SAO CHÉP DNA: CÁC CƠ CHẾ, Ở SINH VẬT NHÂN SƠ VÀ SINH VẬT NHÂN THỰC - SINH HỌC - 2025

Các nhân đôi DNA (deoxyribonucleic acid) là để sao chép bộ gen, tức là tất cả các thông tin di truyền trong DNA của một sinh vật để sản xuất hai bản sao giống hệt nhau. Bộ gen có thông tin cần thiết để xây dựng một sinh vật hoàn chỉnh.

Trước khi phân chia tế bào, quá trình nhân đôi DNA xảy ra. Thông qua meiosis, giao tử được tạo ra để sinh sản hữu tính. Thông qua nguyên phân, sự thay thế tế bào (ví dụ: da và máu) và phát triển (ví dụ, mô và cơ quan) xảy ra.

Nguồn: I, Madprime

Biết được cấu trúc của DNA cho phép chúng ta hiểu được quá trình sao chép của nó xảy ra như thế nào. Cấu trúc của DNA bao gồm một chuỗi xoắn kép, bao gồm hai chuỗi đối mã của các nucleotide kế tiếp nhau, có các base nitơ bổ sung cho nhau theo một cách cụ thể.

Trong quá trình sao chép, mỗi sợi của sợi kép DNA đóng vai trò như khuôn mẫu cho quá trình sinh tổng hợp một sợi mới. Hai chuỗi mới được tổng hợp có các bazơ bổ sung cho các bazơ của chuỗi khuôn mẫu: adenin (A) với thymine (T), và cytosine (C) với guanin (G).

Các enzym và protein khác nhau tham gia vào quá trình sao chép DNA. Ví dụ, mở chuỗi xoắn kép DNA, giữ cho DNA mở và thêm deoxyribonucleosides-5′-triphosphate (dNTP) để tạo thành sợi mới.

Sự sao chép DNA là bán bảo tồn

Dựa trên cấu trúc của DNA, Watson và Crick đề xuất rằng quá trình sao chép DNA diễn ra bán bảo tồn. Điều này đã được Meselson và Stahl chứng minh bằng cách gắn nhãn DNA của Escherichia coli với đồng vị nitơ nặng, ¹⁵ N, theo mô hình phân bố trong môi trường nuôi cấy có nitơ nhẹ, ¹⁴ N trong nhiều thế hệ .

Meselson và Stahl nhận thấy rằng, ở thế hệ đầu tiên, hai phân tử DNA con có mỗi phân tử được đánh dấu một chuỗi với đồng vị nặng là nitơ và một phân tử khác với đồng vị nhẹ. Không giống như phân tử DNA mẹ, có cả hai sợi được đánh dấu bằng đồng vị nặng, ¹⁵ N.

Ở thế hệ thứ hai, 50% số phân tử DNA giống như ở thế hệ thứ nhất, và 50% còn lại chỉ có nitơ nhẹ. Giải thích kết quả này là chuỗi xoắn kép con có một chuỗi mẹ (có chức năng như một khuôn mẫu) và một chuỗi mới.

Cơ chế sao chép bán bảo toàn liên quan đến sự phân tách của các sợi DNA và sự kết cặp bổ sung của base thông qua sự kết cặp nucleotide liên tiếp, tạo ra hai chuỗi xoắn kép con gái.

Sao chép pin

Bắt đầu sao chép DNA ở vi khuẩn

DNA của vi khuẩn bao gồm một nhiễm sắc thể hình tròn và chỉ có một vị trí khởi đầu sao chép. Từ vị trí này, quá trình sinh tổng hợp của hai chuỗi con diễn ra theo hai chiều, tạo thành hai nhánh sao chép di chuyển ngược chiều với nguồn gốc. Cuối cùng, các cặp tóc gặp nhau, hoàn thành việc nhân rộng.

Sự sao chép bắt đầu bằng sự gắn kết của các protein DnaA vào vị trí khởi đầu. Các protein này đến lượt mình lại tạo thành một phức hợp. Sau đó, các protein HU và IHF, trong số những protein khác, liên kết với nhau, cùng nhau bẻ cong DNA, gây ra sự phân tách của hai sợi DNA trong một vùng giàu thymine và adenine.

