميز بادئات الحمض النووي الريبوزي (RNA) إلى السلسلة المتأخرة، مما يسمح بتخليق قطع أوكازاكي من الطرف 5' إلى الطرف 3'. مع ذلك، يُنتج البرايميز بادئات الحمض النووي الريبوزي بمعدل أبطأ بكثير من معدل تخليق الحمض النووي بواسطة بوليميراز الحمض النووي (DNA) على السلسلة المتقدمة. كما يجب إعادة تدوير بوليميراز الحمض النووي على السلسلة المتأخرة باستمرار لتكوين قطع أوكازاكي بعد بادئات الحمض النووي الريبوزي. هذا يجعل سرعة تخليق السلسلة المتأخرة أقل بكثير من سرعة تخليق السلسلة المتقدمة. ولحل هذه المشكلة، يعمل البرايميز كإشارة توقف مؤقتة، حيث يُوقف تقدم شوكة التضاعف لفترة وجيزة أثناء تضاعف الحمض النووي. تمنع هذه العملية الجزيئية السلسلة المتقدمة من تجاوز السلسلة المتأخرة. [ 10 ]

بوليميراز الحمض النووي دلتا

يُصنع الحمض النووي الجديد خلال هذه المرحلة بواسطة إنزيمات تُركّب الحمض النووي في الاتجاه من 5' إلى 3'. يُعدّ إنزيم بوليميراز الحمض النووي ضروريًا لكلٍّ من السلسلة الرائدة، التي تُصنع كسلسلة متصلة، والسلسلة المتأخرة، التي تُصنع على شكل قطع صغيرة في عملية تخليق الحمض النووي. تحدث هذه العملية لتمديد القطعة المُصنّعة حديثًا وطرد قطعتي الحمض النووي الريبوزي (RNA) والحمض النووي (DNA). تتم عملية التخليق على ثلاث مراحل باستخدام نوعين مختلفين من البوليميراز: بوليميراز ألفا-برايميز وبوليميراز دلتا. تبدأ هذه العملية بإزاحة بوليميراز ألفا-برايميز من بادئ الحمض النووي الريبوزي (RNA) والحمض النووي (DNA) بواسطة تأثير مُحمّل المشبك، الذي يُوجّه المشبك المنزلق نحو الحمض النووي. بعد ذلك، يبدأ بوليميراز دلتا بالتحوّل إلى شكله الإنزيمي الكامل، ومن ثمّ تبدأ عملية التخليق. تستمر عملية التخليق حتى الوصول إلى الطرف 5' لقطعة أوكازاكي السابقة. عند الوصول، تبدأ عملية معالجة قطعة أوكازاكي بربط القطعة المُصنّعة حديثًا بالسلسلة المتأخرة. تتمثل الوظيفة الأخيرة لإنزيم بوليميراز الحمض النووي دلتا في العمل كمكمل لنشاط إنزيم FEN1/RAD27 5' Flap Endonuclease. يُعد الأليل rad27-p مميتًا في معظم الحالات، ولكنه يبقى حيًا مع إنزيم بوليميراز rad27-p وexo1. يُظهر كل من إنزيم بوليميراز rad27-p وexo1 زيادة تآزرية قوية في طفرات تكرار CAN 1. والسبب الوحيد لبقاء هذه الطفرة حية هو جينات إصلاح انقطاع الحمض النووي المزدوج RAD50 وRAD51 وRAD52. يُحدث RAD27/FEN1 شقوقًا بين قطع أوكازاكي المتجاورة عن طريق تقليل كمية طرد السلسلة في السلسلة المتأخرة.

إنزيم ربط الحمض النووي الأول

أثناء عملية تخليق السلسلة المتأخرة، يقوم إنزيم DNA ligase I بربط قطع أوكازاكي، بعد استبدال بادئات الحمض النووي الريبي (RNA) بنيوكليوتيدات الحمض النووي (DNA) بواسطة إنزيم DNA polymerase δ. قد تتسبب قطع أوكازاكي غير المربوطة في حدوث كسور في السلسلة المزدوجة، مما يؤدي إلى قطع الحمض النووي. [ 11 ] ونظرًا لأن عددًا قليلًا فقط من كسور السلسلة المزدوجة مسموح به، ولا يمكن إصلاح سوى عدد قليل منها، فإن حدوث عدد كافٍ من حالات فشل الربط قد يكون قاتلًا للخلية.

