Informace

Jsou z informačního pohledu nutná obě vlákna DNA?


Učím se o genetickém kódu, replikaci a transkripci a mám otázku, zda jsou obě vlákna DNA skutečně „nezbytná“.

Při replikaci na vysoké úrovni odebíráme 2 vlákna DNA a vytváříme 4 z nich. Část mé otázky zní: Předpokládejme hypoteticky, že genom sestával pouze z jednoho vlákna (místo dvojité šroubovice), nemohla by replikace probíhat stejně dobře tak, že se 1 řetězec změní na 2 (místo 2 na 4)? Předpokládám, že by to mohlo být provedeno využitím výhod komplementárního párování bází jako obvykle a poté rozdělením dvou vláken?

V transkripci se domnívám, že RNA polymerázou je přečteno pouze jedno vlákno genu, takže si nemyslím, že druhé vlákno je zde „nutné“.

Může mi to někdo osvětlit? Uvědomuji si, že je to docela spekulativní a DNA je tím, čím je, a dělá, co dělá. ale myslím, že tento druh otázky mi umožní nahlédnout hlouběji do jemnějších funkcí prsou.


Z přísně informace teoretické perspektiva, ne, druhý řetězec neposkytuje žádné další informace, které nelze odvodit z komplementárního vlákna. Ale jak poukázalo mnoho komentářů, existuje mnoho praktický důvody dvojvlákna DNA.

  • DNA je ve dvouvláknovém stavu biochemicky stabilnější.
  • Redundance dvou řetězců umožňuje mechanismy údržby a oprav zajišťující integritu genomu.
  • Proteiny, které se vážou na DNA, mohou rozeznat pouze sekvenci tohoto vlákna, takže přestože komplementární vlákno lze vždy rekonstruovat z primárního vlákna, proteiny vázající DNA nemohou cílit na toto komplementární vlákno, pokud fyzicky neexistuje. V některých případech DNA vazebné místo zahrnuje obě vlákna současně.
  • Proteiny (jako jsou polymerázy) procházejí DNA ve směru 5 'až 3', takže pokud by byla požadována informace z komplementárního řetězce, musela by být čtena "zpět".

Ačkoli název odkazuje pouze na „informační perspektivu“, samotná otázka přináší procesy replikace a transkripce. Není zcela jasné, zda plakát předpokládá „piggybacking“ na existujících DNA- a RNA polymerázách, které fungují na dvouvláknové DNA (dsDNA), nebo zda předpokládá zcela odlišné enzymy. Zvážím, jak existence jednovláknových virů DNA a RNA umožňuje tvrdit, že oba scénáře jsou teoreticky možné.

Moje odpověď na otázku, tedy jako na @DanielStandage, je Ne.

Jednovláknové genomy spoléhající se na dvouvláknovou replikační formu

Existuje mnoho virů, ve kterých je genom zabalený ve virionu jednovláknová DNA (ssDNA). Replikace probíhá pomocí virově kódovaných nebo hostitelem kódovaných DNA polymeráz, často procházejících dvouvláknovým replikativním meziproduktem (viz však další část). K transkripci obvykle dochází za použití nukleární hostitelské DNA polymerázy závislé na RNA působící na dsDNA.

Aby byly všechny informace pro transkripci a translaci na jednom řetězci v nekryptické formě, všechny geny by musely mít stejnou orientaci, aby měly kodony všech přepsaných jednovláknových mRNA smysl. Zdá se, že neexistuje žádný důvod, proč by tomu tak nemělo být, i když v praxi většina genomů DNA, o kterých jsem si vědom, má geny v obou orientacích. Virus top banana buchy top má však genom složený ze šesti jednotlivých ssDNA, z nichž každý má zjevně jeden gen.

Jednovláknové genomy bez dvojvláknové replikační formy

Mechanismus replikace DNA s kruhovým kruhem zahrnuje generování jednovláknové formy bez dvouvláknového replikativního meziproduktu, a přestože jsou nejlépe charakterizovanými příklady dsDNA viry, vrchní virus ssDNA banánovníku se replikuje stejným mechanismem. Pokud přemýšlíme o tom, co by bylo možné v lineárních genomech ssDNA extrapolací z toho, co existuje v lineárních ssRNA virech, není těžké si představit replikační mechanismy zahrnující produkci mnoha kopií ssDNA opačného smyslu, než je jedna kopie šablony ssDNA . Replikace tedy není problém s ssDNA polymerázami závislými na ssDNA analogickými s existujícími virovými RNA-dependentními RNA polymerázami. Pro transkripci by se zdálo logičtější udělat další krok ssRNA polymerázy ssRNA závislé na ssDNA, než „mutovat“ existující RNA polymerázy závislé na dsDNA.

Proč se obtěžovat?

Jelikož věci nefungují tímto způsobem, může se zdát, že je ztráta času o nich diskutovat. Nicméně:

  1. Plakát je ujištěn, že jeho úvahy jsou - v zásadě - správné.
  2. Plakát a čtenář jsou informováni o rozmanitostech virových genomů a replikačních strategiích, o kterých dříve možná nevěděl.
  3. Odpověď poskytuje námět k zamyšlení ve vztahu k myšlence, že svět, ve kterém buněčné organismy měly genomy RNA, předcházel současnému, ve kterém mají genomy DNA.

