Skip to main content
Global

11.2: تكرار الحمض النووي

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    194674

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    أهداف التعلم

    • شرح معنى تكرار الحمض النووي شبه المحافظ
    • اشرح لماذا يكون تكرار الحمض النووي ثنائي الاتجاه ويتضمن خيطًا رائدًا ومتخلفًا
    • اشرح لماذا تتشكل شظايا أوكازاكي
    • وصف عملية تكرار الحمض النووي ووظائف الإنزيمات المعنية
    • حدد الاختلافات بين تكرار الحمض النووي في البكتيريا وحقيقيات النواة
    • شرح عملية النسخ المتماثل للدائرة الدوارة

    قدم توضيح بنية اللولب المزدوج من قبل جيمس واتسون وفرانسيس كريك في عام 1953 تلميحًا عن كيفية نسخ الحمض النووي أثناء عملية النسخ المتماثل. سيوفر فصل خيوط اللولب المزدوج نموذجين لتوليف خيوط تكميلية جديدة، ولكن بالضبط كيف تم بناء جزيئات الحمض النووي الجديدة لا تزال غير واضحة. في أحد النماذج، وهو النسخ المتماثل شبه المحافظ، ينفصل شريطان اللولب المزدوج أثناء تكرار الحمض النووي، ويعمل كل خيط كقالب يتم نسخ الخيط التكميلي الجديد منه؛ وبعد النسخ المتماثل، يتضمن كل حمض نووي مزدوج الخصلة خيطًا أبويًا أو «قديمًا» وخيطًا «جديدًا» واحدًا. تم اقتراح نموذجين متنافسين أيضًا: نموذج متحفظ ونموذج مشتت، كما هو موضح في الشكل\(\PageIndex{1}\).

    رسم تخطيطي يوضح 3 نماذج لتكرار الحمض النووي. في النموذج المحافظ، ينتج الحلزون المزدوج الأصلي حلزنين مزدوجين؛ أحدهما يحتوي على اثنين من السلاسل الرئيسية والآخر يحتوي على اثنين من الخيوط الجديدة. تُنتج الجولة الأخرى 4 حلزونات؛ واحدة منها تحتوي على اثنين من السلاسل الرئيسية وثلاثة منها تحتوي على خيوط جديدة. في النسخ المتماثل شبه المحافظ، تؤدي الجولة الأولى إلى حلزنين مزدوجين لكل منهما خيط قديم واحد وخيط جديد. تؤدي الجولة التالية إلى أربع حلزونات مزدوجة؛ اثنان منها لهما خيط قديم وآخر جديد واثنتان لهما خيوط جديدة. في النسخ المتماثل المشتت، تؤدي كل جولة جديدة من النسخ المتماثل إلى سلاسل ذات بتات عشوائية من الشريط الأصلي وبتات عشوائية من السلاسل الجديدة.
    الشكل\(\PageIndex{1}\): تم اقتراح ثلاثة نماذج لتكرار الحمض النووي. في النموذج المحافظ، ظلت خيوط الحمض النووي للوالدين (الزرقاء) مرتبطة بجزيء واحد من الحمض النووي بينما ظلت خيوط الابنة الجديدة (الحمراء) مرتبطة بجزيئات الحمض النووي المشكلة حديثًا. في النموذج شبه المحافظ، قامت خيوط الوالدين بفصل وتوجيه عملية تخليق الخصلة البنت، بحيث يكون كل جزيء من الحمض النووي الناتج عبارة عن مزيج من خيط الوالدين وخيط الابنة. في النموذج المشتت، تحتوي جميع خيوط الحمض النووي الناتجة على مناطق من الحمض النووي الأبوي المزدوج ومناطق الحمض النووي للابنة ذات الجديلة المزدوجة.

    ابتكر ماثيو ميسيلسون (1930—) وفرانكلين ستال (1929—) تجربة في عام 1958 لاختبار أي من هذه النماذج يمثل بشكل صحيح تكرار الحمض النووي (الشكل\(\PageIndex{2}\)). لقد قاموا بزراعة E. coli لعدة أجيال في وسط يحتوي على نظير «ثقيل» للنيتروجين (15 نيوتن) تم دمجه في القواعد النيتروجينية، وفي النهاية، في الحمض النووي. هذا يسمى الحمض النووي الأبوي. ثم تم تحويل ثقافة E. coli إلى وسط يحتوي على 14 نيوتن وسمح لها بالنمو لجيل واحد. تم حصاد الخلايا وعزل الحمض النووي. تم فصل الحمض النووي عن طريق الطرد المركزي الفائق، والذي شكل خلاله الحمض النووي نطاقات وفقًا لكثافته. من المتوقع أن يشكل الحمض النووي الذي ينمو في 15 نيوتن نطاقًا في موضع كثافة أعلى من ذلك الذي نما في 14 نيوتن. وأشار ميسيلسون وستال إلى أنه بعد جيل واحد من النمو في 14 نيوتن، كان النطاق الواحد الذي لوحظ متوسطًا في الموضع بين الحمض النووي للخلايا التي نمت حصريًا في 15 N أو 14 N. اقترح هذا إما أسلوب التكرار شبه المحافظ أو التشتت. تم السماح لبعض الخلايا بالنمو لجيل آخر في 14 نيوتن ثم نسجها مرة أخرى. شكل الحمض النووي الذي تم حصاده من الخلايا التي نمت لجيلين في 14 نيوتن نطاقين: كان أحد نطاقات الحمض النووي في الموضع المتوسط بين 15 N و 14 N، والآخر يتوافق مع نطاق 14 N DNA. لا يمكن تفسير هذه النتائج إلا إذا تم تكرار الحمض النووي بطريقة شبه محافظة. لذلك، تم استبعاد النموذجين الآخرين. نتيجة لهذه التجربة، نعلم الآن أنه أثناء تكرار الحمض النووي، يعمل كل من الخطين اللذين يشكلان اللولب المزدوج كقالب يتم نسخ خيوط جديدة منه. سيكون الشريط الجديد مكملاً للحبل الأبوي أو «القديم». تحتوي جزيئات الحمض النووي الناتجة على نفس التسلسل وتنقسم بالتساوي إلى الخليتين البنتين.

    رسم تخطيطي يشرح تجربة ميسيلسون ستال. في الجزء الأول من التجربة، يتم نسخ الحمض النووي في وجود وسيط 15N الثقيل. ينتج هذا جميع خيوط الحمض النووي الثقيلة. بعد ذلك قاموا بنقل الخلايا إلى وسط 14N الخفيف. إذا تم تكرار الحمض النووي بشكل متحفظ، يتوقع المرء رؤية شريط ثقيل واحد ونطاق خفيف واحد. ومع ذلك، لم يروا سوى فرقة متوسطة الحجم. هذا يتوافق مع النسخ المتماثل شبه المحافظ والمشتت. أخيرًا، سمحوا للبكتيريا بالخضوع لجولة أخرى من النسخ المتماثل في الوسط الخفيف. إذا تم تكرار الحمض النووي بشكل مشتت، فلن يتوقع المرء سوى نطاق متوسط الحجم. ومع ذلك، رأوا شريطًا متوسطًا وخاتمًا خفيفًا. الآلية الوحيدة التي تشرح هذه النتائج هي النسخ المتماثل شبه المحافظ.
    الشكل\(\PageIndex{2}\): قام ميسيلسون وستال بتجربة E. coli التي نمت أولاً في النيتروجين الثقيل (15 نيوتن) ثم في 14 N. كان الحمض النووي الذي نما في 15 N (النطاق الأزرق) أثقل من الحمض النووي الذي نما في 14 N (الشريط الأحمر)، وتم ترسيبه إلى مستوى أقل عند الطرد المركزي الفائق. بعد جولة واحدة من النسخ المتماثل، ترسبت الحمض النووي في منتصف المسافة بين مستويات 15 N و 14 N (النطاق الأرجواني)، مما استبعد النموذج المحافظ للتكرار. بعد جولة ثانية من النسخ المتماثل، تم استبعاد النموذج المشتت للنسخ المتماثل. دعمت هذه البيانات نموذج النسخ المتماثل شبه المحافظ.

    التمارين\(\PageIndex{1}\)

    ماذا كان يمكن أن تكون نتيجة تجربة ميسيلسون وستال إذا عثروا، بعد الجيل الأول، على شريطين من الحمض النووي؟

    تكرار الحمض النووي في البكتيريا

    تمت دراسة تكرار الحمض النووي جيدًا في البكتيريا في المقام الأول بسبب صغر حجم الجينوم والطفرات المتوفرة. يحتوي E. coli على 4.6 مليون زوج أساسي (Mbp) في كروموسوم دائري واحد ويتم تكراره جميعًا في حوالي 42 دقيقة، بدءًا من أصل واحد للتكاثر والمضي قدمًا حول الدائرة ثنائية الاتجاه (أي في كلا الاتجاهين). هذا يعني أنه يتم إضافة ما يقرب من 1000 نيوكليوتيدات في الثانية. هذه العملية سريعة جدًا وتحدث مع بعض الأخطاء.

    يستخدم تكرار الحمض النووي عددًا كبيرًا من البروتينات والإنزيمات (الجدول\(\PageIndex{1}\)). أحد اللاعبين الرئيسيين هو إنزيم بوليميراز DNA، المعروف أيضًا باسم DNA pol. في البكتيريا، تُعرف ثلاثة أنواع رئيسية من بوليميرات الحمض النووي: DNA pol I و DNA pol II و DNA pol III. من المعروف الآن أن DNA pol III هو الإنزيم المطلوب لتخليق الحمض النووي؛ DNA pol I و DNA pol II مطلوبان بشكل أساسي للإصلاح. يضيف DNA pol III الديوكسي ريبونوكليوتيدات كل منها مكملاً للنيوكليوتيد على شريط القالب، واحدًا تلو الآخر إلى مجموعة 3'-OH من سلسلة الحمض النووي المتنامية. تتطلب إضافة هذه النيوكليوتيدات طاقة. توجد هذه الطاقة في روابط ثلاث مجموعات فوسفات مرتبطة بكل نيوكليوتيد (نيوكليوتيد ثلاثي الفوسفات)، على غرار كيفية تخزين الطاقة في روابط الفوسفات الخاصة بالأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) (الشكل\(\PageIndex{3}\)). عندما تنكسر الرابطة بين الفوسفات ويتم إطلاق ثنائي الفوسفات، تسمح الطاقة المنبعثة بتكوين رابطة فوسفوديستر تساهمية عن طريق تخليق الجفاف بين النيوكليوتيد الوارد ومجموعة 3'-OH الحرة على خيط الحمض النووي المتنامي.

    رسم تخطيطي لـ dGTP. في الوسط يوجد الديوكسيريبوز وهو سكر على شكل خماسي. تحتوي النقطة العليا على أكسجين. ثم تتحرك الكربونات 1 و 2 و 3 و 4 حول الشكل؛ ويرتبط الكربون 5 بالكربون 4 ولكن ليس في الحلقة. يرتبط بالكربون 1 هيكل مصنوع من حلقتين من الكربون والنيتروجين مربوطتين على طول أطرافهما؛ هذا هو الجوانين. يحتوي الكربون 2 على Hs فقط المرتبط به. يحتوي الكربون 3 على H و OH. يحتوي الكربون 4 على N والكربون 5. يرتبط الكربون 5 بثلاث مجموعات فوسفات متتالية (تسمى ثلاثي الفوسفات). تتكون كل مجموعة فوسفات من الفوسفور المرتبط بـ 4 ذرات أكسجين.
    الشكل\(\PageIndex{3}\): يُظهر هذا الهيكل ديوكسي ريبونوكليوتيد الغوانوسين ثلاثي الفوسفات الذي يتم دمجه في خيط الحمض النووي المتنامي عن طريق شق مجموعتي الفوسفات الطرفية من الجزيء ونقل الطاقة إلى رابطة فوسفات السكر. تشكل النيوكليوتيدات الثلاثة الأخرى هياكل مماثلة.

    المبادرة

    يحدث بدء النسخ المتماثل عند تسلسل نوكليوتيد محدد يسمى أصل النسخ المتماثل، حيث ترتبط البروتينات المختلفة لبدء عملية النسخ المتماثل. يحتوي E. coli على أصل وحيد للتكاثر (كما هو الحال مع معظم بدائيات النواة)، يسمى ORIC، على كروموسوم واحد. يبلغ أصل النسخ المتماثل ما يقرب من 245 زوجًا أساسيًا وهو غني بتسلسلات الأدينين-الثيامين (AT).

    تعتبر بعض البروتينات التي ترتبط بأصل النسخ المتماثل مهمة في جعل المناطق أحادية الشريط من الحمض النووي متاحة للتكرار. عادةً ما يتم لف الحمض النووي الكروموسومي حول الأحجار الهستونية (في حقيقيات النواة والأركيا) أو البروتينات الشبيهة بالهيستون (في البكتيريا)، ويتم لفه بشكل فائق أو لفه على نطاق واسع ولفه على نفسه. هذه العبوة تجعل المعلومات الموجودة في جزيء الحمض النووي غير قابلة للوصول. ومع ذلك، فإن الإنزيمات التي تسمى توبويزوميراز تغير شكل الكروموسوم ولفه الفائق. لبدء تكرار الحمض النووي البكتيري، يتم تخفيف الكروموسوم فائق اللف بواسطة توبويزوميراز II، المعروف أيضًا باسم DNA gyrase. ثم يفصل إنزيم يسمى الهليكوز خيوط الحمض النووي عن طريق كسر الروابط الهيدروجينية بين أزواج القاعدة النيتروجينية. تذكر أن تسلسلات AT تحتوي على روابط هيدروجينية أقل، وبالتالي فهي تحتوي على تفاعلات أضعف من تسلسلات الغوانين-السيتوزين (GC). تتطلب هذه الإنزيمات التحلل المائي ATP. عندما ينفتح الحمض النووي، تتشكل هياكل على شكل حرف Y تسمى شوكات النسخ المتماثل. يتم تشكيل شوكتين للتكرار في أصل النسخ المتماثل، مما يسمح بالتكرار ثنائي الاتجاه وتشكيل بنية تشبه الفقاعة عند عرضها باستخدام المجهر الإلكتروني للإرسال؛ ونتيجة لذلك، تسمى هذه البنية فقاعة النسخ المتماثل. يتم طلاء الحمض النووي بالقرب من كل شوكة نسخ ببروتينات ربط أحادية الشريط لمنع الحمض النووي أحادي الجديلة من الارتداد إلى حلزون مزدوج.

    بمجرد الوصول إلى الحمض النووي أحادي الجديلة في أصل النسخ المتماثل، يمكن أن يبدأ تكرار الحمض النووي. ومع ذلك، فإن DNA pol III قادر على إضافة النيوكليوتيدات فقط في اتجاه 5 إلى 3 بوصات (يمكن تمديد خيط DNA جديد فقط في هذا الاتجاه). هذا لأن بوليميراز الحمض النووي يتطلب مجموعة 3'-OH مجانية يمكنه إضافة النيوكليوتيدات إليها عن طريق تكوين رابطة فوسفوديستر تساهمية بين نهاية 3'-OH وفوسفات 5' من النيوكليوتيد التالي. هذا يعني أيضًا أنه لا يمكن إضافة النيوكليوتيدات في حالة عدم توفر مجموعة 3'-OH المجانية، وهذا هو الحال بالنسبة لخيط واحد من الحمض النووي. تم حل المشكلة بمساعدة تسلسل RNA الذي يوفر نهاية 3'-OH المجانية. نظرًا لأن هذا التسلسل يسمح ببدء تخليق الحمض النووي، فإنه يُطلق عليه بشكل مناسب اسم البرايمر. يتكون البرايمر من خمسة إلى 10 نيوكليوتيدات وهو مكمل للحمض النووي الأبوي أو النموذجي. يتم تصنيعه بواسطة RNA primase، وهو بوليميراز RNA. على عكس بوليميرات الحمض النووي، لا تحتاج بوليميرات الحمض النووي الريبي إلى مجموعة 3'-OH مجانية لتجميع جزيء RNA. الآن بعد أن يوفر البرايمر مجموعة 3'-OH المجانية، يمكن الآن لبوليميراز الحمض النووي الثالث توسيع نطاق هذا الحمض النووي التمهيدي، بإضافة نيوكليوتيدات الحمض النووي واحدة تلو الأخرى التي تكمل خيط القالب (الشكل\(\PageIndex{1}\)).

    الاستطالة

    أثناء الاستطالة في تكرار الحمض النووي، تحدث إضافة النيوكليوتيدات بمعدل أقصى يبلغ حوالي 1000 نيوكليوتيدات في الثانية. يمكن أن يمتد بوليميراز الحمض النووي III فقط في اتجاه 5 إلى 3 بوصات، مما يشكل مشكلة في شوكة النسخ المتماثل. الحلزون المزدوج للحمض النووي مضاد للتوازي؛ أي أن أحد الخطين موجه في الاتجاه من 5 إلى 3 بوصات والآخر موجه في اتجاه 3 إلى 5 بوصات (انظر بنية ووظيفة الحمض النووي). أثناء النسخ المتماثل، يتم تصنيع خيط واحد، وهو مكمل لخيط الحمض النووي الأبوي من 3 إلى 5 بوصات، بشكل مستمر باتجاه شوكة النسخ المتماثل لأن البوليميراز يمكن أن يضيف النيوكليوتيدات في هذا الاتجاه. يُعرف هذا الشريط المركب باستمرار باسم الخصلة الرائدة. أما الخيط الآخر، المكمل للحمض النووي الأبوي الذي يتراوح طوله بين 5 بوصات و3 بوصات، فينمو بعيدًا عن شوكة النسخ المتماثل، لذلك يجب أن يتحرك البوليميراز مرة أخرى نحو شوكة النسخ المتماثل لبدء إضافة قواعد إلى برايمر جديد، مرة أخرى في الاتجاه بعيدًا عن شوكة النسخ المتماثل. يقوم بذلك حتى يصطدم بالحبل الذي تم تصنيعه مسبقًا ثم يتحرك مرة أخرى (الشكل\(\PageIndex{4}\)). تنتج هذه الخطوات أجزاء صغيرة من تسلسل الحمض النووي تُعرف باسم أجزاء Okazaki، يتم فصل كل منها بواسطة RNA primer. تمت تسمية أجزاء أوكازاكي على اسم فريق البحث الياباني والزوجان ريجي وتسونيكو أوكازاكي، الذين اكتشفوها لأول مرة في عام 1966. يُعرف الخيط الذي يحتوي على شظايا أوكازاكي باسم الخصلة المتخلفة، ويقال إن تركيبه متقطع.

    يمكن تمديد الخصلة الرائدة من برايمر واحد فقط، بينما تحتاج الخصلة المتخلفة إلى برايمر جديد لكل قطعة من أجزاء أوكازاكي القصيرة. سيكون الاتجاه العام للحبل المتخلف من 3 إلى 5 بوصات، والاتجاه العام للشريط الرائد من 5 إلى 3 بوصات. يقوم بروتين يسمى المشبك المنزلق بتثبيت بوليميراز الحمض النووي في مكانه حيث يستمر في إضافة النيوكليوتيدات. المشبك المنزلق عبارة عن بروتين على شكل حلقة يرتبط بالحمض النووي ويحافظ على البوليميراز في مكانه. بالإضافة إلى دوره في البدء، يمنع التوبويزوميراز أيضًا لف اللولب المزدوج للحمض النووي قبل شوكة النسخ المتماثل أثناء فتح الحمض النووي؛ وهو يفعل ذلك عن طريق إحداث شقوق مؤقتة في حلزون الحمض النووي ثم إعادة غلقه. مع تقدم عملية التوليف، يتم استبدال بادئات الحمض النووي الريبي بالحمض النووي. تتم إزالة المواد الأولية من خلال نشاط إكسونوكلياز لبوليميراز الحمض النووي I، ويتم ملء الفجوات. يتم ختم النكات المتبقية بين الحمض النووي المركب حديثًا (الذي حل محل الحمض النووي الريبي التمهيدي) والحمض النووي المركب مسبقًا بواسطة إنزيم ليغاز الحمض النووي الذي يحفز تكوين ارتباط الفسفوديستر التساهمي بين نهاية 3'-OH لجزء واحد من الحمض النووي ونهاية الفوسفات 5' للجزء الآخر، تثبيت العمود الفقري لفوسفات السكر لجزيء الحمض النووي.

    رسم تخطيطي لتكرار الحمض النووي. يُظهر الجزء الداخلي الصغير في الجزء العلوي خيطًا مزدوجًا من الحمض النووي مفصولًا في المركز مكونًا فقاعة؛ الحمض النووي محاصر بشكل مزدوج على جانبي الفقاعة. أصل النسخ المتماثل هو نقطة منتصف الفقاعة. في الجزء العلوي، يشير سهم صلب إلى اليسار من نقطة الأصل؛ وهذه هي الخصلة الرائدة. على يمين أصل النسخ المتماثل توجد أسهم قصيرة تشير إلى اليسار؛ وهذا هو الشريط المتخلف. في الخصلة السفلية، يُسمى السهم الصلب الذي يشير إلى اليمين من الأصل بالحبل الرئيسي والأسهم القصيرة التي تشير إلى اليمين على الجانب الآخر من الأصل باسم السلاسل المتخلفة. تُظهر الصورة الأكبر النصف الأيسر فقط من الفقاعة. يوجد الحمض النووي المزدوج المجدول في أقصى اليسار ويتم تسميته بـ 5 بوصات للحبل العلوي و 3 بوصات للحبل السفلي. يُطلق على الإنزيم الموجود في أقصى اليسار اسم topoisomerase/gyrase. عند النقطة التي تنقسم فيها المناطق التي تقطعت بها السبل المزدوجة يوجد شكل مثلث يسمى هيليكاس. بجانب ذلك توجد أشكال أصغر تسمى بروتينات الربط أحادية الجديلة. يُظهر الشريط العلوي تركيبًا مستمرًا للحبل الرئيسي؛ ويظهر ذلك على شكل سهم صلب أسفل الخصلة العلوية. يحتوي السهم على 5 'في الطرف الأيمن و3' في الطرف الأيسر. يحتوي شريط القالب في الأعلى على 3 بوصات على اليمين و5 بوصات على اليسار. في نهاية السهم (بالقرب من المكان الذي يتم فيه فصل الحمض النووي حديثًا بواسطة الهليكوز) يوجد بوليميراز DNA 3 ومشبك منزلق يمتد على كلا الجدائل. يحتوي الشريط السفلي من الحمض النووي على المزيد من المكونات. بعد بروتينات الربط الوحيدة المجدولة مباشرة يوجد برايماز الحمض النووي الريبي الذي يربط الحمض النووي الريبي التمهيدي (يظهر على شكل سهم أخضر). في الجزء السفلي من القالب المتخلف يوجد برايمر RNA موجود مع بوليميراز DNA III ومشبك منزلق يمتد على البرايمر وحبل القالب. يقوم البوليميراز ببناء خيط جديد من الحمض النووي من الجانب الأيسر (5 بوصات) إلى الجانب الأيمن (3 بوصات). إلى اليمين توجد قطعة طويلة مصنوعة من مادة RNA الأولية، ثم DNA الجديد، ثم RNA التمهيدي، ثم DNA الجديد المتصل. كل مجموعة من مجموعات DNA/RNA عبارة عن أجزاء أوكازاكي مصنوعة في التركيب المتقطع للحبل المتخلف. يتم ربط بوليميراز الحمض النووي الأول ببرايمر الحمض النووي الريبي في المركز ويتم استبداله بنيوكليوتيدات الحمض النووي. ثم يربط ليغاز الحمض النووي السلاسل الفردية للحمض النووي الجديد معًا. يظهر هذا في صورة مقرّبة على هيئة حلزنين مزدوجين يحملان جميع الأحرف الصحيحة في مكانها، لكن أحدهما يفتقد الاتصال بين اثنين من النيوكليوتيدات (وهذا ما يسمى بالفجوة أحادية الجديلة). يشكل ليغاز الحمض النووي هذه الرابطة الأخيرة ويتم سد الفجوة.
    الشكل\(\PageIndex{4}\): في أصل النسخ المتماثل، يعمل توبويزوميراز II على إرخاء الكروموسوم فائق اللف. تتكون شوكتان من النسخ المتماثل عن طريق فتح الحمض النووي المزدوج في الأصل، وتفصل الهليكوز خيوط الحمض النووي، التي يتم تغليفها ببروتينات ربط أحادية الشريط للحفاظ على فصل السلاسل. يحدث تكرار الحمض النووي في كلا الاتجاهين. يتم تصنيع مادة RNA الأولية المكملة للحبل الأبوي بواسطة RNA primase ويتم تمديدها بواسطة بوليميراز DNA III من خلال إضافة النيوكليوتيدات إلى نهاية 3'-OH. على الخيط الرئيسي، يتم تصنيع الحمض النووي بشكل مستمر، بينما في الخيط المتخلف، يتم تصنيع الحمض النووي في امتدادات قصيرة تسمى شظايا أوكازاكي. تتم إزالة بادئات الحمض النووي الريبي الموجودة داخل الخيط المتخلف من خلال نشاط إفراز كريات الدم البيضاء لبوليميراز الحمض النووي الأول، ويتم ربط شظايا أوكازاكي بواسطة ليغاز الحمض النووي.

    الإنهاء

    بمجرد تكرار الكروموسوم الكامل، يجب إنهاء تكرار الحمض النووي. على الرغم من معرفة الكثير عن بدء النسخ المتماثل، إلا أنه لا يُعرف الكثير عن عملية الإنهاء. بعد النسخ المتماثل، يتم ربط الجينومات الدائرية الكاملة الناتجة عن بدائيات النواة، مما يعني أن كروموسومات الحمض النووي الدائرية متشابكة ويجب فصلها عن بعضها البعض. يتم تحقيق ذلك من خلال نشاط توبويزوميراز IV البكتيري، الذي يدخل فواصل مزدوجة في جزيئات الحمض النووي، مما يسمح لها بالانفصال عن بعضها البعض؛ ثم يعيد الإنزيم إغلاق الكروموسومات الدائرية. يعد حل المحاريات مشكلة فريدة لتكرار الحمض النووي الأولي بسبب الكروموسومات الدائرية. نظرًا لاختلاف كل من الحمض النووي الجرثومي gyrase و topoisomerase IV عن نظرائهما حقيقية النواة، تعمل هذه الإنزيمات كأهداف لفئة من الأدوية المضادة للميكروبات تسمى الكينولونات.

    الجدول\(\PageIndex{1}\): الآلات الجزيئية المشاركة في تكرار الحمض النووي البكتيري
    إنزيم أو عامل وظيفة
    عينة الحمض النووي الأولى يزيل نشاط إكسونوكلياز برايمر RNA ويستبدله بالحمض النووي المركب حديثًا
    مجموعة الحمض النووي 3 الإنزيم الرئيسي الذي يضيف النيوكليوتيدات في اتجاه 5 إلى 3
    هيليكاس يفتح حلزون الحمض النووي عن طريق كسر الروابط الهيدروجينية بين القواعد النيتروجينية
    الليغاس يسد الفجوات بين شظايا أوكازاكي على الخيط المتخلف لإنشاء خيط واحد مستمر من الحمض النووي
    زهرة الربيع يقوم بتجميع بادئات الحمض النووي الريبي اللازمة لبدء النسخ المتماثل
    بروتينات ربط أحادية الجديلة اربط بالحمض النووي أحادي الجديلة لمنع الترابط الهيدروجيني بين خيوط الحمض النووي، وإصلاح الحمض النووي المزدوج
    مشبك منزلق يساعد على تثبيت الحمض النووي POL III في مكانه عند إضافة النيوكليوتيدات
    توبويزوميراز الثاني (جيراز الحمض النووي) يريح الكروموسوم فائق اللف لجعل الحمض النووي أكثر سهولة لبدء النسخ؛ يساعد على تخفيف الضغط على الحمض النووي عند الفك، عن طريق التسبب في حدوث فواصل ثم إعادة إغلاق الحمض النووي
    توبويزوميراز الرابع يقوم بإدخال كسر أحادي الجديلة إلى الكروموسومات المتسلسلة لإطلاقها من بعضها البعض، ثم يعيد ختم الحمض النووي

    التمارين\(\PageIndex{2}\)

    1. ما الإنزيم الذي يكسر الروابط الهيدروجينية التي تربط شريطي الحمض النووي معًا بحيث يمكن أن يحدث التكرار؟
    2. هل هو الخيط المتخلف أو الخيط الرئيسي الذي يتم تصنيعه في الاتجاه نحو فتحة شوكة النسخ المتماثل؟
    3. ما الإنزيم المسؤول عن إزالة بادئات الحمض النووي الريبي في الحمض النووي البكتيري المنسوخ حديثًا؟

    تكرار الحمض النووي في حقيقيات النوى

    تعتبر الجينومات حقيقية النواة أكثر تعقيدًا وأكبر من الجينومات بدائية النواة وتتكون عادةً من كروموسومات خطية متعددة (الجدول\(\PageIndex{2}\)). يحتوي الجينوم البشري، على سبيل المثال، على 3 مليارات زوج أساسي لكل مجموعة أحادية الصبغيات من الكروموسومات، ويتم إدخال 6 مليارات زوج أساسي أثناء النسخ المتماثل. هناك أصول متعددة للتكرار على كل كروموسوم حقيقي النواة (الشكل\(\PageIndex{5}\))؛ يحتوي الجينوم البشري على 30.000 إلى 50,000 أصل من النسخ المتماثل. يبلغ معدل النسخ المتماثل حوالي 100 نيوكليوتيدات في الثانية - أبطأ بعشر مرات من النسخ المبكر النواة.

    رسم تخطيطي يوضح شريطين من الحمض النووي للوالدين. ثم سهم يعرض فقاعات نسخ متعددة مع أصل النسخ المتماثل في كل منها. تشير الأسهم إلى اليسار واليمين من كل أصل من النسخ المتماثل. تظهر خيوط جديدة من الحمض النووي وهي تتشكل. تحتوي إحدى الفقاعات على النصف الأيسر من الفقاعة في صندوق يسمى شوكة النسخ المتماثل. تُظهر الصورة التالية فقاعات النسخ المتماثل التي تزداد طولًا. تُظهر الصورة النهائية خيطين جديدين من الحمض النووي، يحتوي كل منهما على خيط قديم واحد وخيط جديد.
    الشكل\(\PageIndex{5}\): عادةً ما تكون الكروموسومات حقيقية النواة خطية، وتحتوي كل منها على أصول متعددة للتكرار.

    الخطوات الأساسية للتكرار في حقيقيات النوى هي نفسها كما في بدائيات النواة. قبل أن يبدأ النسخ المتماثل، يجب إتاحة الحمض النووي كنموذج. يتم تغليف الحمض النووي حقيقي النواة وتعبئته بشكل كبير، وهو ما تسهله العديد من البروتينات، بما في ذلك الهستونات (انظر بنية ووظيفة الجينومات الخلوية). في بداية النسخ المتماثل، يقوم مركب التكرار المسبق المكون من عدة بروتينات، بما في ذلك الهيليكاس، بتكوين وتوظيف إنزيمات أخرى تشارك في بدء التكاثر، بما في ذلك توبويزوميراز لتخفيف الالتواء الفائق وبروتين الربط أحادي الجديلة وبريماز الحمض النووي الريبي وبلمرة الحمض النووي الريبي. بعد بدء النسخ المتماثل، في عملية مماثلة لتلك الموجودة في بدائيات النواة، يتم تسهيل الاستطالة بواسطة بوليميرات الحمض النووي حقيقية النواة. يتم تصنيع الخيط الرئيسي باستمرار بواسطة إنزيم البوليميراز حقيقي النواة pol، بينما يتم تصنيع الخيط المتخلف بواسطة pol. يحافظ بروتين المشبك المنزلق على بوليميراز الحمض النووي في مكانه حتى لا يسقط من الحمض النووي. يقوم إنزيم الريبونوكلياز H (RNase H)، بدلاً من بوليميراز الحمض النووي كما هو الحال في البكتيريا، بإزالة مادة RNA الأولية، والتي يتم استبدالها بعد ذلك بنيوكليوتيدات الحمض النووي. يتم سد الفجوات المتبقية بواسطة ليغاز الحمض النووي.

    نظرًا لأن الكروموسومات حقيقية النواة خطية، فقد يتوقع المرء أن يكون تكرارها أكثر وضوحًا. كما هو الحال في بدائيات النواة، يمكن لبوليميراز الحمض النووي حقيقي النواة إضافة النيوكليوتيدات فقط في اتجاه 5 إلى 3 بوصات. في الخيط الرئيسي، يستمر التخليق حتى يصل إما إلى نهاية الكروموسوم أو شوكة نسخ أخرى تتقدم في الاتجاه المعاكس. على الخيط المتخلف، يتم تصنيع الحمض النووي في فترات قصيرة، يتم بدء كل منها بواسطة برايمر منفصل. عندما تصل شوكة النسخ المتماثل إلى نهاية الكروموسوم الخطي، لا يوجد مكان لعمل دليل تمهيدي لشظية الحمض النووي ليتم نسخها في نهاية الكروموسوم. وبالتالي تظل هذه الأطراف غير مزدوجة، ومع مرور الوقت، قد تصبح أقصر تدريجيًا مع استمرار انقسام الخلايا.

    تُعرف نهايات الكروموسومات الخطية باسم التيلوميرات وتتكون من تسلسلات متكررة غير مشفرة. تحمي التيلوميرات تسلسلات الترميز من الضياع مع استمرار انقسام الخلايا. في البشر، يتم تكرار سلسلة مكونة من ستة أزواج أساسية، TTAGGG، من 100 إلى 1000 مرة لتشكيل التيلومير. أوضح اكتشاف إنزيم التيلوميراز (الشكل\(\PageIndex{6}\)) فهمنا لكيفية الحفاظ على نهايات الكروموسومات. يحتوي التيلوميراز على جزء تحفيزي وقالب RNA مدمج. يتم توصيله بنهاية الكروموسوم، وتتم إضافة القواعد التكميلية لقالب الحمض النووي الريبي على الطرف الثالث من خيط الحمض النووي. بمجرد أن يكون الطرف الثالث من قالب الخيط المتخلف ممدودًا بدرجة كافية، يمكن لبوليميراز الحمض النووي إضافة النيوكليوتيدات المكملة لنهايات الكروموسومات. بهذه الطريقة، يتم تكرار نهايات الكروموسومات. في البشر، ينشط التيلوميراز عادةً في الخلايا الجرثومية والخلايا الجذعية البالغة؛ وهو غير نشط في الخلايا الجسدية البالغة وقد يرتبط بشيخوخة هذه الخلايا. كما تنتج الميكروبات حقيقية النواة بما في ذلك الفطريات والبروتوزوان التيلوميراز للحفاظ على سلامة الكروموسومات. لاكتشافها التيلوميراز وعمله، حصلت إليزابيث بلاكبيرن (1948—) على جائزة نوبل للطب أو علم وظائف الأعضاء في عام 2009.

    رسم تخطيطي للتيلوميراز. تُظهر الصورة العلوية خيطًا طويلًا من الحمض النووي بطول 5 بوصات على اليسار و 3 بوصات على اليمين. الحبل التكميلي أقصر بكثير ويظهر 3 بوصات على اليسار و5 بوصات على اليمين. تحتوي الدائرة المسماة تيلوميراز على خيط تكميلي يطابق نهاية 3 بوصات من الخصلة العلوية وتمتد أيضًا إلى ما بعد نهاية 3 بوصات من الشريط العلوي. التسمية التوضيحية: يحتوي التيلوميراز على الحمض النووي الريبي المرتبط الذي يكمل العبء الثلاثي في نهاية الكروموسوم. بعد ذلك، يتكاثر الشريط العلوي من الحمض النووي باستخدام تدلي الخصلة داخل التيلوميراز. التسمية التوضيحية: يتم استخدام قالب RNA لتجميع الشريط التكميلي. بعد ذلك، ينتقل التيلوميراز إلى الطرف الجديد بطول 3 بوصات من الشريط العلوي. التسمية التوضيحية: يتغير التيلوميراز وتتكرر العملية. أخيرًا، يحتوي شريط الحمض النووي العلوي على امتدادات متعددة. يلتصق الحمض النووي الريبي التمهيدي بالقرب من الطرف الثالث ويبني خيطًا جديدًا من الحمض النووي باتجاه اليسار حتى يلتقي بالحبل الموجود. التسمية التوضيحية: يقوم كل من Primase و DNA Polymerase بتجميع الخيط التكميلي.
    الشكل\(\PageIndex{6}\): في حقيقيات النوى، يتم الحفاظ على نهايات الكروموسومات الخطية من خلال عمل إنزيم التيلوميراز.
    جدول\(\PageIndex{2}\): مقارنة بين النسخ المتماثل البكتيري وحقيقي النواة
    الملكية بكتيريا حقيقيات النوى
    بنية الجينوم كروموسوم دائري واحد كروموسومات خطية متعددة
    عدد الأصول لكل كروموسوم مفرد متعددة
    معدل النسخ 1000 نيوكليوتيدات في الثانية 100 نيوكليوتيدات في الثانية
    تيلوميراز غير موجود الحاضر
    إزالة الحمض النووي الريبي عينة الحمض النووي الأولى رانيس إتش
    استطالة ستراند مجموعة الحمض النووي 3 بول، بول

    التمارين\(\PageIndex{3}\)

    1. كيف يختلف أصل النسخ المتماثل بين حقيقيات النواة وبدائيات النواة؟
    2. ما هي إنزيمات البوليميراز المسؤولة عن تخليق الحمض النووي أثناء التكاثر حقيقي النواة؟
    3. ما الذي يوجد في نهايات الكروموسومات في حقيقيات النوى ولماذا؟

    تكرار الحمض النووي للعناصر خارج الكروموسومات: البلازميدات والفيروسات

    لنسخ الأحماض النووية، تستخدم البلازميدات والفيروسات بشكل متكرر اختلافات في نمط تكرار الحمض النووي الموصوف لجينومات بدائيات النواة. لمزيد من المعلومات حول مجموعة واسعة من استراتيجيات تكرار الفيروس، راجع دورة الحياة الفيروسية.

    النسخ المتماثل للدائرة الدوارة

    في حين أن العديد من البلازميدات البكتيرية (انظر الخصائص الفريدة للخلايا بدائية النواة) تتكاثر من خلال عملية مشابهة لتلك المستخدمة لنسخ الكروموسوم البكتيري، فإن البلازميدات الأخرى والعديد من البكتيريا وبعض فيروسات حقيقيات النوى تستخدم النسخ المتماثل الدائري (الشكل\(\PageIndex{7}\)). إن الطبيعة الدائرية للبلازميدات وتدوير بعض الجينومات الفيروسية عند العدوى تجعل هذا ممكنًا. يبدأ تكرار الدائرة الدوارة بالربط الأنزيمي لخيط واحد من الجزيء الدائري المزدوج في موقع الأصل المزدوج (dso). في البكتيريا، يرتبط بوليميراز الحمض النووي III بمجموعة 3'-OH من الخصلة المشدودة ويبدأ في تكرار الحمض النووي في اتجاه واحد باستخدام الخصلة غير المحززة كقالب، مما يؤدي إلى إزاحة الخصلة المشدودة أثناء قيامها بذلك. يؤدي الانتهاء من تكرار الحمض النووي في موقع الشق الأصلي إلى الإزاحة الكاملة للحبل المشقوق، والذي قد يتم إعادة تدويره بعد ذلك إلى جزيء DNA أحادي الجديلة. يقوم RNA primase بعد ذلك بتجميع مادة أولية لبدء تكرار الحمض النووي في موقع الأصل أحادي الجديلة (sso) لجزيء الحمض النووي أحادي الجديلة (ssDNA)، مما ينتج عنه جزيء DNA مزدوج السلاسل (dSDDNA) مطابق لجزيء الحمض النووي الدائري الآخر.

    رسم تخطيطي لتكرار الحمض النووي. تحتوي دائرة من الحمض النووي المزدوج الذي تقطعت به السبل على منطقة تسمى SSO بالقرب من منطقة تسمى DSO. يبدأ الشق المتكون في DSO و DNA polymerase III في نسخ وإزاحة الخصلة المشدودة. يشكل هذا حلقة جديدة مصنوعة من خيط قديم وجديد من الحمض النووي؛ يقع الشريط القديم الثاني من الحمض النووي خارج هذه الحلقة ولكنه في النهاية ينضم إلى الخصلة المشدودة. ثم يفصل ليغاز الحمض النووي بين dSDNA (تخليق الخيط الأول) و ssDNA الوحيد. ثم يتم تصنيع الشريط الثاني لـ ssDNA ويصبح DNA ds أيضًا.
    الشكل\(\PageIndex{7}\): تؤدي عملية تكرار الدائرة الدوارة إلى تخليق نسخة جديدة واحدة من جزيء الحمض النووي الدائري، كما هو موضح هنا.

    التمارين\(\PageIndex{4}\)

    هل هناك خيط متخلف في تكرار الدائرة الدوارة؟ لماذا أو لماذا لا؟

    المفاهيم الأساسية والملخص

    • عملية تكرار الحمض النووي هي عملية شبه محافظة، مما ينتج عنه جزيئان من الحمض النووي، يحتوي كل منهما على خيط أبوي واحد من الحمض النووي وخيوط واحدة مركبة حديثًا.
    • في البكتيريا، يحدث بدء التكاثر عند أصل التكاثر، حيث يتم فك الحمض النووي فائق اللفائف بواسطة جيراز الحمض النووي، ويتم تصنيعه بمفرده بواسطة الهليكاز، ويتم ربطه ببروتين رابط أحادي الجديلة للحفاظ على تركيبته أحادية الجديلة دولة تقطعت بها السبل. يقوم Primase بتجميع كتاب تمهيدي قصير للحمض النووي الريبي، مما يوفر مجموعة 3'-OH مجانية يمكن أن يضيف إليها بوليميراز الحمض النووي III نيوكليوتيدات الحمض النووي.
    • أثناء الاستطالة، يتم تصنيع الخيط الرئيسي من الحمض النووي بشكل مستمر من برايمر واحد. يتم تصنيع الخيط المتخلف بشكل متقطع في أجزاء أوكازاكي القصيرة، كل منها يتطلب برايمر خاص به. تتم إزالة بادئات الحمض النووي الريبي واستبدالها بنيوكليوتيدات الحمض النووي بواسطة بوليميراز الحمض النووي البكتيري I، ويقوم ليغاز الحمض النووي بسد الفجوات بين هذه الشظايا.
    • يتضمن إنهاء التكاثر في البكتيريا تحليل سلاسل الحمض النووي الدائرية بواسطة topoisomerase IV لإطلاق نسختين من الكروموسوم الدائري.
    • عادةً ما تحتوي حقيقيات النوى على كروموسومات خطية متعددة، ولكل منها أصول متعددة للتكرار. وبشكل عام، فإن النسخ المتماثل في حقيقيات النوى يشبه النسخ المتماثل في بدائيات النواة.
    • تتطلب الطبيعة الخطية للكروموسومات حقيقية النواة التيلوميرات لحماية الجينات بالقرب من نهاية الكروموسومات. يعمل التيلوميراز على توسيع التيلوميرات، مما يمنع تدهورها، في بعض أنواع الخلايا.
    • تكرار الدائرة الدوارة هو نوع من تخليق الحمض النووي السريع أحادي الاتجاه لجزيء الحمض النووي الدائري المستخدم لتكرار بعض البلازميدات.