Wat is DNA-replicatie
DNA, kort voor desoxyribonucleïnezuur, is het zelfreplicerende materiaal dat in bijna alle levende organismen aanwezig is als het hoofdbestanddeel van chromosomen. Het is de fundamentele drager van genetische informatie, aanwezig in vrijwel elke cel in uw lichaam.
Double-helix DNA is opgebouwd uit twee asymmetrische strengen. Elke streng bestaat uit nucleotiden die achter elkaar liggen, en deze nucleotiden zijn gebonden aan overeenkomstige nucleotiden op de andere streng om een ladderachtige structuur te creëren. DNA is opgebouwd uit vier nucleotiden – de bouwstenen van nucleïnezuren – die zijn samengesteld uit een stikstofhoudende base, een vijf-koolstof suiker (ribose of deoxyribose), en ten minste één fosfaatgroep.
Adenine (A), Thymine (T), Guanine (G), en Cytosine (C) worden nucleotiden genoemd. A en G worden Purines genoemd, terwijl T en C Pyrimidines worden genoemd. Volgens de regels van basenparing paart A altijd met T, en C altijd met G.
Voordat een cel zich vermenigvuldigt of deelt, via mitose of meiose, moet DNA worden gerepliceerd om ervoor te zorgen dat elke nieuwe cel het juiste aantal chromosomen krijgt. Dit proces vindt plaats in alle levende organismen en vormt de basis voor biologische overerving.
DNA-replicatie vindt plaats in verschillende stappen waarbij meerdere eiwitten betrokken zijn, replicatie-enzymen genaamd, en ook RNA. DNA-replicatie is van vitaal belang voor celgroei, reparatie en voortplanting in organismen.
DNA-replicatiestappen
Er zijn drie hoofdstappen in de DNA-replicatie: initiatie, elongatie en terminatie.
Om in de celkern te passen, is DNA ingepakt in strak opgerolde structuren, chromatine genaamd, dat vóór de replicatie wordt losgemaakt, zodat de replicatiemachine van de cel toegang krijgt tot de DNA-strengen.
Voordat de DNA-replicatie kan beginnen, moet de dubbele helixstructuur van de DNA-moleculen worden ‘opengeritst’. Helicase, een enzym, is een integraal onderdeel van dit proces en verbreekt de waterstofbruggen die de complementaire basen van het DNA bij elkaar houden (A met T en C met G). Door de scheiding ontstaat een ‘Y’-vorm die een replicatievork wordt genoemd en de twee enkelstrengen DNA fungeren nu als sjablonen voor het maken van nieuwe DNA-strengen.
Daarna bindt het Single-Stranded DNA Binding Protein (SSB-eiwit) zich aan het nu enkelstrengs DNA, waardoor wordt voorkomen dat de scheidende strengen zich weer met elkaar verbinden.
De twee strengen van de dubbelhelix DNA worden met elkaar verbonden door kruisende strengen, die in elkaar zijn gedraaid. Om dit te laten werken, loopt elke DNA-streng in tegengestelde richting.
Een van de strengen is georiënteerd in de 3′ naar 5′ richting (naar de replicatievork toe), dit is de leidende streng. De andere streng is georiënteerd in de 5′-3′-richting (weg van de replicatievork), dit is de achterblijvende streng.
Omdat het enzym dat de replicatie uitvoert, DNA-polymerase, alleen in de 5′-3′-richting werkt, betekent dit dat de dochterstrengen zich op verschillende manieren synthetiseren: de ene voegt nucleotiden één voor één toe in de richting van de replicatievork, de andere kan alleen in brokjes nucleotiden toevoegen. De eerste streng, die nucleotiden één voor één vermeerdert, is de leidende streng; de andere streng, die in brokjes vermeerdert, is de achterblijvende streng.
