В чем заключается биологическое значение репликации днк

Биологическая роль ДНК и РНК

ДНК – самая важная молекула для всех живых существ, даже растений. Она определяет наследование, кодирования белков и содержит инструкции для развития и размножения всего организма и каждой его клетки в отдельности. Достижения генетики позволили раскрыть информацию, содержащуюся в ДНК, и использовать ее с пользой для людей. Теперь каждый может сделать конфиденциальный ДНК-тест, чтобы получить ответы на самые сложные вопросы. Давайте узнаем больше, как работает и какова биологическая роль ДНК.

Какие функции выполняет ДНК в организме

ДНК несет ответственность за рост и поддержание жизни, что выражается в выполнении этой молекулой трех функций.

Таким образом, на что влияет ДНК в организме? Размеры ее влияния огромны – эта молекула содержит инструкции, необходимые организму для развития, жизни и размножения. Эти инструкции находятся внутри каждой клетки и передаются от обоих родителей их детям.

ДНК помогает синтезу РНК

Матричная РНК, или мРНК, – это одноцепочечная промежуточная молекула, которая переносит генетическую информацию от ДНК в ядре к цитоплазме, где она служит шаблоном в образовании полипептидов. мРНК синтезируется в ядре с использованием нуклеотидной последовательности ДНК в качестве матрицы.

Процесс создания мРНК из ДНК называется транскрипцией и происходит в ядре. мРНК направляет синтез белков, который происходит в цитоплазме. мРНК, образованная в ядре, транспортируется из ядра в цитоплазму, где она присоединяется к рибосомам. Белки собираются на рибосомах с использованием нуклеотидной последовательности мРНК в качестве инструкции. Таким образом, мРНК несет «сообщение» от ядра к цитоплазме. Сообщение закодировано в нуклеотидной последовательности мРНК, которая комплементарна нуклеотидной последовательности ДНК, служившей матрицей для синтеза мРНК. Создание белков из мРНК называется трансляцией. В этом заключается биологическая роль РНК.

Молекулярные болезни и связь молекул ДНК

Молекулярное, или генетическое, заболевание – это любое заболевание, вызванное сбоем на молекулярном уровне, то есть в молекуле ДНК. Генетическая аномалия может варьироваться от незначительной до крупной – от одной мутации в единственном основании в ДНК до грубой хромосомной аномалии, включающей изменение количества или набора хромосом. Мутации могут происходить либо случайно, либо из-за воздействия окружающей среды.

Существует ряд различных типов генетических нарушений обмена, в том числе:

Однако далеко не все мутации в генах – это приговор. Гены могут включаться и выключаться при определенных условиях среды. Поэтому даже имея предрасположенность к тому или иному заболеванию, для предупреждения их развития человек может соблюдать назначенный врачом план питания и тренировок, отказываясь от вредных привычек.

Строение и действие гена РНК

ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота, а РНК – рибонуклеиновая кислота. Хотя и ДНК, и РНК несут генетическую информацию и имеют связь между собой, между ними довольно много различий. Что общего между ДНК и РНК и в чем отличия?

Функции ДНК и РНК в организме разные. ДНК отвечает за хранение и передачу генетической информации, в то время как РНК непосредственно кодирует аминокислоты и выступает в качестве посредника между ДНК и рибосомами для производства белков.

Преимущества проведения анализов в лаборатории Медикал Геномикс Украина

Лаборатория Медикал Геномикс Украина – крупнейшая в стране английская лаборатория генетических исследований. Здесь вы можете пройти любой генетический тест, в том числе для установления родственных отношений, а также медицинские, генеалогические исследования.

Мы работаем быстро и качественно, гарантируя конфиденциальность и высокую точность результата, поскольку используем передовое оборудование, а каждый тест проверяется двумя независимыми группами ученых.

Позвоните нам, если у вас есть вопросы – наши консультанты ответят на них и помогут оформить заказ. Сдать биоматериалы можно в одном из наших 78 пунктов приема образцов по всей Украине или заказав набор для домашнего забора материала.

Источник

Биология. 11 класс

§ 16. Клеточный цикл. Репликация ДНК

Период существования клетки от момента ее образования из материнской клетки до собственного деления (включая это деление) или гибели называется клеточным циклом.

