Полуконсервативная репликация - Википедия - Semiconservative replication

Полуконсервативная репликация описывает механизм Репликация ДНК во всех известных клетках. Репликация ДНК происходит на нескольких истоки репликации вдоль цепи матрицы ДНК. Поскольку двойная спираль ДНК разматывается геликаза репликация происходит отдельно на каждой цепи матрицы в антипараллельных направлениях. Этот процесс известен как полуконсервативная репликация, потому что создаются две копии исходной молекулы ДНК.[1] Каждая копия содержит одну исходную цепочку и одну вновь синтезированную цепочку. Структура ДНК (расшифрована Джеймс Д. Уотсон и Фрэнсис Крик в 1953 г.) предположил, что каждая цепь двойной спирали будет служить шаблоном для синтеза новой цепи. Неизвестно, как вновь синтезированные цепи объединяются с цепями-матрицами с образованием двух двойных спиральных молекул ДНК.[2][3]

Открытие

Эксперимент Мезельсона-Шталя с использованием изотопов для обнаружения полуконсервативной репликации.

Было проведено множество экспериментов, чтобы определить, как реплицируется ДНК. Полуконсервативная модель была предвосхищена Николай Кольцов и позже поддержанный Эксперимент Мезельсона-Шталя.[3][4], который подтвердил полуконсервативную репликацию ДНК путем проведения эксперимента с использованием двух изотопы: азот-15 (15
N
) и азот-14 (14
N
). Когда 14
N
 был добавлен к тяжелому 15
N
-15
N
 ДНК, гибрид 15
N
-14
N
 был замечен в первом поколении. После второго поколения гибрид остался, но легкая ДНК (14
N
-14
N
) тоже было видно. Это указывало на полуконсервативную репликацию ДНК. Этот способ репликации ДНК позволял каждой дочерней цепи оставаться связанной со своей цепочкой-матрицей.[5]

Модели репликации

Три постулируемых метода синтеза ДНК

Полуконсервативная репликация получила свое название от того факта, что этот механизм транскрипции был одной из трех первоначально предложенных моделей.[2][3] за Репликация ДНК:

  • Полуконсервативная репликация создаст две копии, каждая из которых содержит одну из исходных цепей ДНК и одну новую цепь.[2] Полуконсервативная репликация полезна для восстановления ДНК. Во время репликации новая цепь ДНК приспосабливается к модификациям, внесенным в цепь матрицы.[6]
  • Консервативная репликация оставит две исходные цепи ДНК-матрицы вместе в двойная спираль и будет производить копию, состоящую из двух новых цепей, содержащих все новые пары оснований ДНК.[2]
  • Дисперсионная репликация создаст две копии ДНК, каждая из которых содержит отдельные области ДНК, состоящие либо из обеих исходных цепей, либо из обеих новых цепей.[2] Изначально считалось, что цепи ДНК разрываются на каждой десятой паре оснований, чтобы добавить новую матрицу ДНК. В конце концов, вся новая ДНК будет образовывать двойную спираль после многих поколений репликации.[7]

Разделение и рекомбинация двухцепочечной ДНК

Для полуконсервативной репликации необходимо разделить двойную спираль ДНК, чтобы новая цепь матрицы могла быть связана с комплементарными парами оснований. Топоизомераза это фермент, который помогает в распаковке и рекомбинации двойной спирали. В частности, топоизомераза предотвращает сверхспирализацию двойной спирали или ее слишком тугое наматывание. В этом процессе участвуют три фермента топоизомеразы: Топоизомераза типа IA, Топоизомераза типа IB, и Топоизомераза типа II.[8] Топоизомераза типа I раскручивает двухцепочечную ДНК, в то время как топоизомераза типа II разрушает водородные связи связывание комплементарных пар оснований ДНК.[7]

Скорость и точность

Скорость полуконсервативной репликации ДНК в живой клетке сначала измеряли как скорость удлинения цепи ДНК фага Т4 в инфицированных фагом. Кишечная палочка.[9] В период экспоненциального увеличения ДНК при 37 ° C скорость удлинения цепи составляла 749 нуклеотидов в секунду. Скорость мутации на пару оснований за раунд репликации во время синтеза ДНК фага Т4 составляет 2.4×10−8.[10] Таким образом, полуконсервативная репликация ДНК происходит быстро и точно.

