10/11
همانندسازی DNA
مدل واتسون و کریک که دو ویژگی مشخص و متمایز داشت باعث شد که DNA به عنوان ماده ی ژنتیکی پذیرفته شود. می دانیم که توالی بازها در DNA می تواند اطلاعات رمز شده را حمل کند. فرایندی که تحت عنوان همانندسازی DNA شناخته می شد. ارتباط بین همانندسازی DNA و رفتار کروموزوم ها در میتوز برای واتسون و کریک اشکار بود. یک کروموزوم وقتی مضاعف می شود, شامل دو کروماتید خواهری یکسان است که بعدا در انافاز از هم جدا می شوند, بنابراین ماده ی ژنتیکی, دقیقا مضاعف شده و سپس به طور مساوی در بین سلول های دختر توزیع می شود. در این مدل پیشنهاد شد که چون جفت شدن نوکلئوتیدها با یکدیگر به روش مکملی است, پس هر رشته ی مولکول DNA می تواند به عنوان الگویی برای ساختن رشته ی مقابل مورد استفاده قرار گیرد. بنابراین کاملا ضروری است که پیوندهای هیدروژنی بین دو رشته شکسته شوند و دو رشته از هم جدا گردند.
هر رشته از مارپیچ مضاعف می تواند برای جایگزینی رشته ی جدا شده, به عنوان الگو عمل نموده و با نوکلئوتیدهای مکمل جدید, جفت شود. حاصل, دو مارپیچ مضاعف DNAخواهد بود که هر کدام از مولکول ها مشابه مولکول اولیه و شامل یک رشته ی اصلی از مولکول والد و یک رشته ی تازه ساخت هستند. این نوع تکثیر شدن اطلاعات, تحت عنوان همانندسازی نیمه حفاظتی شناخته می شود. این دو دانشمند در انتهای مقاله اول خود اشاره کردند که این موضوع از نظر ما دور نمانده است که جفت شدن اختصاصی بازها باهم, مستقیما مکانیسم ممکنی را برای تکثیر ماده ی ژنتیکی پیشنهاد می کند.
مزلسون و استال, مکانیسم همانندسازی نیمه حفاظتی را اثبات کردند.
مکانیسم همانندسازی نیمه حفاظتی که توسط واتسون و کریک پیشنهاد شد اگرچه مدل ساده و جالبی بود, ولی برای اثبات همانندسازی با این روش به شواهد تجربی نیاز بود و محققین با یکدیگر احتمالات را رد می کردند. در همانندسازی حفاظتی,هر دو رشته ی والدی یا قدیمی در کنار یکدیگر باقی خواهد ماند و دو رشته ی تازه سنتز شده, دومین مارپیچ مضاعف را تشکیل می دهند به عنوان سومین فرضیه , رشته ی والدین و رشته ی تازه ساخت ممکن است به طور تصادفی در طی فرایند همانندسازی ترکیب شوند. این روش احتمالی تحت عنوان همانندسازی پراکنده شناخته می شود. برای تمایز بین همانندسازی نیمه حفاظتی و دیگر مدل ها, محققین باید رشته های DNA قدیمی و تازه ساخت را از هم تشخیص می دادند. استفاده از ایزوتوپ سنگین N15 روش مناسبی برای نشان دار کردن بازهای رشته های DNA است. این ایزوتوپ نیتروژن چگالی بیشتری به بازها می دهد. دانشمندان با استفاده از سانتریفوژ شیب چگالی می توانند مولکول های بزرگی مانند DNA را براساس تفاوت در چگالی شان از هم تفکیک کنند. وقتیکه DNA با یک محلول محتوی کلریدسزیم CSCL مخلوط و سپس با سرعت بالا سانتریفوژ از ناحیه ای با چگالی کم در بالا تا ناحیه ای با چگالی زیاد در ته لوله ایجاد می کند. در طول سانتریفوژ مولکول های DNA به سمت ناحیه ای از لوله حرکت می کنند که با ان هم چگال باشند. در سال 1958, ماتیومزلسون و فرانکلین استال در موسسه ی تکنولوژی کالیفرنیا, باکتری اشریشیاکلای را روی یک محیط کشت حاوی N15 به صورت امونیوم کلرید NH4CL رشد دادند. سلول ها از N15 برای سنتز بازهای الی استفاده کردند. و بعد این بازها را