Každý človek začína ako jediné oplodnené vajíčko. Do dospelosti sa táto jediná bunka zmenila na približne 37 biliónov buniek, z ktorých mnohé pokračujú v delení, aby každých niekoľko mesiacov produkovali rovnaké množstvo nových ľudských buniek.

Tieto bunky však čelia obrovskej výzve. Priemer rozdelených buniek 3.2 by sa mal skopírovať jedna miliarda párov báz DNA, približne raz za 24 hodín. Replikačný mechanizmus bunky robí úžasnú prácu, kopíruje genetický materiál fragmentovanou rýchlosťou asi 50 párov báz za sekundu.

Toto je však veľmi pomalé na replikáciu a ľudské gény. Ak sa kopírovací mechanizmus bunky spustí na čele každého z jej 46 chromozómov súčasne, dokončí najdlhší chromozóm – nie. 1, pri 249 miliónoch párov báz – za približne dva mesiace.

hovorí James Berger, štrukturálny biológ z Johns Hopkins University School of Medicine v Baltimore a spoluautor Esej o replikácii DNA v eukaryotoch In Biochemistry Annual Review 2021. Kvasinkové bunky majú stovky potenciálnych reprodukčných pôvodov, ako sa im hovorí, a zvieratá ako myši a ľudia ich majú desaťtisíce, rozšírených v ich genómoch.

„To však predstavuje svoju vlastnú výzvu, ktorou je, ako viete, kde začať a ako si všetko načasovať?“ hovorí Berger. Bez starostlivej kontroly môže byť niektorá DNA skopírovaná dvakrát, čo spôsobí bunkové šialenstvo.

Aby sa predišlo tomuto huncútstvu, je obzvlášť dôležité udržiavať pevné uchopenie procesu replikácie DNA. Dnes výskumníci podnikajú kroky smerom k úplnejšiemu pochopeniu molekulárnych kontrol a rovnováh, ktoré sa vyvinuli, aby sa zabezpečilo, že každý rodič začne kopírovať DNA iba raz, aby presne vytvoril nový, úplný genóm.

Urob to správne, urob to rýchlo

Ak sa replikácia nespustí správne, môžu sa stať zlé veci. Aby sa DNA skopírovala, musí sa otvoriť dvojitá špirála DNA a výsledné jednotlivé vlákna – každé slúžiace ako šablóna na vytvorenie nového druhého vlákna – sú náchylné na zlomenie. Alebo sa proces môže zrútiť. „Naozaj chcete rýchlo vyriešiť nadbytočnosť,“ hovorí John Devley, biochemik z Inštitútu Francisa Cricka v Londýne. Problémy počas replikácie DNA môžu spôsobiť dezorganizovanie genómu, čo je často nevyhnutný krok na ceste k rakovine.

Niektoré genetické choroby sú tiež spôsobené Problémy s replikáciou DNA. Napríklad Meyerov-Gorlinov syndróm, ktorý zahŕňa nízky vzrast, malé uši a malé alebo žiadne jabĺčka kolien, je spôsobený mutáciami niekoľkých génov, ktoré pomáhajú spustiť proces replikácie DNA.

Na to, aby sa mechanizmus replikácie DNA začal replikovať v správnom bode životného cyklu bunky, je potrebný presne koordinovaný tanec desiatok proteínov. Výskumníci majú celkom dobrú predstavu o tom, ktoré proteíny čo robia, pretože dokázali uskutočniť replikáciu DNA v biologických zmesiach bez buniek v laboratóriu. Napodobňujú prvé kritické kroky pri začatí replikácie pomocou bielkovín z kvasníc– rovnaký druh, aký sa používa na výrobu chleba a piva – a napodobnili veľa z celého procesu replikácie Použitie ľudských kópií replikačných proteínovtiež.

Bunka riadi spustenie replikácie DNA v dvojkrokovom procese. Zmyslom tohto procesu je kontrolovať činnosť kľúčového enzýmu nazývaného helikáza, ktorý uvoľňuje dvojitú špirálu DNA pri príprave na jej transkripciu. V prvom kroku sa neaktívne helikázy nanesú na DNA v počiatku, kde sa spustí replikácia. Počas druhého kroku sa aktivuje helikáza, aby sa dekódovala DNA.

Pripravené (stiahnuť helicase)…

Proces začína tým, že skupina šiestich proteínov sedí na začiatku. Táto skupina sa nazýva ORC Vo forme dvojvrstvového krúžku Bergerov tím zistil, že má šikovnú štrbinu, ktorá mu umožnila vkĺznuť do vlákien DNA.

V pekárskych kvasniciach, obľúbenom medzi vedcami, ktorí študujú replikáciu DNA, sú tieto štartovacie miesta ľahko rozpoznateľné: Obsahujú špecifickú základnú sekvenciu DNA s dĺžkou 11 až 17 písmen, bohatú na chemické bázy adenín a tymín. Vedci sledovali, ako ork schmatol DNA a potom sa kĺzal pozdĺž, Nájdite pôvodnú sekvenciu Kým nenájde to správne miesto.

