Satu kaedah alternatif replikasi DNA ternyata lebih berkesan daripada yang tradisional. • Alexander Markov • Berita sains mengenai "Unsur" • Genetik

Satu kaedah alternatif replikasi DNA ternyata lebih berkesan daripada tradisional

Rajah. 1. Skema inisiasi replikasi (misalnya, yis; di archaea, semuanya berlaku dengan cara yang sama, kerana sistem replikasi DNA diwarisi oleh eukariot dari nenek moyang, archaea). Pertama ke titik permulaan replikasi (asalnya) kompleks protein yang dilampirkan ORC (kompleks pengenalan asal). Ini menyumbang kepada pelekatan kompleks MCM (helicase replika, yang bertanggungjawab untuk melepaskan heliks ganda semasa replikasi). Kemudian protein lain yang diperlukan untuk permulaan replikasi ditambah. Turun di bawah dua garpu replikasi ditunjukkan bergerak dalam kedua-dua arah dari asal replikasi. Gambar dari www.paterson.man.ac.uk

Proses menggandakan molekul DNA (replikasi) bermula pada "titik permulaan replikasi" tertentu (TNR) – segmen DNA dengan urutan nukleotida tertentu yang melekat pada protein yang membongkar helix berganda dan memulakan replikasi. Dalam genom Archaea yang kaya dengan garam Haloferax volcanii dijumpai empat thp. Pembuangan mana-mana daripada mereka, seperti yang diharapkan, membawa kepada perlahan-lahan replikasi dan pembiakan mikroba. Walau bagaimanapun, penyingkiran secara serentak keempat-empat TNR, cukup aneh, mempercepat replikasi dan membenarkan arkea untuk berlipat ganda dengan lebih cepat.Dalam ketiadaan TNP, replikasi dimulakan oleh kaedah "tidak konvensional" di tempat-tempat sewenang-wenangnya kromosom dengan penyertaan wajib enzim yang menukar tapak antara molekul DNA (rekombinasi homolog). Penemuan ini membuat anda berfikir tentang mengapa TNR diperlukan sama sekali dan bagaimana ia berlaku. Mungkin, pada mulanya mereka adalah "gen mementingkan diri sendiri", hanya merujuk kepada pembiakan mereka sendiri, tetapi kemudian menjalani "penggantian molekul" dan mula membawa faedah, membantu mengawal dan mengatur replikasi kromosom.

Semua organisma hidup dalam genom mempunyai "titik permulaan ulangan" (THP) – urutan nukleotida spesifik yang berfungsi untuk melampirkan protein yang memulakan replikasi DNA (Rajah 1). Struktur dan bilangan TNR dalam organisma yang berlainan adalah berbeza. Banyak bakteria, genom yang diwakili oleh satu kromosom bulat tunggal, mempunyai hanya satu THP bagi setiap genom. Replikasi, bermula pada titik ini, bergerak di kedua-dua arah daripadanya, sehingga dua garisan replikasi disambungkan, dan dua dihasilkan dari satu kromosom cincin. Archaea biasanya mempunyai beberapa TNR pada satu kromosom bulat tunggal.Bagi eukariota, kehadiran pelbagai THPs pada setiap kromosom linear (sehingga seratus ribu bagi setiap genom) adalah ciri. Permulaan replikasi secara serentak pada banyak perkara membantu mempercepat proses.

Ahli mikrobiologi dari Universiti Nottingham mengkaji kerja TNR dari objek model penting – archaea halofil (penyayang garam) Haloferax volcaniitinggal di Laut Mati dan dianggap sebagai mikroorganisma yang sangat kuno.

Untuk mengenal pasti THP, penulis mengurai DNA dari pelbagai sel dan merancang bilangan serpihan urutan pada kedudukan mereka pada kromosom cincin. H. volcanii. Sejak replikasi bermula dengan THP, sel-sel mesti mempunyai kebanyakan salinan kawasan yang bersebelahan dengan THP (mereka sudah boleh direplikasi sementara laman-laman yang tinggal tetap dalam satu salinan). Mengenai graf tersebut, TNR mempunyai bentuk puncak tajam yang dipisahkan oleh "lembah" yang dipaku.

Analisis menunjukkan bahawa ketegangan makmal H. volcaniiPara penyelidik bekerja dengan, dalam kromosom bulat tunggal, terdapat empat TNP yang berbeza dalam tahap aktiviti mereka (Rajah 2a).