تشير أبحاث أخرى إلى الدور التكميلي لمستضد النواة للخلايا المتكاثرة (PCNA) في وظيفة إنزيم ربط الحمض النووي الأول (DNA ligase I) في ربط قطع أوكازاكي. فعندما يكون موقع ارتباط PCNA على إنزيم ربط الحمض النووي الأول غير نشط، تتأثر قدرة هذا الإنزيم على ربط قطع أوكازاكي بشدة. ومن ثم، يُقترح آلية عمل كالتالي: بعد أن يقوم معقد PCNA-DNA polymerase δ بتخليق قطع أوكازاكي، يتم تحرير إنزيم ربط الحمض النووي الأول. بعد ذلك، يرتبط إنزيم ربط الحمض النووي الأول بـ PCNA، الذي يكون بدوره مثبتًا على شقوق السلسلة المتأخرة، ويحفز تكوين روابط فوسفاتية ثنائية الإستر. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]

إنزيم إندونوكلياز 1 ذو الغطاء

إنزيم FEN1 مسؤول عن معالجة قطع أوكازاكي. يعمل هذا الإنزيم مع بوليميراز الحمض النووي لإزالة بادئ الحمض النووي الريبي من قطعة أوكازاكي، كما يمكنه إزالة النيوكليوتيد الريبي 5' والزوائد 5' عندما يُزيح بوليميراز الحمض النووي السلاسل أثناء تخليق السلسلة المتأخرة. تتضمن إزالة هذه الزوائد عملية تُسمى ترجمة الشق، وتُحدث شقًا للربط. بالتالي، فإن وظيفة FEN1 ضرورية لنضوج قطع أوكازاكي في تكوين سلسلة حمض نووي طويلة متصلة. وبالمثل، أثناء إصلاح قواعد الحمض النووي، يُزاح النيوكليوتيد التالف إلى زائدة، ثم يُزال بواسطة FEN1. [ 15 ] [ 16 ]

إنزيم نوكلياز DNA2

لا يمتلك إنزيم Dna2 endonuclease بنيةً محددة، وخصائصه غير موصوفة بدقة، ولكن يمكن الإشارة إليه على أنه حمض نووي أحادي السلسلة ذو نهايات حرة (ssDNA). يُعدّ إنزيم Dna2 endonuclease ضروريًا لقطع أجزاء الحمض النووي الطويلة التي تغادر FEN1 أثناء عملية أوكازاكي. كما أنه مسؤول عن إزالة قطعة الحمض النووي الريبوزي البادئ من شظايا أوكازاكي. بالإضافة إلى ذلك، يلعب إنزيم Dna2 endonuclease دورًا محوريًا في المركبات الوسيطة المتكونة أثناء عمليات استقلاب الحمض النووي المختلفة، وهو فعال في الحفاظ على التيلوميرات. [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]

يُصبح إنزيم Dna2 الداخلي نشطًا عند ارتباط قطعة RNA طرفية بالنهاية 5'، لأنه ينتقل في الاتجاه من 5' إلى 3'. في وجود بروتين RPA الرابط للحمض النووي أحادي السلسلة، تُصبح أطراف الحمض النووي 5' طويلة جدًا، ولا تُصبح الشقوق مناسبة كركيزة لإنزيم FEN1. هذا يمنع FEN1 من إزالة أطراف 5'. بالتالي، يتمثل دور Dna2 في تقصير النهاية 3' لهذه القطع، مما يُتيح لـ FEN1 قطع الأطراف، ويجعل نضج قطع أوكازاكي أكثر كفاءة. خلال عملية أوكازاكي، يكون إنزيم Dna2 الحلزوني والداخلي غير قابلين للفصل. لا يعتمد نشاط إنزيم Dna2 الداخلي على بنية الشوكة ذات الذيل 5'. من المعروف أن الارتباط غير المُنتج يُعيق انقسام FEN1 وتتبعه. من المعروف أن ATP يُقلل النشاط، ولكنه يُعزز إطلاق العلامة من النهاية 3'. أشارت الدراسات إلى أن نموذجًا جديدًا من إنزيم Dna2 Endonuclease وFEN1 مسؤول جزئيًا عن نضج شظايا أوكازاكي. [ 20 ] [ 18 ] [ 17 ] [ 22 ]

