Idi na sadržaj

Replikacija prokariotske DNK

S Wikipedije, slobodne enciklopedije

Replikacija prokariotske DNK je proces kojim prokarioti dupliciraju svoju DNK u drugu kopiju koja se prenosi na ćelije kćeri.[1] Iako se često proučava u modelnom organizmu E. coli, druge bakterije pokazuju mnogo sličnosti.[2] Replikacija je dvosmjerna i potiče od jednog replikacijskog porijekla (OriC).[3] Sastoji se od tri koraka: inicijacije, elongacije i terminacije.[4]

Dvosmjerna replikacija teta tipa. Većina kružnih bakterijskih hromosoma se replicira dvosmjerno, počevši od jedne take porijekla i replicirajući se u dva smjera od početka. Ovo rezultira polukonzervativnom replikacijom, u kojoj svaka nova identična molekula DNK sadrži jedan šablonski lanac od originalnecmolekule, prikazane kao pune linije, i jedan novi lanac, prikazan kao isprekidane linije.

Inicijacija

[uredi | uredi izvor]
Inicijacija i elongacija prokariotske DNK

Sve ćelije moraju završiti replikaciju DNK prije nego što mogu nastaviti s novom diobom. Uvjeti medija koji podržavaju brzi rast bakterija također su upareni s kraćim međuinicijalnim vremenom u njima, tj. vrijeme udvostručenja u brzorastućim ćelikjama je manje u odnosu na standardni spori rast.[5] Drugim rečima, moguće je da u uslovima brzog rasta ćelije bake počnu da repliciraju svoju DNK za ćeliju unuke. Iz istog razloga, početak replikacija DNK je visoko reguliran. Bakterijsko porijeklo reguliše sklapanje orisoma, kompleksa jedro-protein koji je sastavljen na porijeklu odgovornom za odmotavanje izvora i punjenje svih mehanizama za replikaciju. U ]]E. coli]], smjer za sklapanje orisoma ugrađen je u kratki dio nukleotidne sekvence koja se naziva ishodište replikacije ("oriC") koja sadrži više mjesta vezivanja za inicijatorski protein ADNK[6](visoko homologni protein u bakterijskom carstvu). ADNK ima četiri domena, odgovorna za određeni zadatak.[7] Postoji 11 ADNK veznih mjesta/kutija na porijeklu replikacije E. coli,[6] od kojih tri kutije R1, R2 i R4 (koje imaju visoko konzerviranih 9 bp konsenzusne sekvence 5' - TTATC/ACACA [2]) To su ADNK kutije visokog afiniteta. Vezuju se za ADNK-ADP i ADNK-ATP jednakim afinitetima i vezani su za ADNK tokom većeg dela ćelijskog ciklusa i formiraju skelu na kojoj se sastavlja ostatak orisoma. Ostalih osam kutija ADNK su mjesta niskog afiniteta koja se preferencijalno vezuju za ADNK-ATP.[6] Tokom inicijacije, ADNK vezana za kutiju ADNK visokog afiniteta, R4 donira dodatnu ADNK susjednom mjestu niskog afiniteta i progresivno popunjava sve ADNK kutije niskog afiniteta.[6] Popunjavanje lokacija mijenja datu konformaciju iz njenog izvornog stanja. Pretpostavlja se da elongacija DNK pomoću ADNK vezanog za ishodište podstiče odvajanje lanaca, što omogućava da se više ADNK veže za nerazmotani region.[8] C-DNK-punjač helikaze tada stupa u interakciju s A-DNK, vezanom za jednolančanu DNK kako bi regrutirao B-DNK helikazu[9] koja će nastaviti da odmotava DNK dok G-DNK-primaza postavlja RNK prajmer i DNK-polimerazni III holoenzim počinje elongaciju.[10]

Regulacija

[uredi | uredi izvor]

Replikacija hromosom u bakterijama je regulirana u fazi inicijacije.[2] ADNK-ATP je hidroliziran u neaktivni ADNK-ADP, pomoću RIDA (regulatorna inaktivacija ADNK),[11] i konvertuje se nazad u aktivni ADNK-ATP oblik, pomoću DARS-a (ADNK reaktivirajuća sekvenca, koja je sama regulirana putem Fis-a i IHF-a).[12][13] Međutim, glavni izvor ADNK-ATP je sinteza novih molekula.[2] U međuvremenu, nekoliko drugih proteina stupa u direktnu interakciju sa sekvencom oriC da reguliše inicijaciju, obično inhibicijom. U E. coli ovi proteini uključuju DiaA,[14] SeqA,[15] IciA,[2] HU i ArcA-P,[2] ali se razlikuju među drugim vrstama bakterija. Nekoliko drugih mehanizama u E. coli koji različito reguliraju inicijaciju su DDAH (datA-ovisna ADNK-hidroliza, koju također regulira IHF),[16] inhibicija "ADNK" gena (putem SeqA proteina),[2] i reaktivacija ADNK putem lipidne membrane.[17]

