Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Круглая хромосома, демонстрирующая двунаправленную репликацию ДНК, с двумя репликационными вилками, генерируемыми в «исходной точке». Каждая половина хромосомы, реплицируемая одной репликационной вилкой, называется «репликфорой». (Графическое компьютерное искусство Дэниела Юэна)

Круговую хромосому является хромосома бактерий , архебактерий , митохондрии и хлоропласты , в виде молекулы кольцевой ДНК, в отличие от линейной хромосомы большинства эукариот .

Большинство прокариота хромосома содержит молекулу ДНК , круговую - нет свободных концов к ДНК . В противном случае свободные концы создавали бы серьезные проблемы для клеток в отношении репликации и стабильности ДНК . Клетки, которые действительно содержат хромосомы с концами ДНК или теломеры (большинство эукариот), приобрели сложные механизмы для преодоления этих проблем. Однако круглая хромосома может создавать другие проблемы для клеток. После репликации две кольцевые хромосомы потомства могут иногда оставаться взаимосвязанными или запутанными, и их необходимо разрешить так, чтобы каждая клетка унаследовала одну полную копию хромосомы во время деления клетки .

Репликация [ править ]

Двунаправленная репликация в круговой хромосоме.

Репликация хромосом кольцевых бактерий лучше всего изучена у хорошо изученных бактерий Escherichia coli и Bacillus subtilis . Репликация хромосомы происходит в три основных этапа: инициация, удлинение и завершение. Стадия инициации начинается с упорядоченной сборки «инициаторных» белков в исходной области хромосомы, называемой oriC . Эти этапы сборки регулируются, чтобы репликация хромосом происходила только один раз в каждом клеточном цикле. Во время фазы удлинения репликации ферменты, которые были собраны в oriC во время инициации, проходят вдоль каждого плеча (« репликор»«) хромосомы в противоположных направлениях от oriC, реплицируя ДНК для создания двух идентичных копий. Этот процесс известен как двунаправленная репликация. Вся совокупность молекул, участвующих в репликации ДНК на каждом плече, называется« реплисомой ». На переднем крае реплисомы находится ДНК-геликаза, которая раскручивает две нити ДНК, создавая движущуюся « репликационную вилку ». Две размотанные одиночные нити ДНК служат матрицами для ДНК-полимеразы., который перемещается вместе с геликазой (вместе с другими белками), чтобы синтезировать комплементарную копию каждой цепи. Таким образом создаются две идентичные копии исходной ДНК. В конце концов, две репликационные вилки, движущиеся по круговой хромосоме, встречаются в определенной зоне хромосомы, приблизительно противоположной oriC, называемой конечной областью. Затем ферменты удлинения разбираются, и две «дочерние» хромосомы разделяются до завершения деления клетки.

Инициирование [ править ]

E.coli , происхождение бактериальной репликации, называемый Oric состоит из ДНК - последовательностей , которые распознаются в DnaA белка, который высоко консервативен среди различных бактериальных видов. Связывание DnaA с ориджином инициирует регулируемое рекрутирование других ферментов и белков, что в конечном итоге приводит к созданию двух полных реплисом для двунаправленной репликации. [1]

Элементы последовательности ДНК в ori C, которые важны для его функции, включают DnaA-боксы, 9-мерный повтор с высококонсервативной консенсусной последовательностью 5 '- TTATCCACA - 3', [2] , которые распознаются белком DnaA. Белок DnaA играет решающую роль в инициации репликации хромосомной ДНК. [3] Связывается с АТФ и с помощью бактериальных гистоноподобных белков [HU] DnaA затем раскручивает AT-богатую область около левой границы oriC , которая несет три 13-мерных мотива, [4] и открывает двухцепочечная ДНК для входа других белков репликации. [5]

Эта область также содержит четыре последовательности «GATC», которые распознаются ДНК-аденин-метилазой (Dam), ферментом, который модифицирует адениновое основание, когда эта последовательность неметилирована или гемиметилирована. Метилирование из аденинов имеет важное значение , поскольку это изменяет конформацию ДНК , чтобы способствовать разделению нитей, [6] , и представляется , что эта область ори C имеет естественную тенденцию к размотке. [7]

Затем DnaA привлекает репликативную геликазу , DnaB , из комплекса DnaB-DnaC в развернутую область с образованием пре-праймингового комплекса. [8] После того, как DnaB перемещается к вершине каждой репликационной вилки, геликаза раскручивает родительскую ДНК и мгновенно взаимодействует с примазой . [9]

Для продолжения репликации ДНК необходимы одноцепочечные связывающие белки , чтобы предотвратить образование вторичных структур одноцепочечными цепями ДНК и предотвратить их повторный отжиг . Кроме того, ДНК-гираза необходима для снятия топологического стресса, создаваемого действием геликазы DnaB.