Продолжительность клеточного цикла у разных организмов и различных клеток в составе одного организма варьирует. Так, у бактерий в благоприятных условиях он длится примерно 20 мин. Короткие клеточные циклы (30—60 мин) характерны для бластомеров рыб и земноводных на этапе дробления, в то время как у млекопитающих промежуток времени между делениями бластомеров может достигать 10 ч и более. У взрослых мышей клетки кишечного эпителия делятся каждые 11—22 ч, а роговицы глаза — приблизительно один раз в трое суток. Для регулярно делящихся клеток многоклеточных организмов длительность клеточного цикла обычно составляет 12—36 ч.

Пресинтетический, или G₁-пе риод (от англ. gap — промежуток), начинается с момента образования новой клетки в результате деления материнской. Обычно это самый длительный период интерфазы и клеточного цикла в целом. В течение G₁-периода молодая клетка интенсивно растет, в ней увеличивается количество органоидов и синтезируются различные соединения, необходимые для протекания процессов жизнедеятельности. В том числе образуются вещества, которые будут нужны для последующего удвоения молекул ДНК.

Вы уже знаете, что набор хромосом обозначают как n: например, 1n — гаплоидный набор, 2n — диплоидный. Набор молекул ДНК в клетках принято записывать с помощью буквы с. Из § 14 вам известно, что каждая хроматида содержит одну молекулу ДНК, т. е. количество молекул ДНК и хроматид в составе хромосом всегда совпадает. Таким образом, записи типа 1с, 2с, 4с отражают содержание в клетках не только молекул ДНК, но и соответствующих хроматид.

В пресинтетическом периоде каждая хромосома состоит из одной хроматиды. Следовательно, в G₁-периоде число хромосом (n) и хроматид (с) в клетке одинаковое. Набор хромосом и хроматид диплоидной клетки в G₁-периоде клеточного цикла можно выразить записью 2n2c.

В синтетическом, или S-периоде (от англ. synthesis — синтез), происходит удвоение молекул ДНК — репликация, а также удвоение центриолей клеточного центра (в тех клетках, где он имеется). После завершения репликации каждая хромосома состоит уже из двух идентичных сестринских хроматид, которые соединены друг с другом в области центромеры. Количество хроматид в каждой паре гомологичных хромосом становится равным четырем. Таким образом, набор хромосом и хроматид диплоидной клетки в конце S-периода (т. е. после репликации) выражается записью 2n4c.

Постсинтетический, или G₂-период, продолжается от окончания синтеза ДНК (репликации) до начала деления клетки. В это время клетка активно запасает энергию и синтезирует белки для предстоящего деления (например, белок тубулин для построения микротрубочек, образующих впоследствии веретено деления). В течение всего G₂-периода набор хромосом и хроматид в клетке остается неизменным — 2n4c.

Обобщенная информация об основных периодах клеточного цикла представлена в таблице 16.1.

Таблица 16.1. Основные периоды клеточного цикла

Период

Содержание наследственного материала в диплоидной клетке

Источник

Репликация ДНК

Суть процесса репликации как ферментативного синтеза ДНК или РНК, осуществляемого по матричному принципу, и его биологическое значение. Последовательные этапы репликации и участвующие в них ферменты. Особенности репликации у прокариотов и эукариотов.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Понятие и основа репликации

2. Процесс репликации ДНК

3. Основные ферменты репликации ДНК

4. Репликация у прокариотов и эукариотов

Список использованной литературы

Вся информация о строении и функционировании любого организма содержится в закодированном виде в его генетическом материале, основу которого у подавляющего числа организмов составляет ДНК. Роль ДНК заключается в хранении и передаче генетической (наследственной) информации в живых организмах. Чтобы эта информация могла передаваться от одного поколения клеток (и организмов) к другому, необходимо её точное копирование и последующее распределение её копий между потомками. Процесс, с помощью которого создаются копии молекулы ДНК, называется репликацией. Перед тем как разделится, клетки с помощью репликации создают копию своего генома, и в результате клеточного деления в каждую дочернюю клетку переходит одна копия. Благодаря этому, генетическая информация, содержащаяся в родительской клетке, не исчезает, а сохраняется и передаётся потомкам. В случае многоклеточных организмов передача этой информации осуществляется с помощью половых клеток, образующихся в результате мейотического деления и также несущих копию генома (гаплоидного). Их слияние приводит к объединению двух родительских геномов в одной клетке (зиготе). Из неё развивается организм, клетки которого несут генетическую информацию обоих родительских организмов. Таким образом, основное значение репликации заключается в снабжении потомства генетической информацией. Для обеспечения стабильности организма и вида ДНК должна реплицироваться полностью и с очень высокой точностью, что обеспечивается функционированием определённого набора белков. Замечательной особенностью ДНК является то, что она несёт гены, кодирующие эти белки, и, таким образом, информация о механизме её собственного удвоения закодирована в ней самой.

