همانندسازی دنا در یوکاریوت ها — به زبان ساده

هر سلول، حاوی نسخه کاملی از محتویات ژنتیکی است که هدایت و تنظیم فعالیت‌های حیاتی آن را برعهده دارند. این محتویات ژنتیکی، می‌بایست، پیش از تقسیم سلول، دوبرابر شوند تا یک نسخه‌ از آن‌ها به هر سلول دختر، به ارث برسد. فرایند «دوبرابر شدن» ماده ژنتیکی را «همانندسازی» می‌نامیم. پیش‌تر، درباره اصول همانندسازی سلول‌ها مطالبی را منتشر کرده‌ بودیم. در اینجا به ذکر برخی جزییات این فرایند، با تکیه بر همانندسازی دنا در سلول‌های یوکاریوتی می‌پردازیم.

نکات کلیدی همانندسازی دنا

فیلم آموزش زیست شناسی – پایه دوازدهم رشته تجربی – بخش یکم

کلیک کنید

• در حین شروع، پروتئین‌ها به مبدا همانندسازی متصل می‌شوند در حالی که هلیکاز، مارپیچ DNA را باز می‌کند و در ابتدای تکثیر، دو چنگال همانندسازی تشکیل می‌شود.
• در طول طویل شدن، یک توالی آغازگر با نوکلئوتیدهای مکمل از جنس RNA اضافه می‌شود، این نوکلئوتیدها، سپس با نوکلئوتیدهای DNA جایگزین می‌شوند.
• در طول طویل شدن، ساخت رشته پیشرو (Leading Strand) به طور پیوسته انجام می‌شود، در حالی که رشته پیرو (Lagging Strand) از اتصال قطعه‌هایی به نام قطعات اکازاکی (Okazaki) ساخته می‌شود.
• در طی خاتمه، آغازگرها برداشته می‌شوند و با نوکلئوتیدهای DNA جدید جایگزین می‌شوند و اسکلت DNA، توسط آنزیم DNA لیگاز، بسته می‌شود.

اصطلاحات کلیدی همانندسازی دنا

• مبدا همانندسازی: توالی خاصی در ژنوم که فرایند همانندسازی، از آنجا آغاز می‌شود.
• رشته پیشرو: یکی از دو رشته موجود در مارپیچ دوتایی DNA که جهت آن طوری است که چنگال همانندسازی، در طول آن در جهت $$3'$$ به $$5'$$ حرکت می‌کند.
• رشته پیرو: یکی از دو رشته موجود در مارپیچ دوتایی DNA که جهت آن طوری است که چنگال همانندسازی، در طول آن در جهت $$5'$$ به $$3'$$ حرکت می‌کند.

از آنجا که ژنوم‌های یوکاریوتی، از پیچیدگی‌های زیادی برخورداند، تکثیر DNA در این سلول‌ها، یک فرایند بسیار پیچیده است که چندین آنزیم و پروتئین دیگر را درگیر می‌کند. این واکنش در سه مرحله اصلی رخ می‌دهد: آغاز، طویل شدن و پایان.

رشته‌های پیشرو و پیرو

DNA پلیمراز فقط می‌تواند رشته‌های جدید را در جهت $$5'$$ به $$3'$$ سنتز کند. بنابراین، دو رشته تازه سنتز شده، در جهت مخالف هم رشد می‌کنند، زیرا همانطور که می‌دانیم، رشته‌های الگو در هر چنگال همانندسازی، «موازی و معکوس» (Antiparallel) هستند. ساخت «رشته پیشرو» به طور هم‌جهت با باز شدن دورشته‌ای الگو توسط هلیکاز و پیشرفت چنگال همانندسازی، انجام می‌شود.

«رشته پیرو» در جهت معکوس پیشروی چنگال همانندسازی و فعالیت هلیکاز، سنتز می‌شود. گفتیم که DNA پلیمراز فقط می‌تواند نوکلئوتیدها را در جهت $$5'$$ به $$3'$$ به رشته جدید، اضافه کند. به همین دلیل، رشته پیرو، به صورت قطعه قطعه، تولید می‌شود، و پس از پایان ساخت هر قطعه، به بخش قبل متصل خواهد شد. این فرایند اتصال، به طور دائم انجام می‌گیرد تا سرانجام، ساخت این رشته نیز به پایان برسد. قطعات کوتاه موجود بر روی رشته پیرو را قطعات اوكازاكی می‌نامند و هر قطعه، با آغازگر RNA خاص خود آغاز می‌شود.

مراحل همانندسازی دنا

در ادامه به مراحل همانند سازی دنا یا dna می‌پردازیم.