در ساختار DNA به کار بردند. مولکول های DNA که حاوی نیتروژن سنگینی بودند, از کسری از سلول ها استخراج شدند,وقتی که محققین این مولکول ها را در معرض سانتریفوژ شیب چگالی قرار دادند در ناحیه ای با چگالی بالا تجمع یافتند. بعد بقیه ی باکتری ها را به محیط کشت دیگری که حاوی NH4CL از ایزوتوپ سبکتر N14طبیعی بود, انتقال دادند و به انها اجازه دادند تقسیم سلولی خود را ادامه دهند. مزلسون و استال انتظار داشتند رشته های DNA تازه ساخت چگالی کمتری داشته باشند, چون بازهایی داشتند که حاوی ایزوتوپ N14 سبک تر می باشد. در حقیقت DNA های دو رشته ای که پس از یک نسل از سلول ها استخراج شده بودند, چگالی حدواسط داشتند که نشان دهنده ی این بود که انها حاوی نیمی از اتم های N15 , DNA والدی هستند. این یافته از مدل همانندسازی نیمه حفاظتی حمایت می کرد. این مدل پیش بینی می کرد که هر مارپیچ مضاعف, حاوی یک رشته ی قدیمی و یک رشته ی تازه ساخت است. همچنین این یافته, با مدل همانندسازی پراکنده که پیش بینی می کرد همه ی مولکول ها چگالی حدواسط دارند سازگار بود. برعکس با مدل همانندسازی حفاظتی که دو گروه از مولکول های دو رشته ای مولکول هایی با دو رشته ی سنگین و مولکول هایی با دو رشته ی سبک را پیش بینی می کرد سازگار نبود. بعد از یک چرخه تقسیم سلولی دیگر در محیط کشت حاوی ایزوتوپ سبک n14 , دو نوع DNA دقیقا در همان شیب چگالی قرار گرفتند که به وسیله ی مدل همانندسازی نیمه حفاظتی پیشگویی شده بود. یکی دارای چگالی حدواسط و ما بین چگالی DNA نشان دار با N15 و چگالی DNA نشان دار با N14 و دیگری فقط متشکل از یک نوع DNA نشان دار با N14 بود. این یافته ها مدل پراکنده را که پیش بینی می کرد همه ی رشته ها در نسل دوم چگالی حدواسط دارند رد کردند.
همانندسازی نیمه حفاظتی دائمی شدن جهش را توضیح می دهد.
فهمیدن این موضوع که DNA می تواند به روش نیمه حفاظتی تکثیر شود, سومین ویژگی اساسی ماده ی ژنتیکی یعنی توانایی جهش را توضیح می دهد. می دانید که جهش ها یا تغییرات ژنتیکی می توانند در ژن ها رخ دهند و سپس به همان صورت به نسل بعد انتقال یابند. مثلا یک جهش در مگس میوه, بال های وستیجیال ایجاد می کند. زمانی که مدل مارپیچ مضاعف پیشنهاد شد به نظر می رسد که جهش ها می توانند در توالی بازهای DNA تغییراتی ایجاد کنند. شما هم می توانید پیش بینی کنید که اگر DNA بر اساس جفت شدن بازهای مکمل همانندسازی کند,هر تغییری در توالی بازهای یک رشته می تواند یک توالی جدید از بازهای مکمل را در طی چرخه ی همانندسازی بعدی به وجود اورد. بعد توالی بازهای جدید توسط همان مکانیسم که مسئول همانندسازی ماده ی ژنتیک اصلی است الگو قرار گرفته و به مولکول های دختر انتقال می یابد گویی هیچ تغییری رخ نداده است. انزیم های خاصی جهش ها را تصحیح می کنند, ولی همه ی خطاها تصحیح نمی شوند. براورد می شود میزان اشتباهات تصحیح نشده که در طول همانندسازی DNA رخ می دهند معادل یک نوکلئوتید در یک میلیارد باشد. وقتی که مولکول DNA که دارای یک خطا است. همانندسازی می کند نتیجه این می شود که یکی از رشته ها به تولید مولکولی دقیقا مانند مولکول والدی می انجامد و رشته ی دیگر به ایجاد یک مولکول با ترکیب جدیدی از باز ها منجر می شود و از نسلی به نسل دیگر انتقال می یابد.