1. Понятие и основа репликации

Хеликаза, топоизомераза и ДНК-связывающие белки расплетают ДНК, удерживают матрицу в разведённом состоянии и вращают молекулу ДНК. Правильность репликации обеспечивается точным соответствием комплементарных пар оснований и активностью ДНК-полимеразы, способной распознать и исправить ошибку. Репликация у эукариот осуществляется несколькими разными ДНК-полимеразами. Далее происходит закручивание синтезированных молекул по принципу суперспирализации и дальнейшей компактизации ДНК. Синтез энергозатратный.

Цепи молекулы ДНК расходятся, образую репликационную вилку, и каждая из них становится матрицей, на которой синтезируется новая комплементарная цепь. В результате образуются две новые двуспиральные молекулы ДНК, идентичные родительской молекуле.

2. Процесс репликации ДНК

Начиная с точки инициации, репликация осуществляется в ограниченной зоне, перемещающейся вдоль исходной спирали ДНК. Эта активная зона репликации (т.н. репликац. вилка) может двигаться в обоих направлениях. При однонаправленной репликации вдоль ДНК движется одна репликационная вилка. При двунаправленной репликации от точки инициации в противоположных направлениях расходятся две репликационные вилки; скорости их движения могут различаться. При репликации ДНК бактерии и млекопитающих скорость роста дочерней цепи составляет соотв. 500 и 50 нуклеотидов в 1 с; у растений эта величина не превышает 20 нуклеотидов в 1 с. Движение двух вилок в противоположных направлениях создает петлю, которая имеет вид «пузыря» или «глаза». Продолжающаяся репликация расширяет «глаз» до тех пор, пока он не включит в себя весь репликон.

Энергия, затрачиваемая на образование каждой новой фосфодиэфирной связи в цепи ДНК, обеспечивается расщеплением фосфатной связи между a- и b-фосфатными группами нуклеозидтрифосфата.

ДНК-полимераза имеет один центр связывания нуклеозидтрифосфата, общий для всех четырех нуклеотидов. Выбор из среды нуклеотида, основание которого комплементарно очередному основанию матрицы, протекает без ошибок, благодаря определяющему влиянию ДНК-матрицы (исходной цепи ДНК). При некоторых мутационных повреждениях структуры ДНК-полимеразы в ряде случаев происходит включение некомплементарных нуклеотидов.

В процессе репликации формальной ДНК на короткое время с вероятностью 10-4-10-5 возникают редкие таутомерные формы всех 4 азотистых оснований нуклеотидов, которые образуют неправильные пары. Высокая точность репликации (вероятность ошибок не превышает 10-9) обусловлена наличием механизмов, осуществляющих коррекцию (репарацию).

В качестве затравок для синтеза фрагментов отстающей цепи служат короткие отрезки РНК, комплементарные матричной цепи ДНК. Эти РНК-затравки (праймеры), состоящие примерно из 10 нуклеотидов, с определенными интервалами синтезируются на матрице отстающей цепи из рибонуклеозидтрифосфатов в направлении 5′ : 3′ с помощью фермента РНК-праймазы. РНК-праймеры затем наращиваются дезоксинуклеотидами с 3′-конца ДНК-полимеразой, которая продолжает наращивание до тех пор, пока строящаяся цепь не достигает РНК-затравки, присоединенной к 5′-концу предыдущего фрагмента. Образующиеся таким образом фрагменты (т. наз. фрагменты Оказаки) отстающей цепи насчитывают у бактерий 1000-2000 дезоксирибонуклеотидных остатков; в животных клетках их длина не превышает 200 нуклеотидов.

Чтобы обеспечить образование непрерывной цепи ДНК из многих таких фрагментов, в действие вступает особая система репарации ДНК, удаляющая РНК-затравку и заменяющая ее на ДНК. У бактерий РНК-затравка удаляется нуклеотид за нуклеотидом благодаря 5′ : 3′-экзонуклеазной активности ДНК-полимеразы. При этом каждый отщепленный рибонуклеотидный мономер замещается соответствующим дезоксирибонуклеотидом (в качестве затравки используется З’-конец синтезированного на старой цепи фрагмента). Завершает весь процесс фермент ДНК-лигаза, катализирующий образование фосфодиэфирной связи между группой З’-ОН нового фрагмента ДНК и 5′-фосфатной группой предыдущего фрагмента. Образование этой связи требует затраты энергии, к-рая поставляется в ходе сопряженного гидролиза пирофосфатной связи кофермента-никотинамид-адениндинуклеотида (в бактериальных клетках) или АТФ (в животных клетках и у бактериофагов).