Удлинение [ править ]

Когда репликационная вилка движется по кругу, образуется структура в форме греческой буквы тета . Джон Кэрнс продемонстрировал тета-структуру хромосомной репликации E. coli в 1963 году, используя инновационный метод визуализации репликации ДНК. В своем эксперименте он радиоактивно пометил хромосому, выращивая свои культуры в среде, содержащей 3H- тимидин . Нуклеозид база была включена равномерно в бактериальную хромосому. Затем он изолировал хромосомы, осторожно лизируя клетки, и поместил их на сетку электронной микрофотографии (ЭМ), которую он подвергал рентгеновскому облучению.фильм за два месяца. Этот эксперимент четко демонстрирует модель тета-репликации кольцевых бактериальных хромосом. [10]

  • См. Авторадиографию интактной реплицирующейся хромосомы E.coli [1]

Как описано выше, репликация бактериальной хромосомы происходит двунаправленным образом. Это было впервые продемонстрировано путем специальной маркировки реплицирующихся бактериальных хромосом радиоактивными изотопами . Затем участки ДНК, реплицируемые во время эксперимента, визуализировали с помощью авторадиографии и микроскопического исследования проявленной пленки. Это позволило исследователям увидеть, где происходит репликация. Первые убедительные наблюдения двунаправленной репликации были получены в результате исследований B. subtilis. [11] Вскоре после этого было показано, что хромосома E. coli двунаправленно реплицируется. [12]

  • См. Рисунок 4 DM Prescott и PL Kuempel (1972): Зерновой след, продуцируемый хромосомой E. coli из клеток, меченных в течение 19 минут [3H] тимином, с последующим мечением в течение 2,5 минут [3H] тимином и ['H ] тимидин. [2] .

E.coli , ДНК - полимераза III , Голоэнзит представляет собой комплекс 900 кДа, обладающий , по существу , в димерную структуру. Каждая мономерная единица имеет каталитическое ядро, субъединицу димеризации и компонент процессивности . [13] ДНК Pol III использует один набор своих ядерных субъединиц для непрерывного синтеза ведущей цепи , в то время как другой набор ядерных субъединиц циклически перемещается от одного фрагмента Окадзаки к следующему на петлевой отстающей цепи . Синтез ведущей цепи начинается с синтеза короткого праймера РНК в ориджине репликации ферментом примазой ( DnaG белок).

Затем к этому праймеру добавляют дезоксинуклеотиды с помощью одного димера ДНК-полимеразы III в интегрированном комплексе с DnaB-геликазой. Затем синтез ведущей цепи происходит непрерывно, в то время как ДНК одновременно разматывается на вилке репликации. Напротив, синтез отстающей цепи осуществляется короткими фрагментами Окадзаки. Во-первых, праймер РНК синтезируется примазой, и, как и при синтезе ведущей цепи, ДНК Pol III связывается с праймером РНК и добавляет дезоксирибонуклеотиды .

Когда синтез фрагмента Окадзаки завершается, репликация останавливается, и основные субъединицы ДНК Pol III диссоциируют от β-скользящего зажима [скользящий хлопок B - это процессивная субъединица ДНК Pol III]. [14] РНК-праймер удаляется и заменяется ДНК ДНК-полимеразой I [которая также обладает экзонуклеазной активностью для корректирующего считывания ], а оставшаяся щель закрывается ДНК-лигазой , которая затем лигирует эти фрагменты с образованием отстающей цепи.

Существенная часть (10-15%) репликационных вилок, происходящих из oriC, сталкивается с повреждением ДНК или разрывом цепи при выращивании клеток в нормальных лабораторных условиях (без обработки экзогенной ДНК). [15] Обнаруженные повреждения ДНК обычно обрабатываются рекомбинационными ферментами репарации, чтобы обеспечить продолжение развития репликационной вилки. [15]

Прекращение действия [ править ]

Большинство кольцевых бактериальных хромосом реплицируются двунаправленно, начиная с одной точки происхождения и реплицируясь в двух направлениях от источника. Это приводит к полуконсервативной репликации, при которой каждая новая идентичная молекула ДНК содержит одну цепь-матрицу исходной молекулы, показанную сплошными линиями, и одну новую цепь, показанную пунктирными линиями.

