Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Репликация прокариотической ДНК - это процесс, с помощью которого прокариот дублирует свою ДНК в другую копию, которая передается дочерним клеткам. [1] Хотя это часто изучается на модельном организме E. coli , другие бактерии обнаруживают много общего. [2] Репликация является двунаправленной и происходит от одной точки начала репликации (OriC). [3] Он состоит из трех этапов: инициирование, удлинение и завершение. [4]

Двунаправленная репликация тета-типа . 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.

Инициирование [ править ]

Все клетки должны завершить репликацию ДНК, прежде чем они смогут приступить к делению клеток. Условия среды, которые поддерживают быстрый рост бактерий, также сочетаются с более коротким временем промежуточной инициации в них, то есть время удвоения в быстрорастущих клетках меньше по сравнению с медленным ростом. [5] Другими словами, возможно, что в условиях быстрого роста бабушкины клетки начнут реплицировать свою ДНК для внучки. По той же причине инициация репликации ДНК строго регулируется. Бактериальные ориджины регулируют сборку орисомов, комплекс ядро-белок, собранный на ориджине, ответственный за раскручивание ориджина и загрузку всего механизма репликации. В кишечной палочкенаправление сборки орисомов встроено в короткий участок нуклеотидной последовательности, называемый ориджином репликации ( oriC ), который содержит несколько сайтов связывания для белка-инициатора DnaA [6] (высокогомологичный белок среди бактериального царства). DnaA имеет четыре домена, каждый из которых отвечает за конкретную задачу. [7] В ориджине репликации E. coli имеется 11 участков / боксов связывания ДНК [6] , из которых три бокса R1, R2 и R4 (которые имеют высококонсервативную консенсусную последовательность из 9 п.н. 5 '- TTATC / ACACA [2 ]) представляют собой блоки DnaA с высоким сродством. Они связываются с DnaA-ADP и DnaA-ATP с равным сродством и связываются с DnaA на протяжении большей части клеточного цикла и образуют каркас, на котором собирается остальная часть орисомы. Остальные восемь блоков DnaA представляют собой сайты с низким сродством, которые предпочтительно связываются с DnaA-ATP. [6] Во время инициации DnaA, связанная с DnaA-боксом с высокой аффинностью R4, отдает дополнительную DnaA соседнему сайту с низким сродством и постепенно заполняет все блоки DnaA с низким сродством. [6] Заполнение сайтов изменяет конформацию происхождения от его исходного состояния. Предполагается, что растяжение ДНК за счет DnaA, связанного с источником, способствует разделению цепей, что позволяет большему количеству DnaA связываться с размотанной областью. [8] DnaCхеликаза погрузчик затем взаимодействует с DnaA связанной с одноцепочечной ДНК набирать геликаз DnaB , [9] , которые будут продолжать раскручивать ДНК как DNAG праймаз устанавливает РНК - праймер и ДНК - полимераза III , Голоэнзит начинается удлинением. [10]

Регламент [ править ]

Репликация хромосом у бактерий регулируется на стадии инициации. [2] DnaA-ATP гидролизуется в неактивную DnaA-ADP с помощью RIDA (регуляторная инактивация DnaA) [11] и превращается обратно в активную форму DnaA-ATP с помощью DARS (DnaA Reactivating Sequence, которая сама регулируется Fis и IHF). [12] [13] Однако основным источником DnaA-ATP является синтез новых молекул. [2] Между тем, несколько других белков взаимодействуют непосредственно с последовательностью oriC , чтобы регулировать инициацию, обычно путем ингибирования. В E. coli эти белки включают DiaA, [14] SeqA , [15] IciA,[2] HU, [9] и ArcA-P, [2], но они различаются в зависимости от других видов бактерий. Несколько других механизмов в E.coli , которыеразному регулируют инициацию являются DDAH ( Data -зависимой DnaA Гидролиз, который также регулируется IHF), [16] ингибирование DnaA гена (белком SeqA), [2] и реактивация DnaA липидной мембраной. [17]

Удлинение [ править ]

Реплисома E. coli с петлей в отстающей нити ДНК

После завершения праймирования в ДНК загружается холофермент ДНК-полимераза III, и начинается репликация. Каталитический механизм ДНК-полимеразы III включает использование двух ионов металлов в активном центре и области в активном центре, которая может различать дезоксирибонуклеотиды и рибонуклеотиды . Ионы металлов представляют собой обычные двухвалентные катионы, которые помогают 3'-ОН инициировать нуклеофильную атаку на альфа- фосфат дезоксирибонуклеотида и ориентировать и стабилизировать отрицательно заряженный трифосфат на дезоксирибонуклеотиде. Нуклеофильная атака 3 'ОН на альфа-фосфат высвобождает пирофосфат, который затем гидролизуется (неорганической фосфатазой) до двух фосфатов. Этот гидролиз доводит синтез ДНК до завершения.