Tiếp theo, các protein DNaC liên kết, khiến các xoắn DNA liên kết. Chúng giúp tháo xoắn DNA và phá vỡ các liên kết hydro, được hình thành giữa các cặp bazơ. Vì vậy, hai chuỗi lại được tách ra, tạo thành hai chuỗi đơn giản.

Topoisomerase II, hoặc DNA gyrase, di chuyển trước DNA helicase, làm giảm các siêu xoắn dương tính. Các protein liên kết DNA sợi đơn (SSB) giữ cho các sợi DNA tách rời nhau. Như vậy, quá trình sinh tổng hợp của chuỗi con có thể bắt đầu.

Sinh tổng hợp các sợi DNA con ở vi khuẩn

Enzyme primase có nhiệm vụ tổng hợp chuỗi RNA ngắn gọi là đoạn mồi, dài 10-15 nucleotide. DNA polymerase bắt đầu thêm 5'-triphosphate deoxynucleosides (dNTPs) vào đầu 3'-OH của đường mồi, sau đó sợi tiếp tục phát triển từ đầu đó.

Bởi vì các sợi DNA là đối cực, một đoạn mồi được tổng hợp trên sợi dẫn và nhiều đoạn mồi trên sợi trễ. Do đó, quá trình sinh tổng hợp của chuỗi bị trì hoãn là không liên tục. Mặc dù các sợi DNA là đối cực, nhưng ngã ba sao chép chỉ di chuyển theo một hướng.

DNA polymerase chịu trách nhiệm hình thành liên kết cộng hóa trị giữa các nucleotide liền kề của chuỗi mới được tổng hợp, theo hướng 5'®3 ′. Ở E. coli, có 5 DNA polymerase: DNA polymerase I và III thực hiện quá trình nhân đôi DNA; và DNA polymerase II, IV và V chịu trách nhiệm sửa chữa và tái tạo DNA bị hư hỏng.

Hầu hết quá trình sao chép được thực hiện bởi DNA polymerase III, là một holoenzyme có 10 tiểu đơn vị khác nhau với các chức năng khác nhau trong quá trình sao chép DNA. Ví dụ, tiểu đơn vị alpha chịu trách nhiệm tạo liên kết giữa các nucleotide.

Một phức hợp các enzym chịu trách nhiệm cho việc sao chép DNA ở vi khuẩn

DNA helicase và primase tham gia tạo thành một phức hợp gọi là primosome. Điều này di chuyển dọc theo DNA, hoạt động theo cách phối hợp để tách hai sợi gốc, tổng hợp các đoạn mồi sau mỗi khoảng thời gian nhất định trên sợi trễ.

Primosome liên kết vật lý với DNA polymerase III và tạo thành replisome. Hai DNA polymerase III chịu trách nhiệm tái tạo DNA của chuỗi dẫn và chuỗi chậm. Đối với DNA polymerase III, sợi trễ tạo thành một vòng lặp ra ngoài, cho phép việc bổ sung nucleotide vào sợi này xảy ra theo cùng hướng với sợi dẫn đầu.

Việc bổ sung nucleotide vào chuỗi thủ lĩnh là liên tục. Trong khi bị trì hoãn thì nó không liên tục. Các đoạn có chiều dài 150 nucleotide được hình thành, được gọi là đoạn Okazaki.

Hoạt động exonuclease 5 ′ -> 3 ′ của DNA polymerase I chịu trách nhiệm loại bỏ mồi và lấp đầy, thêm nucleotide. Enzyme ligase bịt kín các khoảng trống giữa các mảnh. Sao chép kết thúc khi hai móc sao chép gặp nhau trong một trình tự kết thúc.

Protein Tus liên kết với trình tự kết thúc, ngăn chặn chuyển động của ngã ba sao chép. Topoisomerase II cho phép tách hai nhiễm sắc thể.

Deoxyribonucleotide triphosphat được sử dụng bởi DNA polymerase

Deoxynucleoside triphosphate (dNTP) chứa ba nhóm phosphate gắn vào carbon 5 ′ của deoxyribose. Các dNTP (dATP, dTTP, dGTP và dCTP) liên kết với chuỗi mẫu tuân theo quy tắc AT / GC.