Терминация - это процесс слияния репликационных вилок и разборки реплисом с образованием двух отдельных полных молекул ДНК . Это происходит в области конца, примерно напротив oriC на хромосоме (рис. 5). Конечная область содержит несколько участков терминатора репликации ДНК или "Ter" сайтов. Специальный белок "терминатор репликации" должен быть связан на сайте Ter, чтобы он мог приостановить репликацию. Каждый сайт Ter имеет полярность действия, то есть он будет задерживать вилку репликации, приближающуюся к сайту Ter с одного направления, но позволит беспрепятственное движение вилки через сайт Ter с другого направления. Расположение участков Тер формирует две противоположные группы, которые заставляют две развилки встречаться друг с другом в пределах области, которую они охватывают. Такое расположение называется "ловушка вилки репликации ".[16]

  • См. Положения и последовательности концов репликации E. coli. (A) Карта, показывающая Ори и сайты 10 Тер. (B) Консенсусная последовательность Ter. [3]

Сайты Ter специфически взаимодействуют с белком-терминатором репликации, называемым Tus в E. coli . [17] Комплекс Tus-Ter препятствует раскручиванию ДНК DnaB зависимым от ориентации образом. [18]

  • Кристаллическая структура белкового комплекса ДНК-Терла Tus (А) , показывающий неблокирующую и вилку блокировки лица Туса. (B) Вид в разрезе поверхности, задерживающей геликазу. [4]

Репликация ДНК, разделяющей противоположные ответвления репликации, оставляет завершенные хромосомы соединенными в виде « катенанов » или топологически связанных кругов. Круги не связаны ковалентно, но их нельзя разделить, потому что они переплетены, и каждый из них ковалентно замкнут. Связанные круги требуют действия топоизомеразы для разделения кругов [декатанация]. В E.coli ДНК-топоизомераза IV играет основную роль в разделении связанных хромосом, временно разрывая обе нити ДНК одной хромосомы и позволяя другой хромосоме пройти через разрыв.

Существовала некоторая путаница в отношении роли ДНК-гиразы в декатенации. Чтобы определить номенклатуру, существует два типа топоизомераз: тип I вызывает временные одноцепочечные разрывы в ДНК, а тип II дает временные двухцепочечные разрывы. В результате фермент типа I удаляет суперспирали из ДНК по одной, тогда как фермент типа II удаляет суперспирали по две за раз. Топо I как прокариот, так и эукариот относится к топоизомеразе типа I. Эукариотический топо II, бактериальная гираза и бактериальный топо IV относятся к типу II.

Мы часто забываем, что ДНК-гираза действительно обладает активностью топоизомеразы типа II; таким образом, поскольку он является гомологом топоизомеразы IV (также обладающим активностью топоизомеразы II), мы ожидаем сходства в функциях двух белков. Предварительная роль ДНК-гиразы состоит в том, чтобы ввести отрицательные суперспирали в ДНК, тем самым расслабляя положительные суперспирали, которые вступают в игру во время репликации ДНК. Топоизомераза IV также расслабляет положительные суперспирали, поэтому ДНК-гираза и топоизомераза IV играют почти идентичную роль в удалении положительных суперспиралей перед транслоцирующей ДНК-полимеразой, позволяя репликации ДНК продолжаться без препятствий топологической деформации. [19]

Путаница возникает, когда в некоторой научной литературе утверждается, что ДНК-гираза является единственным ферментом, ответственным за декатанацию. В эксперименте, проведенном Zechiedrich, Khodursky и Cozzarelli в 1997 году, было обнаружено, что топоизомераза IV является единственной важной декатеназой промежуточных продуктов репликации ДНК у бактерий. [20] В этом конкретном эксперименте, когда ингибировалась только ДНК-гираза, большинство катенанов не были связаны. Однако, когда ингибировалась только топоизомераза IV, декатенация почти полностью блокировалась. Полученные результаты позволяют предположить, что топоизомераза IV является первичной декатеназой in vivo , и хотя ДНК-гираза действительно играет роль в декатенации, ее функция не так важна, как топоизомераза IV, в декатентации взаимосвязанных хромосом.

Благодарности [ править ]

Это основано на статье Ималды Девапаранам и Дэвида Трайба, опубликованной на условиях лицензирования CC by SA в рамках университетского курса на факультете микробиологии и иммунологии Мельбурнского университета, 2007 г.

См. Также [ править ]

  • Catenane
  • Лента Мебиуса
  • Нуклеоид
  • Плазмида
  • Теория ленты
  • Репликация катящегося круга
  • Топоизомераза
  • Репликация тета-типа

Ссылки [ править ]

Эта статья включает материал из статьи Citizendium « Репликация круговой бактериальной хромосомы », которая находится под лицензией Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License, но не GFDL .