Poslední slovo o informacích

Způsob, jakým je otázka položena, se týká informací jako lineárních sekvencí nukleotidů v DNA, konkrétně kodonů. To může být rozšířeno na další signály, jako jsou startovací místa transkripce, sestřihová místa, polyadenylační/štěpná místa atd. Je však také možné pojmout trojrozměrné informace. Ačkoli jsou ssDNA možné trojrozměrné struktury, některé. např. křížová DNA vyžaduje dsDNA.


Bližší pohled nabízí vodítka k tomu, jak jsou řetězce DNA během replikace odděleny

Boční pohled na dvojitý hexamerní prstencový komplex naskládaný na N-koncovém konci zkrouceným a nakloněným způsobem. Uznání: Division of Life Science, HKUST

(Phys.org)-Tým výzkumníků pracujících v Číně použil nově vyvinutou technologii kryo elektronů, aby se blíže podíval na mechanismus, který zahrnuje oddělení řetězců DNA nezbytných pro přirozenou replikaci DNA. Ve svém článku publikovaném v časopise Příroda, tým popisuje jejich studii, čeho byli schopni pozorovat a jejich teorii o tom, jak separace ve skutečnosti probíhá. Mathew Bochman z Indiana University a Anthony Schwacha z University of Pittsburgh nabízejí článek News & Views o práci, kterou tým vykonal ve stejném vydání deníku.

Aby mohla být DNA replikována přirozeně, musí být obě vlákna, která tvoří její dvojitou šroubovici, oddělena - jak k tomuto procesu dochází, bylo předmětem mnoha debat. V rámci tohoto nového úsilí byli vědci schopni získat dosud nejbližší pohled na zapojené komponenty, což jim umožnilo nabídnout teorii procesu.

Pod novým mikroskopem byli vědci schopni vidět strukturu helikázového enzymu Mcm2–7, o kterém předchozí výzkum naznačoval, že je hlavním hráčem při oddělování řetězců DNA (nějakým způsobem se váže na jedno nebo druhé vlákno). Struktury byly hexamery ve tvaru koblihy, z nichž dva se spojily a vytvořily jeden odsazení jednotky a vzájemně se nakláněly pod úhlem 14 °. Řetězce DNA by prošly oběma otvory skrz centrální kanál, poznamenal tým a poskytl základ, který věří, že oddělují dvě vlákna. Vzhledem k tomu, že vědci nebyli schopni sledovat, jak se šroubovice štěpí, nechali je kvalifikovaně odhadnout, jak hexamery svou práci odvedly. Domnívají se, že tání probíhá spíše než odvíjení a že k němu dochází v důsledku úhlu mezi hexamery - zúžení kanálu v kombinaci s úhlem způsobuje podle nich zauzlení v řetězcích DNA, které podle nich zahajují tavení vazby mezi prameny, což jim umožňuje oddělit se.

Vkládací smyčka šroubovice 2 (H2I) a Beta otáčky přispívající každou podjednotkou tvoří zúžené body, které by mohly znehybnit DNA Kredit: Division of Life Science, HKUST

Pokud jde o to, jak samotné tavení funguje, Bochman a Schwacha poznamenávají, že předchozí práce ukázaly, že antigen SV40 byl viděn jako pumpa - domnívají se, že hexamery mohou fungovat podobným způsobem a poznamenávají také, že jedinečné zarovnání hexamerů umožňuje dva výstupní kanály - jeden pro každý z oddělených vláken.

Axiálně odstupňované zatáčky poskytují těsné přizpůsobení šroubovicové DNA. Zápočet: Divison of Life Science, HKUST

Abstraktní
Replikace DNA v eukaryotech je přísně regulována několika mechanismy. Ústředním krokem v této replikaci je sestavení komplexu helikázy heterohexamerního minichromozomového udržování (MCM2–7) na počátku replikace během fáze G1 jako neaktivní dvojitý hexamer. Zde pomocí kryo-elektronové mikroskopie hlásíme téměř atomovou strukturu dvojitého hexameru MCM2–7 purifikovaného z kvasinkového chromatinu G1. Naše struktura ukazuje, že dva jednoduché hexamery, uspořádané nakloněně a zkrouceně prostřednictvím interdigitovaných interakcí amino-terminální domény, tvoří zalomený centrální kanál. Čtyři zúžené prstence skládající se z konzervovaných vnitřních p-vlásenek ze dvou jednoduchých hexamerů vytvářejí úzký průchod, který těsně zapadá do duplexní DNA. Tento úzký průchod, zesílený ofsetem dvou jednoduchých hexamerů na rozhraní dvojitého hexameru, je lemován dvěma páry podjednotek tvořících bránu, MCM2 a MCM5. Tyto neobvyklé vlastnosti zkroucených a nakloněných jednoduchých hexamerů naznačují společný mechanismus pro tavení původní DNA, který vyžaduje strukturální deformaci zasahující DNA.


Struktura nukleových kyselin

Nukleové kyseliny jsou klíčovými makromolekulami v kontinuitě života. Nesou genetický plán buňky a nesou pokyny pro fungování buňky.