Кроме того, ДНК-полимераза III должна уметь различать правильно спаренные основания и неправильно спаренные основания. Это достигается путем различения пар оснований Watson-Crick за счет использования кармана активного сайта, который комплементарен по форме структуре правильно спаренных нуклеотидов. Этот карман содержит остаток тирозина, который способен образовывать ван-дер-ваальсовы взаимодействия с правильно спаренным нуклеотидом. Кроме того, дц (двухцепочечная ДНК ) в активном центре имеет более широкий основную канавку и мельче небольшую канавку , которая позволяет образование водородных связей с третьим азотом из пуриновых оснований и второго кислородом изпиримидиновые основания. Наконец, активный центр создает обширные водородные связи с основной цепью ДНК. Эти взаимодействия приводят к замыканию ДНК-полимеразы III вокруг правильно спаренного основания. Если основание вставлено и неправильно спарено, эти взаимодействия не могут произойти из-за разрыва водородных связей и ван-дер-ваальсовых взаимодействий.

ДНК читается в направлении 3 '→ 5', следовательно, нуклеотиды синтезируются (или присоединяются к матричной цепи ) в направлении 5 '→ 3'. Однако одна из родительских цепей ДНК имеет длину 3 '→ 5', а другая - 5 '→ 3'. Чтобы решить эту проблему, репликация происходит в противоположных направлениях. Двигаясь к репликационной вилке, ведущая цепь синтезируется непрерывно, для чего требуется только один праймер. С другой стороны, отстающая цепь , отходящая от репликационной вилки, синтезируется в серии коротких фрагментов, известных как фрагменты Окадзаки, что, следовательно, требует множества праймеров.Праймеры РНК фрагментов Окадзаки впоследствии расщепляются РНКазой H и ДНК-полимеразой I (экзонуклеазный ), а промежутки (или ники ) заполнены дезоксирибонуклеотидами и герметизируют с помощью фермента лигазы .

Скорость репликации [ править ]

Скорость репликации ДНК в живой клетке сначала измеряли как скорость удлинения ДНК фага Т4 в инфицированной фагом E. coli. [18] В период экспоненциального увеличения ДНК при 37 ° C скорость составляла 749 нуклеотидов в секунду. Частота мутаций на пару оснований на репликацию во время синтеза ДНК фага Т4 составляет 1,7 на 10 8 . [19]

Прекращение действия [ править ]

Прекращение репликации ДНК в E. coli завершается за счет использования терминирующих последовательностей и белка Tus . Эти последовательности позволяют двум вилкам репликации проходить только в одном направлении, но не в другом.

Репликация ДНК первоначально дает два сцепленных или связанных кольцевых дуплекса ДНК, каждый из которых содержит одну родительскую цепь и одну вновь синтезированную цепь (по природе полуконсервативной репликации ). Эта цепочка может быть представлена ​​как два взаимосвязанных кольца, которые нельзя разделить. Топоизомераза 2 в E. coli разъединяет или декатенирует два кольцевых дуплекса ДНК, разрывая фосфодиэфирные связи, присутствующие в двух последовательных нуклеотидах либо родительской ДНК, либо вновь образованной ДНК, и после этого лигирующая активность лигирует эту разорванную цепь ДНК, и таким образом образуются две ДНК.

Другие модели репликации прокариот [ править ]

Репликация тета-типа уже упоминалась. Существуют и другие типы прокариотической репликации , такие как прокатки репликации окружности и репликации D-петли

Rolling Circle Replication [ править ]

Это проявляется в конъюгации бактерий, когда тот же кольцевой шаблон ДНК вращается и вокруг него развивается новая цепь.

