سید لفته فردزاده
3rd August 2015, 06:42 PM
همانندسازی DNA همواره در نواحی خاصی که مبدا (Origin) همانندسازی نامیده می شوند، شروع می شود. شروع همانندسازی همراه با ایجاد حباب همانندسازی در مبدا می باشد که در آن دو رشتهDNA باز می شوند. هر حباب همانندسازی در دو جهت مبدا پیشرفت نموده و تولید دو چنگال همانندسازی می کند. همانندسازی در پروکاریوت ها تنها از یک محل در ژنوم شروع می شود، در حالیکه در کروموزوم های یوکاریوتی محل های شروع همانندسازی متعددی وجود دارد.
آنزیم های DNA پلیمرازE.coli :
DNAپلیمراز 1: در ساختار این آنزیم سه دومن کاتالیتیکی 5 به 3 پلیمرازی، 3 به 5 اگزونوکلئازی و 5 به 3 اگزونوکلئازی وجود دارد که دو دومن اول در قطعه بزرگ یا کلنو وجود دارند. قطعه کوچک فعالیت 5
به 3 اگزونوکلئازی دارد. این آنزیم بیشتر در برداشت پرایمر و ترمیم نقش دارد.
DNA پلیمراز 3: نقش اصلی را در همانندسازی دارد. این پلیمراز با حداقل 18 زنجیر پلی پپتیدی از حداقل 10 نوع مختلف تشکیل شده است. آنزیم به صورت دیمر وجود دارد که در هر شاخه آن یک هسته مرکزی شامل زیر واحدهای آلفا با فعالیت 5 به 3 پلیمرازی، زیر واحد اپسیلون با فعالیت غلط گیری 3 به 5 اگزونوکلئازی و تتا با فعالیت ناشناخته وجود دارد. به علاوه در ساختمان این آنزیم یک دیمر حلقوی بتا به عنوان گیره جهت اتصال آنزیم به رشته الگو، زیر واحد گاما جهت بارگیری گیره به رشته الگو و زیر واحد تائو که در اتصال هسته های کاتالیتیک به یکدیگر و احتمالا اتصال به الگو نقش دارد، وجود دارد.
همانندسازی در E.coli:
شروع همانندسازی:
مبدا همانندسازی در E.coli یاoriC شامل 245 نوکلئوتید می باشد که در چهار توالی تکراری 9 جفت بازی و سه توالی تکراری 13جفت بازی وجود دارد. چندین مولکول DnaA با اتصال به توالی های 9 جفت بازی به کمک پروتئین HU و ATP ناحیه 13جفت بازی را باز می کنند. سپس DnaB به کمک DnaC اتصال یافته تا مارپیچ را بیشتر باز کند. با اتصال پروتئین SSB از ایجاد مجدد مارپیچ دو رشته جلوگیری می شود. کمپلکس حاصل را پرپرایمینگ گویند. در ادامه با اتصال DnaG (پرایماز) بهDnaB این آنزیم پرایمر را برای شروع همانندسازی سنتز می کند. کمپلکس حاصل را پرایموزوم گویند. پرایمر از جنس RNA بوده و مکمل رشته الگو می باشد.
برای سنتز هر قطعه اوکازاکی ابتدا به فواصل مشخص DnaG به DnaB اتصال یافته و یک پرایمر سنتز می شود. سپس به کمک کمپلکس بارگیری گیره یک گیره جدید در محل پرایمر قرار داده شده تا بعد از اتمام سنتز قطعه قبلی هسته پلیمرازی رشته پیرو از گیره قبلی جدا و برای سنتز قطعه جدید به این گیره اتصال یابد. میانگین طول قطعات اوکازاکی در سلول های انسان حدود 200-130 نوکلئوتید می باشد. درE.coli طول قطعات فوق حدود 10 برابر بزرگ تر هستند.