Раскручивание двойной спирали и пространств. разделение цепей осуществляется при помощи нескольких специальных белков. Геликазы расплетают короткие участки ДНК, находящиеся непосредственно перед репликационной вилкой. На разделение каждой пары оснований расходуется энергия гидролиза двух молекул АТФ до аденозиндифосфата и фосфата. К каждой из разделившихся цепей присоединяется несколько молекул ДНК-связывающих белков, которые препятствуют образованию комплементарных пар и обратному воссоединению цепей. Благодаря этому нуклеотидные последовательности цепей ДНК оказываются доступными для репликативной системы. Другие специфические белки помогают праймазе получить доступ к матрице отстающей цепи. В результате праймаза связывается с ДНК и синтезирует РНК-затравки для фрагментов отстающей цепи. Для формирования новых спиралей не требуется ни затрат энергии, ни участия комплементарного «закручивающего» фермента.

В случае кольцевого репликона (напр., у плазмиды) описанный процесс наз. q-репликацией. Кольцевые молекулы ДНК закручены сами на себя (суперспирализованы), при раскручивании двойной спирали в процессе репликации они должны непрерывно вращаться вокруг собственной оси. При этом возникает торсионное напряжение, которое устраняется путем разрыва одной из цепей. Затем оба конца сразу же вновь соединяются друг с другом. Эту функцию выполняет фермент ДНК-топоизомераза. Репликация в этом случае обычно происходит в двух направлениях, т.е. существуют две репликационные вилки. После завершения репликации появляются две двухцепочечные молекулы, которые сначала связаны друг с другом как звенья одной цепи. При их разделении одно из двух колец временно разрывается.

Альтернативный вариант репликации кольцевого репликона предполагает разрыв в одной из цепей двухспиральной молекулы ДНК. Образовавшийся при этом свободный 3′-конец ковалентно наращивается, оставаясь связанным с матрицей (второй, неразорванной цепью), а 5′-конец постепенно вытесняется новой полинуклеотидной цепью. Таким образом одна цепь разматывается и непрерывно удлиняется, а репликационная вилка скользит вокруг кольцевой матричной цепи (механизм «катящегося кольца»). По мере роста новой цепи вытесненная цепь с освободившимся 5′-концом становится линейной матрицей для синтеза новой комплементарной цепи. Этот синтез на линейной матрице продолжается до тех пор, пока не образуется дочерняя цепь ДНК, комплементарная одному обороту кольцевой матрицы, т. е. целому репликону. Таким путем с кольцевой матрицы может сходить большое число комплементарных копий. Такой механизм обнаружен у некоторых вирусов, а также в ряде клеток эукариот.

Еще одна схема репликации предполагает формирование структуры, названной D-петлей. Согласно этому механизму, сначала реплицируется только одна из цепей кольцевого репликона, тогда как вторая цепь, оставаясь интактной, вытесняется, образуя петлю. Репликация второй цепи начинается с др. стартовой точки и только после того, как реплицировалась часть первой цепи. Такой механизм репликации обнаружен, например у митохондриальных ДНК.

1. вирусы, содержащие матричные РНК, или мРНК [т. наз. (+)РНК], в результате репликации образуют комплементарную ей цепь [(-)РНК], не являющуюся мРНК, которая используется как матрица для синтеза (+)РНК;

2. вирусы, содержащие (—)РНК, в результате репликации синтезируют (+)РНК;

3. вирусы, содержащие двухцепочечную РНК [(+)PHK и (—)РНК], в результате асимметрической репликации синтезируют (+)РНК.

Гипотеза о механизме репликации сформулирована в 1953 Дж. Уотсоном и Ф. Криком, которые предположили, что две комплементарные цепи ДНК после их разделения могут выполнять функции матриц для образования на них новых цепей ДНК. В 1958 М. Мезельсон и Ф. Сталь экспериментально подтвердили такой механизм репликации.

3. Основные ферменты репликации ДНК

Выделяют ДНК-зависимую ДНК-полимеразу, использующую в качестве матрицы одну из цепей ДНК, и РНК-зависимую ДНК-полимеразу, способную также к считыванию информации с РНК (обратная транскрипция).