الوظيفة البيولوجية

ترتبط جزيئات الحمض النووي المُصنّعة حديثًا، والمعروفة أيضًا باسم شظايا أوكازاكي، بإنزيم ربط الحمض النووي، مما يُشكّل سلسلة جديدة من الحمض النووي. تتكون سلسلتان عند تصنيع الحمض النووي. تُصنّع السلسلة الرائدة باستمرار وتطول خلال هذه العملية لكشف القالب المستخدم في السلسلة المتأخرة (شظايا أوكازاكي). خلال عملية تضاعف الحمض النووي، تُزال بادئات الحمض النووي والحمض النووي الريبي من السلسلة المتأخرة للسماح لشظايا أوكازاكي بالارتباط بها. نظرًا لشيوع هذه العملية، فإن نضج شظايا أوكازاكي يحدث حوالي مليون مرة خلال دورة تضاعف واحدة للحمض النووي. لكي يحدث نضج شظايا أوكازاكي، يجب أن تُشكّل بادئات الحمض النووي الريبي أجزاءً على الشظايا المراد ربطها. تُستخدم هذه الأجزاء كوحدة بناء لتصنيع الحمض النووي في السلسلة المتأخرة. على سلسلة القالب، يقوم إنزيم البوليميراز بالتصنيع في الاتجاه المعاكس لشوكة التضاعف. بمجرد أن يصبح القالب غير متصل، فإنه يُشكّل شظية أوكازاكي. قد تؤدي عيوب نضج شظايا أوكازاكي إلى انقطاع خيوط الحمض النووي، مما يُسبب أشكالًا مختلفة من تشوهات الكروموسومات. ويمكن أن تؤثر هذه الطفرات في الكروموسومات على مظهرها، أو عدد مجموعاتها، أو عدد الكروموسومات الفردية. وبما أن الكروموسومات ثابتة لكل نوع على حدة، فقد تُغير هذه الطفرات الحمض النووي وتُسبب عيوبًا في الموروث الجيني لهذا النوع.

الاختلافات بين بدائيات النوى وحقيقيات النوى

توجد شظايا أوكازاكي في كل من بدائيات النوى وحقيقيات النوى . [ 23 ] تختلف جزيئات الحمض النووي في حقيقيات النوى عن جزيئات بدائيات النوى الدائرية في كونها أكبر حجمًا، وعادةً ما تحتوي على مواقع بدء تضاعف متعددة. هذا يعني أن كل كروموسوم حقيقي النواة يتكون من العديد من وحدات تضاعف الحمض النووي ذات مواقع بدء تضاعف متعددة. في المقابل، يحتوي الحمض النووي في بدائيات النوى على موقع بدء تضاعف واحد فقط. في حقيقيات النوى، تُشكّل شوكات التضاعف هذه، المنتشرة بكثرة على طول الحمض النووي، "فقاعات" داخل الحمض النووي أثناء التضاعف. تتشكل شوكة التضاعف عند نقطة محددة تُسمى تسلسلات التضاعف الذاتي (ARS). تحتوي حقيقيات النوى على مُركّب مُحمّل المشبك ومشبك سداسي الوحدات يُسمى مستضد النواة للخلايا المتكاثرة. [ 24 ] تعتمد الحركة الفعالة لشوكة التضاعف أيضًا بشكل حاسم على الوضع السريع للمشابك المنزلقة في المواقع المُهيأة حديثًا على شريط الحمض النووي المتأخر بواسطة مُركّبات مُحمّل المشبك المعتمدة على ATP. هذا يعني أن التوليد التدريجي لقطع أوكازاكي يواكب التخليق المستمر للحمض النووي على السلسلة الرائدة. تُعدّ هذه المركبات المُحمّلة للمشابك سمة مميزة لجميع حقيقيات النوى، وتُفسّر بعض الاختلافات الطفيفة في تخليق قطع أوكازاكي بين بدائيات النوى وحقيقيات النوى. [ 25 ] كما يختلف طول قطع أوكازاكي بين بدائيات النوى وحقيقيات النوى. ففي بدائيات النوى، تكون قطع أوكازاكي أطول بكثير من تلك الموجودة في حقيقيات النوى. إذ يتراوح طول قطع أوكازاكي في حقيقيات النوى عادةً بين 100 و200 نيوكليوتيد، بينما قد يصل طولها في بكتيريا الإشريكية القولونية بدائية النوى إلى 2000 نيوكليوتيد. ولا يزال سبب هذا التباين غير معروف.