Obrázek 2. Nukleotid se skládá ze tří složek: dusíkaté báze, pentózového cukru a fosfátové skupiny.

Dva hlavní typy nukleových kyselin jsou deoxyribonukleová kyselina (DNA) a ribonukleová kyselina (RNA). DNA je genetický materiál nacházející se ve všech živých organismech, od jednobuněčných bakterií po mnohobuněčné savce.

Druhý typ nukleové kyseliny, RNA, se většinou podílí na syntéze proteinů. Molekuly DNA nikdy neopouštějí jádro, ale místo toho používají ke komunikaci se zbytkem buňky prostředník RNA. Na syntéze proteinů a jejich regulaci se podílejí i další typy RNA.

DNA a RNA se skládají z monomerů známých jako nukleotidy. Nukleotidy se navzájem kombinují a vytvářejí polynukleotid, DNA nebo RNA. Každý nukleotid se skládá ze tří složek: dusíkaté báze, pentózového (pět uhlíkového) cukru a fosfátové skupiny (obrázek 2). Každá dusíkatá báze v nukleotidu je připojena k molekule cukru, která je připojena k fosfátové skupině. Nukleotidy se spojují fosfodiesterovými vazbami za vzniku polynukleotidu.

Dvoušroubovicová struktura DNA

Obrázek 3. Model s dvojitou šroubovicí ukazuje DNA jako dvě paralelní vlákna proplétajících se molekul. (kredit: Jerome Walker, Dennis Myts)

DNA má dvojšroubovicovou strukturu (obrázek 3). Skládá se ze dvou vláken nebo polymerů nukleotidů. Vlákna jsou tvořena kovalentními vazbami mezi fosfátovými a cukrovými skupinami sousedních nukleotidů.

Tyto dva prameny jsou navzájem spojeny na svých základnách vodíkovými vazbami a prameny se navzájem ovíjejí po celé délce, proto pochází popis „dvojité šroubovice“, což znamená dvojitou spirálu.

Střídající se skupiny cukru a fosfátu leží na vnější straně každého vlákna a tvoří páteř DNA. Dusíkaté báze jsou naskládány v interiéru, jako schody schodiště, a tyto báze spárují páry, které jsou navzájem spojeny vodíkovými vazbami. Báze se párují takovým způsobem, že vzdálenost mezi páteři obou řetězců je po celé molekule stejná.


Meselson a Stahl

Meselson a Stahl měli zájem pochopit, jak se replikuje DNA. Vyrostly E-coli po několik generací v médiu obsahujícím & ldquoheavy & rdquo izotop dusíku (15 N), který je začleněn do dusíkatých bází a případně do DNA. The E. colikultura byla poté přesunuta do média obsahujícího běžný izotop dusíku (14 N) a ponechána růst po jednu generaci. Buňky byly sklizeny a DNA byla izolována. DNA byla centrifugována vysokými rychlostmi v ultracentrifugě v zkumavce, ve které byl stanoven gradient hustoty chloridu česného. Některé buňky se nechaly růst ještě jeden životní cyklus ve 14 N a znovu se točily.

Postava: Meselson a Stahl: Meselson a Stahl experimentovali s E. coli pěstovanými nejprve v těžkém dusíku (15 N), poté v lehčím dusíku (14 N.) DNA pěstovaná v 15 N (červený pruh) je těžší než DNA pěstovaná v 14 N (oranžový pruh) a sedimentech na nižší úroveň v gradientu hustoty chloridu česného v ultracentrifugě. Když se DNA pěstovaná v 15 N přepne na médium obsahující 14 N, po jednom kole buněčného dělení DNA sedimentuje na půli cesty mezi úrovněmi 15 N a 14 N, což naznačuje, že nyní obsahuje padesát procent 14 N a padesát procent 15 N. následné buněčné dělení, rostoucí množství DNA obsahuje pouze 14 N. Tato data podporují semi-konzervativní replikační model.

Během ultracentrifugace s hustotním gradientem byla DNA nanesena do gradientu (Meselson a Stahl použili gradient soli chloridu česného, ​​i když k vytvoření gradientu lze použít i jiné materiály, jako je sacharóza) a odstředila se vysokou rychlostí 50 000 až 60 000 ot / min. . V ultracentrifugační zkumavce vytvořila sůl chloridu česného hustotní gradient, přičemž roztok chloridu cesného byl hustší, čím dále po trubici jste šli. Za těchto okolností byla DNA během odstřeďování stažena ultracentrifugační zkumavkou odstředivou silou, dokud se nedostala na místo v solném gradientu, kde se molekuly DNA a hustota rsquo shodovaly s hustotou okolního solného roztoku. V tu chvíli molekuly přestaly sedimentovat a vytvořily stabilní pás. Když se podíváte na relativní polohy pásů molekul probíhajících ve stejných gradientech, můžete určit relativní hustoty různých molekul. Molekuly, které tvoří nejnižší pásy, mají nejvyšší hustotu.

