9.2: تكرار الحمض النووي
- Page ID
- 191559
عندما تنقسم الخلية، من المهم أن تتلقى كل خلية ابنة نسخة متطابقة من الحمض النووي. يتم تحقيق ذلك من خلال عملية تكرار الحمض النووي. يحدث تكرار الحمض النووي خلال مرحلة التوليف، أو المرحلة S، من دورة الخلية، قبل أن تدخل الخلية الانقسام الفتيلي أو الانقسام الاختزالي.
قدم توضيح بنية اللولب المزدوج تلميحًا عن كيفية نسخ الحمض النووي. تذكر أن نيوكليوتيدات الأدينين تتزاوج مع نيوكليوتيدات الثيامين والسيتوزين مع الجانين. هذا يعني أن الخطين مكملان لبعضهما البعض. على سبيل المثال، سيحتوي خيط الحمض النووي مع تسلسل النوكليوتيدات من AGTCATGA على خيط مكمل مع تسلسل TCAGTACT (الشكل\(\PageIndex{1}\)).
نظرًا لتكامل الخطين، فإن وجود خيط واحد يعني أنه من الممكن إعادة إنشاء الشريط الآخر. يشير هذا النموذج للنسخ المتماثل إلى فصل شريطي اللولب المزدوج أثناء النسخ المتماثل، ويعمل كل شريط كقالب يتم نسخ الشريط التكميلي الجديد منه (الشكل\(\PageIndex{2}\)).
أثناء تكرار الحمض النووي، يعمل كل من السلاسل التي تشكل اللولب المزدوج كقالب يتم نسخ خيوط جديدة منه. سيكون الشريط الجديد مكملاً للحبل الأبوي أو «القديم». يتكون كل خيط مزدوج جديد من خيط أبوي واحد وخيط ابنة جديد. ويُعرف هذا باسم النسخ المتماثل شبه المحافظ. عندما يتم تكوين نسختين من الحمض النووي، يكون لهما تسلسل متطابق من قواعد النيوكليوتيدات ويتم تقسيمهما بالتساوي إلى خليتين صغيرتين.
تكرار الحمض النووي في حقيقيات النوى
نظرًا لأن الجينومات حقيقية النواة معقدة للغاية، فإن تكرار الحمض النووي عملية معقدة للغاية تتضمن العديد من الإنزيمات والبروتينات الأخرى. يحدث ذلك في ثلاث مراحل رئيسية: البدء والاستطالة والإنهاء.
تذكر أن الحمض النووي حقيقي النواة مرتبط بالبروتينات المعروفة باسم الهستونات لتشكيل هياكل تسمى النيوكليوسومات. أثناء البدء، يتم توفير الحمض النووي للبروتينات والإنزيمات المشاركة في عملية النسخ المتماثل. كيف تعرف آلية النسخ المتماثل أين يبدأ اللولب المزدوج للحمض النووي؟ اتضح أن هناك تسلسلات محددة من النيوكليوتيد تسمى أصول النسخ المتماثل والتي يبدأ عندها النسخ المتماثل. ترتبط بعض البروتينات بأصل التكاثر بينما ينحل إنزيم يسمى الهليكوز ويفتح حلزون الحمض النووي. عند فتح الحمض النووي، تتشكل هياكل على شكل حرف Y تسمى شوكات النسخ المتماثل (الشكل\(\PageIndex{3}\)). يتم تكوين شوكتي نسخ متماثلة في أصل النسخ المتماثل، ويتم توسيعها في كلا الاتجاهين مع استمرار النسخ المتماثل. هناك أصول متعددة للتكرار على الكروموسوم حقيقي النواة، بحيث يمكن أن يحدث النسخ المتماثل في وقت واحد من عدة أماكن في الجينوم.