ДНК-полимеразу считают холоферментом, поскольку для нормального функционирования она требует присутствия ионов магния в качестве кофактора. В отсутствии ионов магния о ней можно говорить как об апоферментe.

ДНК-полимераза начинает репликацию ДНК, связываясь с отрезком цепи нуклеотидов. Среднее количество нуклеотидов, присоединяемое ферментов ДНК-полимеразой за один акт связывания/диссоциации с матрицей, называют процессивностью.

Лигазы относятся к классу ферментов EC 6.

Праймаза—фермент, обладающий РНК-полимеразной активностью; служит для образования РНК-праймеров, необходимых для инициации синтеза ДНК в точке ori и дальнейшем для синтеза отстающей цепи.

4. Репликация у прокариотов и эукариотов

Комплементарность азотистых оснований в молекуле ДНК составляет главную сущность молекулярных основ наследственности и позволяет понять, как при делении клетки синтезируются тождественные молекулы ДНК.

Перед каждым удвоением хромосом и делением клетки происходит репликация (удвоение) ДНК. Репликацией называют процесс самокопирование молекулы ДНК с соблюдением порядка чередования нуклеотидов, присущего материнским комплементарным нитям.

Спиралевидная двухцепочная ДНК сначала расплетается (раскручивается) вдоль оси, водородные связи между азотистыми основаниями рвутся и цепи расходятся. Затем, к каждой цепи пристраиваются комплементарные азотистые основания и образуются две новые дочерние молекулы ДНК. Такой способ удвоения молекул, при котором каждая дочерняя молекула содержит одну материнскую и одну вновь синтезированную цепь, называют полуконсервативным.

Процесс реплдикации осуществляется с помощью ферментов, которые получили название ДНК-полимераз. Участок молекулы ДНК, в котором начали расплетаться комплементные нити, называется вилкой репликации. Она образуется у прокариот в определенной генетически детерминированной точке. В молекуле ДНК у эукариот таких точек инициации репликации («стартовых точек») бывает несколько. У эукариот процесс репликации ДНК идет неодинаково. Объясняется это тем, что полинуклеотидные цепи в молекуле ДНК антипараллельны, т. е. 5′-конец одной цепи соединяется с 3′-концом другой, и наоборот. Материнская цепь, на которой синтез идет от точки старта 5′->3′ в виде сплошной линии, называется лидирующей, а вторая цепь, на которой синтез идет от 3′->5′ (в противоположном направлении) отдельными фрагментами получила название запаздывающей. Синтез этой цепи сложнее синтеза лидирующей цепи. Он протекает с участием фермента лигазы отдельными фрагментами. Эти фрагменты (участки кодовой нити ДНК) содержат у эукариот 100-200, а у прокариот 1000-2000 нуклеотидов. Они получили название фрагментов Оказаки, по имени открывшего их японского ученого.

Углеводно-фосфатный остов по всей длине во всех молекулах ДНК имеет однотипную структуру и не несет генетической информации. Наследственная информация зашифрована различной последовательностью оснований. А если последовательность оснований определяет характер белков собаки, коровы, бактерии, вируса и т. д., то соответственная наследственность может передаваться из поколения в поколение.

репликация фермент матричный

Суть репликации ДНК заключается в том, что специальный фермент разрывает слабые водородные связи, которые соединяют между собой нуклеотиды двух цепей. В результате цепи ДНК разъединяются, и из каждой цепи «торчат» свободные азотистые основания.

Нужно отметить, что существует ряд объектов, репликация которых проходит по несколько иному механизму, чем было описано выше. Так, например, кольцевая ДНК митохондрий и хлоропластов реплицируется с образованием D-петель (сначала начинает реплицироваться одна цепь, в результате чего образуется структура в форме D, а после репликации более половины первой нити, начинает синтезироваться вторая); ряд плазмид и ДНК некоторых вирусов реплицируется по типу катящегося кольца и т.п. Однако принципиальная схема репликации для всех биологических объектов остаётся одной и той же.