Ale u ľudí a iných zložitých foriem života nie sú iniciačné miesta jasne definované a nie je úplne jasné, čo spôsobuje, že ork praskne a drží sa, hovorí Alessandro Costa, štrukturálny biológ z Crick Institute, ktorý spolu s Devleym napísal O iniciácii replikácie DNA Vo výročnom prehľade biochémie z roku 2022. Zdá sa pravdepodobné, že replikácia sa začne na miestach, kde sa uvoľnil genóm – zvyčajne tesne obalený proteínmi nazývanými históny.

Akonáhle ORC spočíva na DNA, priťahuje druhý proteínový komplex: taký, ktorý obsahuje špirálu, ktorá nakoniec DNA rozvinie. Costa a kolegovia použili elektrónovú mikroskopiu, aby zistili, ako sa používajú orkovia Navnadí najprv jednu helikázu, potom druhú. Helikáza má tiež tvar prstenca a každá sa rozvinie, aby sa omotala okolo dvojvláknovej DNA. Potom sa dve roviny opäť uzavrú, stoja oproti sebe na vláknach DNA, ako dve guľôčky na šnúrke.

Najprv tam len sedia ako autá bez plynu v nádrži. Ešte nebola aktivovaná a v súčasnosti bunka vykonáva svoju obvyklú prácu.

Získajte súpravu (aktivácia Helicase)…

Veci sa začnú naozaj rýchlo, keď dôležitá molekula nazývaná CDK zamáva zelenou vlajkou a spustí skok v chemických krokoch, ktoré lákajú viac bielkovín. Jednou z nich je DNA polymeráza – čo Costa nazýva „písací stroj“, ktorý vytvorí nové vlákna DNA – ktorá sa pripojí ku každej helikáze. Iné aktivujú helikázy, ktoré teraz môžu spaľovať energiu, aby prúdila pozdĺž DNA.

Keď sa to stane, zmení tvar helikáz, pričom jeden reťazec DNA tlačí a druhý ťahá. To vytvára napätie na slabých vodíkových väzbách, ktoré normálne držia dve vlákna pohromade pomocou báz – As, Cs, Ts a Gs, ktoré tvoria priečky rebríčka DNA. Trsy sú roztrhané. Costa a jeho kolegovia pozorovali, aké boli tieto dva vrtuľníky dešifrovať DNA medzi nimiA videli, ako lietadlá udržiavajú nepripútané základne stabilné a mimo dosahu.

On ide!

Na začiatku boli oba stavy ovinuté okolo oboch reťazcov DNA a nemohli sa takto dostať ďaleko, pretože boli oproti sebe a narazili by do seba. Potom však obaja podstúpia repozíciu, pričom vypľúvajú jedno alebo druhé vlákno DNA zo slučky. Teraz, keď sú oddelené, môžu sa zhlukovať jeden na druhého a replikácia rýchlo pokračuje.

Každý špirálový motor sa pohybuje po svojom vlastnom individuálnom závite v opačnom smere ako druhý. Zanechávajú počiatok za sebou a pri ceste sa vzďaľujú od párov báz viazaných vodíkovými väzbami. Hneď za tým je DNA polymeráza, ktorá prepisuje písmená DNA, keď sa oslobodia od svojich partnerov.

Druhou úlohou CDK je zabrániť akémukoľvek inému lietadlu naskočiť na aktíva. Existuje teda jediný začiatok replikácie pre každého rodičovstvo, čo zaisťuje správnu transkripciu genómu – aj keď transkripcia nezačína na každom mieste v rovnakom čase. Celý proces replikácie DNA v ľudských bunkách trvá približne osem hodín.

Stále je čo robiť. Po prvé, kopírovaná DNA nie je holá dvojitá špirála. Je obalený okolo histónov a pripojený k množstvu iných proteínov, ktoré sa podieľajú na zapínaní alebo vypínaní génov Vytváranie kópií génov z RNA. Ako sa tieto flux proteíny navzájom ovplyvňujú a vyhýbajú sa vzájomným konfliktom?

Okrem tejto fascinujúcej základnej biológie – fascinujúceho procesu, ktorý je nevyhnutný pre všetok život na Zemi – existujú dôsledky pre choroby, ako je rakovina. Vedci už vedia, že chybná replikácia môže destabilizovať DNA a nestabilný genóm náchylný na mutácie môže byť skorým znakom rozvoja rakoviny. klam Ďalšie vyšetrovanie Spojenie medzi replikačnými proteínmi a rakovinou.

„Myslím si, že pre tieto systémy existujú príležitosti na terapeutické zásahy,“ hovorí Berger, „akonáhle budeme mať dostatok informácií o tom, ako fungujú a ako vyzerajú.“

jantárový tanec, vedecká spisovateľka z oblasti Los Angeles, tiež rada rozdeľuje veľké úlohy na menšie časti: Trvalo mi päť dní, kým som dokončila kroky na vytvorenie tohto článku. Tento článok sa pôvodne objavil v Známy časopis, nezávislý novinársky počin z výročných prehľadov. Prihlásiť Se správy.