يتكون كل كروموسوم حقيقي النواة من العديد من وحدات الحمض النووي المتضاعفة ذات مواقع بدء تضاعف متعددة. في المقابل، يحتوي كروموسوم بكتيريا الإشريكية القولونية بدائية النواة على موقع بدء تضاعف واحد فقط. يحدث التضاعف في بدائيات النوى داخل السيتوبلازم، ويبدأ بتضاعف يتكون من حوالي 100 إلى 200 نيوكليوتيد أو أكثر. تحتوي جزيئات الحمض النووي في حقيقيات النوى على عدد أكبر بكثير من وحدات التضاعف ، حوالي 50,000 أو أكثر؛ ومع ذلك، لا يحدث التضاعف في الوقت نفسه على جميع وحدات التضاعف. في حقيقيات النوى، يحدث تضاعف الحمض النووي في النواة. تتشكل وفرة من وحدات التضاعف في جزيء الحمض النووي المتضاعف الواحد، حيث يتم نقل بداية تضاعف الحمض النووي بواسطة بروتين متعدد الوحدات الفرعية. هذا التضاعف بطيء، وأحيانًا تتم إضافة حوالي 100 نيوكليوتيد في الثانية.

نستنتج من ذلك أن الخلايا بدائية النواة أبسط في تركيبها، فهي تفتقر إلى النواة والعضيات، وتحتوي على كمية ضئيلة جدًا من الحمض النووي (DNA) على شكل كروموسوم واحد. أما الخلايا حقيقية النواة، فتحتوي على نواة مع عضيات متعددة وكمية أكبر من الحمض النووي (DNA) مرتبة في كروموسومات خطية. كما نلاحظ أن الحجم يُعدّ فرقًا آخر بين الخلايا بدائية النواة وحقيقية النواة. إذ تحتوي الخلية حقيقية النواة في المتوسط ​​على حمض نووي (DNA) أكثر بنحو 25 مرة من الخلية بدائية النواة. ويحدث التضاعف في الخلايا بدائية النواة أسرع بكثير منه في الخلايا حقيقية النواة؛ ففي البكتيريا، قد يستغرق التضاعف 40 دقيقة فقط، بينما قد تستغرق الخلايا الحيوانية ما يصل إلى 400 ساعة. كما تمتلك حقيقيات النوى آلية مميزة لتضاعف التيلوميرات في نهايات كروموسوماتها الأخيرة. أما بدائيات النوى، فلها كروموسومات دائرية، مما يمنع تخليق النهايات. وتتميز بدائيات النوى بعملية تضاعف قصيرة تحدث باستمرار. أما الخلايا حقيقية النواة، من ناحية أخرى، فلا تقوم بتضاعف الحمض النووي إلا خلال المرحلة S من دورة الخلية .

تتشابه هذه الكائنات الحية في خطوات تضاعف الحمض النووي. ففي كل من بدائيات النوى وحقيقيات النوى، يتم التضاعف عن طريق فك لولب الحمض النووي بواسطة إنزيم يُسمى هيليكاز الحمض النووي. وتُنشأ خيوط جديدة بواسطة إنزيمات تُسمى بوليميراز الحمض النووي. ويتبع كلا النوعين نمطًا مشابهًا يُسمى التضاعف شبه المحافظ، حيث تُنتج خيوط الحمض النووي الفردية في اتجاهات مختلفة، مما يُشكل خيطًا رائدًا وخيطًا متأخرًا. ويتم تصنيع هذه الخيوط المتأخرة عن طريق إنتاج قطع أوكازاكي التي سرعان ما تتحد. ويبدأ كلا الكائنين بتكوين خيوط جديدة من الحمض النووي تتضمن أيضًا خيوطًا صغيرة من الحمض النووي الريبوزي (RNA).