1. Степт Г., Кэлиндар Р. Молекулярная генетика, пер. с англ. 1981

2. М. Сингер, П. Берг, Гены и геномы. 1998

3. Фаворова О.О. Сохранение ДНК в ряду поколений: Репликация ДНК. 1996

4. Ратнер В.А. Принципы организации и механизмы молекулярно-генетических процессов

Источник

Репликация ДНК и транскрипция могут иметь общее происхождение

Рис. 1. Строение основных структурных мотивов, образующих активный центр ДНК- и РНК-полимераз. A — мотив двойной ψβ-бочонок (DPBB), B — мотив RRM, C — активный центр ДНК-полимераз семейства PolC. Голубыми стрелками обозначены β-листы, красными цилиндрами — α-спирали. Рисунок из обсуждаемой статьи в BMC Biology

Происхождение важнейшего молекулярно-биологического процесса, лежащего в основе размножения любой живой клетки, — репликации ДНК — окутано тайной. Дело в том, что ферменты, обеспечивающие удвоение цепочек ДНК — ДНК-полимеразы — у организмов из трех доменов жизни (архей, бактерий и эукариот) неродственны друг другу. Недавно группа исследователей во главе с Евгением Куниным предложила изящную гипотезу возникновения репликационного аппарата, согласующуюся с известными данными о сходстве и различиях ДНК-полимераз у архей, бактерий и эукариот. Ученые считают, что ДНК-полимеразы и РНК-полимеразы (ферменты, осуществляющие транскрипцию) произошли от одного предкового белка, который функционировал, как РНК-зависимая РНК-полимераза — синтезировал комплементарную РНК на матрице РНК.

Существует великое множество гипотез происхождения жизни на Земле, и многие из них сходятся на том, что в определенный период на земле существовал некий гипотетический организм, от которого произошли все ныне живущие клеточные формы жизни — последний универсальный общий предок, или LUCA (от англ. Last Universal Common Ancestor; подробнее о том, каким мог быть LUCA и почему большинство ученых уверены в его существовании, читайте в новости Формальные статистические тесты подтверждают происхождение всех живых организмов от единого предка, «Элементы», 19.05.2010).

Если все формы жизни происходят от одного общего предка, то кажется разумным, что ферменты, обеспечивающие протекание базовых биологических процессов, общих для всего живого, должны быть очень близки у всех современных организмов. В самом деле, белки, участвующие в транскрипции, трансляции и ключевых метаболических процессах вроде синтеза нуклеотидов, крайне консервативны и очень близки даже у эволюционно далеких групп организмов (в частности, — у кишечной палочки и у человека).

Однако есть одно странное исключение, которое, на первый взгляд, ставит под сомнение если не существование LUCA, то, как минимум, наличие у него генома в виде молекулы ДНК — репликация ДНК. Дело в том, что ферменты ДНК-полимеразы, которые катализируют присоединение новых дезоксирибонуклеотидов, комплементарных матричной цепи ДНК, у представителей трех доменов клеточных форм жизни — бактерий, архей и эукариот — неродственны друг другу. Как же так получилось, что такой важнейший для любой клетки процесс как репликация ДНК у трех доменов жизни катализируют совершенно разные белки? Недавно группа ученых во главе с Евгением Куниным (Eugene V. Koonin) предложила новый изящный сценарий возможного происхождения репликации ДНК. Но прежде чем приступить к его обсуждению, давайте рассмотрим, какие вообще бывают ДНК-полимеразы.

ДНК-полимеразы бактерий, архей и эукариот относятся к трем разным белковым семействам и различаются друг от друга, прежде всего, организацией активного центра, который и катализирует присоединение новых нуклеотидов к растущей комплементарной цепи ДНК.

У эукариот, архей из типа Crenarchaeota и многих крупных ДНК-содержащих вирусов основная ДНК-полимераза, задействованная в репликации, относится к семейству полимераз B (PolB). Полимеразы из семейства PolB есть у некоторых бактерий и архей, не относящихся к Crenarchaeota, но у них она участвует не в репликации, а в репарации, восстанавливая бреши в поврежденных цепях ДНК. Ферменты PolB объединяет одинаковое устройство каталитического домена: его основу составляет мотив под названием RRM-ладонь (RNA recognition motif) (рис. 1, B). «Ладонью» (англ. palm) принято называть домен ДНК-полимеразы, который катализирует присоединение нового нуклеотида к цепочке (домен под названием «палец» (finger) обеспечивает образование комплементарных связей между новоприсоединенным доменом и матричной цепью, а домен «большой палец» (thumb) нужен для эффективного перемещения фермента по матричной цепи; подробнее см., например, T. A. Steitz, 1999. DNA Polymerases: Structural Diversity and Common Mechanisms). Домены получили свои говорящие названия из-за сходства их расположения друг относительно друга с расположением пальцев и ладони кисти руки.