فیلم آموزش زیست شناسی – پایه دوازدهم رشته تجربی – بخش یکم در فرادرس

کلیک کنید

مرحله آغاز (Initiation)

در حالت عادی،‌ که سلول، در حال همانندسازی نیست، DNA یوکاریوتی به پروتئین‌هایی معروف به «هیستون» (Histone) متصل می‌شود و ساختارهایی به نام «نوکلئوزوم» (Nucleosome) ایجاد می‌کند. در حین مرحله آغاز، DNA برای پروتئین‌ها و آنزیم‌های درگیر در روند تکثیر، قابل دسترسی می‌شود. جایگاه‌های خاصی بر روی کروموزوم‌ها وجود دارد که همانندسازی از آن‌ها آغاز می‌شود. این جایگاه‌های ویژه، «مبدا همانندسازی» (Origin of Replication)، نام دارند.

در برخی از یوکاریوت ها، مانند مخمر، این مکان‌ها با داشتن یک توالی خاص از نوکلئوتیدها شناسایی می‌شوند. این توالی‌های کوتاه نوکلئوتیدی، محل‌های اتصال پروتئین‌های شروع همانندازی، به شمار می‌روند. به نظر نمی‌رسد در سایر یوکاریوت ها، مانند انسان، توالی حفاظت‌شده‌ای به عنوان مبدا همانندسازی وجود داشته باشد. در عوض، پروتئین‌های آغاز همانندسازی، ممکن است تغییرات خاصی را در نوکلئوزوم‌های منطقه مبدا، شناسایی کنند و به آن ناحیه‌ها متصل شوند.

پروتئین‌های خاصی، مبدا هماننندسازی را تشخیص می‌دهند و به آن متصل می‌شوند و سپس به دیگر پروتئین‌های لازم برای همانندسازی DNA، اجازه می‌دهند تا به همان منطقه، متصل شوند. به همین دلیل، گفته می‌شود اولین پروتئین‌هایی که به DNA متصل می‌شوند، پروتئین‌های دیگر را «استخدام» (Recruit) می‌کنند. یکی از این پروتئین‌های استخدام شده، آنزیمی به نام هلیکاز است که دو نسخه از آن به مبدا همانندسازی متصل می‌شود. هر هلیکاز، در یک جهت، به رشته‌های مارپیچ DNA متصل می‌شود و این دو رشته را از هم باز کرده و به DNA تک رشته‌ای جدا می‌کند.

با باز شدن DNA، ساختارهای Y شکل به نام چنگال‌های همانندسازی (Replication Forks) تشکیل می‌شوند. از آنجا که دو هلیکاز، به مبدا همانندسازی متصل شده‌اند، دو چنگال همانندسازی، در این ناحیه، تشکیل می‌شود. با پیشرفت فرایند همانندسازی، این چنگال‌ها در هر دو جهت، به پیش می‌روند تا سرانجام، باعث ایجاد یک «حباب همانندسازی» (Replication Bubble) شوند. مبداهای متعدد همانندسازی در کروموزوم یوکاریوتی وجود دارد که اجازه می‌دهد همانندسازی در صدها تا هزاران مکان، در طول هر کروموزوم، به طور همزمان انجام شود.

مرحله طویل شدن (Elongation)

در طول مرحله طویل شدن، آنزیمی به نام DNA پلیمراز، نوکلئوتیدها را به انتهای$$3'$$ رشته پلی نوکلئوتید تازه سنتز شده اضافه می‌کند. رشته الگو مشخص می‌کند که کدام یک از چهار نوکلئوتید DNA (که ممکن است A، T، C یا G باشند) در هر جایگاه، به زنجیره جدید، اضافه می‌شوند. می‌دانیم که در هر جایگاه، فقط نوکلئوتید مکمل باز الگو، اجازه دارد به رشته جدید اضافه شود. به طوری که A در مقابل T و C در مقابل G قرار گیرد.

DNA پلیمراز حاوی شیاری است که به آن اجازه می‌دهد به DNA تک رشته‌ای متصل شود و همزمان، یک نوکلئوتید را طی کند. به عنوان مثال، وقتی DNA پلیمراز با نوکلئوتید آدنوزین، روی رشته الگو روبرو می‌شود، یک تیمیدین به انتهای $$3'$$ رشته تازه سنتز شده اضافه می‌کند و سپس به نوکلئوتید بعدی روی رشته الگو منتقل می‌شود. این فرایند، تا رسیدن DNA پلیمراز به انتهای رشته الگو ادامه خواهد یافت.