همانندسازی DNA , فرایندی پیچیده است که به ماشین پروتئینی نیاز دارد.
می دانیم که همانندسازی نیمه حفاظتی توسط جفت شدن بازها به نظر ساده و اسان می رسد ولی فرایندهای واقعی بسیار منظم بوده و نیازمند یک ماشین همانندسازی شامل تعداد زیادی انزیم و پروتئین است. ویژگی های مهم همانندسازی DNA در همه ی موجودات زنده مشترک اند ولی همانندسازی پروکاریوت ها و یوکاریوت ها تا اندازه ای متفاوت است چون DNA انها به طور متفاوت سازماندهی شده است. در بیشتر سلول های باکتریایی مانند اشریشیا کلای مولکول DNA به صورت یک حلقه ی منفرد و رشته ای است. در مقابل هر کروموزوم همانندسازی نکرده ی یوکاریوتی حاوی یک مولکول DNA دو رشته ای و خطی است که به پروتئین هایی حداقل هم وزن خود اتصال یافته است. اگرچه دانشمندان مطالب زیادی درباره ی همانندسازی DNA می دانند ولی بسیاری از جنبه های فرایند همانندسازی هنوز مشخص نشده است.
رشته های DNA باید در هنگام همانندسازی از هم باز شوند
در مدل مارپیچ مضاعف که واتسون و کریک ارائه دادند دو رشته ی DNA به دور یکدیگر همانند رشته های یک طناب پیچ خورده اند. اگر شما سعی کنید که رشته ها را از یکدیگر جدا کنید باید یا طناب را بچرخانید و یا درون ان پیچ های بیشتری ایجاد کنید پس باید نتایج مشابهی را در زمانی که دو رشته ی مکمل DNA برای همانندسازی از یکدیگر جدا می شوند, انتظار داشت. DNA هلیکاز انزیم هایی هستند که دو رشته ی DNA را با حرکت در طول مارپیچ از یکدیگر جدا می کنند. وقتی که انها حرکت می کنند مارپیچ مضاعف را مانند یک زیپ باز می کنند. وقتی رشته های DNA از یکدیگر جدا شدند پروتئین های متصل شونده به تک رشته SSBs که پروتئین های ناپایدار کننده ی مارپیچ نیز نامیده می شوند. به هر تک رشته یdna متصل و ان را پایدار می کنند این عمل مانع از تشکیل مجدد مارپیچ مضاعف می شود تا اینکه رشته ها بتوانند همانندسازی شوند. همانطور که رشته های DNA برای همانندسازی باز می شوند پیچ خوردگی در بخش دیگری از مولکول DNA افزایش می یابد. انزیم هایی که توپوایزومراز نامیده می شوند با به وجود اوردن برش هایی در مولکول DNA و سپس با اتصال مجدد رشته ها پیچش رشته ها را کم می کنند و به طور موثری مانع افزایش پیچ خوردگی و به وجود امدن گره در طی همانندسازی می شوند.