Примечательно, что очень похожую структуру с мотивом RRM имеет каталитический центр ферментов из числа обратных транскриптаз, которые синтезируют ДНК на матрице РНК, и вирусных РНК-зависимых РНК-полимераз, которые синтезируют РНК на матрице РНК. Кроме того, активный центр на основе мотива RRM-ладонь имеют праймазы — ферменты, синтезирующие РНК-затравки в начале удвоения ДНК у архей, эукариот и вирусов, геном которых представлен двуцепочечной ДНК. Производное мотива RRM-ладонь имеется у полимераз семейства PolA. Эти полимеразы задействованы в репаративном синтезе ДНК у бактерий и являются главным репликативным ферментом у некоторых фагов, а также в митохондриях растений и грибов.

У архей, за исключением представителей типа Crenarchaeota и некоторых других видов, основная репликативная ДНК-полимераза относится к семейству полимераз D (PolD). Каталитический центр PolD образован двумя структурными мотивами, известными как двойной ψβ-бочонок (DPBB, от англ. Double Psi Beta Barrel). Два мотива DPBB составляют основу активного центра основного фермента транскрипции — РНК-полимеразы — у большинства форм жизни: бактерий, архей, многих ДНК-вирусов (рис. 1, A).

Бактериальная репликативная ДНК-полимераза принадлежит к семейству полимераз C (PolC). Каталитический центр имеет PolC иную структуру, чем PolB. Его основу составляет структурный мотив, известный как Polβ-подобная нуклеотидилтрансфераза (рис. 1, C). За пределами домена бактерий PolC практически не известны: исключение составляют несколько плохо изученных бактериофагов. Редкость полимераз PolC среди фагов, вероятно, свидетельствует о том, что PolC попали к вирусам от бактерий относительно недавно и не успели широко распространиться.

Как вы, наверное, уже заметили, различные семейства ДНК-полимераз существенно ближе к некоторым РНК-полимеразам, чем друг к другу. Долгое время ученые полагали, что репликация ДНК в ходе эволюции возникала несколько раз. Некоторые даже придерживались мнения, что геном LUCA был представлен молекулой РНК, поэтому и механизм репликации ДНК организмы из разных доменов «изобретали» независимо друг от друга.

В последние годы благодаря развитию метагеномики, позволяющей получать последовательности геномов микроорганизмов и вирусов прямо из образцов окружающей среды без культивации в лаборатории, базы данных пополнились последовательностями ДНК-полимераз множества новых организмов. Теперь уже стало возможным проследить определенные закономерности эволюции ДНК-полимераз, сравнивая последовательности миллионов генов, кодирующих ДНК-полимеразы у самых разных организмов. Кроме того, многие ДНК-полимеразы микроорганизмов и вирусов ученые сумели закристаллизовать и далее получить их пространственные структуры. Ученые из группы Кунина проанализировали новые данные о сходстве ДНК- и РНК-полимераз различных организмов и на их основании разработали вероятный сценарий возникновения и эволюции репликации ДНК.

Исследователи полагают, что наличие РНК-полимераз с двумя мотивами DPBB (являющихся основными ферментами транскрипции) у всех доменов жизни свидетельствует о том, что РНК-полимераза такого же устройства имелась еще у LUCA. Примечательно, что, хотя современные РНК-полимеразы с двумя мотивами DPBB обычно функционируют как ДНК-зависимые ферменты, при некоторых условиях они могут синтезировать РНК на матрице РНК. Например, растительные инфекционные агенты вироиды, имеющие мелкие РНК-геномы, заставляют РНК-полимеразу II растений функционировать как РНК-зависимую РНК-полимеразу, хотя как таковые РНК-зависимые РНК-полимеразы имеются только у РНК-содержащих вирусов. Ученые заключили, что предковая полимераза, содержащая мотив DPBB, появилась еще до того, как ДНК стала основной формой хранения генетической информации, и была РНК-зависимой РНК-полимеразой. Сам мотив DPBB, вероятно, первоначально служил вспомогательным, лишенным каталитической активности РНК-связывающим доменом, а роль РНК-зависимой РНК-полимеразы выполнял рибозим. Однако белок, содержащий не один, а два мотива DPBB в результате удвоения соответствующего участка гена, уже сам обладал полимеразной активностью и постепенно вытеснил менее эффективный рибозим, став настоящей РНК-зависимой РНК-полимеразой.