أثناء الاستطالة، يضيف إنزيم يسمى بوليميراز الحمض النووي نيوكليوتيدات الحمض النووي إلى الطرف الثالث من القالب. نظرًا لأن بوليميراز الحمض النووي لا يمكنه إضافة نيوكليوتيدات جديدة إلا في نهاية العمود الفقري، تتم إضافة التسلسل التمهيدي، الذي يوفر نقطة البداية هذه، مع نيوكليوتيدات الحمض النووي الريبي التكميلية. تتم إزالة هذا البرايمر لاحقًا، ويتم استبدال النيوكليوتيدات بنيوكليوتيدات الحمض النووي. يتم تصنيع خيط واحد، وهو مكمل لخيط الحمض النووي الأبوي، بشكل مستمر باتجاه شوكة النسخ المتماثل حتى يتمكن البوليميراز من إضافة النيوكليوتيدات في هذا الاتجاه. يُعرف هذا الشريط المركب باستمرار باسم الخصلة الرائدة. نظرًا لأن بوليميراز الحمض النووي يمكنه فقط تصنيع الحمض النووي في اتجاه 5 إلى 3 بوصات، يتم وضع الخيط الجديد الآخر معًا في قطع قصيرة تسمى شظايا أوكازاكي. تتطلب كل قطعة من أجزاء Okazaki طبقة أولية مصنوعة من الحمض النووي الريبي لبدء التوليف. يُعرف الشريط الذي يحتوي على شظايا Okazaki باسم الخصلة المتخلفة. مع استمرار عملية التخليق، يزيل الإنزيم مادة RNA الأولية، والتي يتم استبدالها بعد ذلك بنيوكليوتيدات الحمض النووي، ويتم سد الفجوات بين الشظايا بواسطة إنزيم يسمى DNA ligase.
يمكن تلخيص عملية تكرار الحمض النووي على النحو التالي:
- يختفي الحمض النووي عند أصل النسخ المتماثل.
- تتم إضافة قواعد جديدة إلى السلاسل الأبوية التكميلية. يتم صنع خيط جديد بشكل مستمر، بينما يتم صنع الخصلة الأخرى على شكل قطع.
- تتم إزالة المواد الأولية، ويتم وضع نيوكليوتيدات الحمض النووي الجديدة بدلاً من البادئات ويتم ختم العمود الفقري بواسطة ليغاز الحمض النووي.
آرت كونيكشن
تقوم بعزل سلالة خلوية يكون فيها ارتباط أجزاء أوكازاكي ضعيفًا وتشك في حدوث طفرة في إنزيم موجود في شوكة النسخ المتماثل. ما الإنزيم الأكثر احتمالاً للتحور؟
نسخ التيلومير
نظرًا لأن الكروموسومات حقيقية النواة خطية، فإن تكرار الحمض النووي يأتي إلى نهاية السطر في الكروموسومات حقيقية النواة. كما تعلمت، يمكن لإنزيم بوليميراز الحمض النووي إضافة النيوكليوتيدات في اتجاه واحد فقط. في الخيط الرئيسي، يستمر التوليف حتى الوصول إلى نهاية الكروموسوم؛ ومع ذلك، لا يوجد مكان على الخيط المتخلف لعمل برايمر لنسخ جزء الحمض النووي في نهاية الكروموسوم. يمثل هذا مشكلة للخلية لأن الأطراف تظل غير مزدوجة، وبمرور الوقت تصبح هذه الأطراف أقصر تدريجيًا مع استمرار انقسام الخلايا. تُعرف نهايات الكروموسومات الخطية باسم التيلوميرات، والتي لها تسلسلات متكررة لا ترمز لجين معين. ونتيجة لذلك، يتم اختصار التيلوميرات مع كل جولة من تكرار الحمض النووي بدلاً من الجينات. على سبيل المثال، في البشر، يتم تكرار التسلسل المكون من ستة أزواج أساسية، TTAGGG، من 100 إلى 1000 مرة. ساعد اكتشاف إنزيم التيلوميراز (الشكل\(\PageIndex{4}\)) في فهم كيفية الحفاظ على نهايات الكروموسومات. يرتبط التيلوميراز بنهاية الكروموسوم، وتضاف القواعد التكميلية لقالب الحمض النووي الريبي في نهاية خيط الحمض النووي. بمجرد أن يتم تمديد قالب الخيط المتخلف بشكل كافٍ، يمكن لبوليميراز الحمض النووي الآن إضافة النيوكليوتيدات المكملة لنهايات الكروموسومات. وبالتالي، يتم تكرار نهايات الكروموسومات.