برداشت پرایمر به کمک فعایت 5 به 3 اگزو نوکلئازی و جایگزینی قطعه ای از جنس DNA توسط فعالیت پلیمرازی آنزیم DNA پلیمراز 1 صورت می پذیرد. این مرحله همراه با انتقال یا جا به جایی محل بریدگی است. حذف برش هم توسط آنزیم DNA لیگاز با ایجاد پیوند فسفودی استر بین نوکلئوتیدهای محل برش صورت می پذیرد. آنزیمDNA لیگاز در پروکاریوت ها به NAD+ و در ویروس ها و یوکاریوت ها به ATPنیاز دارد.
پایان همانندسازی:
خاتمه همانندسازی در پروکاریوت ها نیاز به توالیTer پروتئینTus و توپوایزومراز دارد.
آنزیم هایDNA پلیمراز یوکاریوتی:
DNA پلیمراز آلفا: یک آنزیم چند زیر واحدی است که دارای هر دو فعالیت پلیمرازی و پرایمازی بوده و فاقد هر گونه فعالیت اگزونوکلئازی است. این آنزیم ابتدا یک قطعه کوتاه پرایمر را سنتز کرده و بعد از این که مقداری از رشته جدید را سنتز کرد جای خود را به DNA پلیمراز دلتا می دهد.
DNA پلیمراز دلتا: دارای دو زیر واحد بوده و با داشتن بالاترین خاصیت پیشروندگی، نقش اصلی را در همانند سازی هر دو رشته پیشرو و پیرو دارد. این آنزیم به کمک دو پروتئین آنتی ژن هسته ای سلول در حال تکثیر (PCNA) و فاکتور همانندسازیC (RFC) عمل پلیمرازی خود را تسریع می بخشد. PCNA به
عنوان گیره برای اتصال به رشته الگو عمل نموده و RFC به بارگیری این گیره کمک می کند.
DNA پلیمراز اپسیلون: فعالیت 3 به 5 اگزونوکلئازی و 5 به 3 اگزونوکئازی داشته و در برداشت پرایمر و ترمیم نقش دارد.
DNAپلیمراز بتا: فاقد هر گونه فعالیت اگزونوکلئازی بوده و احتمالا در ترمیم نقش دارد.
DNAپلیمراز گاما: مسئول همانند سازی ژنوم میتوکندری است.
همانندسازی در یوکاریوت ها:
در تمامی یوکاریوت ها شروع همانندسازی نیاز به یک پروتئین چند زیر واحدی به نام کمپلکس شناسایی مبداء (ORC) دارد که شامل چندین مبداء ori است. کمپلکس دیگر که MCM نام دارد همانند DnaB فعالیت هلیکازی دارد. پروتئین های Cdc6 وCDT1 مشابه DnaC بوده و هلیکاز MCM را به نزدیکی مبداء همانندسازی درDNA هدایت می کند. فسفریلاسیون Cdc6 توسط سیکلین وابسته به کیناز آن را غیر فعال کرده و از تجمع مجدد کمپلکس جلوگیری می کند. سپس مولکول های RPA (پروتئین همانندساز A) به زنجیره های جدا شده متصل و باعث جدا شدن بیشتر آن ها می شوند.
در یوکاریوت ها RNase H (RNA هیبدریداز) پرایمر را تخریب نموده و یک ریبونوکلئوتید متصل به انتهای قطعه اوکازاکی را باقی می گذارد (RNase H هیدرولیز زنجیره RNA ای را کاتالیز می کند که با بک زنجیره DNA پیوند هیدروژنی دارد؛ مانند هیبرید RNA-DNA). FEN1 (Flap اندونوکلئاز 1) آخرین نوکلئوتید را برداشت می نماید.
عوامل مهار کننده همانندسازی و تقسیم کروموزوم ها:
عوامل اینترکلاته کننده: به علت دارا بودن حلقه آروماتیک در ساختمان DNA قرار گرفته و با تغییر کنفورماسیون آن باعث مهار همانندسازی می شوند. گلیکوزیدهای آنتراسیکلینی و آنتی بیوتیک هایی چون اکتینومایسین D و دائونومایسین از جمله این عوامل می باشند. قسمت آنتراسیکلین آن ها در بین بازها و عامل قندی در داخل شیار بزرگDNA جای می گیرد.