Elongacija

[uredi | uredi izvor]
Replisom E coli sa petljom u zaostalom lancu DNK

Kada je prajmiranje avršeno, holoenzim DNK-polimeraze III se učitava u DNK i počinje replikacija. Katalitski mehanizam DNK-polimeraze III uključuje upotrebu dva metalna iona u aktivnom mjestu i regije na aktivnom mjestu koja može razlikovati dezoksiribonukleotid i ribonukleotide. Metalni ioni su općii divalentni kationi koji pomažu 3' OH da započne nukleofilni napad na alfa fosfat dezoksiribonukleotida i orijentiše i stabilizuje negativno nabijeni trifosfat na dezoksiribonukleotidu. Nukleofilni napad 3' OH na alfa fosfat oslobađa pirofosfat, koji se zatim hidrolizira (uz pomoć neorganske fosfataze) u dva fosfata. Ova hidroliza dovodi do završetka sinteze DNK.

Nadalje, DNK-polimeraza III mora biti u stanju da razlikuje ispravno uparene i pogrešno uparene baze. Ovo se postiže razlikovanjem Watson-Crickovih baznih parova korištenjem džepa aktivnog mjesta koje je komplementarno po obliku strukturi ispravno uparenih nukleotida. Ovaj džep ima ostatak tirozina koji je u stanju da formira van der Vaalsove interakcije sa ispravno uparenim nukleotidom. Osim toga, dsDNK (dvolančana DNK) na aktivnom mjestu ima širi glavni žljeb i plići mali žlijeb koji omogućava stvaranje vodikovih veza s trećim dušikom purinske baze i drugim kisikom pirimidinskih baza. Konačno, aktivno mjesto stvara opsežne vodikove veze sa okosnicom DNK. Ove interakcije rezultiraju zatvaranjem DNK polimeraze III oko ispravno uparene baze. Ako je baza umetnuta i pogrešno uparena, ove interakcije se ne bi mogle dogoditi zbog prekida vodikove veze i van der Waalsovih interakcija.

DNK se čita u smjeru 3' → 5', stoga se nukleotidi sintetiziraju (ili vezuju za šablon lanca) u smjeru 5' → 3'. Međutim, jedan od roditeljskih lanaca DNK je 3' → 5' dok je drugi 5' → 3'. Da bi se ovo riješilo, replikacija se događa u suprotnim smjerovima. Krećući se prema replikacijskoj viljuški, vodeći lanac se sintetizira na kontinuiran način, zahtijevajući samo jedan prajmer. S druge strane, zaostajući lanac, koji ide dalje od replikacijske viljuške, sintetizira se u sekvenci kratkih fragmenata poznatih kao Okazaki fragmenti, zbog čega je potrebno mnogo prajmera. RNK prajmeri Okazaki fragmenta se naknadno razgrađuju pomoću RNaza H i DNK-polimeraze I (egzonukleaze), a praznine (ili urezi)) ispunjeni su dezoksiribonukleotidima i zapečaćeni enzimom ligaza.

Stopa replikacije

[uredi | uredi izvor]

Brzina replikacije DNK u živoj ćeliji prvo je izmjerena kao brzina elongacije DNK faga T4 kod E. coli inficirane fagom.[18] Tokom perioda eksponencijalnog povećanja DNK na 37 °C, brzina je bila 749 nukleotida u sekundi. Stopa mutacije po paru baza po replikaciji tokom sinteze DNK faga T4 je 1,7 na 108.[19]

Terminacija

[uredi | uredi izvor]
Terminacija prokariotske DNK

Prestanak replikacije DNK u E. coli završava se upotrebom terminacijskih sekvenci i Tus proteina. Ove sekvence omogućavaju da dvije replikacijske viljuške prođu samo u jednom smjeru, ali ne i u drugom.

Replikacija DNK u početku proizvodi dva katenirana ili povezana kružna DNK dupleksa, od kojih svaki sadrži jedan roditeljski lanac i jedan novosintetizirani lanac (po prirodi semikonzervativne replikacije). Ova katenacija se može vizualizirati kao dva međusobno povezana prstena koja se ne mogu razdvojiti. Topoizomeraza 2 u E. coli razdvaja ili dekatenira dva kružna dupleksa DNK, razbijanjem fosfodiestarskih veza u dva uzastopna nukleotida, bilo roditeljske ili novoformirane DNK i nakon toga ligirajuća aktivnost ligira prekinuti lanac DNK i tako se formiraju dvije DNK.

