Hvad er DNA-replikation
DNA, en forkortelse for deoxyribonukleinsyre, er det selvreplikerende materiale, der findes i næsten alle levende organismer som den vigtigste bestanddel af kromosomerne. Det er den grundlæggende bærer af genetisk information og findes i stort set alle celler i din krop.
Dobbelt-helix-DNA består af to asymmetriske strenge. Hver streng består af nukleotider, der er opstillet på række efter hinanden, og disse nukleotider er bundet til tilsvarende nukleotider på den anden streng for at skabe en stige-lignende struktur. DNA består af fire nukleotider – nukleinsyrernes byggesten – som er sammensat af en nitrogenbas, et sukkerstof med fem kulstofatomer (ribose eller deoxyribose) og mindst én fosfatgruppe.
Adenin (A), thymin (T), guanin (G) og cytosin (C) kaldes nukleotider. A og G kaldes puriner, mens T og C kaldes pyrimidiner. Ifølge reglerne for baseparring danner A altid par med T, og C danner altid par med G.
Hvor en celle duplikerer eller deler sig, enten gennem mitose eller meiose, skal DNA replikeres for at sikre, at hver ny celle får det korrekte antal kromosomer. Denne proces forekommer i alle levende organismer og er grundlaget for biologisk arv.
DNA-replikation foregår i flere trin, der involverer flere proteiner kaldet replikationsenzymer, samt RNA. DNA-replikation er afgørende for cellevækst, reparation og reproduktion i organismer.
DNA-replikationstrin
Der er tre hovedtrin ved DNA-replikation: initiering, forlængelse og terminering.
For at passe ind i en cellekerne er DNA pakket ind i tæt sammenrullede strukturer kaldet kromatin, som løsnes før replikationen, så cellernes replikationsmaskineri kan få adgang til DNA-strengene.
Hvor DNA-replikationen kan begynde, skal DNA-molekylernes dobbeltspiralstruktur ‘pakkes op’. Helicase, et enzym, er en integreret del af denne proces, idet det bryder de hydrogenbindinger, der holder de komplementære baser i DNA sammen (A med T og C med G). Adskillelsen skaber en ‘Y’-form kaldet en replikationsgaffel, og de to enkeltstrenge af DNA fungerer nu som skabeloner til fremstilling af nye DNA-strenge.
Næst binder det enkeltstrengede DNA-bindingsprotein (SSB-protein) sig til det nu enkeltstrengede DNA og forhindrer de adskilte strenge i at slutte sig sammen igen.
De to strenge af dobbelt-helix-DNA’et er forbundet med tværstænger, der er snoet rundt. For at dette kan fungere, løber hver DNA-streng i modsat retning.
En af strengene er orienteret i 3′-til-5′-retningen (mod replikationsgaflen), dette er den førende streng. Den anden streng er orienteret i 5′ til 3′-retningen (væk fra replikationsgaflen), dette er den bagudrettede streng.
Da det enzym, der udfører replikationen, DNA-polymerase, kun fungerer i 5′ til 3′-retningen, betyder det, at datterstrengene syntetiseres ved hjælp af forskellige metoder, idet den ene tilføjer nukleotider et efter et i retning af replikationsgaflen, mens den anden kun er i stand til at tilføje nukleotider i klumper. Den første streng, som replikerer nukleotider et for et, er den førende streng; den anden streng, som replikerer i bidder, er den efterslæbende streng.
Notationerne 5′ og 3′ betyder “fem primtal” og “tre primtal”, som angiver kulstofnumrene i DNA’s sukkerrygge. Disse tal angiver den kemiske orientering fra ende til ende, idet tallene 5 og 3 repræsenterer henholdsvis det femte og tredje kulstofatom i sukkerringen. Kulstoffet 5′ har en fosfatgruppe knyttet til sig, og kulstoffet 3′ har en hydroxylgruppe (-OH). Det er denne asymmetri, der giver en DNA-streng en “retning” og muliggør en nem binding mellem nukleotider fra de modsatte strenge.
Det er vigtigt at bemærke, at de to sider replikeres gennem to forskellige processer for at imødekomme den retningsmæssige forskel.
| Ledende streng | Laggende streng |
| Et kort stykke RNA kaldet en primer, der produceres af et enzym kaldet primase, binder sig til enden af den ledende streng i 5′- til 3′-retningen. Primeren fungerer som startpunkt for DNA-syntesen.
Enzymer kaldet DNA-polymeraser genererer nye komplementære nukleotidbaser (A,C,G og T) og er ansvarlige for at skabe den nye streng ved en proces kaldet elongation. I eukaryote celler er polymeraser alfa, delta og epsilon de primære polymeraser, der er involveret i DNA-replikation. Denne form for replikation kaldes “kontinuerlig.” |
Den efterslæbende streng begynder replikationsprocessen ved at binde sig til flere RNA-primere, tgenereret af primaseenzymet, på forskellige punkter langs den efterslæbende streng.
DNA-stumper, kaldet Okazaki-fragmenter, føjes til den efterslæbende streng mellem primerne, også i 5′-til-3′-retningen. Denne type replikation kaldes “diskontinuerlig”, da Okazaki-fragmenterne senere skal samles. |
Efter dannelsen af både den kontinuerlige og den diskontinuerte streng fjerner et enzym, kaldet exonuklease, alle RNA-primere fra de oprindelige strenge. De huller, hvor primeren(erne) havde været, udfyldes derefter af endnu flere komplementære nukleotider.
Et andet enzym “korrekturlæser” de nyligt dannede strenge for at sikre, at der ikke er fejl.
Enzymet DNA-ligase sammenføjer derefter Okazaki-fragmenterne og danner en enkelt samlet streng.
En særlig type DNA-polymeraseenzym, kaldet telomerase, katalyserer syntesen af telomersekvenser i enderne af DNA’et. Telomerer er områder med gentagne nukleotidsekvenser i hver ende af en kromatid, som beskytter kromosomets ende mod nedbrydning eller mod fusion med nabokromosomer. Tænk på snørebåndshætter. Telomerer er også en biomarkør for aldring, idet telomerer forkortes ved hver celledeling, eller med andre ord, når man bliver ældre. Efterhånden som en celles telomerer forkortes, mister den sin evne til at fungere normalt. Dybest set gør kortere telomerer dig mere modtagelig over for en række sygdomme som f.eks. kræft og hjerte-kar-sygdomme.
Sluttelig vikler moderstrengen og dens komplementære DNA-streng sig ind i den velkendte dobbeltspiralform. Resultatet er to DNA-molekyler, der består af en ny og en gammel kæde af nukleotider. Hver af disse to datterhelixer er en næsten nøjagtig kopi af forældrehelixen (den er ikke 100 % den samme på grund af mutationer).
Det menneskelige genom – dvs. det komplette sæt af gener, der findes i en cellekerne – består af 3 milliarder basepar. Det er bemærkelsesværdigt, at det tager meget kort tid for vores biologiske maskineri at kopiere noget så overordentligt langt. Hver celle gennemfører hele processen på kun en time!