آمفی کولین: یک سم قارچی است که DNA پلیمرازهای یوکاریوتی آلفا، دلتا و اپسیلون را مهار می کند.
سم تاکسول: با پایدار کردن شکل پلیمریزه میکروتوبول ها مانع از تقسیم کروموزوم ها طی چرخه سلولی می شود.
5-آزاسیتوزین: باعث مهار رشته های ستاره ای طی تقسیم میتوز می شود.
سیتوکالازین D: با اتصال به میکروفیلامان های اکتین و پایدار کردن آن ها، مانع از سیتوکینز و تقسیم سلول می شود.
نوترکیبی:
نوترکیبی تبادل اطلاعات ژنتیکی است. دو نوع اصلی نوترکیبی وجود دارد: نوترکیبی هومولوگ و نوترکیبی غیر هومولوگ. نوترکیبی هومولوگ (که نوترکیبی معمول نیز نامیده می شود) بین توالی های یکسان یا تقریبا
یکسان؛ برای مثال بین کروموزوم های مادری و پدری از یک جفت کروموزوم رخ می دهد. در نوترکیبی غیر هومولوگ (نوترکیبی جایگاه ویژه)، آنزیم ها سبب الحاق یک توالی خاص در DNA
می شوند.
وفور یک درصدی نوترکیبی بین دو ژن یا شاخص به صورت فاصله ژنتیکی یک سانتی مورگان (cM)
تعریف می شود. در انسان، cM1 تقریبا 1000000 جت باز در طول کروموزوم می باشد.
آنزیم ها و پروتئین های متعددی در فرایند نوترکیبی نثش دارند که انواع مهم موجود در E.coli عبارتند از: آنزیم های رکامبیناز واکنش های نوترکیبی را از طریق ایجاد شکست های اختصاصی در DNA و تشکیل و حذف ترکیبات واسط اتصال هالیدی تسریع می کنند. اینتگراز لامبدا، رکامبیناز فاژ لامبدا است.
RecA، یک پروتئین مهم در فرآیند نوترکیبی می باشد که با روش تعاونی به تک رشته DNA متصل شده و DNA شکل یک مارپیچ تابیده به خود می گیرد. این عمل جفت شدن تک رشته با دو رشته DNA هومولوگ برای ایجاد ساختار سه رشته ای حلقه D را تسهیل می نماید. تبدیل رشته نیز می تواند رخ دهد که منتهی به هترودوبلکس DNA می شد. یوکاریوت ها پروتئین های هومولوگی دارند که نوع انسانی آن RAD51 است.
RecBCD به شکست دو رشته ای متصل شده و با جویدن DNA، آن را به عنوان سوبسترا برای نوترکیبی پردازش می کند. این آنزیم در حضور توالی chi، تخریب رشته دارای انتهای 3 را نسبت به رشته دارای انتهای 5 کاهش داده و سبب ایجاد تک رشته دارای انتهای 3 می گردد. RecA می تواند به این تک رشته متصل شود و تا جفت شدن با دو رشته ای هومولوگ آغاز گردد. RuvA و RuvB مجموعه ای با فعالیت DNA هلیکازی ایجاد می کنند که مهاجرت گسترده شاخه را کاتالیز می کند. RuvC اندونوکلئازی است که به این کمپلکس متصل شده و سبب تجزیه اتصالات هالیدی می شود.
ترانسپوزیشن حرکت قطعات خاصی از DNA در ژنوم است. این نوترکیبی شبیه به نوترکیبی جایگاه ویژه است که با آنزیم های ویژه ای کاتالیز می شود. ترانسپوزازها آنزیم هایی هستند که ترانسپوزیشن را کاتالیز می
کنند. این آنزیم ها توالی های الحاقی را شناخته و بر روی آن عمل می کنند. ترانسپوزون های غیر الحاقی علاوه بر ترانسپوزاز، اطلاعات ژنی برای سنتز آنزیم رزولواز را نیز دارند. این آنزیم در جداسازی و تجزیه نسخه های ژن شرکت می کند.