DNA z buněk pěstovaných výhradně v 15 N produkovala nižší pás než DNA z buněk pěstovaných výhradně ve 14 N. Takže DNA pěstovaná v 15 N měla vyšší hustotu, jak by se dalo očekávat u molekuly s těžším izotopem dusíku začleněného do jejího dusíku základny. Meselson a Stahl poznamenali, že po jedné generaci růstu ve 14 N (poté, co byly buňky posunuty z 15 N), molekuly DNA produkovaly pouze jednopásmový meziprodukt v poloze mezi DNA buněk pěstovaných výhradně v 15 N a DNA buněk pěstovaných výhradně ve 14 N. To navrhovalo buď semi-konzervativní nebo disperzní způsob replikace. Konzervativní replikace by vedla ke dvěma pásmům, z nichž jeden představuje rodičovskou DNA, která má ve svých dusíkatých bázích výlučně 15 N, a druhá, což představuje dceřinou DNA s výlučně 14 N v jejích dusíkatých bázích. Skutečně viděný jediný pruh naznačoval, že všechny molekuly DNA obsahovaly stejné množství jak 15 N, tak 14 N.

DNA sklizená z buněk pěstovaných po dvě generace ve 14 N vytvořila dva pásy: jeden pás DNA byl v mezilehlé poloze mezi 15 N a 14 N a druhý odpovídal pásu výhradně 14 N DNA. Tyto výsledky lze vysvětlit pouze tehdy, pokud se DNA replikuje polokonzervativním způsobem. Disperzní replikace by měla za následek výlučně jediný pás v každé nové generaci, přičemž pás by se pomalu pohyboval nahoru blíže k výšce 14N DNA pásu. Proto by mohla být také vyloučena disperzní replikace.

Výsledky Meselson a Stahl & rsquos prokázaly, že během replikace DNA každé ze dvou vláken tvořících dvojitou šroubovici slouží jako templát, ze kterého jsou syntetizována nová vlákna. Nový řetězec bude komplementární k rodičovskému nebo & ldquoold & rdquo vláknu a nový řetězec zůstane základním párem ke starému vláknu. Takže každá & ldquodaughter & rdquo DNA ve skutečnosti sestává z jednoho & ldquoold & rdquo DNA vlákna a jednoho nově syntetizovaného vlákna. Když se vytvoří dvě kopie dceřiné DNA, mají navzájem stejné sekvence a identické sekvence s původní rodičovskou DNA a dvě dceřiné DNA jsou rozděleny rovnoměrně na dvě dceřiné buňky, čímž vznikají dceřiné buňky, které jsou navzájem geneticky identické a geneticky identické s rodičovskou buňkou.


Přidružení

Laboratoř molekulární biologie, NIDDK, National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA

Xuemin Chen, Huaibin Wang, Wei Yang a zesilovač Martin Gellert

California NanoSystems Institute, University of California, Los Angeles, Los Angeles, CA, USA

Yanxiang Cui & amp. Z. Hong Zhou

Laboratoř chemické fyziky, NIDDK, National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA

Katedra mikrobiologie, imunologie a molekulární genetiky, Kalifornská univerzita, Los Angeles, Los Angeles, CA, USA

Tohoto autora můžete také vyhledat v PubMed Google Scholar

Tohoto autora můžete také vyhledat v PubMed Google Scholar

Tohoto autora můžete také vyhledat v PubMed Google Scholar

Tohoto autora můžete také vyhledat v PubMed Google Scholar

Tohoto autora můžete také vyhledat v PubMed Google Scholar

Tohoto autora můžete také vyhledat v PubMed Google Scholar

Tohoto autora můžete také vyhledat v PubMed Google Scholar

Příspěvky

X.C. provedl všechny experimenty a určení struktury. Y.C. shromáždili mikrografy cryo-EM na mikroskopu Krios na UCLA a pomohly s určením struktury a zdokonalením. H.W. pomohl se sběrem dat cryo-EM na TF20 a Krios v NIH. R.B.B. prováděl simulace molekulární dynamiky. Z.H.Z., W.Y. a M.G. dohlížel na výzkumný projekt. X.C., R.B.B., W.Y. a M.G. připravil rukopis.

Odpovídající autoři


Anti-paralelní konfigurace řetězců DNA

Konečné odhalení, které umožnilo Watsonovi a Crickovi dokončit svůj model, přišlo ve chvíli popsané jako „zdvih inspirace“, když si Watson uvědomil, že by nukleotidy do sebe zapadaly, pokud by jeden byl „vzhůru nohama“ vůči druhému. (Podle Watsona viděl tuto možnost, když seděl u malého stolu od Cricka, oba pracovali s malými modely nukleotidů.) Tato orientace vzhůru nohama by nastala, kdyby dvě vlákna, která se ovíjí kolem sebe, nebyla namířena v stejným směrem, ale v opačných směrech. Říká se tedy, že tyto dva prameny jsou antiparalelní, jako provoz na dvouproudé dálnici (obrázek 8).

Obrázek 8: Antiparalelní povaha dvojité šroubovice DNA. Všimněte si, jak je kostra cukru a fosfátu na vnější straně „žebříku“, zatímco základny směřují dovnitř. Všimněte si také toho, jak je orientace těchto dvou pramenů „antiparalelní“, a podívejte se tedy ve srovnání s ostatními vzhůru nohama. Nejsnáze to poznáte při pohledu na pentózové cukry (pomeranč). image & copy Visionlearning, Inc.

