A DNS-szintézis mechanizmusa

By Dr. Maho Yokoyama, Ph.D.Reviewed by Hannah Simmons, M.Sc.

Copying the Recipe of Life

A DNS, vagy dezoxiribonukleinsav az a biológiai molekula, amely az élő szervezet létrehozásához szükséges információt tartalmazza. Ahogy a sejt osztódik, hogy ketté váljon, a DNS-t le kell másolni, hogy mindkét sejt tartalmazza a szükséges genetikai információt. Az élő sejtekben történő új DNS-szálak szintézisét, vagyis elkészítését “DNS-replikációnak” nevezzük.

DNS-replikáció. Image Credit: Designua /

Új DNS-szál készítése

A DNS kettős spirálként található meg, ahol két DNS-szál két hélixszé kapcsolódik össze. A DNS-replikáció folyamata akkor kezdődik, amikor a két DNS-szál szétválik. Egy helikáz nevű enzim kitekeri és szétválasztja a két DNS-szál közötti kötéseket, és a két szétválasztott szál sablonként működik, amelyből új DNS készül.

A DNS-polimerázok az enzimek egy csoportja, amelyek új DNS-t állítanak elő. Ahhoz azonban, hogy ez az enzim működni tudjon, szüksége van egy primerre – egy rövid nukleotidszekvenciára, amely az egyik DNS-szálhoz kapcsolódik. A DNS-replikáció során a primer általában egy rövid ribonukleinsav (RNS) szekvencia, amely később lebomlik, és helyébe DNS lép.

A primer egy 3′ hidroxilcsoportot biztosít, amelyre a DNS-polimeráz hozzáadja a DNS előanyagát, a nukleotidokat. Amikor nukleotidokat adunk a primer 3′ végéhez vagy az új DNS-szálhoz, kötés jön létre a primer/új DNS 3′ hidroxilcsoportja és a nukleotid 5′ foszfátcsoportja között.

A DNS-nukleotidoknak négy típusa van, amelyek mindegyike különböző nitrogénbázisokkal rendelkezik; adenin (A), citozin (C), guanin (G) és timin (T). Ezek mindig párban találhatók, A-T és C-G. Ezt nevezik “Watson-Crick bázispárosításnak”, és így ha a sablonban van egy “A” nukleotid, akkor egy “T” nukleotid kerül a növekvő DNS-szálba. Ha “G” nukleotiddal rendelkezik, akkor egy “C” nukleotid fog hozzáadódni a növekvő szálhoz.

A DNS irányultsága, és hogyan befolyásolja a DNS-szintézist

A DNS-nek irányultsága van, az egyik szál 5′-től 3′-ig, a másik pedig 3′-tól 5′-ig halad. Az 5′-3′ szálban az új DNS szintézise során a 3′-vég kerül szabaddá. Ez azt jelenti, hogy a DNS-polimeráz képes a templát-DNS irányában új DNS-t létrehozni.

A 3′-5′ állománnyal kapcsolatban azonban az 5′ vége szabadon maradna; hogyan kezeli ezt a DNS-polimeráz? A 3′-5′ szálon új DNS-t hoz létre a DNS-polimeráz, amely rövid 5′-3′ fragmentumokat, úgynevezett Okazaki-fragmentumokat készít. Ezután egy másik enzim, a DNS-ligáz összekapcsolja az Okazaki-fragmentumokat, hogy kialakítsa az új 3′-5′ DNS-szálat.

Bizonyítékolvasás

Néha hibák keletkeznek, amikor nukleotidokat adunk hozzá a sablon DNS-szálhoz. Egyes DNS-polimerázok rendelkeznek az úgynevezett “3′-5′ exonukleáz aktivitással”. A 3′-5′ exonukleáz-aktivitás a polimeráz- vagy szintézisaktivitással szemben működve levágja azokat a nukleotidokat, amelyek nem illeszkednek a sablonhoz. Ez biztosítja a korrektúrát, hogy az új DNS-szál a lehető legpontosabb legyen.

Hogyan használják ezt ki a molekuláris biológiában?

A DNS-szintézis tulajdonságait különböző molekuláris biológiai technikákban használták fel; a polimeráz láncreakció (PCR) és a DNS-szekvenálás.

Polimeráz láncreakció

A PCR az 1980-as években kifejlesztett technika a DNS egy meghatározott részének felerősítésére. A DNS-primereket úgy tervezik, hogy lefedjék a kívánt régiót. A két DNS-szál szétválasztásához hőt használnak, majd a hőmérsékletet csökkentik, hogy a primerek a DNS-hez kapcsolódhassanak. Ezután egy hőstabil DNS-polimeráz a primerek 3′ végéhez nukleotidok hozzáadásával új, a keresett régiónak megfelelő DNS-szálakat hoz létre.

DNS-szekvenálás

A DNS-szekvenálás a DNS-ben található bázisok (A, C, G, T) sorrendjének kidolgozása. A Sanger-szekvenálás a korai DNS-szekvenálási technikák egyike, ahol a DNS-szintézist leállítják. Ezt az teszi lehetővé, hogy a nukleotidok 3′ végéről eltávolítják a hidroxilcsoportot, ezért amikor ezek a “dideoxi nukleotidok” beépülnek a DNS-szálba, a DNS-polimeráz nem tudja hozzáadni a következő nukleotidot. Ezek a dideoxi-nukleotidok nukleotidokkal keverednek, ezért különböző hosszúságú fragmentumok jönnek létre. Azáltal, hogy a dideoxi-A, a dideoxi-C, a dideoxi-G és a dideoxi-T különálló reakciókban van, meghatározható a fragmentum utolsó nukleotidja. Miután méret szerint szétválasztották, a DNS-szekvencia meghatározható azáltal, hogy megnézzük, hogy a fragmentumok utolsó nukleotidja a méretnek megfelelően melyik.

Bár a modern DNS-szekvenálási módszerek automatizáltak és kevésbé munkaigényesek, mint a Sanger-szekvenálás, vannak olyanok, amelyek a Sanger-szekvenáláson alapulnak; például az egyes dideoxi-nukleotidokhoz különböző fluoreszcens festékeket lehet adni, és a különbségeket különböző fluoreszcens színekkel lehet kimutatni.

Further Reading

• All DNA Content
• What is DNA?
• DNS tulajdonságai
• DNS kémiai módosításai
• DNS biológiai funkciói

Az író

Dr. Maho Yokoyama

Dr. Maho Yokoyama kutató és tudományos író. Doktori fokozatát az Egyesült Királyságban, a Bath-i Egyetemen szerezte mikrobiológiai szakdolgozatát követően, ahol a funkcionális genomikát alkalmazta a Staphylococcus aureusra . Doktori tanulmányai során Maho számos tanulmányon dolgozott együtt más tudósokkal, sőt néhány saját munkáját is publikálta lektorált tudományos folyóiratokban. Munkáját világszerte tudományos konferenciákon is bemutatta.

Citations