  1. ^ Джон М. Kaguni DnaA: Управление инициации репликации бактериальной ДНК и многое другое. Анну. Rev. Microbiol. 2006. 60: 351–71.
  2. ^ C Weigel, A. Schmidt, B Rückert, R Lurz и W. Messer. Связывание белка DnaA с отдельными блоками DnaA в ориджине репликации Escherichia coli, oriC. EMBO J. 1997 г., 3 ноября; 16 (21): 6574–6583.
  3. ^ Хирота Y, Mordoh J и Джейкоб Ф (1970) О процессе клеточного деления в Escherichia coli III. Термочувствительные мутанты Escherichia coli изменяются в процессе инициации ДНК. J Mol Biol, 53, 369–387.
  4. ^ Брэмхилл Д., Корнберг А. 1988. Открытие дуплекса белком dnaA в новых последовательностях в инициации репликации в источнике хромосомы E. coli. Ячейка 52: 743–55
  5. ^ Sekimizu K, Bramhill D и Kornberg A (1987) АТФ активирует белок dnaA, инициируя репликацию плазмид, несущих начало хромосомы E.coli. Ячейка, 50, 259–265
  6. ^ Gotoh O, Tagashira Y. 1981. Расположение часто открывающихся областей на естественных ДНК и их связь с функциональными локусами. Биополимеры 20: 1043–58
  7. Перейти ↑ Kowalski D, Eddy MJ. 1989. Элемент раскручивания ДНК: новый цис-действующий компонент, который способствует раскрытию ориджина репликации Escherichia coli. EMBO J. 8: 4335–44
  8. ^ Карр KM, Кагуни JM. 2001. Стехиометрия белков DnaA и DnaB в инициации в хромосомном происхождении Escherichia coli. J. Biol. Chem. 276: 44919–25
  9. ^ Tõugu K, Marians KJ. 1996. Взаимодействие между геликазой и примазой устанавливает часы репликационной вилки. J. Biol. Chem. 271: 21398–405
  10. ^ Кэрнс, JP: Симпозиумы Колд-Спринг-Харбор по количественной биологии 28:44, 1963.
  11. ^ Wake, RG 1972. Визуализация повторно инициированных хромосом в Bacillus subtilis. J Mol Biol. 28 июля; 68 (3): 501-9.
  12. ^ Прескотт Д.М., Куэмпель П.Л., 1972. Двунаправленная репликация хромосомы в Escherichia coli. Proc Natl Acad Sci US A. Oct; 69 (10): 2842-5.
  13. ^ О'Доннелл М., Джерузалми Д., Куриян Дж. Структура загрузчика зажимов предсказывает архитектуру холофермента ДНК-полимеразы III и RFC. Curr. Биол. 11 R935-R946 2001 г.
  14. ^ Индиани C, О'Доннелл М. Механизм треугольного ключа в открытии бета-скользящего зажима. J Biol Chem. 10 октября 2003 г .; 278 (41): 40272-81. Epub 2003 8 июля.
  15. ^ а б Кокс М.М. (1998). «Расширенный взгляд на рекомбинационную репарацию ДНК в бактериях». Гены клеток . 3 (2): 65–78. DOI : 10.1046 / j.1365-2443.1998.00175.x . PMID  9605402 .
  16. ^ Duggin IG, Wake RG, Bell SD, Hill TM. 2008. Ловушка репликационной вилки и прекращение репликации хромосом. Mol Microbiol. Декабрь; 70 (6): 1323–33.
  17. ^ Камада К., Хориучи Т., Осуми К., Шимамото Н., Морикава К. 1996. Структура белка терминатора репликации в комплексе с ДНК. Природа, 17; 383 (6601): 598–603.
  18. ^ Каплан Д.Л., Бастия Д. 2009. Механизмы полярной остановки репликационной вилки. Mol Microbiol. 72 (2): 279-85.
  19. ^ Крис Ульспергер и Николас Р. Коццарелли. Противопоставление ферментативной активности топоизомеразы IV и ДНК-гиразы из Escherichia coli. Volume 271, Number 49, Issue от 6 декабря 1996 г., стр. 31549-31555
  20. ^ EL Zechiedrich, AB Ходурский, NR Cozzarelli. Топоизомераза IV, а не гираза, декатенирует продукты сайт-специфической рекомбинации у Escherichia coli. Genes Dev. 1997, 1 октября; 11 (19): 2580-92 9334322