Η αντιγραφή – αυτοδιπλασιασμός (replication) του DNA γίνεται για να μεταφερθεί η γενετική πληροφορία από κύτταρο σε κύτταρο στις κυτταρικές διαιρέσεις.

Αυτή συμβαίνει στη φάση της σύνθεσης (μια φάση της μεσόφασης),  οπότε από αυτή τη φάση και μέχρι τη διαίρεση του κυττάρου (τελόφαση της μίτωσης) το γονιδιακό υλικό των χρωματοσωμάτων αντιστοιχεί σε 92 αντί για 46 χρωματοσώματα.

Στο τέλος της τελευταίας φάσης της μίτωσης (τελόφαση), δημιουργούνται δυο πανομοιότυπα θυγατρικά κύτταρα από το μητρικό, με 46 χρωματοσώματα.

Με αυτό τον τρόπο τα δύο θυγατρικά κύτταρα έχουν από μια έλικα του DNA από το αρχικό κύτταρο, και μια νέα έλικα που έγινε με τη διαδικασία της σύνθεσης (ημι -συντηρητικός μηχανισμός).

Για να γίνει η αναπαραγωγή (replication) του DNA χρησιμοποιούνται πολλά ένζυμα και τα κυριότερα από αυτά είναι:

α) η Ελικάση (Helicase) που ανοίγει τις δυο έλικες του DNA

β) η Πριμάση (Primase) που τοποθετεί βάσεις RNA primer στις έλικες του ανοιγμένου DNA.

Δημιουργείται ένα RNA primer στην αρχή της κύριας έλικας (leading strand) και πολλά σε διαφορετικά σημεία της δευτερεύουσας έλικας (lagging strand).

Αργότερα το ένζυμο DNA πολυμεράση I μετατρέπει τα RNA primers σε DNA (η βάση U του RNA, αντικαθίσταται με τη βάση T του DNA).

γ) η DNA πολυμεράση ΙΙΙ που δημιουργεί τις νέες θυγατρικές- αντιπαράλληλες έλικες (DNA synthesis).

Αυτό γίνεται με την εύρεση και τοποθέτηση πάνω στις ανοιγμένες έλικες του DNA, συμπληρωματικών βάσεων, που βρίσκονται ελεύθερες στον πυρήνα.

δ) η Συνδετάση (DNA ligase) που συνδέει τις βάσεις του DNA, που προήλθαν από το RNA primer, με τα τμήματα του DNA που κατασκεύασε η DNA πολυμεράση ΙΙΙ.

ε) Επιπλέον υπάρχουν ακόμη 2 ένζυμα, οι τοπο-ισομεράσες, που συμμετέχουν στη δημιουργία νέου DNA (replication) ή m- RNA  (transcription) από το DNA.

Η τοπο-ισομεράση Ι κόβει και ξαναενώνει τη μια έλικα του DNA, ενώ η τοπο-ισομεράση ΙΙ κόβει και ξαναενώνει τις δυο έλικες του DNA, ώστε να μην υπάρχει υπερελίκωση της διπλής έλικας του DNA μετά από το σημείο που αυτή ανοίγει από την DNA Ελικάση.

# Υπ’ όψιν ότι υπάρχει εγγενής αδυναμία στη πλήρη, μέχρι την άκρη, σύνθεση- αντιγραφή της θυγατρικής έλικας του DNA (end replication problem).

Έτσι για να μην καταστρέφεται χρήσιμο DNA σε κάθε αναδιπλασιασμό του DNA (στη φάση S), κάθε φορά που το κύτταρο σκοπεύει να διαιρεθεί (μίτωση), δημιουργήθηκαν στις άκρες των χρωματοσωμάτων προστατευτικοί νουκλεο-πρωτεϊνικοί σχηματισμοί, που λέγονται τελομερή.

Αυτά δεν έχουν χρήσιμη γενετική πληροφορία οπότε μπορεί να καταστρέφεται, θυσιάζεται ένα κομμάτι τους σε κάθε αντιγραφή- διπλασιασμό του DNA, για να μην αρχίσει να καταστρέφεται το χρήσιμο DNA (coding DNA).