آنزیم های DNA پلیمرازE.coli :
DNAپلیمراز 1: در ساختار این آنزیم سه دومن کاتالیتیکی 5 به 3 پلیمرازی، 3 به 5 اگزونوکلئازی و 5 به 3 اگزونوکلئازی وجود دارد که دو دومن اول در قطعه بزرگ یا کلنو وجود دارند. قطعه کوچک فعالیت 5
به 3 اگزونوکلئازی دارد. این آنزیم بیشتر در برداشت پرایمر و ترمیم نقش دارد.
DNA پلیمراز 3: نقش اصلی را در همانندسازی دارد. این پلیمراز با حداقل 18 زنجیر پلی پپتیدی از حداقل 10 نوع مختلف تشکیل شده است. آنزیم به صورت دیمر وجود دارد که در هر شاخه آن یک هسته مرکزی شامل زیر واحدهای آلفا با فعالیت 5 به 3 پلیمرازی، زیر واحد اپسیلون با فعالیت غلط گیری 3 به 5 اگزونوکلئازی و تتا با فعالیت ناشناخته وجود دارد. به علاوه در ساختمان این آنزیم یک دیمر حلقوی بتا به عنوان گیره جهت اتصال آنزیم به رشته الگو، زیر واحد گاما جهت بارگیری گیره به رشته الگو و زیر واحد تائو که در اتصال هسته های کاتالیتیک به یکدیگر و احتمالا اتصال به الگو نقش دارد، وجود دارد.
همانندسازی در E.coli:
شروع همانندسازی:
مبدا همانندسازی در E.coli یاoriC شامل 245 نوکلئوتید می باشد که در چهار توالی تکراری 9 جفت بازی و سه توالی تکراری 13جفت بازی وجود دارد. چندین مولکول DnaA با اتصال به توالی های 9 جفت بازی به کمک پروتئین HU و ATP ناحیه 13جفت بازی را باز می کنند. سپس DnaB به کمک DnaC اتصال یافته تا مارپیچ را بیشتر باز کند. با اتصال پروتئین SSB از ایجاد مجدد مارپیچ دو رشته جلوگیری می شود. کمپلکس حاصل را پرپرایمینگ گویند. در ادامه با اتصال DnaG (پرایماز) بهDnaB این آنزیم پرایمر را برای شروع همانندسازی سنتز می کند. کمپلکس حاصل را پرایموزوم گویند. پرایمر از جنس RNA بوده و مکمل رشته الگو می باشد.
برای سنتز هر قطعه اوکازاکی ابتدا به فواصل مشخص DnaG به DnaB اتصال یافته و یک پرایمر سنتز می شود. سپس به کمک کمپلکس بارگیری گیره یک گیره جدید در محل پرایمر قرار داده شده تا بعد از اتمام سنتز قطعه قبلی هسته پلیمرازی رشته پیرو از گیره قبلی جدا و برای سنتز قطعه جدید به این گیره اتصال یابد. میانگین طول قطعات اوکازاکی در سلول های انسان حدود 200-130 نوکلئوتید می باشد. درE.coli طول قطعات فوق حدود 10 برابر بزرگ تر هستند.
برداشت پرایمر به کمک فعایت 5 به 3 اگزو نوکلئازی و جایگزینی قطعه ای از جنس DNA توسط فعالیت پلیمرازی آنزیم DNA پلیمراز 1 صورت می پذیرد. این مرحله همراه با انتقال یا جا به جایی محل بریدگی است. حذف برش هم توسط آنزیم DNA لیگاز با ایجاد پیوند فسفودی استر بین نوکلئوتیدهای محل برش صورت می پذیرد. آنزیمDNA لیگاز در پروکاریوت ها به NAD+ و در ویروس ها و یوکاریوت ها به ATPنیاز دارد.
