Введение в молекулярную биологию: От клеток к атомам - Энтони Рис, Майкл Стернберг 2002

Нуклеиновые кислоты и гены
Основы репликации

Рис. 20.1.

Репликация ДНК — это процесс, при котором информация, закодированная в последовательности оснований молекулы родительской ДНК, передается с максимальной точностью дочерней ДНК. Мы рассмотрим здесь репликацию только двухцепочечной ДНК; репликация одноцепочечной вирусной ДНК описана в гл. 4.

При полуконсервативной репликации дочерние клетки первого поколения получают одну цепь ДНК от родителей, а вторая цепь является вновь синтезированной. Такой же процесс повторяется при образовании дочерних клеток второго поколения из клеток первого поколения. Таким образом, только две из четырех дочерних клеток второго поколения содержат по одной цепи исходной родительской ДНК, образующей двойную спираль с новосинтезированной цепью. Остальные две дочерние клетки второго поколения не содержат исходной родительской ДНК. Процесс полуконсервативной репликации на протяжении двух поколений иллюстрирует рис. 20.1.

Мезельсон и Сталь в 1958 г. доказали, что репликация ДНК происходит по полуконсервативному механизму. Сначала они выращивали бактерии длительное время на среде, содержавшей тяжелый изотоп азота (¹⁵N), который включался в ДНК, а затем переносили их на среду, содержащую обычный (легкий) изотоп азота (¹⁴N). После репликации дочернюю ДНК первого поколения фракционировали по плотности. Оказалось, что вся дочерняя ДНК однородна и имеет плотность, промежуточную между плотностью тяжелой и легкой ДНК. Следовательно, одна цепь молекулы дочерней ДНК содержала ¹⁵N, а другая ¹⁴N, что отвечает полуконсервативному механизму репликации. Спаривание оснований в родительской ДНК означает, что против G в одной цепи всегда располагается С, а против А - всегда Т. При репликации цепи родительской ДНК расплетаются, и каждая из них служит матрицей, определяющей последовательность оснований в новой, комплементарной цепи ДНК. Таким образом, информация, заключенная в последовательности оснований ДНК, с высокой точностью передается следующему поколению.

Рис. 20.2.

Инициация синтеза в небольших геномах эукариот (вирусов) и прокариот (например, Е. coli) происходит в одной строго определенной точке. Репликация ДНК у прокариот осуществляется довольно быстро: у Е. coli ее скорость составляет 1700 пар оснований в 1 с, так что весь геном копируется за 40 мин. В более крупных клетках, например в клетках животных, репликация происходит медленнее — скорость ее составляет примерно 50 пар оснований в 1 с. Однако инициация в этом случае осуществляется сразу в нескольких местах молекулы ДНК, т. е. в ДНК эукариот образуется много единиц репликации, называемых репликонами. В результате хромосома дрозофилы, например, состоящая из 65 ∙ 10⁶ пар оснований, реплицируется за несколько минут. Для инициации репликации двухцепочечная ДНК должна расплестись в точке начала репликации и образовать петлю (рис. 20.2). Репликативная вилка - это та часть молекулы ДНК, которая уже расплелась и в данной момент служит матрицей для синтеза дочерней ДНК. В ходе репликации репликативная вилка перемещается вдоль молекулы.

Двунаправленная репликация — это наиболее распространенный механизм репликации ДНК. После инициации репликация идет одновременно в обоих направлениях вдоль цепи ДНК. Для осуществления синтеза двойная спираль родительской ДНК должна раскрутиться и ее цепи должны разойтись. В этих процессах участвуют различные белки (гл. 21). В линейной ДНК раскручивание осуществляется путем вращения одной цепи вокруг другой. В двухцепочечной кольцевой ДНК, например в ДНК Е. coli, раскручивание и репликация ведут к образованию структуры, напоминающей кольцо с внутренней петлей. Ее называют тэта-петлей, поскольку по форме она похожа на греческую букву Θ.

Кэрнс первым наблюдал такие петли с помощью радиоавтографии. Культуру Е. coli выращивали на среде, содержавшей радиоактивные нуклеотиды, которые включались в ДНК. Затем реплицирующуюся ДНК наносили на фотопленку, на которой и получалось изображение Θ-петли.

Однонаправленная репликация — более редкое явление; она наблюдается у некоторых вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК, например у вируса фХ174. Однонаправленная репликация происходит после образования двухцепочечной формы ДНК в клетке-хозяине. Механизм, с помощью которого это осуществляется, называется механизмом катящегося кольца. В одной из цепей ДНК (наружной на рис. 20.2) образуется разрыв, и синтез новой цепи начинается с 3'-конца этой разорванной родительской цепи с использованием второй (внутренней) в качестве матрицы. Это приводит к вытеснению 5'-конца наружной цепи, которая впоследствии служит матрицей для синтеза другой новой цепи.