همانند سازی DNA — به زبان ساده

همانند سازی DNA یا همتاسازی دی‌ان‌ای فرایندی است که طی آن از روی رشته‌‌های DNA، رشته‌‌های جدید تکثیر می‌شود. هر رشته در مارپیچ  دو رشته‌ای DNA به عنوان الگویی برای سنتز رشته جدید و مکمل آن عمل می‌کند.

DNA جدید توسط آنزیمی ‌به نام «DNA پلیمراز» (DNA Polymerase) ساخته می‌شود که برای شروع همانند سازی به یک «رشته الگوی» (Template) و یک آغازگر یا «پرایمر» (Primer) نیاز دارد و DNA را در جهت ’5 به ’3 سنتز می‌کند. در طول تکثیر DNA یک رشته جدید یا «رشته پیشرو» (Leading Strand) یا رشته رهبر به عنوان یک قطعه به طور پیوسته ساخته می‌شود در حالی که رشته دیگر به نام «رشته پیرو» (Lagging Strand) به صورت قطعات کوچک و جدا از هم تشکیل می‌شود. تکثیر DNA علاوه بر DNA پلیمراز به آنزیم‌های دیگری نیاز دارد که از جمله این آنزیم‌ها می‌توان به «DNA پرایماز» (DNA Primase)، «هلیكاز» (DNA Helicase)، «لیگاز» (DNA Ligase) و «توپوایزومراز» (Topoisomerase) اشاره کرد.

همانند سازی DNA چیست؟

«همانند سازی DNA» یا (DNA Replication) یا کپی کردن DNA یک سلول کار ساده‌‌ای نیست. در حدود ۳ بیلیون جفت باز DNA در ژنوم انسان وجود دارد که در هنگام تقسیم هر یک از سلول‌های بدن، هر یک از این جفت بازها باید به طور دقیق همانند سازی شوند.

فیلم آموزش زیست شناسی سلولی و مولکولی – مبانی و مفاهیم مقدماتی در فرادرس

کلیک کنید

به طور کلی، مکانیسم‌های اساسی همانند سازی DNA در ارگانیسم‌ها، مشابه یکدیگر هستند. در این مقاله، ما با استفاده از مکانیسم همانند سازی DNA که در باکتری E.coli اتفاق می‌افتد، اساس فرایند تکثیر و همانند سازی DNA را به طور کلی بیان می‌کنیم، زیرا مکانیسم‌های تکثیر و همانند سازی DNA در انسان و سایر یوکاریوت‌ها مشابه با مکانیسم موجود در باکتری‌ها هستند.

در ابتدا باید پروتئین‌ها و آنزیم‌هایی که همانند سازی را انجام می‌دهند را بشناسیم و بدانیم که چگونه آن‌ها با هم کار می‌کنند تا همانند سازی و تکثیر دقیق و کامل DNA اتفاق بیافتد.

اساس همانند سازی DNA

تکثیر DNA به صورت «نیمه حفاظت شده» (Semiconservative) شده است، این عبارت به این معنی است که هر رشته در مارپیچ DNA به عنوان الگویی برای سنتز یک رشته جدید و مکمل عمل می‌کند. به عبارت دیگر، تکثیر نیمه حفاظت شده یعنی این که فرایند همانند سازی ما را از یک مولکول آغازگر به دو مولکول دختر هدایت می‌کند که در این حالت هر مولکول دو رشته‌ای تازه تشکیل شده شامل یک رشته جدید و یک رشته قدیمی‌ است.

در واقع، تمام مراحلی که در شکل بالا نشان داده شده، تمام آن چیزی است که برای تکثیر DNA در سلول اتفاق می‌افتد، اما آنچه که در واقع این روند را جالب می‌کند، نحوه انجام آن در یک سلول است.

سلول‌ها باید خیلی سریع و با خطا‌های بسیار کمی DNA خود را کپی کنند. برای انجام این کار، آن‌ها از انواع مختلفی از آنزیم‌ها و پروتئین‌ها استفاده می‌کنند که با هم کار می‌کنند تا اطمینان حاصل شود که تکثیر DNA به درستی و به شکل دقیق انجام می‌شود. در ادامه به معرفی انواع آنزیم‌ها درگیر در فرایند همانند سازی می‌پردازیم.

DNA پلیمراز

یکی از مولکول‌های مهم در تکثیر DNA، آنزیم DNA پلیمراز است. DNA پلیمراز‌ها وظیفه سنتز DNA را دارند: آن‌ها نوكلئوتید‌ها را برای رشد زنجیره DNA به یکدیگر متصل می‌کنند و در این فرایند فقط نوکلئوتیدهایی را كه مكمل رشته الگوی هستند، در طول رشته در حال سنتز قرار می‌دهند.