Rajah. 2 Ketergantungan bilangan salinan serpihan DNA yang diasingkan pada lokasi pada kromosom (kromosom bulat adalah "dipotong" di sepanjang titik paling aktif onsetreplikasi, oriC1). a – ketegangan asal. Puncak dalam graf sesuai dengan empat THP: oriC1, ori-pHV4, oriC3, oriC2). b – ketegangan di mana semua empat TNP telah dibuang. Imej dari artikel dalam perbincangan Alam

Untuk mengetahui betapa pentingnya THPs ini adalah untuk mikroba, penulis membina strain archaeal di mana satu, dua, tiga, atau empat THPs dikeluarkan daripada genom. Untuk mengejutkan para penyelidik, semua strain ini ternyata berdaya maju – bahkan tanpa titik permulaan untuk replikasi sama sekali! Lebih-lebih lagi, ketegangan ini, tidak langsung dari THP, didarabkan dengan terpantas (7.5% lebih cepat daripada ketegangan asal dengan empat THP). Pembuangan tiga TNR yang paling aktif meningkatkan kadar pembiakan sebanyak 5.5% berbanding dengan yang asal. Sebaliknya, mengalihkan satu TNR, menyebabkan pertumbuhan lebih perlahan. Penghapusan dua TNP daripada empat mempunyai sedikit kesan pada kadar pembiakan (bergantung kepada TNR yang dikeluarkan, sama ada menurun sedikit atau bertambah sedikit). Secara umum, dalam strain yang diubahsuai, tidak ada langsung (seperti yang diharapkan), tetapi korelasi songsang antara aktiviti TNR yang masih (tidak dikeluarkan) dan kadar pembiakan.

Keputusan ini paradoks menunjukkan bahawa sebagai TNR dimatikan H.volcanii beberapa mekanisme inisiasi replikasi lain diaktifkan, yang berfungsi dengan lebih berkesan semakin lemah aktiviti TNR yang selebihnya. Adalah paling mudah untuk mengandaikan bahawa dalam kes ini beberapa THP "tidak aktif" tambahan diaktifkan (fenomena ini diketahui dalam yis). Hipotesis ini boleh diuji dengan membina graf bilangan salinan serpihan DNA yang sudah biasa kepada kami di lokasi mereka pada kromosom. Jika TNP tidur tidur bangun, ini harus muncul sebagai puncak baru pada grafik. Walau bagaimanapun, graf untuk ketegangan yang kurang THP ternyata licin, tiada puncak baru muncul di atasnya (Rajah 2b). Dalam strain dengan satu TNP yang diputuskan, graf yang dipelihara puncak-puncak lama sepadan dengan TNR yang selebihnya, tetapi mereka telah diletak keluar dari yang menunjuk.

Daripada ini, kita berurusan dengan mekanisme alternatif inisiasi replikasi, yang berfungsi di tempat-tempat sewenang-wenang kromosom dan tidak bergantung pada urutan nukleotida spesifik THP. Apakah mekanisme ini?

Sesetengah virus memulakan replikasi menggunakan penggabungan homolog (lihat penggabungan semula Homolog) – pertukaran tapak yang sama antara dua molekul DNA.Dalam proses penggabungan homolog, helix dua DNA yang bersurai secara tempatan, yang mewujudkan prasyarat untuk pembentukan garpu replikasi. Rekombinasi homolog digunakan terutamanya untuk memperbaiki (membaiki) rehat DNA (pembaikan rehat dua kali ganda). Dalam kes ini, salinan kedua (keseluruhan) kromosom yang patah digunakan sebagai matriks untuk memohon patch ke kawasan yang rosak. Adalah diketahui bahawa bakteria (Escherichia coli) Pembaikan pulih DNA boleh memulakan replikasi (ini dipanggil "Replikasi yang disebabkan kerosakan DNA," replikasi DNA yang merosakkan kerosakan DNA). Mungkin arkea yang tidak mempunyai titik permulaan replikasi mempunyai proses yang sama?