Репликация катящегося круга

. Когда конъюгация инициируется сигналом, фермент релаксаза создает разрыв в одной из цепей конъюгативной плазмиды в oriT . Релаксаза может работать самостоятельно или в комплексе из более чем дюжины белков, известных под общим названием релаксосома . В системе F-плазмиды фермент релаксазы называется TraI, а релаксосома состоит из TraI, TraY, TraM и интегрированного фактора хозяина IHF. Разорванная цепь или Т-цепь затем разматывается с неразрывной цепи и переносится в реципиентную клетку в направлении от 5'-конца к 3'-концу. Оставшаяся цепь реплицируется независимо от конъюгативного действия (вегетативная репликация начинается с oriV.) Или во взаимодействии с сопряжением (конъюгативной репликации аналогично прокатной окружности репликации фага лямбда ). Для конъюгативной репликации может потребоваться второй ник, прежде чем произойдет успешный перенос. В недавнем отчете утверждается, что он ингибировал конъюгацию с химическими веществами, которые имитируют промежуточный этап этого второго события пощипывания. [20]

Репликация D-петли [ править ]

Репликация D-петли в основном наблюдается в органеллярной ДНК, где образуется трехцепочечная структура, называемая петлей смещения . [21]

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Что такое репликация ДНК?" . yourgenome.org . Кампус Wellcome Genome . Проверено 24 февраля 2017 года .
  2. ^ a b c d e f g Wolański M, Donczew R, Zawilak-Pawlik A, Zakrzewska-Czerwińska J (2014-01-01). «Кодируемые oriC инструкции для инициации репликации бактериальной хромосомы» . Границы микробиологии . 5 : 735. DOI : 10,3389 / fmicb.2014.00735 . PMC 4285127 . PMID 25610430 .  
  3. ^ Bird RE, Louarn J, Martuscelli J, Caro L (октябрь 1972). «Происхождение и последовательность репликации хромосом в Escherichia coli». Журнал молекулярной биологии . 70 (3): 549–66. DOI : 10.1016 / 0022-2836 (72) 90559-1 . PMID 4563262 . 
  4. ^ Bussiere DE Бастия D (март 1999). «Прекращение репликации ДНК бактериальных и плазмидных хромосом». Молекулярная микробиология . 31 (6): 1611–8. DOI : 10.1046 / j.1365-2958.1999.01287.x . PMID 10209736 . 
  5. ^ Купер, Стивен; Хельмштеттер, Чарльз Э. (февраль 1968 г.). «Репликация хромосом и цикл деления Escherichia coli». Журнал молекулярной биологии . 31 (3): 519–540. DOI : 10.1016 / 0022-2836 (68) 90425-7 . PMID 4866337 . 
  6. ^ a b c d Леонард, Алан С .; Гримвейд, Джулия Э. (2 июня 2015 г.). «Орисома: строение и функции» . Границы микробиологии . 6 . DOI : 10.3389 / fmicb.2015.00545 . PMC 4451416 . PMID 26082765 .  
  7. ^ Мотт, Мелисса L .; Бергер, Джеймс М. (май 2007 г.). «Инициирование репликации ДНК: механизмы и регуляция у бактерий». Обзоры природы микробиологии . 5 (5): 343–354. DOI : 10.1038 / nrmicro1640 . PMID 17435790 . 
  8. ^ Duderstadt, Karl E .; Чуанг, Кевин; Бергер, Джеймс М. (2 октября 2011 г.). «Растяжение ДНК бактериальными инициаторами способствует раскрытию ориджина репликации» . Природа . 478 (7368): 209–213. DOI : 10,1038 / природа10455 . PMC 3192921 . PMID 21964332 .  
  9. ^ a b Кагуни, Джон М. (октябрь 2011 г.). «Инициирование репликации в хромосомном происхождении Escherichia coli» . Текущее мнение в химической биологии . 15 (5): 606–613. DOI : 10.1016 / j.cbpa.2011.07.016 . PMC 3189269 . PMID 21856207 .  