در اینجا به بررسی و معرفی چند ویژگی اصلی DNA پلیمراز می‌پردازیم:

• آنزیم‌های DNA پلیمراز برای سنتز رشته‌های DNA همیشه نیاز به یک رشته الگو دارند.
• این گروه از آنزیم‌های پلیمراز فقط می‌توانند نوکلئوتید‌ها را به انتهای ’3 رشته DNA اضافه کنند.
• آنزیم‌های پلیمراز نمی‌توانند زنجیره DNA را از ابتدا شروع به همانند سازی کنند. این آنزیم‌ها برای شروع فعالیت خود به رشته توالی کوتاه نوکلئوتیدی به نام پرایمر یا توالی آغازگر احتیاج دارند.
• آنزیم‌های پلیمراز دارای خاصیت «پروف رینگ» (Proof Reading) هستند، به این معنا که این آنزیم‌ها می‌توانند عملکرد خود را پس از انجام، مورد بررسی قرار دهند و اکثر نوکلئوتیدهایی که به طور اشتباه وارد رشته در حال سنتز شده‌اند را حذف کرده و با نوکلئوتیدهای درست جایگزین کنند.

افزودن نوکلئوتید‌ها به انرژی نیاز دارد. این انرژی از خود نوکلئوتید‌ها حاصل می‌شود که سه فسفات به آن‌ها متصل شده‌اند (دقیقاً مانند مولکول حامل انرژی ATP). هنگامی ‌که پیوند بین فسفات‌ها شکسته شود، انرژی آزاد شده آن‌ها، برای تشکیل پیوند بین نوکلئوتید ورودی و زنجیره رو به رشد استفاده می‌شود. در انتهای ’3 رشته جدید، یک گروه هیدروکسیل در نوکلئوتید نهایی رشته قرار می‌گیرد. این گروه هیدروکسیل با یک گروه فسفات از نوکلئوتید ورودی وارد واکنش شیمیایی شده و در نتیجه یک پیوند جدید (و افزودن نوکلئوتید به انتهای زنجیره) ایجاد می‌شود. با توجه به شکل زیر، نوکلئوتید بعدی که در رشته الگو قرار دارد، یک نوکلئوتید A است که باید در مقابل آن نوکلئوتید T قرار بگیرد. بنابراین هنگامی ‌که یک نوکلئوتید T با A در رشته الگو جفت شود، در انتهای زنجیره قرار خواهد گرفت و با گروه ’3 هیدروکسیل واکنش خواهد داد.

هر نوکلئوتید از یک قند با زنجیره‌ای از سه گروه فسفات، یک باز نیتروژنی و یک گروه هیدروکسیل متصل شده تشکیل شده است. هیدروکسیل ’3 که در انتهای رشته در حال رشد قرار دارد، پیوندی را با فسفات درونی در زنجیره نوکلئوتید جدید ایجاد می‌کند، واکنشی که باعث آزاد شدن دو گروه فسفات به نام «پیروفسفات» از نوکلئوتید جدید می‌شود. پیروفسفات سپس به دو یون فسفات تبدیل خواهد شد.

نتیجه واکنش، افزودن نوکلئوتید T به رشته در حال رشد DNA است. هیدروکسیل ’3 نوکلئوتید T در حال حاضر در انتهای زنجیره قرار دارد. این هیدروکسیل می‌تواند در واکنش جدید با فسفات نوکلئوتید بعدی که به زنجیره اضافه می‌شود، شرکت کند.

در پروکاریوت‌هایی مانند E.coli، دو DNA پلیمراز اصلی وجود دارد که در تکثیر DNA نقش دارد: «پلیمراز ۳» (DNA Pol III) (سازنده اصلی DNA) و «پلیمراز ۱» (DNA Pol I) که نقش مهمی را در پشتیبانی از سنتز DNA بر عهده دارند که در ادامه به آن‌ها خواهیم پرداخت.

شروع همانند سازی DNA

چگونه DNA پلیمراز و سایر فاکتور‌های همانند سازی می‌توانند تشخیص دهند که همانند سازی DNA را از کجا آغاز کنند؟  تکثیر همیشه در مکان‌های مشخصی روی DNA شروع می‌شود که اصطلاحاً به آن‌ها «مبدا شروع همانند سازی» (Origins Of Replication) گفته می‌شود و توالی‌های آن‌ها اغلب شناخته شده هستند.