DNA polymerase xúc tác phản ứng sau: Nhóm 3 ′ hydroxyl (–OH) của nucleotide sợi đang phát triển phản ứng với alpha phosphate của dNTP đến, giải phóng pyrophosphate vô cơ (PPi). Quá trình thủy phân PPi tạo ra năng lượng để hình thành liên kết cộng hóa trị, hoặc liên kết phosphodiester, giữa các nucleotide của chuỗi đang phát triển.

Các cơ chế đảm bảo tính trung thực của quá trình sao chép DNA

Trong quá trình sao chép DNA, DNA polymerase III mắc lỗi 100 triệu nucleotide. Mặc dù xác suất sai sót là rất thấp, nhưng có những cơ chế đảm bảo tính trung thực trong quá trình sao chép DNA. Các cơ chế này là:

1) Tính ổn định trong ghép nối cơ sở. Năng lượng liên kết hydro giữa AT / GC cao hơn trong các cặp bazơ sai.

2) Cấu trúc của vị trí hoạt động của DNA polymerase. DNA polymerase ưu tiên xúc tác các điểm nối nucleotide với các base chính xác trên sợi đối diện. Sự bắt cặp bazơ không tốt gây ra sự biến dạng của chuỗi xoắn kép DNA, điều này ngăn cản nucleotide sai chiếm vị trí hoạt động của enzyme.

3) Kiểm tra đọc. DNA polymerase xác định các nucleotide sai sót được kết hợp và loại bỏ chúng khỏi sợi con. Hoạt động exonuclease của DNA polymerase phá vỡ liên kết phosphodiester giữa các nucleotide ở đầu 3 ′ của sợi mới.

Sao chép DNA ở sinh vật nhân chuẩn

Không giống như sao chép ở sinh vật nhân sơ, nơi sao chép bắt đầu tại một vị trí duy nhất, sao chép ở sinh vật nhân chuẩn bắt đầu ở nhiều vị trí gốc và ngã ba sao chép di chuyển theo hai chiều. Sau đó, tất cả các cặp tóc sao chép hợp nhất, tạo thành hai crômatit chị em tham gia vào tâm động.

Sinh vật nhân chuẩn sở hữu nhiều loại DNA polymerase, tên của chúng sử dụng các chữ cái Hy Lạp. DNA polymerase α tạo thành phức hợp với primase. Phức hợp này tổng hợp các đoạn mồi ngắn bao gồm 10 nucleotide của RNA tiếp theo là 20 đến 30 nucleotide của DNA.

Tiếp theo, ε hoặc δ DNA polymerase xúc tác sự kéo dài của sợi con khỏi đoạn mồi. DNA polymerase ε tham gia vào quá trình tổng hợp chuỗi dẫn đầu, trong khi DNA polymerase δ tổng hợp chuỗi chậm phát triển.

DNA polymerase δ kéo dài đoạn Okazaki ở bên trái cho đến khi nó chạm đến đoạn mồi RNA ở bên phải, tạo ra một đoạn ngắn của đoạn mồi. Không giống như sinh vật nhân sơ, nơi DNA polymerase loại bỏ đoạn mồi, ở sinh vật nhân chuẩn, enzyme Flap endonuclease sẽ loại bỏ đoạn mồi RNA.

Tiếp theo, một DNA ligase niêm phong các đoạn DNA liền kề. Quá trình sao chép hoàn thành xảy ra với sự phân ly của các protein từ ngã ba sao chép.

Sự sao chép của DNA trong chu kỳ tế bào nhân thực và

Quá trình nhân đôi ở sinh vật nhân thực xảy ra vào pha S của chu kỳ tế bào. Các phân tử ADN đã nhân đôi được tiết vào hai tế bào con trong quá trình nguyên phân. Pha G1 và G2 tách biệt pha S và nguyên phân. Sự tiến triển qua mỗi giai đoạn của chu kỳ tế bào được điều chỉnh rất nhiều bởi kinase, phosphatase và protease.

Trong pha G1 của chu kỳ tế bào, phức hợp nhận biết nguồn gốc (OCR) liên kết với vị trí gốc. Điều này tạo ra sự liên kết của các helicase MCM và các protein khác, chẳng hạn như Cdc6 và Cdt1, để tạo thành một phức hợp tiền sao chép (preRC). MCM helicase liên kết với chuỗi dẫn hướng.