  10. ↑ Одзаки, Сёго; Ногучи, Ясунори; Хаяси, Ясухиса; Миядзаки, Эрика; Катаяма, Цутому (26 октября 2012 г.). «Дифференциация субкомплекса DnaA- oriC для разматывания ДНК в комплексе инициации репликации» . Журнал биологической химии . 287 (44): 37458–37471. DOI : 10.1074 / jbc.M112.372052 . PMC 3481341 . PMID 22942281 .  
  11. Перейти ↑ Kato J, Katayama T (август 2001). «Hda, новый белок, родственный DnaA, регулирует цикл репликации в Escherichia coli» . Журнал EMBO . 20 (15): 4253–62. DOI : 10.1093 / emboj / 20.15.4253 . PMC 149159 . PMID 11483528 .  
  12. ^ Fujimitsu K, Senriuchi T, Катаяма T (май 2009). «Конкретные геномные последовательности E. coli способствуют инициации репликации путем прямой реактивации ADP-DnaA» . Гены и развитие . 23 (10): 1221–33. DOI : 10,1101 / gad.1775809 . PMC 2685538 . PMID 19401329 .  
  13. ^ Kasho K, Fujimitsu K, T Матоба Осима T, Катаяма T (декабрь 2014). «Своевременное связывание IHF и Fis с DARS2 регулирует продукцию ATP-DnaA и инициацию репликации» . Исследования нуклеиновых кислот . 42 (21): 13134–49. DOI : 10.1093 / NAR / gku1051 . PMC 4245941 . PMID 25378325 .  
  14. ^ Ишида Т, Акимицу Н, Kashioka Т, Хатано М, Kubota Т, Огата Y, Sekimizu К, Т Катаяма (октябрь 2004 г.). «DiaA, новый связывающий ДНК белок, обеспечивает своевременное начало репликации хромосомы Escherichia coli» . Журнал биологической химии . 279 (44): 45546–55. DOI : 10.1074 / jbc.M402762200 . PMID 15326179 . 
  15. ^ Frimodt-Меллер Дж, Charbon G, Løbner-Олезен А (декабрь 2016). «Контроль репликации бактериальной хромосомы некодирующими областями за пределами ориджина». Текущая генетика . 63 : 607–611. DOI : 10.1007 / s00294-016-0671-6 . PMID 27942832 . 
  16. ^ Kasho K, Катаяма T (январь 2013). «DnaA-связывающий локус datA способствует гидролизу DnaA-ATP, что позволяет инициировать координированную клеточным циклом репликацию» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 110 (3): 936–41. DOI : 10.1073 / pnas.1212070110 . PMC 3549119 . PMID 23277577 .  
  17. ^ Саксен R, Fingland N, D Патил, Шарма А. К., Крук E (апрель 2013). «Перекрестные помехи между белком DnaA, инициатором репликации хромосомы Ecoli, и кислыми фосфолипидами, присутствующими в бактериальных мембранах» . Международный журнал молекулярных наук . 14 (4): 8517–37. DOI : 10.3390 / ijms14048517 . PMC 3645759 . PMID 23595001 .  
  18. ^ Маккарти Д, Миннер С, Бернштейн Н, С Бернштейн (октябрь 1976 г.). «Скорость удлинения ДНК и распределение точек роста фага Т4 дикого типа и янтарного мутанта с задержкой ДНК». Журнал молекулярной биологии . 106 (4): 963–81. DOI : 10.1016 / 0022-2836 (76) 90346-6 . PMID 789903 . 
  19. ^ Дрейк JW (1970) Молекулярная основа мутации. Холден-Дэй, Сан-Франциско ISBN 0816224501 ISBN 978-0816224500 . [ требуется страница ]   
  20. ^ Лухан С.А., Guogas Л.М., Ragonese H, Мэтсон SW, Рединбо MR (2007). «Нарушение распространения устойчивости к антибиотикам путем ингибирования конъюгативной релаксазы ДНК» . PNAS . 104 (30): 12282–7. Bibcode : 2007PNAS..10412282L . DOI : 10.1073 / pnas.0702760104 . JSTOR 25436291 . PMC 1916 486 . PMID 17630285 .   
  21. ^ Джемт, Элизабет; Перссон, Орджан; Ши, Юнхун; Мехмедович, Майда; Uhler, Jay P .; Давила Лопес, Марсела; Фрейер, Кристоф; Gustafsson, Claes M .; Самуэльссон, Тор; Фалькенберг, Мария (30 октября 2015 г.). «Регуляция репликации ДНК в конце митохондриальной D-петли включает геликазу TWINKLE и консервативный элемент последовательности» . Исследования нуклеиновых кислот . 43 (19): 9262–9275. DOI : 10.1093 / NAR / gkv804 . PMC 4627069 .