Replikasjon av DNA

   

Før en celle kan dele seg må den kopiere alt sitt DNA. Denne prosessen blir kalt DNA-replikasjon og skjer i S-fasen av cellesyklus. DNA-replikasjonen er nøye regulert for å minske faren for feil under kopieringen.

Gjenkjenning av korrekte startsteder for replikasjon. Kopieringen av DNA starter samtidig mange steder på hvert kromosom. Dette gjør det mulig å kopiere hele genomet innenfor tiden som er tilgjengelig i S-fasen. Starten skjer i spesielle områder på DNA kalt ORI (Origin of Replication; replikasjonsorigo; Figur A). Tidlig i cellesyklusen, G1-fasen,  binder et stort proteinkompleks kalt pre-replikasjonskomplekset (pre-RC) til ORI-DNA (Figur B).  Pre-RC har fire komponenter (se Figuren): (i) ORC: et proteinkompleks som gjenkjenner ORI-DNA-sekvensen; (ii), MCM: et helikasekompleks som bidrar til å skille DNA-trådene under replikasjonen og to proteiner, (iii) cdc6 og (iv) cdt1, som rekrutterer mcm-komplekset.

Dannelse av det åpne replikasjonskomplekset (Figur C). I overgangen mellom G1-fasen og S-fasen starter replikasjonen. Det første som skjer er at DNA dobbeltheliksen blir åpnet av helikaser. Helikasene forbruker ATP til å bryte hydrogenbindingene mellom  baseparene i DNA. For å hidre at de to trådene tvinnes sammen igjen, bindes et protein kalt RPA (ReplikasjonsProtein A) til de to enkeltrådene.

Priming (Figur D). Enzymene som katalysererdannelsen av de nye DNA-trådene blir kalt DNA-polymeraser. DNA-polymerasene kan kun forlenge de nye DNA-trådene dersom det allerede fins en base der fra før. Dette krever et primaseprotein som lager korte RNA-tråder kalt primere som DNA-polymerasene kan forlenge. 

Syntese av ny DNA-tråd. Overgangen mellom enkeltrådig DNA og DNA i kompleks med RNA-primer blir gjenkjent av proteiner kalt ringpåsettere (clamp loaders). Disse proteinene binder et ringformet proteinkompleks kalt PCNA rundt enkelttrådig DNA. PCNA rekrutterer så DNA-polymeraser. Interaksjonen mellom DNA og polymerasen er svak og PCNA bidrar til å stabilisere denne interaksjonen slik at polymerasen kan sette på mange baser før den faller av.

Funksjonen til DNA-polymerasene under DNA-syntesen er å lese hvilken base som finnes i den gamle DNA-tråden og setter inn et nukleotid med den komplementære basen i den nye tråden. Hver av de to trådene i DNA skal kopieres på nytt, men polymerasene kan bare katalysere reaksjonen i den ene retningen på DNA (3'>5'-retning). På den første tråden (leading strand) skjer DNA-syntesen i 3'>5'-retning. Dermed kan DNA polymerasen legger til baser i en kontinuerlig prosess etter hvert som helikaser åpner opp DNA-tråden. På den andre tråden (lagging strand) skjer DNA-syntesen i 5'>3'-retning. Her må polymerasene legge til små DNA-tråder på rundt 150 nukleotider, kalt Okazaki-fragment (etter japaneren som først oppdaget dem), i en diskontinuerlig prosess. 

Syntesen av Okizaki-fragmentene i den andre tråden involverer to DNA-polymeraser. Den ene polymerasen er ansvarlig for syntesen av de rundt 20 første nukleotidene i Okazaki-fragmentet og finnes i kompleks med primasen. Når PCNA assosieres med DNA-tråden forsvinner denne DNA-polymerasen og blir erstattet av en ny samt to andre proteiner kalt FEN1 og DNA-ligase I. Den nye DNA-polymerasen fortsetter katalysen av DNA inntil den støter på et Okazaki-fragment. FEN1 fjerner RNA-primeren som fins i det tilstøtende Okazaki-fragmentet og DNA-polymerasen erstatter denne med DNA-nukleotider. Til slutt limer proteinet DNA-ligase I sammen de to Okazaki-fragmentene til en lengre DNA-tråd (Figur E).

Feil under kopiering. Feil vil kunne forekomme under DNA-replikasjonen (ca 1-2 per runde DNA-replikasjon hos menneske), og vil i sjeldne tilfeller kunne gi mutasjoner som kan lede til sykdom som f.eks. kreft. Selv om slike feil kan være skadelige for organismen, kan de ha positiv betydning i et evolusjonært perspektiv, som f.eks. grunnlag for utvikling av nye egenskaper.


Les mer:


Katharina R. Tufteland © 4-OKT-2006
Sist endret av Rein Aasland 5-OKT-2006