منابع
1. ncmbjpiau.ir
2. www.annualreviews.org
3. جلد دوم سولومون . سامان حسینخانی، مصطفی پویان. انتشارات خانه زیست شناسی. 1392
نویسنده : نیلوفر ترکزاده ( دانشجو ارشد بیوشیمی )
مدل واتسون و کریک که دو ویژگی مشخص و متمایز داشت باعث شد که DNA به عنوان ماده ی ژنتیکی پذیرفته شود. می دانیم که توالی بازها در DNA می تواند اطلاعات رمز شده را حمل کند. فرایندی که تحت عنوان همانندسازی DNA شناخته می شد. ارتباط بین همانندسازی DNA و رفتار کروموزوم ها در میتوز برای واتسون و کریک اشکار بود. یک کروموزوم وقتی مضاعف می شود, شامل دو کروماتید خواهری یکسان است که بعدا در انافاز از هم جدا می شوند, بنابراین ماده ی ژنتیکی, دقیقا مضاعف شده و سپس به طور مساوی در بین سلول های دختر توزیع می شود. در این مدل پیشنهاد شد که چون جفت شدن نوکلئوتیدها با یکدیگر به روش مکملی است, پس هر رشته ی مولکول DNA می تواند به عنوان الگویی برای ساختن رشته ی مقابل مورد استفاده قرار گیرد. بنابراین کاملا ضروری است که پیوندهای هیدروژنی بین دو رشته شکسته شوند و دو رشته از هم جدا گردند.
هر رشته از مارپیچ مضاعف می تواند برای جایگزینی رشته ی جدا شده, به عنوان الگو عمل نموده و با نوکلئوتیدهای مکمل جدید, جفت شود. حاصل, دو مارپیچ مضاعف DNAخواهد بود که هر کدام از مولکول ها مشابه مولکول اولیه و شامل یک رشته ی اصلی از مولکول والد و یک رشته ی تازه ساخت هستند. این نوع تکثیر شدن اطلاعات, تحت عنوان همانندسازی نیمه حفاظتی شناخته می شود. این دو دانشمند در انتهای مقاله اول خود اشاره کردند که این موضوع از نظر ما دور نمانده است که جفت شدن اختصاصی بازها باهم, مستقیما مکانیسم ممکنی را برای تکثیر ماده ی ژنتیکی پیشنهاد می کند.
مزلسون و استال, مکانیسم همانندسازی نیمه حفاظتی را اثبات کردند.
مکانیسم همانندسازی نیمه حفاظتی که توسط واتسون و کریک پیشنهاد شد اگرچه مدل ساده و جالبی بود, ولی برای اثبات همانندسازی با این روش به شواهد تجربی نیاز بود و محققین با یکدیگر احتمالات را رد می کردند. در همانندسازی حفاظتی,هر دو رشته ی والدی یا قدیمی در کنار یکدیگر باقی خواهد ماند و دو رشته ی تازه سنتز شده, دومین مارپیچ مضاعف را تشکیل می دهند به عنوان سومین فرضیه , رشته ی والدین و رشته ی تازه ساخت ممکن است به طور تصادفی در طی فرایند همانندسازی ترکیب شوند. این روش احتمالی تحت عنوان همانندسازی پراکنده شناخته می شود. برای تمایز بین همانندسازی نیمه حفاظتی و دیگر مدل ها, محققین باید رشته های DNA قدیمی و تازه ساخت را از هم تشخیص می دادند. استفاده از ایزوتوپ سنگین N15 روش مناسبی برای نشان دار کردن بازهای رشته های DNA است. این ایزوتوپ نیتروژن چگالی بیشتری به بازها می دهد. دانشمندان با استفاده از سانتریفوژ شیب چگالی می توانند مولکول های بزرگی مانند DNA را براساس تفاوت در چگالی شان از هم تفکیک کنند. وقتیکه DNA با یک محلول محتوی کلریدسزیم CSCL مخلوط و سپس با سرعت بالا سانتریفوژ از ناحیه ای با چگالی کم در بالا تا ناحیه ای با چگالی زیاد در ته لوله ایجاد می کند. در طول سانتریفوژ مولکول های DNA به سمت ناحیه ای از لوله حرکت می کنند که با ان هم چگال باشند. در سال 1958, ماتیومزلسون و فرانکلین استال در موسسه ی تکنولوژی کالیفرنیا, باکتری اشریشیاکلای را روی یک محیط کشت حاوی N15 به صورت امونیوم کلرید NH4CL رشد