Приложения

Полуконсервативная репликация дает ДНК множество преимуществ. Это быстро, точно и позволяет легко восстанавливать ДНК. Он также отвечает за фенотипический разнообразие нескольких видов прокариот[11]. Процесс создания вновь синтезированной цепи из цепи шаблона позволяет старой цепи быть метилированный в отдельное время от новой пряди. Это позволяет ферментам репарации корректировать новую нить и исправлять любые мутации или ошибки.[6]

ДНК может иметь способность активировать или деактивировать определенные области на недавно синтезированной цепи, что позволяет фенотип ячейки, которую нужно изменить. Это может быть выгодно для клетки, потому что ДНК может активировать более благоприятный фенотип, чтобы помочь в выживании. Из-за естественный отбор, более благоприятный фенотип будет сохраняться у всего вида. Это дает начало идее наследования или того, почему одни фенотипы наследуются над другими.[6]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Экундайо Б., Блейхерт Ф. (сентябрь 2019 г.). «Истоки репликации ДНК». PLOS Genetics. 15 (9): e1008320. Дои:10.1371 / journal.pgen.1008320. ЧВК  6742236. PMID  31513569.
  2. ^ а б c d е Гриффитс AJ, Миллер JH, Suzuki DT, Lewontin RC, Gelbart WM (1999). «Глава 8: Структура и репликация ДНК». Введение в генетический анализ. Сан-Франциско: W.H. Фримен. ISBN  978-0-7167-3520-5.
  3. ^ а б c Мезельсон М., Шталь Ф.В. (июль 1958 г.). "Репликация ДНК в Escherichia Coli". Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 44 (7): 671–82. Bibcode:1958ПНАС ... 44..671М. Дои:10.1073 / pnas.44.7.671. ЧВК  528642. PMID  16590258.
  4. ^ Мезельсон М, Шталь Ф.В. (2007). «Демонстрация полуконсервативного режима дупликации ДНК». В Кэрнсе Дж., Стент Г.С., Уотсон Дж. Д. (ред.). Фаг и происхождение молекулярной биологии. Колд-Спринг-Харбор: Лаборатория Колд-Спринг-Харбор. ISBN  978-0-87969-800-3.
  5. ^ Hanawalt PC (декабрь 2004 г.). «Плотность имеет значение: полуконсервативная репликация ДНК». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 101 (52): 17889–94. Дои:10.1073 / pnas.0407539101. ЧВК  539797. PMID  15608066.
  6. ^ а б c Норрис V (июнь 2019 г.). «Способствует ли полуконсервативный характер репликации ДНК когерентному фенотипическому разнообразию?». Журнал бактериологии. 201 (12). Дои:10.1128 / jb.00119-19. ЧВК  6531617. PMID  30936370.
  7. ^ а б Уотсон Дж. Д., Ганн А., Бейкер Т. А., Левин М., Белл С. П., Лосик Р. (2014). Молекулярная биология гена (Седьмое изд.). Бостон. ISBN  978-0-321-76243-6. OCLC  824087979.
  8. ^ Браун Т.А. (2002). «Репликация генома». Геномы (2-е изд.). Wiley-Liss.
  9. ^ Маккарти Д., Миннер С., Бернштейн Н., Бернштейн С. (октябрь 1976 г.). «Скорость удлинения ДНК и распределение точек роста фага Т4 дикого типа и янтарного мутанта с задержкой ДНК». Журнал молекулярной биологии. 106 (4): 963–81. Дои:10.1016/0022-2836(76)90346-6. PMID  789903.
  10. ^ Дрейк Дж. У., Чарльзуорт Б., Чарльзуорт Д., Ворон Дж. Ф. (апрель 1998 г.). «Темпы спонтанной мутации». Генетика. 148 (4): 1667–86. ЧВК  1460098. PMID  9560386.
  11. ^ Маккарти Д., Миннер С., Бернштейн Н., Бернштейн С. (октябрь 1976 г.). «Скорость удлинения ДНК и распределение точек роста фага Т4 дикого типа и янтарного мутанта с задержкой ДНК». Журнал молекулярной биологии. 106 (4): 963–81. Дои:10.1016/0022-2836(76)90346-6. PMID  789903.