عادةً ما يكون التيلوميراز نشطًا في الخلايا الجرثومية والخلايا الجذعية البالغة وبعض الخلايا السرطانية. لاكتشافها للتيلوميراز وعمله، حصلت إليزابيث بلاكبيرن (الشكل\(\PageIndex{5}\)) على جائزة نوبل للطب وعلم وظائف الأعضاء في عام 2009.
لا ينشط التيلوميراز في الخلايا الجسدية البالغة. تستمر الخلايا الجسدية البالغة التي تخضع لانقسام الخلايا في تقصير التيلوميرات. هذا يعني بشكل أساسي أن تقصير التيلومير مرتبط بالشيخوخة. في عام 2010، وجد العلماء أن التيلوميراز يمكن أن يعكس بعض الحالات المرتبطة بالعمر في الفئران، وقد يكون لهذا إمكانات في الطب التجديدي. 1 تم استخدام الفئران التي تعاني من نقص التيلوميراز في هذه الدراسات؛ تعاني هذه الفئران من ضمور الأنسجة ونضوب الخلايا الجذعية وفشل الجهاز التناسلي وضعف استجابات إصابات الأنسجة. تسببت إعادة تنشيط التيلوميراز في هذه الفئران في تمديد التيلوميرات وتقليل تلف الحمض النووي وعكس التنخر العصبي وتحسين أداء الخصيتين والطحال والأمعاء. وبالتالي، قد يكون لإعادة تنشيط التيلومير إمكانية علاج الأمراض المرتبطة بالعمر لدى البشر.
تكرار الحمض النووي في بدائيات النواة
تذكر أن الكروموسوم بدائية النواة عبارة عن جزيء دائري ذو بنية لف أقل اتساعًا من الكروموسومات حقيقية النواة. الكروموسوم حقيقي النواة خطي وملفوف للغاية حول البروتينات. في حين أن هناك العديد من أوجه التشابه في عملية تكرار الحمض النووي، فإن هذه الاختلافات الهيكلية تستلزم بعض الاختلافات في عملية تكرار الحمض النووي في هذين الشكلين من أشكال الحياة.
تمت دراسة تكرار الحمض النووي بشكل جيد للغاية في بدائيات النواة، ويرجع ذلك أساسًا إلى صغر حجم الجينوم والعدد الكبير من المتغيرات المتاحة. يحتوي Escherichia coli على 4.6 مليون زوج أساسي في كروموسوم دائري واحد، ويتم تكرار كل ذلك في حوالي 42 دقيقة، بدءًا من أصل واحد من النسخ المتماثل والمضي قدمًا حول الكروموسوم في كلا الاتجاهين. هذا يعني أنه يتم إضافة ما يقرب من 1000 نيوكليوتيدات في الثانية. هذه العملية أسرع بكثير من حقيقيات النوى. \(\PageIndex{1}\)يلخص الجدول الاختلافات بين التكرارات بدائية النواة والتكرار حقيقية النواة.
| الملكية | بدائيات النواة | حقيقيات النوى |
|---|---|---|
| أصل النسخ المتماثل | مفرد | متعددة |
| معدل النسخ | 1000 نيوكليوتيدات في الثانية | 50 إلى 100 نيوكليوتيدات في الثانية |
| بنية الكروموسوم | دائري | خطي |
| تيلوميراز | غير موجود | الحاضر |
مفهوم في العمل
انقر فوق برنامج تعليمي حول تكرار الحمض النووي.