دادند. سلول ها از N15 برای سنتز بازهای الی استفاده کردند. و بعد این بازها را در ساختار DNA به کار بردند. مولکول های DNA که حاوی نیتروژن سنگینی بودند, از کسری از سلول ها استخراج شدند,وقتی که محققین این مولکول ها را در معرض سانتریفوژ شیب چگالی قرار دادند در ناحیه ای با چگالی بالا تجمع یافتند. بعد بقیه ی باکتری ها را به محیط کشت دیگری که حاوی NH4CL از ایزوتوپ سبکتر N14طبیعی بود, انتقال دادند و به انها اجازه دادند تقسیم سلولی خود را ادامه دهند. مزلسون و استال انتظار داشتند رشته های DNA تازه ساخت چگالی کمتری داشته باشند, چون بازهایی داشتند که حاوی ایزوتوپ N14 سبک تر می باشد. در حقیقت DNA های دو رشته ای که پس از یک نسل از سلول ها استخراج شده بودند, چگالی حدواسط داشتند که نشان دهنده ی این بود که انها حاوی نیمی از اتم های N15 , DNA والدی هستند. این یافته از مدل همانندسازی نیمه حفاظتی حمایت می کرد. این مدل پیش بینی می کرد که هر مارپیچ مضاعف, حاوی یک رشته ی قدیمی و یک رشته ی تازه ساخت است. همچنین این یافته, با مدل همانندسازی پراکنده که پیش بینی می کرد همه ی مولکول ها چگالی حدواسط دارند سازگار بود. برعکس با مدل همانندسازی حفاظتی که دو گروه از مولکول های دو رشته ای مولکول هایی با دو رشته ی سنگین و مولکول هایی با دو رشته ی سبک را پیش بینی می کرد سازگار نبود. بعد از یک چرخه تقسیم سلولی دیگر در محیط کشت حاوی ایزوتوپ سبک n14 , دو نوع DNA دقیقا در همان شیب چگالی قرار گرفتند که به وسیله ی مدل همانندسازی نیمه حفاظتی پیشگویی شده بود. یکی دارای چگالی حدواسط و ما بین چگالی DNA نشان دار با N15 و چگالی DNA نشان دار با N14 و دیگری فقط متشکل از یک نوع DNA نشان دار با N14 بود. این یافته ها مدل پراکنده را که پیش بینی می کرد همه ی رشته ها در نسل دوم چگالی حدواسط دارند رد کردند.
همانندسازی نیمه حفاظتی دائمی شدن جهش را توضیح می دهد.
فهمیدن این موضوع که DNA می تواند به روش نیمه حفاظتی تکثیر شود, سومین ویژگی اساسی ماده ی ژنتیکی یعنی توانایی جهش را توضیح می دهد. می دانید که جهش ها یا تغییرات ژنتیکی می توانند در ژن ها رخ دهند و سپس به همان صورت به نسل بعد انتقال یابند. مثلا یک جهش در مگس میوه, بال های وستیجیال ایجاد می کند. زمانی که مدل مارپیچ مضاعف پیشنهاد شد به نظر می رسد که جهش ها می توانند در توالی بازهای DNA تغییراتی ایجاد کنند. شما هم می توانید پیش بینی کنید که اگر DNA بر اساس جفت شدن بازهای مکمل همانندسازی کند,هر تغییری در توالی بازهای یک رشته می تواند یک توالی جدید از بازهای مکمل را در طی چرخه ی همانندسازی بعدی به وجود اورد. بعد توالی بازهای جدید توسط همان مکانیسم که مسئول همانندسازی ماده ی ژنتیک اصلی است الگو قرار گرفته و به مولکول های دختر انتقال می یابد گویی هیچ تغییری رخ نداده است. انزیم های خاصی جهش ها را تصحیح می کنند, ولی همه ی خطاها تصحیح نمی شوند. براورد می شود میزان اشتباهات تصحیح نشده که در طول همانندسازی DNA رخ می دهند معادل یک نوکلئوتید در یک میلیارد باشد. وقتی که مولکول DNA که دارای یک خطا است. همانندسازی می کند نتیجه این می شود که یکی از رشته ها به تولید مولکولی دقیقا مانند مولکول والدی می انجامد و رشته ی دیگر به ایجاد یک مولکول با ترکیب جدیدی از باز ها منجر می شود و از نسلی به نسل دیگر انتقال می یابد.