Untuk menguji hipotesis ini, penulis cuba mengeluarkan gen dari mikroba eksperimen RadA, produk yang mengkatalin semula rekombinasi homolog di arkea (gen yang berkaitan dengan fungsi yang sama wujud dalam bakteria dan eukariota, lihat: Seitz et al., 1998). Protein RadA ialah homolog protein RecA archaeal yang mengatalisis DNA). Liar H. volcanii tanpa gen RadA bertahan entah bagaimana, walaupun mereka tidak dapat melakukan rekombinasi homolog. Secara semula jadi, mereka tidak akan terselamat kerana mereka tidak dapat secara berkesan merapatkan rehat DNA yang berlaku di bawah pengaruh sinaran suria keras di perairan permukaan Laut Mati (archaea H. volcanii dilindungi daripada radiasi dengan bantuan polifloid dan rekombinasi homolog, seperti deynokokkam, yang diterangkan dalam berita Membongkar misteri mikroba yang tidak takut radiasi, "Elemen", 03.10.2006). Tetapi di makmal mereka boleh hidup dan berkembang biak. Dibuktikan berdaya maju selepas penyingkiran (atau penutupan) RadA juga terikan kekurangan bahagian THP. Tetapi untuk mendapatkan bakteria yang berdaya maju, tanpa RadA dan keempat TNR, penyelidik gagal. Eksperimen tambahan mengesahkan bahawa, tanpa kehadiran TNP, keupayaan untuk rekombinasi homolog adalah mutlak diperlukan untuk replikasi DNA.

Ia sebelum ini ditunjukkan bahawa beberapa strain mutan E. coli E. coli juga boleh memulakan replikasi menggunakan rekombinasi homolog jika mereka telah dibuang TNP. Tetapi bakteria tersebut berkembang sangat teruk. Dalam erti kata lain, kehilangan TNR secara dramatik mengurangkan kecergasan mereka. Sebaliknya, kadar pembiakan arkeologi H. volcanii selepas mengeluarkan semua empat TRN, bukan sahaja tidak berkurang, tetapi juga meningkat. Bagaimana untuk menjelaskannya?

Jawapannya, mungkin, terletak pada persaingan antara kedua-dua mekanisme permulaan percubaan untuk kompleks protein MCM yang bertanggungjawab untuk melepaskan helix ganda (lihat Rajah 1).Sekiranya kesemua empat TNP aktif, mereka mengatasi semua stok MCM selular. Oleh kerana TNP dimatikan, beberapa molekul MCM dibebaskan dan mula menyertai apa yang dipanggil D-loops (lihat D-loop), yang membentuk tempat rekombinasi homologus berlaku. Rupa-rupanya, mekanisme permulaan alternatif lebih berkesan, tetapi kehilangan tradisi dalam pertandingan untuk MCM.

Tetapi mengapa kita memerlukan titik permulaan replikasi jika tanpa mereka? H. volcanii mendarab lebih cepat, sekurang-kurangnya dalam makmal? Malah ini bermakna THP berbahaya mikroorganisma ini!

Rajah. 3 Archea Haloferax volcanii di bawah mikroskop elektron imbasan. Mikroba ditangkap dalam proses kawin (konjugasi). Jambatan dapat dilihat di antara sel-sel yang membawa DNA. Bar skala – 1 mikron. Imej dari artikel Rosenshine I., Tchelet R., Mevarech M. 1989. Mekanisme Archaebacterium

Untuk menerangkan fakta paradoks ini, penulis mengemukakan hipotesis yang sangat berani dan indah. Mereka mencadangkan bahawa THP pada mulanya muncul sebagai parasit genom – serpihan DNA egoistik yang peduli secara eksklusif mengenai replikasi mereka sendiri. Keupayaan TNR untuk menarik minat helikase replika MCM dalam kes sedemikian boleh dianggap sebagai penyesuaian parasit kepada gaya hidup parasitnya.THPs parasit boleh menyebar dengan cepat dalam populasi mikrob yang sering menukar gen dengan satu sama lain (H. volcanii – hanya dari itu, lihat rajah. 3).

Adalah ingin tahu bahawa arkaea di sebelah setiap TNP biasanya mengandungi gen untuk protein ORC1, yang mengiktiraf TNP tertentu ini (lihat Rajah 1). Kejiranan gen pengiktirafan protein dengan susunan nukleotida yang dikenali adalah ciri segmen DNA yang "egois", seperti unsur genetik mudah alih.

