Replikace DNA, známá také jako semikonzervativní replikace, je proces, při kterém se DNA v podstatě zdvojuje. Je to důležitý proces, který probíhá v dělící se buňce.
V tomto článku se stručně podíváme na strukturu DNA, na přesné kroky, které se podílejí na replikaci DNA (iniciace, elongace a terminace), a na klinické důsledky, které mohou nastat, když se to nepodaří.
Struktura DNA
DNA se skládá z milionů nukleotidů. Jedná se o molekuly složené z deoxyribózového cukru, na který je navázán fosfát a báze (neboli nukleobáze). Tyto nukleotidy jsou k sobě připojeny ve vláknech prostřednictvím fosfodiesterových vazeb a tvoří „cukr-fosfátovou páteř“. Vazba vzniká mezi třetím atomem uhlíku na deoxyribózovém cukru jednoho nukleotidu (dále známého jako 3′) a pátým atomem uhlíku jiného cukru na dalším nukleotidu (známého jako 5′).
N.B: 3′ se vyslovuje „tři základní“ a 5′ se vyslovuje „pět základních“.
Dvě vlákna probíhají navzájem v opačných nebo antiparalelních směrech. Ta jsou k sobě po celé délce vlákna připojena prostřednictvím bází na každém nukleotidu. S DNA jsou spojeny 4 různé báze: cytosin, guanin, adenin a tymin. V normálních vláknech DNA se cytosin váže na guanin a adenin na tymin. Obě vlákna společně tvoří dvojitou šroubovici.
Obr. 1.0 – Struktura RNA a DNAFáze replikace DNA
Replikaci DNA si lze představit ve třech fázích: Iniciace, Elongace, Terminace
Iniciace
Syntéza DNA je zahájena na určitých místech v řetězci DNA známých jako „počátky“, což jsou specifické kódující oblasti. Na tyto počátky se zaměřují iniciační proteiny, které dále rekrutují další proteiny, jež pomáhají procesu replikace a vytvářejí kolem počátku DNA replikační komplex. Míst vzniku je více a při zahájení replikace DNA se tato místa označují jako replikační vidlice.
Součástí replikačního komplexu je enzym DNA helikáza, který odvíjí dvojitou šroubovici a obnažuje každé z obou vláken, aby je bylo možné použít jako šablonu pro replikaci. Toho dosahuje hydrolyzací ATP použitého k vytvoření vazeb mezi nukleobázami, čímž přeruší vazbu držící obě vlákna pohromadě.
DNA Primáza je další enzym, který je důležitý při replikaci DNA. Syntetizuje malý RNA primer, který funguje jako „startér“ pro DNA polymerázu. DNA Polymeráza je enzym, který je v konečném důsledku zodpovědný za vytvoření a rozšíření nových vláken DNA.
Prodloužení
Jakmile se DNA Polymeráza připojí k původním, rozpojeným dvěma vláknům DNA (tj. templátovým vláknům), může začít syntetizovat novou DNA tak, aby odpovídala templátům. Je nezbytné si uvědomit, že DNA polymeráza je schopna prodloužit primer pouze přidáním volných nukleotidů na 3′ konec.
Jeden z templátů je čten ve směru 3′ až 5′, což znamená, že nové vlákno bude vytvořeno ve směru 5′ až 3′. Toto nově vytvořené vlákno se označuje jako vedoucí vlákno. Podél tohoto vlákna musí primáza DNA syntetizovat primer RNA pouze jednou, na začátku, aby iniciovala polymerázu DNA. Je to proto, že DNA Polymeráza je schopna prodloužit nové vlákno DNA čtením templátu od 3′ k 5′ a syntetizuje ho ve směru od 5′ k 3′, jak bylo uvedeno výše.
Druhé templátové vlákno (zaostávající vlákno) je však antiparalelní, a proto se čte ve směru od 5′ k 3′. Nepřetržitá syntéza DNA by stejně jako u vedoucího vlákna musela probíhat ve směru 3′ až 5′, což není možné, protože na 5′ konec nemůžeme přidávat báze. Místo toho se při odvíjení šroubovice přidávají primery RNA k nově obnaženým bázím na zaostávajícím vlákně a syntéza DNA probíhá po fragmentech, ale stále ve směru 5′ až 3′ jako dříve. Tyto fragmenty se označují jako Okazakiho fragmenty.
Terminace
Proces rozšiřování nových vláken DNA pokračuje, dokud buď nezůstane žádný další templát DNA k replikaci (tj. na konci chromozomu), nebo se dvě replikační vidlice setkají a následně ukončí. Setkání dvou replikačních vidlic není regulováno a dochází k němu náhodně v průběhu chromozomu.
Po dokončení syntézy DNA je důležité, aby nově syntetizovaná vlákna byla spojena a stabilizována. Pokud jde o opožděné vlákno, jsou k tomu zapotřebí dva enzymy: RNAáza H odstraní RNA primer, který je na začátku každého Okazakiho fragmentu, a DNA ligáza spojí fragmenty dohromady, aby vzniklo jedno kompletní vlákno.
Obr. 2. RNAáza H, která odstraňuje RNA primer, který je na začátku každého Okazakiho fragmentu.0 – Schematické znázornění replikace DNA
Klinický význam – srpkovitá anémie
Srpkovitá anémie je autozomálně recesivní onemocnění, které je způsobeno záměnou jedné báze, při níž je pouze jedna báze zaměněna za jinou. V některých případech to může mít za následek „tichou mutaci“, při níž není ovlivněn celý gen, avšak u onemocnění, jako je srpkovitá anémie, to vede k tomu, že vlákno kóduje jiný protein.
V tomto případě je v jednom z genů kódujících hemoglobin vyměněna adeninová báze za tyminovou; to má za následek, že kyselina glutamová je nahrazena valinem. Při přepisu do polypeptidového řetězce se radikálně změní jeho vlastnosti, protože kyselina glutamová je hydrofilní, zatímco valin je hydrofobní. Tato hydrofobní oblast má za následek, že hemoglobin má abnormální strukturu, která může způsobit ucpání kapilár vedoucí k ischemii a potenciálně k nekróze tkání a orgánů – to je známé jako vazo-okluzivní krize.
Tyto krize se obvykle řeší různými léky proti bolesti, včetně opioidů a NSAID v závislosti na závažnosti. V naléhavých případech může být nutná transfuze červených krvinek, například pokud dojde k ucpání plic.
Obr. 3.0 – Rozdíl ve struktuře normálních červených krvinek a červených krvinek postižených srpkovitou anémií.
.