همانندسازی DNA , فرایندی پیچیده است که به ماشین پروتئینی نیاز دارد.
می دانیم که همانندسازی نیمه حفاظتی توسط جفت شدن بازها به نظر ساده و اسان می رسد ولی فرایندهای واقعی بسیار منظم بوده و نیازمند یک ماشین همانندسازی شامل تعداد زیادی انزیم و پروتئین است. ویژگی های مهم همانندسازی DNA در همه ی موجودات زنده مشترک اند ولی همانندسازی پروکاریوت ها و یوکاریوت ها تا اندازه ای متفاوت است چون DNA انها به طور متفاوت سازماندهی شده است. در بیشتر سلول های باکتریایی مانند اشریشیا کلای مولکول DNA به صورت یک حلقه ی منفرد و رشته ای است. در مقابل هر کروموزوم همانندسازی نکرده ی یوکاریوتی حاوی یک مولکول DNA دو رشته ای و خطی است که به پروتئین هایی حداقل هم وزن خود اتصال یافته است. اگرچه دانشمندان مطالب زیادی درباره ی همانندسازی DNA می دانند ولی بسیاری از جنبه های فرایند همانندسازی هنوز مشخص نشده است.
رشته های DNA باید در هنگام همانندسازی از هم باز شوند
در مدل مارپیچ مضاعف که واتسون و کریک ارائه دادند دو رشته ی DNA به دور یکدیگر همانند رشته های یک طناب پیچ خورده اند. اگر شما سعی کنید که رشته ها را از یکدیگر جدا کنید باید یا طناب را بچرخانید و یا درون ان پیچ های بیشتری ایجاد کنید پس باید نتایج مشابهی را در زمانی که دو رشته ی مکمل DNA برای همانندسازی از یکدیگر جدا می شوند, انتظار داشت. DNA هلیکاز انزیم هایی هستند که دو رشته ی DNA را با حرکت در طول مارپیچ از یکدیگر جدا می کنند. وقتی که انها حرکت می کنند مارپیچ مضاعف را مانند یک زیپ باز می کنند. وقتی رشته های DNA از یکدیگر جدا شدند پروتئین های متصل شونده به تک رشته SSBs که پروتئین های ناپایدار کننده ی مارپیچ نیز نامیده می شوند. به هر تک رشته یdna متصل و ان را پایدار می کنند این عمل مانع از تشکیل مجدد مارپیچ مضاعف می شود تا اینکه رشته ها بتوانند همانندسازی شوند. همانطور که رشته های DNA برای همانندسازی باز می شوند پیچ خوردگی در بخش دیگری از مولکول DNA افزایش می یابد. انزیم هایی که توپوایزومراز نامیده می شوند با به وجود اوردن برش هایی در مولکول DNA و سپس با اتصال مجدد رشته ها پیچش رشته ها را کم می کنند و به طور موثری مانع افزایش پیچ خوردگی و به وجود امدن گره در طی همانندسازی می شوند.
منابع
1. ncmbjpiau.ir
2. www.annualreviews.org
3. جلد دوم سولومون . سامان حسینخانی، مصطفی پویان. انتشارات خانه زیست شناسی. 1392
نویسنده : نیلوفر ترکزاده ( دانشجو ارشد بیوشیمی )