إصلاح الحمض النووي
يمكن أن يرتكب بوليميراز الحمض النووي أخطاء أثناء إضافة النيوكليوتيدات. يقوم بتحرير الحمض النووي عن طريق تدقيق كل قاعدة مضافة حديثًا. تتم إزالة القواعد غير الصحيحة واستبدالها بالقاعدة الصحيحة، ثم تستمر عملية التبلمر (الشكل\(\PageIndex{6}\) أ). يتم تصحيح معظم الأخطاء أثناء النسخ المتماثل، ولكن عندما لا يحدث ذلك، يتم استخدام آلية إصلاح عدم التطابق. تتعرف إنزيمات إصلاح عدم التطابق على القاعدة المدمجة بشكل خاطئ وتستخرجها من الحمض النووي، وتستبدلها بالقاعدة الصحيحة (الشكل\(\PageIndex{6}\) ب). في نوع آخر من الإصلاح، إصلاح استئصال النوكليوتيدات، يتم فك الحبل المزدوج للحمض النووي وفصله، وتتم إزالة القواعد غير الصحيحة جنبًا إلى جنب مع بعض القواعد على طرفي 5 و 3 بوصات، ويتم استبدالها بنسخ القالب بمساعدة بوليميراز الحمض النووي (الشكل\(\PageIndex{6}\) ج). يعد إصلاح استئصال النوكليوتيدات مهمًا بشكل خاص في تصحيح مخفتات الثايمين، والتي تنتج أساسًا عن الأشعة فوق البنفسجية. في ثنائي ثيمين، يتم ربط اثنين من نيوكليوتيدات الثيامين المجاورة لبعضها البعض على خيط واحد بشكل تساهمي ببعضها البعض بدلاً من قواعدهما التكميلية. إذا لم تتم إزالة الديمر وإصلاحه، فسيؤدي ذلك إلى حدوث طفرة. يُظهر الأفراد الذين يعانون من عيوب في جينات إصلاح استئصال النوكليوتيدات حساسية شديدة لأشعة الشمس ويصابون بسرطان الجلد في وقت مبكر من الحياة.
يتم تصحيح معظم الأخطاء؛ إذا لم يتم تصحيحها، فقد تؤدي إلى طفرة - تُعرف بأنها تغيير دائم في تسلسل الحمض النووي. قد تؤدي الطفرات في جينات الإصلاح إلى عواقب وخيمة مثل السرطان.
ملخص
يتكاثر الحمض النووي بطريقة شبه محافظة يعمل فيها كل من خيوط الحمض النووي للوالدين كنموذج لتصنيع الحمض النووي الجديد. بعد النسخ المتماثل، يحتوي كل حمض نووي على خيط أبوي أو «قديم» وابنة واحدة أو خيط «جديد».
يبدأ النسخ المتماثل في حقيقيات النوى من أصول متعددة للنسخ المتماثل، بينما يبدأ النسخ المتماثل في بدائيات النواة من أصل واحد للنسخ المتماثل. يتم فتح الحمض النووي بالإنزيمات، مما يؤدي إلى تكوين شوكة النسخ المتماثل. يقوم Primase بتجميع مادة RNA الأولية لبدء التخليق بواسطة بوليميراز الحمض النووي، والذي يمكنه إضافة النيوكليوتيدات في اتجاه واحد فقط. يتم تصنيع خيط واحد بشكل مستمر في اتجاه شوكة النسخ المتماثل؛ وهذا ما يسمى بالحبل الرئيسي. يتم تصنيع الخيط الآخر في اتجاه بعيد عن شوكة النسخ المتماثل، في فترات قصيرة من الحمض النووي المعروفة باسم أجزاء Okazaki. يُعرف هذا الشريط باسم الخصلة المتخلفة. بمجرد اكتمال النسخ المتماثل، يتم استبدال بادئات الحمض النووي الريبي بنيوكليوتيدات الحمض النووي ويتم ختم الحمض النووي باستخدام ليغاز الحمض النووي.
تشكل نهايات الكروموسومات حقيقية النواة مشكلة، حيث أن البوليميراز غير قادر على تمديدها بدون برايمر. يعمل التيلوميراز، وهو إنزيم يحتوي على قالب RNA يحمل في ثناياه عوامل، على تمديد الأطراف عن طريق نسخ قالب RNA وتوسيع أحد طرفي الكروموسوم. يمكن لبوليميراز الحمض النووي بعد ذلك توسيع الحمض النووي باستخدام البرايمر. بهذه الطريقة، تتم حماية أطراف الكروموسومات. تحتوي الخلايا على آليات لإصلاح الحمض النووي عند تلفه أو حدوث أخطاء في النسخ المتماثل. تشمل هذه الآليات إصلاح عدم التطابق لاستبدال النيوكليوتيدات المقترنة بقاعدة غير تكميلية وإصلاح استئصال النيوكليوتيدات، الذي يزيل القواعد التالفة مثل مخففات الثيامين.