فیلم آموزش زیست شناسی مولکولی پیشرفته در فرادرس

کلیک کنید

باکتری E.coli، مانند اکثر باکتری‌ها، دارای محل شروع همانند سازی واحد در کروموزوم خود است. محل شروع همانند سازی در این باکتری جایی در حدود جفت باز ۲۴۵ قرار دارد و بیشتر توالی این ناحیه نیز از جفت بازهای  A / T (که توسط پیوند‌های هیدروژنی کمتری نسبت به جفت‌های بازهای G / C به هم متصل می‌شوند) تشکیل شده‌ است و به همین دلیل جدا شدن دو رشته‌های DNA در این توالی‌ها ساده‌تر خواهد بود.

پروتئین‌های تخصصی در هسته سلول می‌توانند محل دقیق شروع همانند سازی را تشخیص دهند، سپس به این محل متصل می‌شوند و شروع به شکستن پیوندهای هیدروژنی بین دو رشته DNA کرده و در نهایت دو رشته‌ای را باز می‌کنند. با باز شدن DNA، دو ساختار Y مانند به نام «چنگال‌های همانند سازی» (Replication Forks) تشکیل می‌شوند و این دو چنگال همانند سازی می‌توانند در کنار هم ساختاری به نام «حباب همانند سازی» (Replication Bubble) را بسازند. چنگال‌های همانند سازی با ادامه روند تکثیر در جهت‌های مخالف بر روی رشته‌های الگو حرکت می‌کنند.

در شکل فوق کروموزوم باکتریایی نشان داده شده است. DNA دو رشته‌ای در کروموزوم باکتری‌ها حلقوی هستند و در هنگام تکثیر باز می‌شود و یک حباب همانند سازی تشکیل می‌دهد. هر انتهای حباب یک چنگال همانند سازی است، در هر ساختار Y شکل، DNA دو رشته‌ای به صورت دو رشته منفرد از هم جدا می‌شود. رشته مکمل یا DNA جدید برای هر رشته، در هر چنگال همانند سازی سنتز می‌شود. دو چنگال در جهت مخالف در اطراف محیط کروموزوم باکتری حرکت می‌کنند و حباب همانند سازی بزرگ و بزرگتر می‌شود که در هر دو انتها به یکدیگر می‌رسند.

چگونه همانند سازی در چنگال‌ها پیش می‌رود؟

DNA هلیکاز اولین آنزیم همانند سازی است که در مبدا همانند سازی بارگیری می‌شود. کار آنزیم هلیکاز این است که چنگال‌های همانند سازی را با باز کردن پیچ خوردگی‌های DNA و شکستن پیوند‌های هیدروژنی بین جفت‌های بازهای آن، به جلو می‌برد. پروتئین‌هایی به نام «پروتئین‌های اتصالی تک رشته‌‌ای» (Single-strand DNA-binding protein) یا (SSB) که به تک رشته‌های جدا شده DNA در نزدیکی چنگال همانند سازی اتصال می‌یابند، باعث می‌شوند که این رشته‌ها دوباره در یک قالب مارپیچ دو رشته‌ای به یکدیگر متصل نشوند.

آغازگر‌ها و پرایماز

DNA پلیمراز‌ها فقط می‌توانند نوکلئوتید‌ها را به انتهای ’3 رشته DNA موجود اضافه کنند. (آن‌ها از گروه آزاد OH که در انتهای ’3 یافت می‌شود به عنوان قلاب استفاده می‌کنند و در طی واکنش پلیمریزاسیون یک نوکلئوتید را به این گروه اضافه می‌کنند). با این تفاسیر، چگونه DNA پلیمراز نوکلئوتید اول را در یک چنگال تکثیر جدید اضافه می‌کند؟

آنزیم‌های DNA پلیمراز به تنهایی نمی‌توانند همانند سازی را از محل چنگال همانند سازی آغاز کنند. این مشکل با کمک آنزیمی‌ به نام پرایماز حل می‌شود. پرایماز یک آغازگر یا پرایمر از جنس RNA یا یک قطعه کوتاه از اسید نوکلئیک مکمل الگوی را ایجاد می‌کند که به این صورت بتواند یک انتهای ’3 برای DNA پلیمراز، جهت شروع کار بر روی DNA را فراهم ‌کند. یک آغازگر به طور معمول در حدود پنج تا ده نوکلئوتید طول دارد. با قرارگیری پرایمر یا آغازگر در محل چنگال همانند سازی سنتز DNA آغاز می‌شود.