DNA پلیمراز نمی‌تواند خود، به طور مستقیم، ساخت رشته جدید را آغاز کند. بلکه این آنزیم، تنها می‌تواند نوکلئوتیدهای جدید را به انتهای $$3'$$ یک رشته موجود، اضافه ‌کند. اولین نوکلئوتیدها برای ساخت تمام رشته‌های پلی نوکلئوتیدی، باید توسط یک RNA پلیمراز تخصصی به نام «پریماز» (Primase) به رشته الگو متصل شوند. پریماز، سنتز پلی نوکلئوتید را آغاز می‌کند و این کار را با ایجاد یک رشته کوتاه نوکلئوتیدی از جنس RNA انجام می‌دهد که مکمل رشته DNA الگو است. این قطعه کوتاه از نوکلئوتید‌های RNA، «آغازگر» یا «پرایمر» (Primer) نامیده می‌شود. پس از ساخت قطعه آغازگر، در DNA جدید، آنزیم پریماز خارج می‌شود و DNA پلیمراز، رشته جدید را با نوکلئوتیدهای مکمل DNA الگو، گسترش می‌دهد.

در پایان، نوکلئوتیدهای RNA موجود در آغازگر برداشته می‌شوند و با نوکلئوتیدهای DNA جایگزین می‌شوند. پس از تکثیر DNA، می‌بینیم که مولکول‌های دختر، به طور کامل، از نوکلئوتیدهای DNA به هم پیوسته، ساخته شده‌اند و هیچ بخشی از RNA در آن دیده نمی‌شود.

مرحله پایان (Termination)

کروموزوم‌های یوکاریوتی چندین مبدا همانندسازی بر روی خود،‌ دارند که تقریباً به طور همزمان، شروع به تکثیر می‌کنند. در اطراف هر مبدأ همانندسازی، حبابی از DNA تازه تکثیر شده شکل می‌گیرد که به سمت دو طرف مبدا، پیشروی می‌کند. سرانجام، رشته پیشروی یک حباب، به رشته پیرو حباب دیگر می‌رسد و رشته پیرو در همان حباب به انتهای $$5'$$ قطعه قبلی اوکازاکی می‌رسد.

DNA پلیمراز، با رسیدن به بخشی از الگوی DNA که قبلاً تکثیر شده است، متوقف می‌شود. اما این آنزیم، نمی‌تواند تشکیل پیوند فسفودی‌استر بین دو بخش رشته DNA جدید را کاتالیز کند و با رسیدن به این نقطه، ‌از رشته DNA جدا خواهد شد. به این فاصله‌های کوتاه ایجاد شده در اسکلت قند و فسفات در یک رشته DNA «بریدگی» (Nick) گفته می‌شود.

پس از تکثیر تمام نوکلئوتیدهای الگو، روند همانندسازی، هنوز به پایان نرسیده است. آغازگرهای RNA باید با DNA جایگزین شوند و بریدگی‌های موجود در اسکلت قند و فسفات، باید به هم متصل شوند.

گروهی از آنزیم‌های سلولی، آغازگرهای RNA را از این مجموعه، حذف می‌کنند. این گروه، شامل پروتئین‌های $$FEN1$$ (اندونوکلئاز فلپ 1) و RNase H هستند. این دو آنزیم‌، آغازگرهای RNA موجود در هر رشته پیشرو و در ابتدای هر قطعه اوکازاکی را حذف می‌کنند. نتیجه این کار، به جا ماندن قطعات کوتاهی از DNA است که رشته‌ای در مقابل آن‌ها ساخته نشده است و در نتیجه، بین نوکلئوتیدهای رشته تازه سنتز شده، فاصله‌ای به طول چند نوکلئوتید، ایجاد شده است. به این فاصله‌های چند نوکلئوتیدی در رشته جدید، «شکاف» (Gap) گفته می‌شود.

به محض حذف قطعه پرایمر، یک DNA پلیمراز آزاد در سلول، این ناحیه را شناسایی می‌کند، در انتهای $$3'$$ قطعه DNA قبلی قرار می‌گیرد و DNA را روی شکاف، گسترش می‌دهد. با این حال، پس از این طویل‌سازی کوتاه، هنوز، بریدگی‌هایی بر روی اسکلت قند و فسفات، برجا می‌ماند.

در مرحله نهایی همانندسازی DNA، در محل هر بریدگی، آنزیم لیگاز به اسکلت قند و فسفات، متصل می‌شود و همه بریدگی‌ها را با برقراری پیوند فسفودی‌استری، پر می‌کند. بعد از اینکه لیگاز همه بریدگی‌ها را به هم متصل کرد، رشته جدید، یک رشته DNA پیوسته است و مولکول DNA دختر، به طور کامل، شکل گرفته است.