Trong giai đoạn S, preRC trở thành một trang nhân rộng tích cực. Các protein OCR, Cdc6 và Cdt1 được giải phóng, và men xoắn MCM di chuyển theo hướng 3 'đến 5'. Khi quá trình sao chép kết thúc, nó sẽ được khởi động lại trong chu kỳ ô tiếp theo.

Sự sao chép các đầu mút của nhiễm sắc thể ở sinh vật nhân thực

Các phần cuối của nhiễm sắc thể được gọi là telomere, bao gồm các trình tự lặp đi lặp lại và một vùng 3 ′ nhô ra, có chiều dài từ 12 đến 16 nucleotide.

DNA polymerase không thể sao chép phần cuối 3 ′ của sợi DNA. Điều này là do DNA polymerase chỉ có thể tổng hợp DNA theo hướng 5'-3 ', và chỉ có thể kéo dài các sợi đã có từ trước, mà không thể tổng hợp đoạn mồi trong vùng này. Do đó, các telomere ngắn lại với mỗi vòng sao chép.

Enzyme telomerase ngăn chặn sự rút ngắn của telomere. Telomerase là một enzym sở hữu các tiểu đơn vị protein và RNA (TERC). Phần sau liên kết với các trình tự lặp lại của DNA, và cho phép telomerase liên kết với đầu 3 ′ của telomere.

Một trình tự RNA phía sau vị trí tiếp giáp có chức năng như một khuôn mẫu để tổng hợp chuỗi sáu nucleotide (sự trùng hợp) ở cuối sợi DNA. Sự kéo dài telomere được xúc tác bởi các tiểu đơn vị của telomerase, được gọi là enzyme sao chép ngược telomerase (TERT).

Sau khi trùng hợp, sự chuyển vị diễn ra, bao gồm sự di chuyển của telomerase đến một đầu mới của chuỗi DNA, tham gia sáu nucleotide khác cho đến khi kết thúc.

Chức năng của các polymerase DNA khác ở sinh vật nhân chuẩn

DNA polymerase β đóng một vai trò quan trọng trong việc loại bỏ các base không chính xác khỏi DNA, nhưng nó không tham gia vào quá trình sao chép DNA.

Nhiều DNA polymerase được phát hiện thuộc nhóm polymerase "sao chép chuyển đoạn". Các polymerase này chịu trách nhiệm tổng hợp các sợi bổ sung trong một vùng DNA bị hư hỏng.

Có một số loại polymerase "tái tạo chuyển tiếp". Ví dụ, DNA polymerase η có thể sao chép trên dimer thymine, được tạo ra bởi tia UV.

Sao chép DNA ở vi khuẩn khảo cổ

Quá trình sao chép DNA của vi khuẩn cũng tương tự như ở sinh vật nhân chuẩn. Điều này là do những điều sau: 1) các protein tham gia vào quá trình sao chép giống với protein của sinh vật nhân thực hơn là protein của sinh vật nhân sơ; và 2) mặc dù chỉ có một vị trí sao chép như ở sinh vật nhân sơ, trình tự của nó tương tự như vị trí khởi nguồn của sinh vật nhân thực.

Sự tương đồng về sự sao chép giữa Sinh vật nhân thực và sinh vật nhân chuẩn ủng hộ ý kiến ​​cho rằng cả hai nhóm đều có quan hệ với nhau về mặt phát sinh loài hơn là sinh vật nhân sơ.

Người giới thiệu

1. Brooker, RJ 2018. Phân tích và nguyên tắc di truyền. McGraw-Hill, New York.
2. Hartwell, LH, Goldberg, ML, Fischer, JA, Hood, L. 2018. Di truyền - từ gen đến bộ gen. McGraw-Hill, New York.
3. Kušić-Tišma, J. 2011. Các khía cạnh cơ bản của quá trình sao chép DNA. Truy cập mở InTech, Croatia.
4. Lewis, R., 2015. Các khái niệm và ứng dụng di truyền học ở người. McGraw-Hill, New York.
5. Pierce, BA 2005. Di truyền - một cách tiếp cận khái niệm. WH Freeman, New York.