الاستخدامات في التكنولوجيا

المفاهيم الطبية المرتبطة بشظايا أوكازاكي

قد تؤدي طفرة طفيفة في النيوكليوتيدات المتطابقة إلى انحرافات كروموسومية وإعادة ترتيب جيني غير مقصود.

على الرغم من أن الخلايا تخضع لعدة خطوات لضمان عدم حدوث طفرات في التسلسل الجيني، إلا أن بعض الحذوفات المحددة والتغيرات الجينية الأخرى أثناء نضج قطع أوكازاكي قد تمر دون أن تُكتشف. ولأن قطع أوكازاكي هي مجموعة النيوكليوتيدات الخاصة بالخيط المتأخر، فإن أي تغيير، بما في ذلك الحذوفات أو الإدخالات أو التكرارات من الخيط الأصلي، قد يُسبب طفرة إذا لم يتم اكتشافه وتصحيحه. تشمل الأسباب الأخرى للطفرات مشاكل في البروتينات التي تُساعد في تضاعف الحمض النووي. على سبيل المثال، تؤثر طفرة متعلقة بالبرايميز على إزالة بادئ الحمض النووي الريبي، مما قد يجعل خيط الحمض النووي أكثر هشاشة وعرضة للكسر. وتتعلق طفرة أخرى ببوليميراز ألفا، مما يُعيق تحرير تسلسل قطع أوكازاكي ودمج البروتين في المادة الوراثية. يمكن أن يؤدي كلا التغييرين إلى انحرافات كروموسومية، وإعادة ترتيب جيني غير مقصود، وأنواع مختلفة من السرطانات في مراحل لاحقة من الحياة. [ 26 ]

لاختبار تأثير الطفرات البروتينية على الكائنات الحية، قام الباحثون بتعديل فئران المختبر وراثيًا لتكون متماثلة الزيجوت لطفرة أخرى في بروتين مرتبط بتضاعف الحمض النووي، وهو إنزيم FEN1. تفاوتت النتائج باختلاف الطفرات الجينية المحددة. عانت الفئران الطافرة متماثلة الزيجوت من "فشل في تكاثر الخلايا" و"موت مبكر في المرحلة الجنينية" (27). أما الفئران التي تحمل الطفرتين F343A وF344A (المعروفة أيضًا باسم FFAA) فقد نفقت مباشرة بعد الولادة نتيجة مضاعفات الولادة، بما في ذلك نقص جميع خلايا الدم ونقص تنسج الرئة . يعود ذلك إلى أن طفرة FFAA تمنع إنزيم FEN1 من التفاعل مع PCNA (مستضد النواة للخلايا المتكاثرة)، مما يحول دون إتمام وظيفته أثناء نضج شظايا أوكازاكي. يُعتبر التفاعل مع هذا البروتين الوظيفة الجزيئية الأساسية في الوظيفة البيولوجية لإنزيم FEN1. تُسبب طفرة FFAA عيوبًا في إزالة بادئات الحمض النووي الريبوزي (RNA) وإصلاح أزواج القواعد الطويلة، مما يؤدي إلى حدوث العديد من الكسور في الحمض النووي (DNA). عند المراقبة الدقيقة، يبدو أن الخلايا المتماثلة الزيجوت لطفرات FFAA FEN1 تُظهر عيوبًا جزئية فقط في النضج، مما يعني أن الفئران غير المتماثلة الزيجوت لهذه الطفرة قادرة على البقاء حتى مرحلة البلوغ، على الرغم من وجود العديد من الشقوق الصغيرة في جينوماتها. مع ذلك، تمنع هذه الشقوق حتمًا تضاعف الحمض النووي في المستقبل لأن الكسر يتسبب في انهيار شوكة التضاعف ويؤدي إلى كسور في سلسلتي الحمض النووي. بمرور الوقت، تُسبب هذه الشقوق أيضًا كسورًا كاملة في الكروموسومات، مما قد يؤدي إلى طفرات خطيرة وسرطانات. تم تطبيق طفرات أخرى باستخدام نسخ معدلة من بوليميراز ألفا، مما أدى إلى نتائج مماثلة. [ 26 ]