پایان همانندسازی:
خاتمه همانندسازی در پروکاریوت ها نیاز به توالیTer پروتئینTus و توپوایزومراز دارد.
آنزیم هایDNA پلیمراز یوکاریوتی:
DNA پلیمراز آلفا: یک آنزیم چند زیر واحدی است که دارای هر دو فعالیت پلیمرازی و پرایمازی بوده و فاقد هر گونه فعالیت اگزونوکلئازی است. این آنزیم ابتدا یک قطعه کوتاه پرایمر را سنتز کرده و بعد از این که مقداری از رشته جدید را سنتز کرد جای خود را به DNA پلیمراز دلتا می دهد.
DNA پلیمراز دلتا: دارای دو زیر واحد بوده و با داشتن بالاترین خاصیت پیشروندگی، نقش اصلی را در همانند سازی هر دو رشته پیشرو و پیرو دارد. این آنزیم به کمک دو پروتئین آنتی ژن هسته ای سلول در حال تکثیر (PCNA) و فاکتور همانندسازیC (RFC) عمل پلیمرازی خود را تسریع می بخشد. PCNA به
عنوان گیره برای اتصال به رشته الگو عمل نموده و RFC به بارگیری این گیره کمک می کند.
DNA پلیمراز اپسیلون: فعالیت 3 به 5 اگزونوکلئازی و 5 به 3 اگزونوکئازی داشته و در برداشت پرایمر و ترمیم نقش دارد.
DNAپلیمراز بتا: فاقد هر گونه فعالیت اگزونوکلئازی بوده و احتمالا در ترمیم نقش دارد.
DNAپلیمراز گاما: مسئول همانند سازی ژنوم میتوکندری است.
همانندسازی در یوکاریوت ها:
در تمامی یوکاریوت ها شروع همانندسازی نیاز به یک پروتئین چند زیر واحدی به نام کمپلکس شناسایی مبداء (ORC) دارد که شامل چندین مبداء ori است. کمپلکس دیگر که MCM نام دارد همانند DnaB فعالیت هلیکازی دارد. پروتئین های Cdc6 وCDT1 مشابه DnaC بوده و هلیکاز MCM را به نزدیکی مبداء همانندسازی درDNA هدایت می کند. فسفریلاسیون Cdc6 توسط سیکلین وابسته به کیناز آن را غیر فعال کرده و از تجمع مجدد کمپلکس جلوگیری می کند. سپس مولکول های RPA (پروتئین همانندساز A) به زنجیره های جدا شده متصل و باعث جدا شدن بیشتر آن ها می شوند.
در یوکاریوت ها RNase H (RNA هیبدریداز) پرایمر را تخریب نموده و یک ریبونوکلئوتید متصل به انتهای قطعه اوکازاکی را باقی می گذارد (RNase H هیدرولیز زنجیره RNA ای را کاتالیز می کند که با بک زنجیره DNA پیوند هیدروژنی دارد؛ مانند هیبرید RNA-DNA). FEN1 (Flap اندونوکلئاز 1) آخرین نوکلئوتید را برداشت می نماید.
عوامل مهار کننده همانندسازی و تقسیم کروموزوم ها:
عوامل اینترکلاته کننده: به علت دارا بودن حلقه آروماتیک در ساختمان DNA قرار گرفته و با تغییر کنفورماسیون آن باعث مهار همانندسازی می شوند. گلیکوزیدهای آنتراسیکلینی و آنتی بیوتیک هایی چون اکتینومایسین D و دائونومایسین از جمله این عوامل می باشند. قسمت آنتراسیکلین آن ها در بین بازها و عامل قندی در داخل شیار بزرگDNA جای می گیرد.
آمفی کولین: یک سم قارچی است که DNA پلیمرازهای یوکاریوتی آلفا، دلتا و اپسیلون را مهار می کند.