Ostali modeli prokariotske replikacije

[uredi | uredi izvor]

Replikacija teta tipa je već spomenuta. Postoje i drugi tipovi prokariotske replikacije kao što su replikacija kotrljajućeg kruga i replikacijaD-petlja

Replikacija kotrljajućeg kruga

[uredi | uredi izvor]

Ovo se vidi u bakterijskoj konjugaciji gdje se isti kružni šablon DNK rotira i oko njega se razvija novi lanac.

Kotrljajuća kružna replikacija

.

Kada je konjugacija inicirana signalom, relaksaza, enzim stvara urez u jednom od lanaca konjugativnog plazmida na oriT . Relaksaza može djelovati sama ili u kompleksu od preko desetina proteina poznatih pod zajedničkim nazivom relaksozom. U sistemu F-plazmida, enzim relaksaze se naziva TraI, a relakzosom se sastoji od TraI, TraY, TraM i integrisanog faktora domaćina IHF. Urezani lanac ili T-lanac se zatim odmotava od neprekinute niti i prenosi u ćeliju primatelja u smjeru od 5'-kraja do 3'-kraja. Preostali lanac se replicira ili neovisno o konjugativnom djelovanju (vegetativna replikacija počinje na oriV) ili u skladu s konjugacijom (konjugativna replikacija slična kotrljajućen krugu replikacije lambda faga). Konjugativna replikacija može zahtijevati drugi urez prije uspješnog prijenosa. Nedavni izvještaj tvrdi da je inhibirao konjugaciju s hemikalijama koje oponašaju međukorak ovog drugog događaja urezivanja.[20]

Replikacija D-petlje

[uredi | uredi izvor]

Replikacija D-petlje se uglavnom vidi u organelskoj DNK, gdje se formira trolančana struktura nazvana petlja pomjeranja.[21]