مراجع

  1. ↑ بالاكريشنان إل، بامبارا آر إيه (فبراير 2013). " استقلاب شظايا أوكازاكي" . وجهات نظر كولد سبرينغ هاربور في علم الأحياء . 5 (2) a010173. doi : 10.1101/cshperspect.a010173 . PMC 3552508. PMID 23378587 .  
  2. 1 2 أوكازاكي، ت. (2017-05-11). "أيامٌ في نسج تخليق السلسلة المتأخرة من الحمض النووي - ذكريات شخصية عن اكتشاف شظايا أوكازاكي ودراسات حول آلية التضاعف غير المتصل" . وقائع الأكاديمية اليابانية. السلسلة ب، العلوم الفيزيائية والبيولوجية . 93 (5): 322-338 . Bibcode : 2017PJAB...93..322O . doi : 10.2183/pjab.93.020 . PMC 5489436. PMID 28496054 .  
  3. ↑ كوبر جي إم (2000). "تضاعف الحمض النووي" . الخلية: مدخل جزيئي ( الطبعة الثانية). سندرلاند (ماساتشوستس): سيناور أسوشيتس. 
  4. ↑ ماكنيل، إس. أ. (أكتوبر 2001). "تضاعف الحمض النووي: شركاء في خطوة أوكازاكي الثنائية" . علم الأحياء الحالي . 11 (20): R842– R844 . رمز Bibcode : 2001CBio...11.R842M . doi : 10.1016/s0960-9822(01)00500-0 . PMID 11676941. S2CID 15853820 .  
  5. ↑ أوغاوا تي، أوكازاكي تي (1980). "تضاعف الحمض النووي غير المتصل". المراجعة السنوية للكيمياء الحيوية . 49 : 421-457 . doi : 10.1146/annurev.bi.49.070180.002225 . PMID 6250445 . 
  6. ↑ أوكازاكي ر، أوكازاكي ت، ساكابي ك، سوغيموتو ك، سوغينو أ (فبراير 1968). "آلية نمو سلسلة الحمض النووي. 1. احتمالية عدم الاستمرارية والبنية الثانوية غير العادية للسلاسل المُصنّعة حديثًا" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 59 (2): 598-605 . Bibcode : 1968PNAS...59..598O . doi : 10.1073 / pnas.59.2.598 . PMC 224714. PMID 4967086 .  
  7. ↑ سوغيموتو ك، أوكازاكي ت، أوكازاكي ر (أغسطس 1968). "آلية نمو سلسلة الحمض النووي، الجزء الثاني: تراكم السلاسل القصيرة المُصنّعة حديثًا في بكتيريا الإشريكية القولونية المصابة بفيروسات T4 المعيبة في إنزيم الليغاز" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 60 (4): 1356-1362 . Bibcode : 1968PNAS...60.1356S . doi : 10.1073 / pnas.60.4.1356 . PMC 224926. PMID 4299945 .  
  8. ↑ تسوتاكاوا، سوزان (27 يونيو 2017). "توجيه الفوسفات بواسطة إنزيم Flap Endonuclease 1 يعزز خصوصية الطرف 5′ والقطع لمنع عدم استقرار الجينوم" . Nature Communications . 8 (1) 15855: 15. doi : 10.1038/ncomms15855 . PMC 5490271. PMID 28653660 .  
  9. ↑ بايك، جيه إي، وهنري، آر إيه، وبيرجرز، بي إم، وكامبل، جيه إل، وبامبارا، آر إيه (ديسمبر 2010). " مسار بديل لمعالجة شظايا أوكازاكي: حلّ الطيات الخلفية بواسطة إنزيم Pif1 الحلزوني" . مجلة الكيمياء البيولوجية . 285 (53): 41712-41723 . doi : 10.1074/jbc.M110.146894 . PMC 3009898. PMID 20959454 .  