سم تاکسول: با پایدار کردن شکل پلیمریزه میکروتوبول ها مانع از تقسیم کروموزوم ها طی چرخه سلولی می شود.
5-آزاسیتوزین: باعث مهار رشته های ستاره ای طی تقسیم میتوز می شود.
سیتوکالازین D: با اتصال به میکروفیلامان های اکتین و پایدار کردن آن ها، مانع از سیتوکینز و تقسیم سلول می شود.
نوترکیبی:
نوترکیبی تبادل اطلاعات ژنتیکی است. دو نوع اصلی نوترکیبی وجود دارد: نوترکیبی هومولوگ و نوترکیبی غیر هومولوگ. نوترکیبی هومولوگ (که نوترکیبی معمول نیز نامیده می شود) بین توالی های یکسان یا تقریبا
یکسان؛ برای مثال بین کروموزوم های مادری و پدری از یک جفت کروموزوم رخ می دهد. در نوترکیبی غیر هومولوگ (نوترکیبی جایگاه ویژه)، آنزیم ها سبب الحاق یک توالی خاص در DNA
می شوند.
وفور یک درصدی نوترکیبی بین دو ژن یا شاخص به صورت فاصله ژنتیکی یک سانتی مورگان (cM)
تعریف می شود. در انسان، cM1 تقریبا 1000000 جت باز در طول کروموزوم می باشد.
آنزیم ها و پروتئین های متعددی در فرایند نوترکیبی نثش دارند که انواع مهم موجود در E.coli عبارتند از: آنزیم های رکامبیناز واکنش های نوترکیبی را از طریق ایجاد شکست های اختصاصی در DNA و تشکیل و حذف ترکیبات واسط اتصال هالیدی تسریع می کنند. اینتگراز لامبدا، رکامبیناز فاژ لامبدا است.
RecA، یک پروتئین مهم در فرآیند نوترکیبی می باشد که با روش تعاونی به تک رشته DNA متصل شده و DNA شکل یک مارپیچ تابیده به خود می گیرد. این عمل جفت شدن تک رشته با دو رشته DNA هومولوگ برای ایجاد ساختار سه رشته ای حلقه D را تسهیل می نماید. تبدیل رشته نیز می تواند رخ دهد که منتهی به هترودوبلکس DNA می شد. یوکاریوت ها پروتئین های هومولوگی دارند که نوع انسانی آن RAD51 است.
RecBCD به شکست دو رشته ای متصل شده و با جویدن DNA، آن را به عنوان سوبسترا برای نوترکیبی پردازش می کند. این آنزیم در حضور توالی chi، تخریب رشته دارای انتهای 3 را نسبت به رشته دارای انتهای 5 کاهش داده و سبب ایجاد تک رشته دارای انتهای 3 می گردد. RecA می تواند به این تک رشته متصل شود و تا جفت شدن با دو رشته ای هومولوگ آغاز گردد. RuvA و RuvB مجموعه ای با فعالیت DNA هلیکازی ایجاد می کنند که مهاجرت گسترده شاخه را کاتالیز می کند. RuvC اندونوکلئازی است که به این کمپلکس متصل شده و سبب تجزیه اتصالات هالیدی می شود.
ترانسپوزیشن حرکت قطعات خاصی از DNA در ژنوم است. این نوترکیبی شبیه به نوترکیبی جایگاه ویژه است که با آنزیم های ویژه ای کاتالیز می شود. ترانسپوزازها آنزیم هایی هستند که ترانسپوزیشن را کاتالیز می
کنند. این آنزیم ها توالی های الحاقی را شناخته و بر روی آن عمل می کنند. ترانسپوزون های غیر الحاقی علاوه بر ترانسپوزاز، اطلاعات ژنی برای سنتز آنزیم رزولواز را نیز دارند. این آنزیم در جداسازی و تجزیه نسخه های ژن شرکت می کند.