De notaties 5′ en 3′ betekenen “vijf priem” en “drie priem”, die de koolstofgetallen in de suikerruggengraat van het DNA aangeven. Deze getallen geven de chemische oriëntatie aan, waarbij de getallen 5 en 3 respectievelijk het vijfde en derde koolstofatoom van de suikerring voorstellen. Aan de 5′ koolstof zit een fosfaatgroep vast en aan de 3′ koolstof een hydroxylgroep (-OH). Het is deze asymmetrie die een DNA-streng een “richting” geeft, waardoor een gemakkelijke binding tussen nucleotiden van de tegenovergestelde strengen mogelijk is.
Het is belangrijk op te merken dat de twee zijden door twee verschillende processen worden gerepliceerd om het richtingsverschil op te vangen.
| Leading strand | Lagging Strand |
| Een kort stukje RNA, primer genaamd, dat wordt geproduceerd door een enzym dat primase wordt genoemd, bindt zich aan het uiteinde van de leading strand in de 5′ tot 3′ richting. De primer fungeert als startpunt voor de DNA-synthese.
Enzymen die DNA-polymerasen worden genoemd, genereren nieuwe complementaire nucleotidebasen (de A,C, G, en T) en zijn verantwoordelijk voor het creëren van de nieuwe streng door een proces dat elongatie wordt genoemd. In eukaryote cellen zijn de polymerasen alfa, delta en epsilon de primaire polymerasen die bij de DNA-replicatie betrokken zijn. Dit soort replicatie wordt ‘continu’ genoemd.’ |
De achterblijvende streng begint het replicatieproces door zich op verschillende plaatsen langs de achterblijvende streng te binden aan meerdere RNA-primers, die door het primase-enzym worden gegenereerd.
Brokjes DNA, Okazaki-fragmenten genaamd, worden tussen de primers aan de achterblijvende streng toegevoegd, eveneens in de 5′ tot 3′ richting. Dit type replicatie wordt ‘discontinu’ genoemd, omdat de Okazaki-fragmenten later zullen moeten worden samengevoegd. |
Na de vorming van zowel de continue als de discontinue strengen verwijdert een enzym, exonuclease genaamd, alle RNA-primers uit de oorspronkelijke strengen. De gaten waar de primer(s) zich bevonden, worden vervolgens opgevuld met nog meer complementaire nucleotiden.
Een ander enzym “controleert” de nieuw gevormde strengen om er zeker van te zijn dat er geen fouten zijn.
Het enzym DNA-ligase voegt vervolgens Okazaki-fragmenten samen, waardoor één enkele streng ontstaat.
Een speciaal type DNA-polymerase-enzym, telomerase genaamd, katalyseert de synthese van telomeer-sequenties aan de uiteinden van het DNA. Telomeren zijn regio’s van repeterende nucleotide-sequenties aan elk uiteinde van een chromatide, die het uiteinde van het chromosoom beschermen tegen afbraak of tegen samensmelting met naburige chromosomen. Denk aan schoenveterhoedjes. Telomeren zijn ook een biomarker van veroudering, waarbij telomeren bij elke celdeling korter worden of, met andere woorden, naarmate je ouder wordt. Als de telomeren van een cel korter worden, verliest de cel zijn vermogen om normaal te functioneren. Kortere telomeren maken je vatbaarder voor een aantal ziekten, zoals kanker of hart- en vaatziekten.
Tot slot wentelen de ouderstreng en zijn complementaire DNA-streng zich in de bekende dubbele helixvorm. Het resultaat zijn twee DNA-moleculen die bestaan uit een nieuwe en een oude keten van nucleotiden. Elk van deze twee dochter-helixen is een bijna exacte kopie van de ouder-helix (het is niet 100% hetzelfde als gevolg van mutaties).
Het menselijk genoom – dat wil zeggen de complete set genen aanwezig in de kern van een cel – bestaat uit 3 miljard basenparen. Opmerkelijk is dat onze biologische machinerie maar heel weinig tijd nodig heeft om iets te kopiëren dat zo extreem lang is. Elke cel voltooit het hele proces in slechts een uur!