  10. ↑ لي جيه بي، هايت آر كيه، حمدان إس إم، شي إكس إس، ريتشاردسون سي سي، فان أويجن إيه إم (فبراير 2006). "إنزيم برايميز الحمض النووي يعمل كمكبح جزيئي في تضاعف الحمض النووي" (ملف PDF) . مجلة نيتشر . 439 (7076): 621-624 . Bibcode : 2006Natur.439..621L . doi : 10.1038/ nature04317 . PMID 16452983. S2CID 3099842 .  
  11. ↑ سوزا إس، ليفا في، فاجو آر، فيراري جي، مازيني جي، بيامونتي جي، مونتيكوكو إيه (أبريل 2009). "يؤدي نقص إنزيم ربط الحمض النووي الأول إلى تلف الحمض النووي المعتمد على التضاعف ويؤثر على مورفولوجيا الخلية دون إعاقة تقدم دورة الخلية" . علم الأحياء الجزيئي والخلوي . 29 (8): 2032-2041 . doi : 10.1128/MCB.01730-08 . PMC 2663296. PMID 19223467 .  
  12. ↑ جين واي إتش، أيغاري آر، ريسنيك إم إيه، غوردينين دي إيه، بورغرز بي إم (يناير 2003). "نضج شظايا أوكازاكي في الخميرة. الجزء الثاني: التعاون بين نشاطي البوليميراز والإكسونوكلياز 3'-5' لبوليميراز دلتا في تكوين شق قابل للربط" . مجلة الكيمياء البيولوجية . 278 (3): 1626-1633 . doi : 10.1074/jbc.M209803200 . PMID 12424237 . 
  13. ↑ ليفين دي إس، باي دبليو، ياو إن، أودونيل إم، تومكينسون إيه إي (نوفمبر 1997). "تفاعل بين إنزيم ربط الحمض النووي الأول ومستضد النواة للخلايا المتكاثرة: دلالات على تخليق وربط شظايا أوكازاكي" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 94 (24): 12863-12868 . Bibcode : 1997PNAS...9412863L . doi : 10.1073 / pnas.94.24.12863 . PMC 24229. PMID 9371766 .  
  14. ↑ ليفين دي إس، ماكينا إيه إي، موتيكا تي إيه، ماتسوموتو واي، تومكينسون إيه إي (2000). "التفاعل بين PCNA وإنزيم ربط الحمض النووي الأول ضروري لربط شظايا أوكازاكي وإصلاح استئصال القاعدة ذي الرقعة الطويلة" . علم الأحياء الحالي . 10 (15): 919-922 . Bibcode : 2000CBio...10..919L . doi : 10.1016/ S0960-9822 (00)00619-9 . PMID 10959839. S2CID 14089939 .  
  15. ↑ جين واي إتش، أوبيرت آر، بيرجرز بي إم، كونكل تي إيه، ريسنيك إم إيه، جوردينين دي إيه (أبريل 2001). "يمكن للإنزيم الخارجي 3'→5' لبوليميراز الحمض النووي دلتا أن يحل محل الإنزيم الداخلي Rad27/Fen1 في معالجة شظايا أوكازاكي ومنع عدم استقرار الجينوم" . وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة الأمريكية . 98 (9): 5122-5127 . Bibcode : 2001PNAS...98.5122J . doi : 10.1073/pnas.091095198 . PMC 33174. PMID 11309502 .  
  16. ↑ ليو واي، كاو إتش آي، بامبارا آر إيه (2004). "إنزيم إندونوكلياز 1: عنصر أساسي في استقلاب الحمض النووي". المراجعة السنوية للكيمياء الحيوية . 73 : 589-615 . doi : 10.1146/annurev.biochem.73.012803.092453 . PMID 15189154 . 