Najednou všechno dávalo smysl! Když se dva prameny omotaly kolem sebe v antiparalelní konfiguraci, Watson a Crick dokázali tyto prameny přizpůsobit velmi blízko sebe, jak ukazuje Franklinův obrázek, a struktura je pravidelná a symetrická. A co je nejdůležitější, dusíkové báze do sebe dokonale zapadají prostřednictvím druhu chemické přitažlivosti nazývané vodíková vazba. Vodíkové vazby drží dva prameny pohromadě stabilně, ale ne trvale. Konkrétně „pár bází“ adenin -tymin má dvě vodíkové vazby a pár bází cytosin -guanin má tři vodíkové vazby. (Viz obrázek 8 výše.)

Vzhledem k této antiparalelní struktuře vědci pro rozlišení dvou řetězců DNA tvrdí, že jedno vlákno je orientováno „5 'až 3'" a druhé vlákno je "3 'až 5'". To se týká spojení 5'-3 'v páteři fosfát-cukr. Strojní zařízení buňky také používá tuto orientaci k výběru směru čtení genetické informace obsažené v nukleotidové sekvenci. Představte si, že se pokoušíte přečíst anglickou větu, která jde zprava doleva. To by nedávalo smysl, protože správný směr čtení angličtiny je zleva doprava. Podobně musí být kód DNA přečten ve správném směru, který je 5 'až 3'.

Krása dvouvláknové antiparalelní konfigurace se nachází v komplementárním párování bází podle Chargaffova zákona. Pokud známe sekvenci nukleotidů na jednom řetězci, můžeme přesně předpovědět nukleotidy na druhém. Adenin na jedné straně molekuly DNA by byl spárován s thyminem na druhé straně atd. Pokud jsou tedy dva prameny odděleny, mohli bychom se podívat na kterýkoli řetězec a přesně vědět, co bylo na komplementárním vláknu. Ve skutečnosti se to přesně děje během replikace DNA: Dvojitá šroubovice DNA je oddělena nebo „rozbalena“ a obě jednotlivá vlákna pak slouží jako šablony kopií pro syntézu nového vlákna. Výsledkem jsou dvě nové dvojité šroubovice DNA, které jsou obě navzájem identické i s původním vláknem (obrázek 9). Obrázek 9: Schéma metody replikace DNA navržené Watsonem a Crickem. V tomto modelu jsou nejprve oddělena dvě vlákna původní molekuly DNA. Poté se přidají komplementární nukleotidy (A s T, G s C atd.) Naproti oběma původním řetězcům. Výsledkem jsou dvě molekuly DNA, obě identické s původním vláknem (a tedy navzájem) a obě s jedním starým vláknem a jedním novým vláknem. image & copy Visionlearning, Inc.

Jakmile Watson a Crick postavili správný model, všichni viděli, že antiparalelní konfigurace a párování bází vodíkových vazeb umožňuje tento jednoduchý a účinný prostředek vlastní replikace DNA. Ve skutečnosti závěrečná věta jejich článku z roku 1953 o výzkumu, který oznamoval strukturu DNA, zněla: „Neuniklo našemu upozornění, že konkrétní párování, které jsme postulovali, okamžitě naznačuje možný mechanismus kopírování genetického materiálu.“ Watson a Crick publikovali svůj model DNA v časopise Příroda v roce 1953, model, který jim v roce 1962 vynesl Nobelovu cenu.

Hodně se diskutovalo o tom, zda Rosalind Franklinová, jakožto vzácná vědecká pracovnice v padesátých letech, získala dostatečný kredit za její zásadní přínos k tomuto důležitému objevu. Bohužel zemřela na rakovinu vaječníků pouhých pět let poté, co byl model postaven a Nobelovy ceny se posmrtně neudělují. V padesátých letech si vědci neuvědomovali rizika rakoviny spojená s opakovaným vystavením rentgenovému záření a nechránili se řádně před zářením vydávaným těmito nástroji. Lze si tedy představit, že Franklinova předčasná smrt byla přímým důsledkem jejího zasvěcení vědeckému výzkumu a snahy o strukturu molekuly DNA.

Ze sekvence nukleotidů na jednom řetězci DNA můžeme předpovědět


27.4.4. Replikace DNA vyžaduje vysoce procesní polymerázy

Enzymové aktivity musí být vysoce koordinované, aby přesně a rychle replikovaly celé genomy. Prvotním příkladem je DNA polymeráza III holoenzym, enzym zodpovědný za replikaci DNA v E-coli. Charakteristickými znaky této vícesubunitové sestavy jsou její velmi vysoká katalytická účinnost, věrnost a zpracovatelnost. Procesivita "Schopnost enzymu katalyzovat mnoho po sobě jdoucích reakcí bez uvolnění jeho substrátu." Holoenzym katalyzuje tvorbu mnoha tisíc fosfodiesterových vazeb před uvolněním templátu, ve srovnání s pouhými 20 holoenzymy DNA polymerázy I. DNA polymeráza III se vyvinula tak, aby uchopila svůj templát a nepustila ho, dokud nebyl templát zcela replikován. Druhým charakteristickým rysem holoenzymu je jeho katalytická schopnost: přidává se 1 000 nukleotidů za sekundu ve srovnání s pouhými 10 za sekundu pro DNA polymerázu I. Toto zrychlení se provádí bez ztráty přesnosti. Větší katalytická schopnost polymerázy III je do značné míry dána její procesivitou, při opakovaném šlapání a vystupování z templátu se neztrácí čas.