Reference

[uredi | uredi izvor]
  1. ^ "What is DNA Replication?". yourgenome.org. Wellcome Genome Campus. Arhivirano s originala, 20. 3. 2017. Pristupljeno 24. 2. 2017.
  2. ^ a b c d e f g Wolański M, Donczew R, Zawilak-Pawlik A, Zakrzewska-Czerwińska J (1. 1. 2014). "oriC-encoded instructions for the initiation of bacterial chromosome replication". Frontiers in Microbiology. 5: 735. doi:10.3389/fmicb.2014.00735. PMC 4285127. PMID 25610430.
  3. ^ Bird RE, Louarn J, Martuscelli J, Caro L (oktobar 1972). "Origin and sequence of chromosome replication in Escherichia coli". Journal of Molecular Biology. 70 (3): 549–66. doi:10.1016/0022-2836(72)90559-1. PMID 4563262.
  4. ^ Bussiere DE, Bastia D (mart 1999). "Termination of DNA replication of bacterial and plasmid chromosomes". Molecular Microbiology. 31 (6): 1611–8. doi:10.1046/j.1365-2958.1999.01287.x. PMID 10209736. S2CID 33177098.
  5. ^ Cooper, Stephen; Helmstetter, Charles E. (februar 1968). "Chromosome replication and the division cycle of Escherichia coli". Journal of Molecular Biology. 31 (3): 519–540. doi:10.1016/0022-2836(68)90425-7. PMID 4866337.
  6. ^ a b c d Leonard, Alan C.; Grimwade, Julia E. (2. 6. 2015). "The orisome: structure and function". Frontiers in Microbiology. 6: 545. doi:10.3389/fmicb.2015.00545. PMC 4451416. PMID 26082765.
  7. ^ Mott, Melissa L.; Berger, James M. (maj 2007). "DNA replication initiation: mechanisms and regulation in bacteria". Nature Reviews Microbiology. 5 (5): 343–354. doi:10.1038/nrmicro1640. PMID 17435790. S2CID 21385364.
  8. ^ Duderstadt, Karl E.; Chuang, Kevin; Berger, James M. (2. 10. 2011). "DNA stretching by bacterial initiators promotes replication origin opening". Nature. 478 (7368): 209–213. Bibcode:2011Natur.478..209D. doi:10.1038/nature10455. PMC 3192921. PMID 21964332.
  9. ^ Kaguni, Jon M (oktobar 2011). "Replication initiation at the Escherichia coli chromosomal origin". Current Opinion in Chemical Biology. 15 (5): 606–613. doi:10.1016/j.cbpa.2011.07.016. PMC 3189269. PMID 21856207.
  10. ^ Ozaki, Shogo; Noguchi, Yasunori; Hayashi, Yasuhisa; Miyazaki, Erika; Katayama, Tsutomu (26. 10. 2012). "Differentiation of the DnaA-oriC Subcomplex for DNA Unwinding in a Replication Initiation Complex". Journal of Biological Chemistry. 287 (44): 37458–37471. doi:10.1074/jbc.M112.372052. PMC 3481341. PMID 22942281.
  11. ^ Kato J, Katayama T (august 2001). "Hda, a novel DnaA-related protein, regulates the replicgation cycle in Escherichia coli". The EMBO Journal. 20 (15): 4253–62. doi:10.1093/emboj/20.15.4253. PMC 149159. PMID 11483528.
  12. ^ Fujimitsu K, Senriuchi T, Katayama T (maj 2009). "Specific genomic sequences of E. coli promote replicational initiation by directly reactivating ADP-DnaA". Genes & Development. 23 (10): 1221–33. doi:10.1101/gad.1775809. PMC 2685538. PMID 19401329.
  13. ^ Kasho K, Fujimitsu K, Matoba T, Oshima T, Katayama T (decembar 2014). "Timely binding of IHF and Fis to DARS2 regulates ATP-DnaA production and replication initiation". Nucleic Acids Research. 42 (21): 13134–49. doi:10.1093/nar/gku1051. PMC 4245941. PMID 25378325.
  14. ^ Ishida T, Akimitsu N, Kashioka T, Hatano M, Kubota T, Ogata Y, Sekimizu K, Katayama T (oktobar 2004). "DiaA, a novel DnaA-binding protein, ensures the timely initiation of Escherichia coli chromosome replication". The Journal of Biological Chemistry. 279 (44): 45546–55. doi:10.1074/jbc.M402762200. PMID 15326179.
  15. ^ Frimodt-Møller J, Charbon G, Løbner-Olesen A (decembar 2016). "Control of bacterial chromosome replication by non-coding regions outside the origin". Current Genetics. 63 (4): 607–611. doi:10.1007/s00294-016-0671-6. PMID 27942832. S2CID 4527288.
  16. ^ Kasho K, Katayama T (januar 2013). "DnaA binding locus datA promotes DnaA-ATP hydrolysis to enable cell cycle-coordinated replication initiation". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (3): 936–41. Bibcode:2013PNAS..110..936K. doi:10.1073/pnas.1212070110. PMC 3549119. PMID 23277577.
  17. ^ Saxena R, Fingland N, Patil D, Sharma AK, Crooke E (april 2013). "Crosstalk between DnaA protein, the initiator of Ecoli chromosomal replication, and acidic phospholipids present in bacterial membranes". International Journal of Molecular Sciences. 14 (4): 8517–37. doi:10.3390/ijms14048517. PMC 3645759. PMID 23595001.
  18. ^ McCarthy D, Minner C, Bernstein H, Bernstein C (oktobar 1976). "DNA elongation rates and growing point distributions of wild-type phage T4 and a DNA-delay amber mutant". Journal of Molecular Biology. 106 (4): 963–81. doi:10.1016/0022-2836(76)90346-6. PMID 789903.
  19. ^ Drake JW (1970) The Molecular Basis of Mutation. Holden-Day, San Francisco ISBN 0816224501 ISBN 978-0816224500.Šablon:Pn
  20. ^ Lujan SA, Guogas LM, Ragonese H, Matson SW, Redinbo MR (2007). "Disrupting antibiotic resistance propagation by inhibiting the conjugative DNA relaxase". PNAS. 104 (30): 12282–7. Bibcode:2007PNAS..10412282L. doi:10.1073/pnas.0702760104. JSTOR 25436291. PMC 1916486. PMID 17630285.
  21. ^ Jemt, Elisabeth; Persson, Örjan; Shi, Yonghong; Mehmedovic, Majda; Uhler, Jay P.; Dávila López, Marcela; Freyer, Christoph; Gustafsson, Claes M.; Samuelsson, Tore; Falkenberg, Maria (30. 10. 2015). "Regulation of DNA replication at the end of the mitochondrial D-loop involves the helicase TWINKLE and a conserved sequence element". Nucleic Acids Research. 43 (19): 9262–9275. doi:10.1093/nar/gkv804. PMC 4627069. PMID 26253742.

Vanjski linkovi

[uredi | uredi izvor]
Preuzeto iz "https://bs.wikipedia.org/w/index.php?title=Replikacija_prokariotske_DNK&oldid=3563350"