  17. 1 2 باي إس إتش، كيم دي دبليو، كيم جيه، كيم جيه إتش، كيم دي إتش، كيم إتش دي، وآخرون . (يوليو 2002). "اقتران نشاطي إنزيم فك اللولب وإنزيم النوكلياز الداخلي لإنزيم Dna2 في الخميرة يُسهّل معالجة شظايا أوكازاكي" . مجلة الكيمياء البيولوجية . 277 (29): 26632-26641 . doi : 10.1074/jbc.M111026200 . PMID 12004053 .  
  18. 1 2 باي إس إتش، سيو واي إس (ديسمبر 2000). "توصيف الخصائص الإنزيمية لإنزيم الهيليكاز/إندونوكلياز dna2 في الخميرة يشير إلى نموذج جديد لمعالجة شظايا أوكازاكي" . مجلة الكيمياء البيولوجية . 275 (48): 38022-38031 . doi : 10.1074/jbc.M006513200 . PMID 10984490 . 
  19. ↑ كانغ واي إتش، لي سي إتش، سيو واي إس (أبريل 2010). "Dna2 في طريق معالجة شظايا أوكازاكي واستقرار الجينوم في حقيقيات النوى". مراجعات نقدية في الكيمياء الحيوية والبيولوجيا الجزيئية . 45 (2): 71-96 . doi : 10.3109/10409230903578593 . PMID 20131965. S2CID 23897130 .  
  20. 1 2 ستيوارت، جيه إيه، كامبل، جيه إل، بامبارا، آر إيه (مارس 2009). "أهمية تفكك Dna2 بواسطة إنزيم النوكلياز الداخلي 1 لمعالجة شظايا أوكازاكي في الخميرة Saccharomyces cerevisiae" . مجلة الكيمياء البيولوجية . 284 (13): 8283-8291 . doi : 10.1074/jbc.M809189200 . PMC 2659186. PMID 19179330 .  
  21. ↑ دوكسين جيه بي، مور إتش آر، سيدوروفا جيه، كارانجا كيه، هوناكر واي، داو بي، وآخرون . (يونيو 2012). "دور إنزيم Dna2 البشري أثناء تضاعف الحمض النووي مستقل عن معالجة شظايا أوكازاكي" . مجلة الكيمياء البيولوجية . 287 (26): 21980-21991 . doi : 10.1074/ jbc.M112.359018 . PMC 3381158. PMID 22570476 .   
  22. ↑ أيغاري ر، غوميز إكس في، غوردينين دي إيه، بورغرز بي إم (يناير 2003). "نضج شظايا أوكازاكي في الخميرة. 1. توزيع الوظائف بين FEN1 وDNA2" . مجلة الكيمياء البيولوجية . 278 (3): 1618-1625 . doi : 10.1074/jbc.M209801200 . PMID 12424238 . 
  23. ↑ موراي إس، ميرتنز بي. "هل قطع أوكازاكي حصرية للكائنات حقيقية النواة؟ أم أنها ظاهرة عامة، وبالتالي موجودة في تضاعف الحمض النووي البكتيري أيضًا؟" . MCB 150 الأسئلة الشائعة . كلية البيولوجيا الجزيئية والخلوية، جامعة إلينوي في أوربانا-شامبين. مؤرشف من الأصل في 3 أغسطس 2014.
  24. ↑ "تضاعف الحمض النووي في حقيقيات النوى" . التكنولوجيا الحيوية الجزيئية النباتية . multilab.biz. 29 مارس 2011. مؤرشف من الأصل في 22 أغسطس 2011.
  25. ↑ ماتسوناغا ف، نورايس س، فورتير ب، ميليكاليو هـ (فبراير 2003). "تحديد أجزاء أوكازاكي القصيرة 'حقيقية النواة' المُصنّعة من أصل تضاعف بدائي النواة" . تقارير EMBO . 4 (2): 154-158 . doi : 10.1038/sj.embor.embor732 . PMC 1315830. PMID 12612604 .  
  26. 1 2 Zheng L, Shen B (فبراير 2011). " نضج شظايا أوكازاكي: النيوكليازات تحتل مركز الصدارة" . مجلة بيولوجيا الخلية الجزيئية . 3 (1): 23-30 . doi : 10.1093/jmcb/mjq048 . PMC 3030970. PMID 21278448 .  

للمزيد من القراءة