Рис. 2. Предлагаемый сценарий ранней эволюции и происхождения репликации ДНК и транскрипции. A — эволюция клеточных (вверху) и вирусных (внизу) полимераз с мотивами DPBB и RRM соответственно. Первые ДНК-полимеразы с упомянутыми мотивами, вероятно, появились в древних протоклетках еще до возникновения LUCA. Клетки и вирусы обменивались полимеразами с мотивом DPBB в обоих направлениях. B — схема эволюции репликации ДНК в трех доменах жизни. Различные белковые домены и субъединицы показаны разными цветами и фигурами. Мотив DPBB отмечен тройными решетками, а RRM — стрелками. RdRp — РНК-зависимая РНК-полимераза, RT — обратная транскриптаза, DP1 — малая субъединица полимеразы PolD с экзонуклеазной активностью, DP2 — большая субъединица полимеразы PolD с ДНК-полимеразной активностью. Рисунок из обсуждаемой статьи в BMC Biology

Появление клеток, геном которых представлен ДНК, сопровождалось разделением древней РНК-зависимой РНК-полимеразы с двумя мотивами DPBB на две эволюционные ветви: первая ветвь была родственна современным PolD архей и включала ДНК-зависимые ДНК-полимеразы, а вторую ветвь образовались РНК-полимеразы, «научившиеся» использовать ДНК в качестве матрицы и ставшие первыми ферментами, осуществляющими транскрипцию. Появление репликативных ДНК-зависимых ДНК-полимераз сопровождалось присоединением к DPBB-полимеразе нескольких дополнительных доменов, облегчающих взаимодействие с ДНК, в частности, доменов, содержащих ДНК-связывающие мотивы типа цинковые пальцы. Авторы гипотезы полагают, что у LUCA имелась репликационная ДНК-полимераза именно такого типа (то есть содержащая мотив DPBB и входящая в семейство PolD), а из современных организмов ее сохранили большинство архей.

Когда уже после LUCA произошло разделение клеточной жизни на архей и бактерий (эукариоты, по современным представлениям, являются обособленной группой архей, см. Новооткрытый микроб заполняет брешь между прокариотами и эукариотами, «Элементы», 12.05.2015), у бактерий DPBB-содержащая ДНК-полимераза была вытеснена ДНК-полимеразой семейства PolC, которая произошла от древней нуклеотидилтрансферазы семейства Polβ.

Поскольку мотив RRM очень консервативный и древний (он появился, вероятно, еще в эпоху РНК-мира), полимеразы семейства PolB, основу каталитического центра которых составляет RRM, возможно, появились у мобильных генетических элементов и вирусов, паразитировавших на древних протоклетках еще до возникновения LUCA. В частности, возможным предком PolB является обратная транскриптаза первых ретротранспозонов. У архей ДНК-полимеразы семейства PolB появлялись несколько раз, вероятно, благодаря заимствованиям у вирусов, у которых ферменты этой группы широко распространены. Появление полимераз PolB у бактерий также, по всей видимости, связано с заимствованием этого фермента у вирусов. У эукариот полимеразы PolB тоже появились благодаря вирусам, причем впоследствии эукариотические ДНК-полимеразы PolD, сохранившиеся от предков-архей, были полностью вытеснены PolB.

Происхождение полимераз PolA, содержащих мотив RRM и отличающихся высокой консервативностью, вызывает много вопросов. Возможно, PolA впервые появились у вирусов из предковой RRM-полимеразы, а затем были перенесены бактериям. Примечательно, что подобный сценарий был реализован у митохондрий, у которых PolA служит главным репликативным ферментом: вероятнее всего, митохондрии получили PolA от фагов. Таким образом, заимствование клеткой вирусных ферментов, которые по эффективности зачастую превосходят клеточные аналоги, происходило несколько раз в ходе эволюции репликации ДНК.

Таким образом, согласно новой гипотезе Кунина и соавторов, современные ДНК- и РНК-полимеразы произошли от общего белка-предка, который функционировал как РНК-зависимая РНК-полимераза. Существующие возможности молекулярной биологии позволяют, хотя и с большим трудом, реконструировать древние формы РНК- и ДНК-полимераз. И, хотя изложенный выше сценарий в значительной степени остается гипотетическим, реконструкция предковых полимераз может позволить проверить его экспериментально.

Источник: Eugene V. Koonin, Mart Krupovic, Sonoko Ishino & Yoshizumi Ishino. The replication machinery of LUCA: common origin of DNA replication and transcription // BMC Biology. 2020. DOI: 10.1186/s12915-020-00800-9.

Источник