Pada masa akan datang, TNR yang mementingkan diri sendiri boleh menjalani "penggantian molekul" (lihat: Membaca genom possum membuktikan peranan utama transposon dalam evolusi mamalia, Elemen, 13 Mei 2007) dan mula memberi manfaat kepada sel tuan rumah. Kebanyakan mikroba THP membantu mengawal dan memperkemaskan replikasi. Ini adalah perlu bagi mikroba-mikroba yang mengawalnya dengan baik dan membezakan antara fasa replikasi DNA dan fasa pengasingan (perbezaan kromosom antara sel anak perempuan). Adalah penting bagi mikrob seperti bahawa tindakan replikasi seterusnya tidak bermula sehingga yang sebelumnya telah selesai. Tetapi y H. volcanii banyak salinan kromosom dalam setiap sel.Ternyata, rekombinasi homologous aktif (penyeberangan) berlaku di antara salinan-salinan ini, yang membantu mikroba polyploid untuk mengelakkan pengumpulan mutasi resesif yang berbahaya. Oleh kerana ploidy yang tinggi, ia tidak perlu bimbang tentang pemisahan yang tepat, dan juga tidak menghalang tindak balas tindak balas yang bertindih (dengan cara ini, apa yang tidak mengganggu, itu adalah dari fakta bahawa graf dalam Rajah 2a meningkat di beberapa tempat lebih tinggi daripada 2: ini bermakna bahawa dalam setiap sel bilangan salinan kawasan kromosom berhampiran TNR mungkin lebih daripada dua kali ganda bilangan salinan jauh dari kawasan TNR). Oleh itu, mikrob seperti "kuno" seperti H. volcanii, titik permulaan replikasi tidak begitu penting. Oleh kerana itu, TNR mereka masih menampakkan sifat parasit asalnya, sedangkan dalam prokariote yang lebih maju, mereka telah lama menjadi bagian berguna dari genom tuan rumah.

Mungkin, hipotesis tentang asal parasit titik asal replikasi dan protein ORC belum cukup substantiated dan "jauh-diambil." Tetapi walaupun TNR segera muncul sebagai penyesuaian yang berguna (dan bahaya yang jelas yang mereka bawa ke beberapa archaea adalah sejenis penyimpangan aneh),Keputusan yang diperoleh masih sangat berguna untuk memahami akar evolusi mekanisme molekul penting seperti replikasi DNA. Di sini adalah wajar untuk mengingatkan bahawa, menurut hipotesis Evgeny Kunin dan rakan-rakannya, nenek moyang yang sama dari semua organisasi hidup (LUCA, Last Universal Common Ancestor) sudah mempunyai DNA, tetapi belum mempunyai mekanisme untuk replikasinya. Molekul DNA baru dicipta pada templat RNA dengan transkripsi terbalik. Mekanisme replikasi DNA kemudiannya dikembangkan secara mandiri dalam dua cabang evolusi utama dari keturunan LUCA: bakteri dan archaea (Leipe et al., 1999). Apakah replikasi DNA berkembang dua kali secara mandiri?). Untuk ini, nampaknya, beberapa protein yang mengambil bahagian dalam penggabungan homologus berguna (proses ini jauh lebih kuno dari replikasi DNA). Contohnya, bakteria helikase replika DnaB (melakukan kerja sama seperti MCM di archaea dan eukariota) berasal dari protein utama rekombinasi rekombinasi RecA (homolog kepada RadA yang disebutkan di atas) (Leipe et al., 2000. Helicase Replicative Helicase DnaB Evolved from a RecA Duplikasi). Satu lagi contoh yang menunjukkan bahawa fungsi helikase replika dan pemangkin semula pengkombalan homologous cukup dekat, supaya protein boleh berubah satu sama lain, yang diterangkan dalam lalat News Crossing dikawal oleh protein yang haiwan lain bertanggungjawab untuk replikasi DNA, Elemen, 11.12. 2012

Sumber: Michelle Hawkins, Sunir Malla, Martin J.Blythe, Conrad A. Nieduszynski & Thorsten Allers. Pertumbuhan pantas dalam asal-usul DNA // Alam. Diterbitkan dalam talian 03 November 2013.

Lihat juga:
1) Misteri mikroba yang tidak takut radiasi, "Unsur", diselesaikan, 03/10/2006
2) Melintasi lalat dikawal oleh protein, yang dalam haiwan lain bertanggungjawab untuk replikasi DNA, Elemen, 11/12/2012.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: