معلومة

14.5: تكرار الحمض النووي في حقيقيات النوى - علم الأحياء

14.5: تكرار الحمض النووي في حقيقيات النوى - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

مهارات التطوير

  • ناقش أوجه التشابه والاختلاف بين تكرار الحمض النووي في حقيقيات النوى وبدائيات النوى
  • اذكر دور التيلوميراز في تكرار الحمض النووي

تعتبر جينومات حقيقيات النوى أكثر تعقيدًا وأكبر حجمًا من جينومات بدائية النواة. يحتوي الجينوم البشري على ثلاثة مليارات زوج قاعدي لكل مجموعة أحادية الصبغيات من الكروموسومات ، ويتم تكرار 6 مليارات زوج قاعدي خلال المرحلة S من دورة الخلية. هناك أصول متعددة للنسخ المتماثل على الكروموسوم حقيقيات النواة ؛ يمكن أن يكون لدى البشر ما يصل إلى 100000 أصل من النسخ المتماثل. معدل النسخ المتماثل حوالي 100 نيوكليوتيد في الثانية ، أبطأ بكثير من تكرار بدائيات النواة. في الخميرة ، وهي حقيقيات النوى ، توجد متواليات خاصة تُعرف باسم متواليات النسخ الذاتي (ARS) على الكروموسومات. هذه مكافئة لأصل النسخ المتماثل في بكتريا قولونية.

عدد بوليميرات الحمض النووي في حقيقيات النوى أكبر بكثير من بدائيات النوى: 14 معروفة ، منها خمسة معروفة بأدوار رئيسية أثناء التكاثر وقد تمت دراستها جيدًا. هم معروفون باسم بول α، بول β، بول γ، بول δو بول ε.

الخطوات الأساسية للنسخ هي نفسها كما في بدائيات النوى. قبل أن يبدأ النسخ المتماثل ، يجب توفير الحمض النووي كقالب. يرتبط الحمض النووي حقيقيات النوى بالبروتينات الأساسية المعروفة باسم الهيستونات لتشكيل هياكل تسمى النيوكليوسومات. قد يخضع الكروماتين (المركب بين الحمض النووي والبروتينات) لبعض التعديلات الكيميائية ، بحيث يمكن للحمض النووي أن ينزلق عن البروتينات أو يكون في متناول إنزيمات آلية تكرار الحمض النووي. في أصل النسخ المتماثل ، يتكون معقد ما قبل النسخ المتماثل ببروتينات بادئ أخرى. ثم يتم تجنيد البروتينات الأخرى لبدء عملية النسخ المتماثل (Table ( PageIndex {1} )).

إن الهليكاز الذي يستخدم الطاقة من التحلل المائي ATP يفتح الحلزون DNA. تتشكل شوكات النسخ المتماثل في كل أصل نسخ متماثل مع فك الحمض النووي. يؤدي فتح اللولب المزدوج إلى الالتفاف المفرط ، أو الالتفاف الفائق ، في الحمض النووي قبل شوكة النسخ المتماثل. يتم حلها من خلال عمل الإيزوميراز العلوي. يتم تشكيل الاشعال بواسطة إنزيم بريماز ، وباستخدام التمهيدي ، يمكن لـ DNA pol بدء التوليف. بينما يتم تصنيع الخيط الرئيسي بشكل مستمر بواسطة قطب الإنزيم δ، يتم تصنيع الخيط المتأخر بواسطة pol ε. إن بروتين مشبك منزلق يعرف باسم PCNA (مستضد الخلية النووية المتكاثر) يحمل بول الحمض النووي في مكانه بحيث لا ينزلق من الحمض النووي. يزيل RNase H التمهيدي RNA ، والذي يتم استبداله بعد ذلك بنكليوتيدات DNA. يتم ربط شظايا Okazaki الموجودة في الخيط المتأخر معًا بعد استبدال البادئات RNA بالحمض النووي. يتم سد الفجوات المتبقية بواسطة DNA ligase ، الذي يشكل رابطة phosphodiester.

تكاثر التيلومير

على عكس الكروموسومات بدائية النواة ، فإن الكروموسومات حقيقية النواة خطية. كما تعلمت ، يمكن أن يضيف إنزيم DNA pol النيوكليوتيدات فقط في اتجاه 5 إلى 3. في الخيط الرئيسي ، يستمر التوليف حتى الوصول إلى نهاية الكروموسوم. على الخيط المتأخر ، يتم تصنيع الحمض النووي في امتدادات قصيرة ، كل منها يبدأ بواسطة برايمر منفصل. عندما تصل شوكة النسخ إلى نهاية الكروموسوم الخطي ، لا يوجد مكان لعمل تمهيدي لجزء الحمض النووي ليتم نسخه في نهاية الكروموسوم. وهكذا تظل هذه الغايات غير متزاوجة ، وبمرور الوقت قد تصبح هذه الغايات أقصر تدريجيًا مع استمرار الخلايا في الانقسام.

تُعرف نهايات الكروموسومات الخطية باسم التيلوميرات ، والتي لها تسلسلات متكررة لا ترمز إلى جين معين. بطريقة ما ، تحمي هذه التيلوميرات الجينات من الحذف مع استمرار الخلايا في الانقسام. في البشر ، يتكرر تسلسل ستة أزواج أساسية ، TTAGGG ، من 100 إلى 1000 مرة. ساعد اكتشاف إنزيم التيلوميراز (الشكل ( فهرس الصفحة {1} )) في فهم كيفية الحفاظ على نهايات الكروموسوم. يحتوي إنزيم التيلوميراز على جزء محفز وقالب مدمج للحمض النووي الريبي. يتم إرفاقه بنهاية الكروموسوم ، ويتم إضافة القواعد التكميلية لقالب الحمض النووي الريبي على الطرف الثالث لشريط الحمض النووي. بمجرد استطالة الطرف 3 'لقالب الخيط المتأخر بشكل كافٍ ، يمكن أن يضيف بوليميريز الحمض النووي النيوكليوتيدات المكملة لنهايات الكروموسومات. وهكذا ، يتم تكرار نهايات الكروموسومات.

ينشط التيلوميراز عادة في الخلايا الجرثومية والخلايا الجذعية البالغة. لا ينشط في الخلايا الجسدية البالغة. لاكتشافها الإنزيم تيلوميراز وعمله ، حصلت إليزابيث بلاكبيرن (FIgure ( PageIndex {2} )) على جائزة نوبل في الطب وعلم وظائف الأعضاء في عام 2009.

التيلوميراز والشيخوخة

تستمر الخلايا التي تخضع للانقسام الخلوي في تقصير التيلوميرات الخاصة بها لأن معظم الخلايا الجسدية لا تصنع التيلوميراز. هذا يعني بشكل أساسي أن تقصير التيلومير مرتبط بالشيخوخة. مع ظهور الطب الحديث والرعاية الصحية الوقائية وأنماط الحياة الصحية ، زاد العمر الافتراضي للإنسان ، وهناك طلب متزايد على الناس ليبدو أصغر سناً وأن يتمتعوا بنوعية حياة أفضل مع تقدمهم في السن.

في عام 2010 ، وجد العلماء أن الإنزيم تيلوميراز يمكنه عكس بعض الحالات المرتبطة بالعمر في الفئران. قد 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 نظام الأعضاء ، وضعف الاستجابة لإصابة الأنسجة. تسبب إعادة تنشيط التيلوميراز في هذه الفئران في تمدد التيلوميرات ، وتقليل تلف الحمض النووي ، وتنكس عصبي معكوس ، وتحسين وظيفة الخصيتين والطحال والأمعاء. وبالتالي ، قد يكون لإعادة تنشيط التيلومير إمكانية علاج الأمراض المرتبطة بالشيخوخة لدى البشر.

يتميز السرطان بانقسام الخلايا غير المنضبط للخلايا غير الطبيعية. تتراكم الخلايا الطفرات ، وتتكاثر بشكل لا يمكن السيطرة عليه ، ويمكن أن تهاجر إلى أجزاء مختلفة من الجسم من خلال عملية تسمى ورم خبيث. لاحظ العلماء أن الخلايا السرطانية قد قامت بتقصير التيلوميرات بشكل كبير وأن الإنزيم تيلوميراز نشط في هذه الخلايا. ومن المثير للاهتمام ، أنه فقط بعد تقصير التيلوميرات في الخلايا السرطانية ، أصبح الإنزيم تيلوميراز نشطًا. إذا كان من الممكن إعاقة عمل التيلوميراز في هذه الخلايا عن طريق الأدوية أثناء علاج السرطان ، فمن المحتمل أن يتم إيقاف الخلايا السرطانية من الانقسام الإضافي.

جدول ( PageIndex {1} ): الفرق بين النسخ المتماثل بدائية النواة وحقيقية النواة
ملكيةبدائيات النوىحقيقيات النواة
أصل النسخ المتماثلغير مرتبطةعديد
معدل التكرار1000 نيوكليوتيدات / ثانيةمن 50 إلى 100 نيوكليوتيدات / ثانية
أنواع بوليميراز الحمض النووي514
تيلوميرازغير موجودالحالي
إزالة RNA التمهيديبول أناRNase H.
استطالة حبلاDNA pol IIIبول δ ، بول ε
انزلاق المشبكانزلاق المشبكPCNA

ملخص

يبدأ النسخ المتماثل في حقيقيات النوى من أصول متعددة للنسخ المتماثل. الآلية تشبه إلى حد بعيد بدائيات النوى. هناك حاجة إلى مادة أولية لبدء التوليف ، والتي يتم تمديدها بعد ذلك بواسطة بوليميراز الحمض النووي حيث إنها تضيف النيوكليوتيدات واحدة تلو الأخرى إلى سلسلة النمو. يتم تصنيع الخيط الرئيسي بشكل مستمر ، في حين يتم تصنيع الخيط المتأخر في امتدادات قصيرة تسمى شظايا أوكازاكي. يتم استبدال بادئات RNA بنيوكليوتيدات الحمض النووي ؛ يظل الحمض النووي خيطًا واحدًا مستمرًا عن طريق ربط شظايا الحمض النووي بـ DNA ligase. تشكل نهايات الكروموسومات مشكلة لأن البوليميراز غير قادر على تمديدها بدون مادة أولية. تيلوميراز ، إنزيم مع قالب RNA يحمل في ثناياه عوامل ، يمتد النهايات عن طريق نسخ قالب RNA وتوسيع أحد طرفي الكروموسوم. يمكن لبوليميراز الحمض النووي بعد ذلك تمديد الحمض النووي باستخدام التمهيدي. بهذه الطريقة ، تتم حماية أطراف الكروموسومات.

  1. 1 Jaskelioff et al. ، "إعادة تنشيط التيلوميراز يعكس تنكس الأنسجة في الفئران المسنة التي تعاني من نقص التيلوميراز ،" طبيعة سجية 469 (2011): 102-7.

قائمة المصطلحات

تيلوميراز
إنزيم يحتوي على جزء حفاز وقالب RNA يحمل في ثناياه عوامل ؛ إنه يعمل على الحفاظ على التيلوميرات في نهايات الكروموسوم
التيلومير
الحمض النووي في نهاية الكروموسومات الخطية

تكرار الحمض النووي في حقيقيات النوى | علم الوراثة

في هذه المقالة سوف نناقش حول تكرار الحمض النووي في حقيقيات النوى.

في حقيقيات النوى ، لا يوجد سوى نوعين مختلفين من بوليميراز الحمض النووي على النقيض من بوليميريز الحمض النووي الأول والثاني والثالث من بدائيات النوى. علاوة على ذلك ، فإن الحمض النووي لحقيقيات النوى هو جزيء خطي طويل مع العديد من وحدات النسخ المتماثل. تحتوي خلية الثدييات ثنائية الصبغيات في المتوسط ​​على حوالي 6 بيكوغرام من الحمض النووي في الطور G. هذا القدر الكبير من الحمض النووي يعادل طول 2 متر من جزيء الحمض النووي الخطي.

إذا تحركت وحدة نسخ واحدة على طول هذا الطول من الحمض النووي ، فيمكنها إكمال النسخ المتماثل في غضون 8 ساعات طور S فقط إذا كان معدل حركتها حوالي 4 مم / دقيقة. من الواضح أن هذا معدل سريع للغاية.

في الواقع ، تتحرك شوكة النسخ بسرعة أبطأ (0.5 إلى 2.0 ميكرون / دقيقة) في حقيقيات النوى مضيفة حوالي 2600 قاعدة في الدقيقة. في E. coli ، يتحرك بشكل أسرع مضيفًا حوالي 6000 قاعدة في الدقيقة. لذلك ، من الضروري أن يبدأ النسخ المتماثل في حقيقيات النوى في عدة نقاط منشأ.

أظهرت دراسات التصوير الشعاعي التلقائي حول أنماط وضع العلامات على كروموسومات الطور الفردي أن عدة وحدات متجاورة تبدأ النسخ المتماثل في وقت واحد. ومع ذلك ، فإن العرض الأكثر إقناعًا جاء من ملاحظات مماثلة في كروموسومات عملاقة متعددة الخطوط.

هنا يتم دمج thymidine tritiated في وقت واحد في عدد كبير من العصابات المختلفة. باستخدام نفس التقنية ، تبين أن البيضة الموجودة في ذبابة الفاكهة تحتوي على 6000 شوكة تكرار ويتم الانتهاء من تخليق الحمض النووي في غضون 3 دقائق.

وحدة النسخ المتماثل هي النسخ المتماثل. يتم تقدير حجم النسخ المتماثل من المسافة بين نقاط البدء المجاورة (المسافة من المركز إلى المركز). من خلال التصوير الشعاعي الذاتي ، وجد أن الوحدات داخل نفس الخلية ليست موحدة الحجم ولكنها تقع في نطاق 15-60 ميكرون.

تكون النسخ المتماثلة في الخلايا سريعة النمو ذات الأطوار S القصيرة أصغر من تلك الموجودة في الخلايا التي تنمو ببطء أكثر مع مراحل S الأطول. قدّر بلومنتال (1973) أن في الخلايا الجنينية ذبابة الفاكهة تكون قصيرة مثل 3-4 ميكرون ، بينما في خط خلوي من نفس النوع كان طولها حوالي 13 ميكرون.

أظهرت الدراسات التجريبية على خلايا الثدييات المستزرعة (الهامستر الصيني) أن معدل تخليق الحمض النووي ليس ثابتًا طوال المرحلة S ، وجد كليفروز (1975) أن التوليف يكون بطيئًا في بداية المرحلة S ، ثم يزداد بعد ذلك. يحدث حوالي 50 ٪ من النسخ المتماثل خلال الساعة الأخيرة من المرحلة S التي تستغرق 5.5 ساعة.

أدى حدوث وحدات متجاورة متعددة إلى مفهوم وجود وحدات النسخ المتماثل في مجموعات. جميع الوحدات في الكتلة لا تتكاثر في وقت واحد ، وبعضها يتأخر في التكرار. يوجد في خلايا الثدييات حوالي 100 وحدة مكررة في كتلة.

تتشابه السمات الأساسية لتكرار الحمض النووي في حقيقيات النوى وبدائيات النوى. بعد أن يبدأ النسخ المتماثل في نقطة الأصل المركزية في كل وحدة ، فإنه يتقدم في كلا الاتجاهين بعيدًا عن موقع البدء. يحدث نمو السلسلة عن طريق نقاط نمو تشبه الشوكة. لذلك تُظهر الصور المجهرية الإلكترونية عددًا من & # 8216eyes & # 8217 أو & # 8216 فقاعات & # 8217 ، يتكون كل منها بين شوكتين متماثلتين على طول الجزيء الخطي.

يبدو أنه لا يوجد مصطلح محدد في الحمض النووي لوقف النسخ المتماثل. تنتقل الشوكات باتجاه بعضها البعض وتلتقي السلاسل المركبة حديثًا وتندمج مع السلاسل المركبة على الوحدات المجاورة (الشكل 14.11). وبهذه الطريقة يتم إنتاج نسخ مزدوجة طويلة من الحمض النووي تتميز بالكروموسومات حقيقية النواة.

كما هو الحال في بدائيات النوى ، فإن الخطوة الأولى في تخليق DNA في حقيقيات النوى هي تكوين خيط أولي من RNA يبلغ طوله حوالي 10 نيوكليوتيدات - يتم تحفيزه بواسطة إنزيم RNA polymerase. بعد ذلك ، يتولى بوليميريز الحمض النووي ويضيف ديوكسي ريبونوكليوتيدات إلى 3 & # 8242 نهاية الحمض النووي الريبي التمهيدي.

تكون شظايا أوكازاكي التي تشكلت بهذه الطريقة أقصر في حقيقيات النوى (حوالي 100-150 نيوكليوتيد طويلة) منها في بدائيات النوى (1000 إلى 2000 نيوكليوتيد). تمتلئ الفجوات بين الأجزاء مقابل قالب الحمض النووي الأصلي ويتم ربط نهاياتها بواسطة إنزيم DNA ligase. يتم هضم التمهيدي RNA ، بدءًا من 5 & # 8242 ونهايته بواسطة نشاط نوكلياز خارجي لبوليميراز DNA.

أهمية RNA التمهيدي في تخليق الحمض النووي:

لماذا يجب أن يبدأ تكاثر الحمض النووي عن طريق إنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي ويتم تكوين حبلا الحمض النووي الريبي؟ كشف التحليل التفصيلي لإنزيمات بوليميراز الدنا حقيقة أن كل إنزيم بوليميريز يمكن أن يضيف نيوكليوتيدات فقط إلى سلسلة بولي نيوكليوتيد موجودة بالفعل.

هذه الإنزيمات غير قادرة على بدء سلاسل DNA جديدة. ربما يتم التعرف على نقطة المنشأ في ازدواج الحمض النووي بواسطة بوليميراز الحمض النووي الريبي ، وهو الإنزيم الذي يحفز تخليق الحمض النووي الريبي في قالب الحمض النووي. وبعبارة أخرى ، فإن بوليميراز الحمض النووي الريبي مطلوب لتخليق كل من الحمض النووي الريبي والحمض النووي.

يستمر توليف RNA التمهيدي على قالب DNA حتى يتم الوصول إلى إشارة التوقف. يتم بعد ذلك إطلاق الإنزيم وتعمل سلسلة الحمض النووي الريبي كأساس لإضافة نيوكليوتيدات الحمض النووي بواسطة إنزيم بوليميريز الحمض النووي. ومع ذلك ، فإن الآلية الجزيئية التي تبدأ في تكرار الحمض النووي ليست معروفة تمامًا.


مركب بروتين يسمى مجمع التعرف على المنشأ (ORC) يرتبط بأصل تسلسل النسخ المتماثل في الحمض النووي خلال المرحلة المتأخرة M / المرحلة G1 من دورة الخلية. يتفاعل ORC مع عدد قليل من البروتينات الأخرى ، أحدها معروف باسم سي دي سي 6 يعمل مع بروتين آخر يسمى سي دي تي 1 للمساعدة في تحميل مركب من البروتينات المعروفة باسم هيليكاز على الحمض النووي. (تذكر أن هليكازات الحمض النووي تستخدم ATP لفك حلزون الحمض النووي عن طريق كسر روابط الهيدروجين بين القواعد المزدوجة.) يُعرف مجمع ORC / Cdc6 / Cdt1 / Helicase جنبًا إلى جنب مع البروتينات الأخرى المرتبطة بمجمع ما قبل التكاثر أو ما قبل RC (الشكل 1). 14-1). يستمر ما قبل RC حتى الانتقال G1 / S ، والذي يحدث بمجرد أن تتلقى الخلية إشارة لتقسيمها. في الانتقال G1 / S ، يُعتقد أن Cdc6 و Cdt1 ينفصلان عن بروتينات ما قبل RC والبروتينات الأخرى المسؤولة عن تجنيد بروتينات تكرار الحمض النووي الإضافية المرتبطة بالهيليكاز لتشكيل معقد ما قبل البدء. ومن المثير للاهتمام ، أن ORC يمنع النسخ المتماثل ويجب إزالته قبل متابعة النسخ المتماثل.

الشكل 14-1: ترخيص النسخ المتماثل. في أواخر المرحلة M / أوائل G1 ، تتعرف بروتينات التعرف على الأصل (ORC) على أصل النسخ المتماثل (أوري) ، كما هو موضح باللون الأخضر. هذه تجند العديد من البروتينات ، أحدها هو Cdc6 ، الذي يساعد على تجنيد الهيليكس. هذا يؤسس مجمع النسخ المتماثل قبل البدء (Pre-RC). يحدث تنشيط النسخ المتماثل خلال مرحلة S المبكرة ، بمجرد أن يتم فسفرة ORC و Cdc6 وهليكس والعديد من البروتينات الأخرى (غير معروضة) بواسطة S-phase CDK / cyclin. تتسبب الفسفرة في ORC و Cdc6 في تعطيل البروتينات ، بينما تتسبب الفسفرة في الهليكاز في تنشيط البروتين. (ينسب إلى Devin A. King)

عند هذه النقطة ، فإن طور S-phase CDK / cyclin المنشط يفسف العديد من البروتينات لبدء أو "إطلاق" النسخ المتماثل. أحد البروتينات في فوسفوريلاتس CDK / cyclin S هو Cdc6 ، مما يساعد على استهداف هذا البروتين للتحلل. بالإضافة إلى ذلك ، يتم فسفرة ORC لمنع استخدامه مرة ثانية (أو إعادة ربط أصل النسخ المتماثل) ويُعتقد أن الفسفرة تقلل من تقارب ربط ORC للأصل. يتم أيضًا فسفرة الهيليكس لتنشيطها وتشجيعها على البدء في تفكيك الحمض النووي. وبالتالي ، فإن أحداث الفسفرة الثلاثة هذه ، والعديد من الأحداث الأخرى غير الموصوفة هنا ، تساعد في تسهيل بدء تكرار الحمض النووي.

يؤدي فتح اللولب المزدوج بواسطة هيليكاز إلى حدوث التفاف زائد أو فائق في الحمض النووي قبل شوكة النسخ المتماثل. يتم حل هذه من خلال عمل توبويزوميراز ، مما يؤدي إلى قطع العمود الفقري للفوسفودايستر لتحرير الإجهاد الالتوائي ثم إعادة ربط الخيط معًا مرة أخرى. بالإضافة إلى ذلك ، فإن فتح اللولب يجعل الحمض النووي أحادي الجديلة. لمنع خيوط الحمض النووي من إعادة التنشئة قبل التكرار ولحمايتها من التعديلات الكيميائية من بيئتها ، تسمى البروتينات بروتينات ربط الحمض النووي أحادية السلسلة (SSBs) ترتبط بالحمض النووي.


14.5: تكرار الحمض النووي في حقيقيات النوى - علم الأحياء

معظم العوامل بدائية النواة المستخدمة أثناء النسخ المتماثل لها معادلات تلعب أدوارًا مماثلة في تكرار الحمض النووي حقيقية النواة.

تبدأ هذه العملية في أصل النسخ المتماثل ، والذي يرتبط به مجمع التعرف. يتم بعد ذلك جذب Helicase إلى الموقع ويفصل خيوط الحمض النووي ، مما يؤدي إلى تكوين فقاعة ذات شوكتين.

يصل بريماز أيضًا ويولد مواد أولية من الحمض النووي الريبي ، والتي ، مع تحرك الهيليكس ، يطول بوليميريز الحمض النووي مع الحمض النووي الجديد. كما هو الحال في بدائيات النوى ، ينمو الخيط الرئيسي حديث التكوين بشكل مستمر ، بعد شوكة النسخ المتماثل.

على العكس من ذلك ، يتم تصنيع الخيط المتأخر في أجزاء صغيرة من أوكازاكي ، تسير عكس الشوكة.

نظرًا لعوامل متعددة ، فإن قالب الحمض النووي المستخدم لتوليد الخيط الرئيسي في 1/2 من هذا الهيكل يخلق الخيط المتأخر في الآخر.

ومن المثير للاهتمام ، وجود أصول مختلفة من النسخ المتماثل على كروموسوم حقيقي النواة خطي ، وينتهي التكرار عندما تتحد المجالات المرتبطة بها. ثم يتم التخلص من المواد الأولية عن طريق إنزيمات مثل RNAse ومبادلة الحمض النووي. بعد ذلك ، يربط DNA ligase أي مقاطع.

ومع ذلك ، عندما يختفي نهاية التمهيدي من الشريط المتأخر ، تظل المساحة فارغة ، وهناك امتداد غير منسوخ لقالب الحمض النووي المتاخم له. لمكافحة هذا ، فإن إنزيم يسمى تيلوميراز يلصق بالمنطقة المتدلية ويطيلها بتسلسل DNA غير مشفر.

يعمل كل من Primase و DNA polymerase على هذه المنطقة الممتدة ، مما يخلق غطاء تيلومير يحمي من فقدان الحمض النووي المشفر من الخيط المتأخر أثناء التكرارات المتعددة.

وهكذا ينتهي تكاثر الحمض النووي حقيقيات النوى بجزيئين من الحمض النووي ، لكل منهما حبلا أبويًا ومركبًا حديثًا ، وأصول عديدة من النسخ المتماثل ، والتيلوميرات.

13.6: النسخ المتماثل في حقيقيات النوى

ملخص

في الخلايا حقيقية النواة ، يتم الحفاظ على تكاثر الحمض النووي وتنظيمه بإحكام. يجب تكرار الكروموسومات الخطية المتعددة بدقة عالية قبل انقسام الخلية ، لذلك هناك العديد من البروتينات التي تملأ الأدوار المتخصصة في عملية النسخ المتماثل. يحدث النسخ المتماثل في ثلاث مراحل: البدء والاستطالة والإنهاء ، وينتهي بمجموعتين كاملتين من الكروموسومات في النواة.

تقوم العديد من البروتينات بتنسيق النسخ المتماثل في الأصل

يتبع تكاثر حقيقيات النوى العديد من نفس مبادئ تكرار الحمض النووي بدائية النواة ، ولكن نظرًا لأن الجينوم أكبر بكثير والكروموسومات خطية وليست دائرية ، فإن العملية تتطلب المزيد من البروتينات ولديها بعض الاختلافات الرئيسية. يحدث النسخ المتماثل في وقت واحد في أصول متعددة من النسخ المتماثل على طول كل كروموسوم. تتعرف البروتينات البادئة على الأصل وترتبط به ، وتجنّد الهليكاز لفك الحلزون المزدوج للحمض النووي. في كل نقطة أصل ، تتشكل شوكة النسخ المتماثل. يضيف Primase بعد ذلك بادئات RNA قصيرة إلى خيوط الحمض النووي المفردة ، والتي تعمل كنقطة انطلاق لربط DNA polymerase والبدء في نسخ التسلسل. لا يمكن تصنيع الحمض النووي إلا في الاتجاه 5 & [رسقوو] إلى 3 & [رسقوو] ، لذلك يستمر تكرار كلا الجدولين من شوكة تكرار واحدة في اتجاهين مختلفين. يتم تصنيع الخيط الرئيسي بشكل مستمر ، في حين يتم تصنيع الخيط المتأخر في امتدادات قصيرة بطول 100-200 زوج قاعدي ، تسمى شظايا أوكازاكي. بمجرد اكتمال الجزء الأكبر من النسخ المتماثل ، تقوم إنزيمات RNase بإزالة بادئات RNA وينضم DNA ligase إلى أي فجوات في الخيط الجديد.

قسمة عمل النسخ المتماثل بين البوليميراز

يتم تقسيم عبء نسخ الحمض النووي في حقيقيات النوى بين أنواع مختلفة متعددة من إنزيمات بوليميريز الحمض النووي. يتم تصنيف العائلات الرئيسية لبوليميراز الحمض النووي عبر جميع الكائنات الحية من خلال تشابه هياكل البروتين وتسلسل الأحماض الأمينية. تم تسمية العائلات الأولى التي تم اكتشافها باسم A و B و C و X ، مع تحديد العائلات Y و D لاحقًا. تشمل بوليميرات العائلة B في حقيقيات النوى Pol & alpha ، والتي تعمل أيضًا كبداية عند شوكة النسخ المتماثل ، والإنزيمات Pol & delta و & epsilon ، وهي الإنزيمات التي تقوم بمعظم عمل تكرار الحمض النووي على السلاسل الرائدة والمتأخرة من القالب ، على التوالي. تعد بوليمرات الحمض النووي الأخرى مسؤولة عن مهام مثل إصلاح تلف الحمض النووي ، ونسخ الميتوكوندريا والحمض النووي البلاستيد ، وملء الفجوات في تسلسل الحمض النووي على الشريط المتأخر بعد إزالة بادئات الحمض النووي الريبي.

تحمي التيلوميرات أطراف الكروموسومات من التدهور

نظرًا لأن الكروموسومات حقيقية النواة خطية ، فهي عرضة للتحلل في النهايات. لحماية المعلومات الجينية المهمة من التلف ، تحتوي نهايات الكروموسومات على العديد من التكرارات غير المشفرة للحمض النووي الغني بـ G: التيلوميرات. يتفاعل المتدلي القصير أحادي الجديلة 3 & rsquo في كل طرف من طرفي الكروموسوم مع البروتينات المتخصصة ، مما يؤدي إلى استقرار الكروموسوم داخل النواة. بسبب الطريقة التي يتم بها تصنيع الخيط المتأخر ، لا يمكن تكرار كمية صغيرة من الحمض النووي التيلومري مع كل انقسام خلوي. نتيجة لذلك ، تصبح التيلوميرات أقصر تدريجيًا على مدار العديد من دورات الخلايا ويمكن قياسها كعلامة على شيخوخة الخلايا. تقوم مجموعات معينة من الخلايا ، مثل الخلايا الجرثومية والخلايا الجذعية ، بإفراز الإنزيم تيلوميراز ، وهو إنزيم يطيل التيلوميرات ، مما يسمح للخلية بإجراء المزيد من دورات الخلية قبل تقصير التيلوميرات.

جارسيا دياز ، ميغيل ، وكاتارزينا بيبنيك. & ldquo وظائف متعددة من polymerases الحمض النووي. و rdquo مراجعات نقدية في علوم النبات 26 (2007): 105-122. [مصدر]


تكاثر التيلومير

على عكس الكروموسومات بدائية النواة ، فإن الكروموسومات حقيقية النواة خطية. كما تعلمت ، يمكن أن يضيف إنزيم DNA pol النوكليوتيدات فقط في اتجاه 5 'إلى 3'. في الخيط الرئيسي ، يستمر التوليف حتى الوصول إلى نهاية الكروموسوم. على الخيط المتأخر ، يتم تصنيع الحمض النووي في امتدادات قصيرة ، كل منها يبدأ بواسطة برايمر منفصل. عندما تصل شوكة النسخ إلى نهاية الكروموسوم الخطي ، لا يوجد مكان لعمل تمهيدي لجزء الحمض النووي ليتم نسخه في نهاية الكروموسوم. وهكذا تظل هذه الغايات غير متزاوجة ، وبمرور الوقت قد تصبح هذه الغايات أقصر تدريجيًا مع استمرار الخلايا في الانقسام.


التيلوميراز والشيخوخة

تستمر الخلايا التي تخضع للانقسام الخلوي في تقصير التيلوميرات الخاصة بها لأن معظم الخلايا الجسدية لا تصنع التيلوميراز. هذا يعني بشكل أساسي أن تقصير التيلومير مرتبط بالشيخوخة. مع ظهور الطب الحديث والرعاية الصحية الوقائية وأنماط الحياة الصحية ، زاد العمر الافتراضي للإنسان ، وهناك طلب متزايد على الناس ليبدو أصغر سناً وأن يتمتعوا بنوعية حياة أفضل مع تقدمهم في السن.

في عام 2010 ، وجد العلماء أن الإنزيم تيلوميراز يمكنه عكس بعض الحالات المرتبطة بالعمر في الفئران. قد يكون لهذا إمكانات في الطب التجديدي. تم استخدام الفئران التي تعاني من نقص التيلوميراز في هذه الدراسات ، حيث تعاني هذه الفئران من ضمور الأنسجة ، ونضوب الخلايا الجذعية ، وفشل نظام الأعضاء ، واستجابات إصابة الأنسجة الضعيفة. تسبب إعادة تنشيط التيلوميراز في هذه الفئران في تمدد التيلوميرات ، وتقليل تلف الحمض النووي ، وتنكس عصبي معكوس ، وتحسين وظيفة الخصيتين والطحال والأمعاء. وبالتالي ، قد يكون لإعادة تنشيط التيلومير إمكانية علاج الأمراض المرتبطة بالشيخوخة لدى البشر.

يتميز السرطان بانقسام الخلايا غير المنضبط للخلايا غير الطبيعية. تتراكم الخلايا الطفرات ، وتتكاثر بشكل لا يمكن السيطرة عليه ، ويمكن أن تهاجر إلى أجزاء مختلفة من الجسم من خلال عملية تسمى ورم خبيث. لاحظ العلماء أن الخلايا السرطانية قد قامت بتقصير التيلوميرات بشكل كبير وأن الإنزيم تيلوميراز نشط في هذه الخلايا. ومن المثير للاهتمام ، أنه فقط بعد تقصير التيلوميرات في الخلايا السرطانية ، أصبح الإنزيم تيلوميراز نشطًا. إذا كان من الممكن إعاقة عمل التيلوميراز في هذه الخلايا عن طريق الأدوية أثناء علاج السرطان ، فمن المحتمل أن يتم إيقاف الخلايا السرطانية من الانقسام الإضافي.

الفرق بين النسخ المتماثل بدائية النواة وحقيقية النواة
ملكية بدائيات النوى حقيقيات النواة
أصل النسخ المتماثل غير مرتبطة عديد
معدل التكرار 1000 نيوكليوتيدات / ثانية من 50 إلى 100 نيوكليوتيدات / ثانية
أنواع بوليميراز الحمض النووي 5 14
تيلوميراز غير موجود الحالي
إزالة RNA التمهيدي بول أنا RNase H.
استطالة حبلا DNA pol III بول δ ، بول ε
انزلاق المشبك انزلاق المشبك PCNA


التيلوميراز والشيخوخة

تستمر الخلايا التي تخضع للانقسام الخلوي في تقصير التيلوميرات الخاصة بها لأن معظم الخلايا الجسدية لا تصنع التيلوميراز. هذا يعني بشكل أساسي أن تقصير التيلومير مرتبط بالشيخوخة. مع ظهور الطب الحديث والرعاية الصحية الوقائية وأنماط الحياة الصحية ، زاد العمر الافتراضي للإنسان ، وهناك طلب متزايد على الناس ليبدو أصغر سناً وأن يتمتعوا بنوعية حياة أفضل مع تقدمهم في السن.

في عام 2010 ، وجد العلماء أن الإنزيم تيلوميراز يمكنه عكس بعض الحالات المرتبطة بالعمر في الفئران. قد يكون لهذا إمكانات في الطب التجديدي. Jaskelioff et al. ، "إعادة تنشيط التيلوميراز يعكس تنكس الأنسجة في الفئران المسنة التي تعاني من نقص التيلوميراز ،" طبيعة سجية 469 (2011): 102-7. تم استخدام الفئران التي تعاني من نقص التيلوميراز في هذه الدراسات ، حيث تعاني هذه الفئران من ضمور الأنسجة ، ونضوب الخلايا الجذعية ، وفشل الجهاز العضوي ، وضعف الاستجابة لإصابة الأنسجة. تسبب إعادة تنشيط التيلوميراز في هذه الفئران في تمدد التيلوميرات ، وتقليل تلف الحمض النووي ، وتنكس عصبي معكوس ، وتحسين وظيفة الخصيتين والطحال والأمعاء. وبالتالي ، قد يكون لإعادة تنشيط التيلومير إمكانية علاج الأمراض المرتبطة بالشيخوخة لدى البشر.

يتميز السرطان بانقسام الخلايا غير المنضبط للخلايا غير الطبيعية. تتراكم الخلايا الطفرات ، وتتكاثر بشكل لا يمكن السيطرة عليه ، ويمكن أن تهاجر إلى أجزاء مختلفة من الجسم من خلال عملية تسمى ورم خبيث. لاحظ العلماء أن الخلايا السرطانية قد قامت بتقصير التيلوميرات بشكل كبير وأن الإنزيم تيلوميراز نشط في هذه الخلايا. ومن المثير للاهتمام ، أنه فقط بعد تقصير التيلوميرات في الخلايا السرطانية ، أصبح الإنزيم تيلوميراز نشطًا. إذا كان من الممكن إعاقة عمل التيلوميراز في هذه الخلايا عن طريق الأدوية أثناء علاج السرطان ، فمن المحتمل أن يتم إيقاف الخلايا السرطانية من الانقسام الإضافي.

الفرق بين النسخ المتماثل بدائية النواة وحقيقية النواة
ملكيةبدائيات النوىحقيقيات النواة
أصل النسخ المتماثلغير مرتبطةعديد
معدل التكرار1000 نيوكليوتيدات / ثانيةمن 50 إلى 100 نيوكليوتيدات / ثانية
أنواع بوليميراز الحمض النووي514
تيلوميرازغير موجودالحالي
إزالة RNA التمهيديبول أناRNase H.
استطالة حبلاDNA pol IIIبول δ ، بول ε
انزلاق المشبكانزلاق المشبكPCNA


ما هو تكرار الحمض النووي حقيقية النواة؟

تتشابه أحداث النسخ المتماثل في شوكة النسخ المتماثل إلى حد كبير في حقيقيات النوى كما هو الحال في بدائيات النوى فيما عدا أن الإنزيمات وعوامل البروتين مختلفة. إنزيم البلمرة الرئيسي هو بوليميراز أ (3 ، ص ، 8 وأمبير.

إن إنزيم البوليميراز هذا أبطأ بكثير بالمقارنة مع إنزيم البروكايوت. يضيف DNA pol III حوالي 1000 نيوكليوتيد في الثانية بينما يُعلن DXA pol عن 50 نيوكليوتيد في الثانية. يُعرف بروتين SSB بعامل النسخ A في حقيقيات النوى و topoisomerase هو النوع الأول topoisomerase.

الفرق الكبير الآخر هو الكمية الهائلة من DXA والحجم الأكبر لـ DXA. تحتوي حقيقيات النوى على أكثر من كروموسوم واحد ، ويحتوي كروموسوم التخزين المؤقت على DXA أكبر من جينوم البكتيريا. على سبيل المثال ، يبلغ الطول الإجمالي لـ DXA البشري لخلية واحدة حوالي 2 متر بينما يبلغ طول الإشريكية القولونية lmm فقط. لذلك ، لكي يتم نسخ DXA الأكبر في وقت سريع ، فإن DXA له أصل متعدد وذاكرة DXA حقيقية النواة هي نسخة متعددة.

تمتلك كروموسومات خلايا الخميرة حوالي 400 أصل وتختزن DXA البشري بحوالي 1000 أصل. تخيل حالة الجينوم البشري مع 4xio 9 أزواج قاعدية لـ rcplicate كإعادة واحدة: سيستغرق الأمر عدة أسابيع. ولكن ، يتم إكمال دورة الخلية في غضون 24 ساعة ، ولكي تعمل تلك الدورة في الوقت المناسب ، يتم إكمال نسخ DXA في الإنسان في 6-8 ساعات من المرحلة S. يتم تحقيق ذلك بسبب وجود أصول متعددة.

خلال المرحلة S من دورة الخلية ، يتكرر DXA مرة واحدة فقط ثم تنقسم الخلية. ومن ثم يتم مضاعفة كمية DXA الإجمالية أولاً في المرحلة S ثم يتم تقسيمها بالتساوي بين خليتين ابنتيتين أثناء انقسام الخلية. وبالتالي فإن مستوى DXA (وعدد الكروموسوم) يظل ثابتًا بعد الانقسامات الخلوية المتتالية.

يشكل التكرار الدقيق لـ DXA وتوزيعها المتساوي بين الخلايا الوليدة أساس انتقال الشخصيات الوراثية. يتم التعامل مع أي خطأ في نسخ DXA من خلال آلية إصلاح DXA المتوفرة في الخلية. لكن ، تخيل موقفًا تنقسم فيه DXA ليس مرة واحدة بل عدة مرات قبل انقسام الخلية. في مثل هذه الحالة ، سيزداد إجمالي DXA مرتين أو أربع مرات أو عدة مرات أكثر ، وسينتج الانقسام الخلوي اللاحق خلايا متعددة الصبغيات (خلايا تحتوي على أكثر من العدد الطبيعي للكروموسومات).

هذا لا يحدث لأن الخلايا لديها نظام ترخيص النسخ المتماثل. أثناء انقسام الخلية ، في مرحلة الطور ، يتم ترخيص أصول النسخ المتماثل بواسطة عوامل ترخيص النسخ المتماثل غير القابلة للانتشار أو RLF. بعد الطور الصاعد ، لا يمكن أن يحدث أي ترخيص آخر بسبب وجود الغشاء النووي.

يسمح RLF للحمض النووي بالتكاثر مرة واحدة في المرحلة S ويتم تدمير RLF أثناء النسخ المتماثل. ستتطلب جولة أخرى من النسخ مزيدًا من التراخيص. ما لم تتعهد الخلية بدورة تقسيم ، لا يمكن أن تصل إلى مرحلة الطور ولا يمكن أن يحدث ترخيص الأصول. تضمن هذه الآلية أن الخلية يجب أن تنقسم بعد جولة واحدة من تكرار الحمض النووي.


تكاثر التيلومير

على عكس الكروموسومات بدائية النواة ، فإن الكروموسومات حقيقية النواة خطية. كما تعلمت ، يمكن أن يضيف إنزيم DNA pol النيوكليوتيدات فقط في اتجاه 5 إلى 3. في الخيط الرئيسي ، يستمر التوليف حتى الوصول إلى نهاية الكروموسوم. على الخيط المتأخر ، يتم تصنيع الحمض النووي في امتدادات قصيرة ، كل منها يبدأ بواسطة برايمر منفصل. عندما تصل شوكة النسخ إلى نهاية الكروموسوم الخطي ، لا يوجد مكان لعمل تمهيدي لجزء الحمض النووي ليتم نسخه في نهاية الكروموسوم. وهكذا تظل هذه الغايات غير متزاوجة ، وبمرور الوقت قد تصبح هذه الغايات أقصر تدريجيًا مع استمرار الخلايا في الانقسام.

تُعرف نهايات الكروموسومات الخطية باسم التيلوميرات، والتي لها تسلسلات متكررة لا ترمز لجين معين. بطريقة ما ، تحمي هذه التيلوميرات الجينات من الحذف مع استمرار الخلايا في الانقسام. في البشر ، يتكرر تسلسل ستة أزواج أساسية ، TTAGGG ، من 100 إلى 1000 مرة. ساعد اكتشاف إنزيم التيلوميراز (الشكل) في فهم كيفية الحفاظ على نهايات الكروموسوم. يحتوي إنزيم التيلوميراز على جزء محفز وقالب مدمج للحمض النووي الريبي. يتم إرفاقه بنهاية الكروموسوم ، ويتم إضافة القواعد التكميلية لقالب الحمض النووي الريبي على الطرف الثالث لشريط الحمض النووي. بمجرد استطالة الطرف 3 'لقالب الخيط المتأخر بشكل كافٍ ، يمكن أن يضيف بوليميريز الحمض النووي النيوكليوتيدات المكملة لنهايات الكروموسومات. وهكذا ، يتم تكرار نهايات الكروموسومات.

يتم الحفاظ على نهايات الكروموسومات الخطية من خلال عمل إنزيم التيلوميراز.

ينشط التيلوميراز عادة في الخلايا الجرثومية والخلايا الجذعية البالغة. لا ينشط في الخلايا الجسدية البالغة. لاكتشافها الإنزيم تيلوميراز وعمله ، حصلت إليزابيث بلاكبيرن (الشكل) على جائزة نوبل في الطب وعلم وظائف الأعضاء في عام 2009.

إليزابيث بلاكبيرن ، الحائزة على جائزة نوبل لعام 2009 ، هي العالمة التي اكتشفت كيفية عمل الإنزيم تيلوميراز. (الائتمان: سفارة الولايات المتحدة بالسويد)


ملخص & # 8211 بدائية النواة مقابل النسخ حقيقية النواة

النسخ هو الخطوة الأولى في التعبير الجيني ، تليها الترجمة. على الرغم من أن آلية النسخ هي نفسها في بدائيات النوى وحقيقيات النوى ، إلا أن هناك اختلافات عديدة بينهما. الفرق الرئيسي بين النسخ بدائية النواة والنسخ حقيقية النواة هو أن النسخ بدائية النواة يحدث في السيتوبلازم بينما يحدث النسخ حقيقية النواة في النواة. علاوة على ذلك ، يتضمن النسخ بدائية النواة واحدًا فقط من بوليميريز RNA بينما يتضمن النسخ حقيقية النواة ثلاثة أنواع من بوليميراز الحمض النووي الريبي. علاوة على ذلك ، فإن تسلسل الرنا المرسال من بدائيات النوى يكون متعدد الخلايا بينما في حقيقيات النوى ، يكون تسلسل الرنا المرسال أحادي النواة. ليس هذا فقط ، في حقيقيات النوى ، تحدث تعديلات ما بعد النسخ بينما في بدائيات النوى ، لا تحدث. هذا هو ملخص الفرق بين النسخ بدائية النواة والنسخ حقيقية النواة.

المرجعي:

1. كوبر ، جيفري م. "النسخ في بدائيات النوى." تقارير علم الأعصاب وعلوم الأعصاب الحالية. ، المكتبة الوطنية الأمريكية للطب ، 1 يناير 1970. متاح هنا
2. "النسخ حقيقيات النوى." ويكيبيديا ، مؤسسة ويكيميديا ​​، 17 يناير 2019. متاح هنا

الصورة مجاملة:

1. & # 8221 تخليق البروتين البكتيري & # 8221 بقلم جوان إل سلونكزوسكي ، جون دبليو فوستر & # 8211 علم الأحياء الدقيقة: علم متطور ، (CC BY-SA 3.0) عبر Commons Wikimedia
2. & # 8221 النسخ النوى # 8221 بقلم فرانك ستارمر (CC BY 1.0) عبر ويكيميديا ​​كومنز


شاهد الفيديو: شكل ال DNA في اوليات النواه و حقيقيات النواه والفرق بين البروتينات الهستونيه والغير هستونيه #ث (ديسمبر 2022).