هنگامی‌ که آغازگر از جنس RNA در محل شروع همانند سازی قرار گرفت، DNA پلیمراز آن را گسترش می‌دهد و نوكلئوتید‌ها را به یكدیگر پیوند داده و می‌افزاید تا رشته DNA جدیدی را ایجاد كند كه مكمل رشته الگوی است.

رشته‌های پیشرو و پیرو

در باکتری، DNAپلیمرازی که بیشترین سنتز DNA را انجام می‌دهد، DNA پلیمراز III نام دارد. دو مولکول DNA پلیمراز III در یک چنگال همانند سازی وجود دارند که هر یک از آن‌ها در جهت سنتز یکی از دو رشته DNA جدید کار می‌کنند.

همان طور که در بالا اشاره شد، DNA پلیمراز‌ها فقط می‌توانند DNA را در جهت ’5 به ’3 ایجاد كنند و این مسئله در حین تکثیر، مشكل ایجاد می‌كند. مارپیچ دو رشته‌ای DNA همیشه موازی و غیر هم‌جهت هستند، به عبارت دیگر، یک رشته در جهت ’5 به ’3 قرار دارد و دیگری دارای جهت‌دهی به صورت ’3 به ’5 است. این امر باعث می‌شود که دو رشته جدید که آن‌ها هم به صورت موازی و غیر هم‌جهت نسبت به رشته‌های الگوی خود سنتز می‌شوند، به روش‌های کمی ‌متفاوت از یکدیگر مورد همانند سازی قرار گیرند.

یکی از رشته‌های جدید که ’5 به ’3 به سمت چنگال همانند سازی در حال سنتز است، به دلیل این که در جهت فعالیت آنزیم پلیمراز قرار دارد به راحتی رشد می‌کند. این رشته به طور مداوم ساخته می‌شود، زیرا DNA پلیمراز در همان جهت با چنگال همانند سازی حرکت می‌کند. این رشته که به طور مداوم سنتز می‌شود را رشته پیشرو یا رهبر می‌نامند.

همانند سازی رشته جدید دیگر که جهت آن ’3 به ’5 است و از چنگال همانند سازی فاصله دارد، پیچیده‌تر است. این رشته در قطعات کوتاهی ساخته می‌شود، زیرا با حرکت چنگال به جلو، DNA پلیمراز (که از چنگال دور می‌شود) باید غیرفعال شود و دوباره به پرایمر تازه سنتز شده و در معرض آنزیم قرار گرفته، وصل شود. این رشته پیچیده که در قالب قطعات کوتاه ساخته می‌شود، رشته پیرو نامیده می‌شود.

به این قطعات کوچک رشته پیرو «قطعات اوکازاکی» (Okazaki Fragments) گفته می‌شود، این قطعات از نام دانشمند ژاپنی که آن‌ها را کشف کرده نامگذاری شده‌اند. رشته پیشرو را می‌توان از یک آغازگر به تنهایی گسترش داد، در حالی که رشته پیرو نیاز به یک آغازگر جدید برای هر یک از قطعات کوتاه اوکازاکی دارد.

ادامه فرایند همانند سازی DNA

برخی از پروتئین‌ها و آنزیم‌های دیگری نیز هستند که علاوه بر فاکتورها و عوامل اصلی همانند سازی که در بالا به آن‌ها اشاره شد، وجود آن‌ها برای انجام و ادامه تکثیر DNA ضروری است.

یکی از این پروتئین‌ها، پروتئینی به نام «گیره لغزنده» (Sliding Clamp) با بتا کلمپ است که مولکول‌های DNA پلیمراز III را در هنگام سنتز DNA در محل مناسب خود نگه می‌دارد. گیره لغزنده، پروتئین حلقه‌ای است و DNA پلیمراز رشته پیرو را هنگام شروع مجدد در قطعه جدید اوکازاکی از رشته در حال همانند سازی جدا کرده و دوباره در محل مناسب متصل می‌کند.

علاوه بر این، آنزیم توپوایزومراز نقش مهمی را در ادامه فرایند همانند سازی DNA ایفا می‌کند. این آنزیم بر بخشی از DNA که قبل از چنگال تکثیر قرار دارد، تاثیر می‌گذارد و از پیچ‌خوردگی این ناحیه از دو رشته‌ای DNA جلوگیری می‌کند. در واقع، انواع توپوایزومرازها برای تنظیم ساختار DNA در طول همانند سازی وارد عمل می‌شوند. این پروتئین‌ها از پیچش یا باز شدن بیش از حد رشته‌های DNA جلوگیری می‌کنند. این آنزیم‌ها انواع مختلفی دارند، آنزیم «DNA ژیراز» (DNA Gyrase) یکی از انواع توپوایزومرازها است که در فرایند همانند سازی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

پس از انجام کامل همانند سازی DNA، بخشی از پرایمرها که از جنس RNA هستند، در ساختار DNAهای تازه سنتز شده قرار دارند و علاوه بر این، در رشته‌های پیرو، DNA به صورت قطعات جدا از هم ساخته شده است، بنابراین نیاز به اصلاحاتی وجود دارد که در نهایت رشته‌های DNA یکپارچه‌ای به وجود آیند.