Procesní enzym —

Z latiny procedere, “to kupředu. ”

Enzym, který katalyzuje více kol prodloužení nebo štěpení polymeru, zatímco polymer zůstává vázán. A distribuční enzym, naproti tomu uvolňuje svůj polymerní substrát mezi postupnými katalytickými kroky.

Tyto pozoruhodné vlastnosti DNA polymerázy III nepřicházejí levně. Holoenzym se skládá z 10 druhů polypeptidových řetězců a má hmotnost

900 kd, téměř o řád tak velký jako u jednořetězcové DNA polymerázy, jako je DNA polymeráza I. Tento replikační komplex je asymetrický dimer (Obrázek 27.30). Holoenzym je strukturován jako dimer, který mu umožňuje replikovat obě vlákna rodičovské DNA na stejném místě současně. Je asymetrický, protože vedoucí a zaostávající vlákna jsou syntetizovány odlišně. A τ2 podjednotka je spojena s jednou větví holoenzymu γ2 a (δ δ ′ χ ψ)2 jsou spojeny s druhým. Jádro každé větve je stejné, komplex α ϵ θ. Podjednotka α je polymeráza a podjednotka ϵ je korektura exonukleázy 3 ′ → 5 ′. Každé jádro je katalyticky aktivní, ale není procesní. Procesivitu uděluje β2 a τ2.

Obrázek 27.30

Navrhovaná architektura holoenzymu DNA polymerázy III. [Po A. Kornbergovi a T. Bakerovi, Replikace DNA, 2. vydání (W. H. Freeman and Company, 1992).]

Zdroj procesivity byl odhalen stanovením trojrozměrné struktury β2 podjednotku (obrázek 27.31). Tato jednotka má tvar hvězdicového prstence. Otvor o průměru 35-Å v jeho středu může snadno pojmout duplexní molekulu DNA, přesto ponechá dostatek prostoru mezi DNA a proteinem, což umožní rychlé klouzání a otáčení během replikace. Katalytická rychlost 1000 nukleotidů polymerizovaných za sekundu vyžaduje klouzání 100 otáček duplexní DNA (délka 3400 Å nebo 0,34 μm) středovým otvorem β2 za sekundu. Tedy β2 hraje klíčovou roli v replikaci tím, že slouží jako posuvná svorka DNA.

Obrázek 27.31

Struktura posuvné svorky. Dimerní 㬢 podjednotka DNA polymerázy III tvoří prstenec, který obklopuje duplex DNA. Umožňuje polymerázovému enzymu pohybovat se bez pádu ze substrátu DNA.


Jak je DNA antiparalelní?

DNA je dvouvláknová a vlákna jsou antiparalelní, protože běží v opačných směrech.

Vysvětlení:

Každá molekula DNA má dvě vlákna nukleotidů. Každý řetězec má kostru fosfátu cukru, ale orientace molekuly cukru je ve dvou vláknech opačná.

Obě vlákna dvojité šroubovice DNA mohou růst ve směru 5 'až 3', ale rostou v opačných směrech kvůli opačné orientaci molekuly cukru v nich.

Antiparalelní orientace umožňuje, aby se páry základen navzájem doplňovaly. Antiparallel DNA je také strukturálně stabilnější než paralelní DNA.

Antiparalelní orientace DNA má důležité důsledky pro replikaci DNA, protože na replikační vidlici jedno vlákno umožňuje stabilní replikaci, čímž je známé jako vedoucí vlákno, zatímco druhé se stává zaostávajícím vláknem.


Francis Crick (1916-2004)

Francis Harry Compton Crick se narodil v malém městě poblíž Northamptonu v Anglii. Jako dítě byl Crick velmi zvídavý a přečetl všechny knihy Dětská encyklopedie že mu ho koupili rodiče. Za nejzajímavější považoval oddíly, které se zabývaly vědou. Tento zájem vedl k „kuchyňským“ experimentům a nakonec k serióznímu studiu a druhotřídnímu vyznamenání z fyziky na University College v Londýně.

Fyzika, kterou se Crick naučil ve třídě, už byla zastaralá, a tak se sám naučil základy kvantové mechaniky a absolvoval postgraduální výzkum viskozity vody. Druhá světová válka přerušila jeho postgraduální studium. Během války Crick pracoval pro admirality a dělal převážně výzkum a návrh magnetických a akustických dolů.