اتصالات فنية
الشكل\(\PageIndex{3}\): تقوم بعزل سلالة خلوية يكون فيها ارتباط أجزاء أوكازاكي ضعيفًا وتشك في حدوث طفرة في إنزيم موجود في شوكة النسخ المتماثل. ما الإنزيم الأكثر احتمالاً للتحور؟
- إجابة
-
الليغاس، حيث يربط هذا الإنزيم شظايا أوكازاكي معًا.
الحواشي
- 1 مارييلا جاسكليوف، وآخرون، «إعادة تنشيط التيلوميراز تعكس انحطاط الأنسجة في الفئران المسنة التي تعاني من نقص التيلوميراز»، الطبيعة، 469 (2011) :102—7.
مسرد المصطلحات
- الحمض النووي الليغزي
- الإنزيم الذي يحفز ربط أجزاء الحمض النووي معًا
- بوليميراز الحمض النووي
- إنزيم يصنع خيطًا جديدًا من الحمض النووي مكملاً لخيط القالب
- هيليكوز
- إنزيم يساعد على فتح حلزون الحمض النووي أثناء تكرار الحمض النووي عن طريق كسر الروابط الهيدروجينية
- حبلا متخلفة
- أثناء النسخ المتماثل للخيط من 3 إلى 5 بوصات، يتم نسخ الشريط في أجزاء قصيرة وبعيدًا عن شوكة النسخ المتماثل
- حبلا رائدة
- الخيط الذي يتم تصنيعه باستمرار في الاتجاه من 5 إلى 3 بوصة الذي يتم تصنيعه في اتجاه شوكة النسخ المتماثل
- إصلاح عدم التطابق
- شكل من أشكال إصلاح الحمض النووي حيث يتم التعرف على النيوكليوتيدات غير التكميلية واستئصالها واستبدالها بالنيوكليوتيدات الصحيحة
- طفرة
- اختلاف دائم في تسلسل النوكليوتيدات للجينوم
- إصلاح استئصال النوكليوتيدات
- شكل من أشكال إصلاح الحمض النووي حيث يتم فك جزيء الحمض النووي وفصله في منطقة تلف النيوكليوتيدات، وتتم إزالة النيوكليوتيدات التالفة واستبدالها بنيوكليوتيدات جديدة باستخدام الخيط التكميلي، ويتم إعادة إغلاق خيط الحمض النووي والسماح له بإعادة الانضمام إلى مكمله
- شظايا أوكازاكي
- شظايا الحمض النووي التي يتم تصنيعها في فترات قصيرة على الشريط المتخلف
- التمهيدي
- فترة قصيرة من نيوكليوتيدات الحمض النووي الريبي المطلوبة لبدء النسخ والسماح لبوليميراز الحمض النووي بالارتباط وبدء النسخ
- شوكة النسخ المتماثل
- تم تشكيل الهيكل على شكل Y أثناء بدء النسخ المتماثل
- النسخ المتماثل شبه المحافظ
- الطريقة المستخدمة لتكرار الحمض النووي حيث يتم فصل الجزيء المزدوج ويعمل كل خيط كنموذج لخيط جديد يتم تصنيعه، لذلك تتكون جزيئات الحمض النووي الناتجة من خيط جديد واحد من النيوكليوتيدات وخيط قديم واحد من النيوكليوتيدات
- تيلوميراز
- إنزيم يحتوي على جزء تحفيزي ونموذج RNA مدمج؛ يعمل على الحفاظ على التيلوميرات في نهايات الكروموسومات
- التيلومير
- الحمض النووي في نهاية الكروموسومات الخطية