برای حذف بخش‌های آغازگر RNA، آنزیمی به نام «DNA پلیمراز I» وارد عمل شده و با حذف RNA‌های آغازگر، آن‌ها با DNA جایگزین می‌کند. عملکرد فیزیولوژیکی اصلی آنزیم DNA پلیمراز I ترمیم هر گونه آسیب در رشته‌های DNA است.

پس از جایگزینی بخش‌های RNA با DNA در رشته‌های تازه سنتز شده، باید شکاف‌های بین قطعات DNA برای ایجاد یک رشته یکپارچه از بین بروند، برای این کار آنزیمی به نام DNA لیگاز با کاتالیز پیوند فسفودی‌استر، موجب اتصال بین قطعات DNA می‌شود.

خلاصه تکثیر DNA در باکتری E.coli

برای اینکه بدانیم به بیان ساده در همانند سازی DNA چه اتفاقاتی می‌افتد، باید بدانیم که چگونه آنزیم‌ها و پروتئین‌های دخیل در همانند سازی با یکدیگر برای تولید DNA جدید کار می‌کنند.

فیلم آموزش ژنتیک مولکولی – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

• آنزیم DNA هلیکاز رشته‌های DNA را از یکدیگر باز کرده و چنگال همانند سازی را تشکیل می‌دهد.
• پروتئین‌های اتصالی به DNA تک رشته‌ای، رشته‌های از هم جدا شده DNA را در اطراف چنگال همانند سازی می‌پوشانند تا از اتصال مجدد DNA و ایجاد دو رشته‌ای‌ها جلوگیری کنند.
• توپوایزومرازها در منطقه پیش از چنگال همانند سازی برای جلوگیری از پیچ خوردگی‌های بیش از حد وارد عمل می‌شوند.
• آنزیم‌های پرایماز، آغازگر RNA را می‌سازند که مکمل رشته DNA در حال سنتز هستند.
• DNA پلیمراز III آغازگر‌ها را طی واکنش پلیمرایزاسیون DNA گسترش می‌دهد و نوکلئوتیدهای جدید را مطابق با رشته‌های الگو به انتهای ’3 اضافه کرده و به این ترتیب رشته‌های جدید DNA را سنتز می‌کند.
• پرایمر‌های RNA توسط DNA پلیمراز I حذف شده و با DNA جایگزین می‌شوند.
• شکاف بین قطعات DNA توسط آنزیم DNA لیگاز از بین رفته و رشته‌های DNA به صورت یکپارچه ایجاد می‌شوند.

همانند سازی DNA در یوکاریوت‌ها

اصول همانند سازی DNA بین پروکاریوت‌ها مانند باکتری‌ها و یوکاریوت‌ها مانند انسان مشابه هم هستند، اما تفاوت‌های کوچکی نیز بین آن‌ها وجود دارند که در اینجا به برخی از آن‌ها اشاره می‌کنیم:

• یوکاریوت‌ها معمولاً کروموزوم‌های خطی زیادی دارند که هر کدام از این کروموزوم‌ها دارای مبدا‌های همانند سازی متعدد هستند. کروموزوم‌های انسان‌ می‌توانند تا ۱۰۰٫۰۰۰ مبدا همانند سازی را با هم داشته باشند.
• بیشتر آنزیم‌های باکتری E.coli در فرایند تکثیر DNA یوکاریوتی معادل دارند، اما عملکرد یک آنزیم منفرد در E.coli ممکن است توسط آنزیم‌های متعدد در یوکاریوت‌ها انجام شوند. به عنوان مثال، برای همانند سازی DNA انسانی، ۵ آنزیم DNA پلیمراز مختلف وارد عمل می‌شوند.
• اکثر کروموزوم‌های یوکاریوتی خطی هستند. به دلیل نحوه همانند سازی رشته پیرو، بخش‌هایی از DNA از انتهای کروموزوم‌های خطی (تلومر‌ها) در هر دور از همانند سازی از بین می‌روند. از این رو، کروموزومهای یوکاریوتی با هر بار تقسیم سلولی و همانند سازی کوتاه‌تر می‌شوند.