Když válka skončila, Crick pokračoval v práci na admiralitě, ale věděl, že po zbytek svého života nechce navrhovat zbraně. Problém byl v tom, že si nebyl jistý, co chce udělat. Nakonec se rozhodl vstoupit do věd o životě. Rád četl, přemýšlel a mluvil o nových objevech, které se objevují v biologických vědách. Crick zjistil, že „to, co vás opravdu zajímá, je to, o čem kecáte“. Aby sledoval své zájmy, navštívil Crick několik laboratoří a vědců. Nakonec se usadil na dvouletý pobyt v laboratoři Strangeways, kde pracoval na účincích magnetismu na buňky fibroblastů kuřat.

V roce 1947, vyzbrojen touto biologickou zkušeností, se Crick připojil k Maxi Perutzovi v Cavendishově laboratoři v Cambridgi. Sir Lawrence Bragg řídil novou jednotku laboratoře, kde pomocí rentgenové krystalografie studovali strukturu bílkovin. Max Perutz pracoval na struktuře hemoglobinu a Crickův diplomový projekt se zabýval rentgenovou difrakcí proteinů.

V roce 1951 se Francis Crick setkal s Jamesem Watsonem, který byl na návštěvě v Cambridgi. Přestože byl Crick o dvanáct let starší, s Watsonem „to hned trefili“. Watson nakonec zůstal v Cavendishu a pomocí dostupných rentgenových dat a budování modelu dva vyřešili strukturu DNA. Klasický papír vyšel v Příroda v dubnu 1953. O pořadí jmen na papíře rozhodovalo otočení mince. Francis Crick, James Watson a Maurice Wilkins sdíleli v roce 1962 Nobelovu cenu za fyziologii nebo medicínu za řešení struktury DNA. Maurice Wilkins a Rosalind Franklin poskytli některá rentgenová krystalografická data.

Po modelu „dvojité šroubovice“ stále existovaly otázky o tom, jak DNA řídila syntézu proteinů. Crick a někteří jeho kolegové vědci, včetně Jamese Watsona, byli členy neformálního „klubu RNA tie“, jehož cílem bylo „vyřešit hádanku struktury RNA a porozumět způsobu, jakým vytváří bílkoviny“. Klub se zaměřil na „centrální dogma“, kde DNA byla skladištěm genetických informací a RNA byla mostem, který přenášel tyto informace z jádra do cytoplazmy, kde se vyráběly proteiny. Teorie kódování RNA byla diskutována a diskutována a v roce 1961 poskytli Francis Crick a Sydney Brenner genetický důkaz, že při čtení genetického materiálu byl použit tripletový kód.

Po většinu své kariéry byl Crick v Cambridge a pracoval pro Radu pro lékařský výzkum. V roce 1976 se Crick přestěhoval do Salkova institutu v La Jolla, kde zaměřil svůj výzkum na vývojovou neurobiologii. V roce 1988 napsal o svých zkušenostech v What Mad Pursuit: Osobní pohled na vědecký objev. Crick byl popsán jako bystrý intelekt a suchý, britský smysl pro humor.

DNA byla poprvé krystalizována na konci 70. let a pamatujte si, že rentgenová data z roku 1953 pocházela z vláken DNA. Skutečný „důkaz“ pro Watson-Crickův model DNA tedy přišel v roce 1982 poté, co byla krystalizována B-forma DNA a vyřešen rentgenový obrazec.

Pokud je DNA jedné lidské buňky natažena, byla by téměř 6 stop dlouhá a obsahovala přes tři miliardy párů bází. Jak to všechno zapadá do jádra jedné buňky?


Kroky experimentu Meselson a Stahl

Meselson a Stahl provedli sérii experimentů, které zahrnují následující kroky:

  1. Růst E.coli: Nejprve byly E.coli pěstovány v médiu obsahujícím 15 NH4Cl po několik generací. NH4 poskytuje dusík a také zdroj bílkovin pro růst E. coli. Zde je 15 N těžký izotop dusíku.
  2. Začlenění 15 N.: Po několika generacích E.coli, Meselson a Stahl pozorovali, že 15 N těžký izotop se začlenil mezi nukleotidy DNA v E.coli.
  3. Přenos buněk E.coli: DNA E.coli značená 15N izotopem byla přenesena do média obsahujícího 14 NH4Cl. Zde je 14 N lehký izotop dusíku. Buňky E.coli se opět nechaly množit několik generací. Buňky E.coli se budou množit každou 20 minut po několik generací.
  4. Zpracování DNA: Pro zpracování nebo separaci DNA byly buňky E.coli přeneseny do zkumavek Eppendorf. After that, caesium chloride is added, having a density of 1.71 g/cm 3 (the same of DNA). Finally, the tubes were subjected to high-speed centrifugation 140,000 X g for 20 hours.

Pozorování

After centrifugation, the DNA separates based on mass or density. Different DNA bands like heavy, intermediate and light DNA forms as a result of the concentration gradient created by CsCl.

The light DNA will consist of a pure 14 N isotope. An intermediate DNA band will indicate the combination or mixture oba 15 N a 14 N isotopes. The occurrence of heavy DNA bands will consist of a pure 15 N isotope.

Závěr

The result, after two generations of E.coli, the following results were obtained:

In the F-1 generation: According to the actual observations, two DNA strands (with a mixture oba 15 N a 14 N isotopes) will produce in F-1 gen. The above diagram shows that the semiconservative and dispersive model obeys the pattern of growth explained by Meselson and Stahl.

Thus, it is clear that the DNA does not replicate via “Conservative mode”. According to the conservative model, the DNA replicates to produce one newly synthesized DNA and one parental DNA. Therefore, the conservative model was disapproved, as it does not produce hybrid DNA in the F-1 generation.

In the F-2 generation: According to the actual observation, four DNA strands (dva s hybridní and the remaining dva s light DNA) will produce in the F-2 generation. The hybrid DNA includes a mixture of 15 N and 14 N. The light DNA strands contain a pure 14 N. The diagram shows that only semi-conservative type of replication gave similar results conducted by Meselson and Stahl. Thus, both the conservative and dispersive modes of replication were disapproved.

Therefore, we can conclude that the type of replication in DNA is “Semi conservative“. The offsprings have a hybrid DNA containing a mixture of both template and newly synthesized DNA in the semi-conservative model. After each multiplication, the number of offspring will double, and half of the parental DNA will be conserved for the next generation.


Epigenetics: DNA Isn&rsquot Everything

Research into epigenetics has shown that environmental factors affect characteristics of organisms. These changes are sometimes passed on to the offspring. ETH professor Renato Paro does not believe that this opposes Darwin&rsquos theory of evolution.

A certain laboratory strain of the fruit fly Drosophila melanogaster has white eyes. If the surrounding temperature of the embryos, which are normally nurtured at 25 degrees Celsius, is briefly raised to 37 degrees Celsius, the flies later hatch with red eyes. If these flies are again crossed, the following generations are partly red-eyed &ndash without further temperature treatment &ndash even though only white-eyed flies are expected according to the rules of genetics.

Environment affects inheritance

Researchers in a group led by Renato Paro, professor for Biosystems at the Department of Biosystems Science and Engineering (D-BSSE), crossed the flies for six generations. In this experiment, they were able to prove that the temperature treatment changes the eye colour of this specific strain of fly, and that the treated individual flies pass on the change to their offspring over several generations. However, the DNA sequence for the gene responsible for eye colour was proven to remain the same for white-eyed parents and red-eyed offspring.

The concept of epigenetics offers an explanation for this result. Epigenetics examines the inheritance of characteristics that are not set out in the DNA sequence. For Paro, epigenetic mechanisms form an additional, paramount level of information to the genetic information of DNA.

Such phenomena could only be examined in a descriptive manner in the past. Today, it has been scientifically proven, which molecular structures are involved: important factors are the histones, a kind of packaging material for the DNA, in order to store DNA in an ordered and space-saving way. It is now clear that these proteins have additional roles to play. Depending on the chemical group they carry, if they are acetylated or methylated, they permanently activate or deactivate genes. New methods now allow researchers to sometimes directly show which genes have been activated or deactivated by the histones.

Cells have a memory

Epigenetic marks, such as the modifications of the histones, are also important for the specialisation of the body&rsquos cells. They are preserved during cell division and are passed on to the daughter cells. If skin cells divide, more skin cells are created liver cells form liver cells. In both cell types, all genes are deactivated except the ones needed by a skin or liver cell to be a skin or liver cell, and to function appropriately. The genetic information of the DNA is passed on along with the relevant epigenetic information for the respective cell type.

Paro&rsquos group is researching this cell memory. It is still unclear how the epigenetic markers are passed on to the daughter cells. During cell division, the DNA is doubled, which requires the histones &ndash as the current picture suggests &ndash to break apart. The question is therefore how cellular memory encoded by epigenetic mechanisms survives cell division.

Emerging area of research

A similar question remains for the inheritance of the epigenetic characteristics from parents to offspring. They now know that when the gametes are formed, certain epigenetic markers remain and are passed on to the offspring. The questions, which are currently being researched, are how much and which part of the epigenetic information is preserved and subsequently inherited.

The research is also looking at the influence of various substances from the environment on the epigenetic constitution of organisms, including humans. Diet and epigenetics appear to be closely linked. The most well known example is that of the Agouti mice: they are yellow, fat and are prone to diabetes and cancer. If Agouti females are fed with a cocktail of vitamin B12, folic acid and cholin, directly prior to and during pregnancy, they give birth to mainly brown, slim and healthy offspring. They in turn mainly have offspring similar to themselves.

Contradiction to Darwin?

Environmental factors, which change the characteristics of an individual and are then passed on to its offspring, do not really fit into Darwin&rsquos theory of evolution. According to his theory, evolution is the result of the population and not the single individual. &ldquoPassing on the gained characteristics fits more to Lamarck&rsquos theory of evolution&rdquo, says Paro.

However, he still does not believe Darwin&rsquos theory of evolution is put into question by the evidence of epigenetics research. &ldquoDarwin was 100 percent right&rdquo, Paro emphasises. For him, epigenetics complement Darwin&rsquos theory. In his view, new characteristics are generated and passed on via epigenetics, subject to the same mechanisms of evolution as those with a purely genetic origin.

Příběh Zdroj:

Materiály poskytnuté ETH Zurich. Poznámka: Obsah může být upraven podle stylu a délky.


Podívejte se na video: Prosazování informačního vzdělávání (Leden 2022).