Όμως στα ενήλικα κύτταρα που διαιρούνται, επαρκεί για να φθαρεί το μήκος του τελομερούς, μέχρι περίπου και τους 40- 70 διπλασιασμούς (40- 70 περίπου κυτταρικές διαιρέσεις).

Έτσι όταν τα τελομερή φτάσουν σε ένα κρίσιμα μικρό μήκος, το κύτταρο σταματά να διαιρείται και μπαίνει στη φάση G “0”, για να μην δημιουργηθεί καρκίνος.

# Η αντιγραφή του DNA είναι σχεδόν πάντα ακριβής. Οι DNA πολυμεράσες και άλλα επιδιορθωτικά ένζυμα του DNA  μειώνουν τελικά τη λάθος τοποθέτηση βάσης σε μια ανά 1.000.000.000,  σε κάθε κυτταρική διαίρεση.

Η ΑΝΑΠΑΡΑΓΩΓΗ (REPLICATION) ΤΟΥ DNA ΛΕΠΤΟΜΕΡΩΣ

Η αντιγραφή (replication) του DNA ξεκινά:

α) Με το ένζυμο DNA Ελικάση (Helicase) που ανοίγει τις δυο έλικες του DNA (σαν να ανοίγει ένα φερμουάρ).

β) Στην επόμενη φάση η Πριμάση (Primase) (σύμπλοκο μόριο από διάφορα ένζυμα) τοποθετεί, πάντα στην πλευρά 3’ της μητρικής έλικας του DNA, τις πρώτες λίγες συμπληρωματικές βάσεις που είναι πάντα RNA primer (με βάση U αντί Τ).

γ) Μετά δημιουργούνται οι δυο θυγατέρες έλικες από την DNA πολυμεράση ΙΙΙ (DNA synthesis). Αυτή γίνεται με την εύρεση και τοποθέτηση των συμπληρωματικών βάσεων, που βρίσκονται ελεύθερες στον πυρήνα, πάνω στις ανοιγμένες έλικες του DNA.

(Η DNA πολυμεράση επιδιορθώνει επίσης λάθη στην τοποθέτηση βάσεων, που συμβαίνουν κατά την διάρκεια της αντιγραφής.)

i) Η κύρια θυγατέρα έλικα (leading strand) δημιουργείται με συνεχόμενο τρόπο, προς την κατεύθυνση της κίνησης της Helicase (από το άκρο 3’ προς το άκρο 5’ της μητέρας έλικας), ξεκινώντας από ένα RNA primer.

Η δημιουργία της είναι πολύ γρήγορη, με τοποθέτηση 2.000 βάσεων το δευτερόλεπτο !!

[Οι θυγατέρες έλικες λέγονται και αντιπαράλληλες γιατί η τοποθέτηση των νουκλεοτιδίων γίνεται με ανάποδη φορά ως προς τη μητρική έλικα.

Οι έλικες του DNA ξεκινούν πάντα από το άκρο 5’ (με την φωσφορική ομάδα, p) και καταλήγουν σε άκρο 3’ (με ελεύθερο άκρο υδροξύλιο, ΟΗ), γιατί έτσι σπαταλιέται- απαιτείται λιγότερη ενέργεια.

Κάθε έλικα DNA αποτελείται από τις βάσεις (C, G, Α, Τ) και το “σκελετό” που τις συνδέει.

Το νουκλεοτίδιο αποτελείται από μια βάση και από ένα τμήμα του “σκελετού” το οποίο περιλαμβάνει α) το σάκχαρο Δεοξυριβόζη στο DNA (DeoxyriboNucleic Acid) και β) μια τουλάχιστον φωσφορική ομάδα.

Ενώ το νουκλεοτίδιο του RNA (RiboNucleic Acid) έχει το σάκχαρο Ριβόζη και αντί για τη βάση Θυμίνη (Τ) έχει τη βάση Ουρακίλη (U).

Ο “σκελετός” (phosphate – deoxyribose backbone)  δημιουργείται με τη σύνδεση του σακχάρου δεοξυριβόζη του ενός νουκλεοτιδίου, με τη φωσφορική ομάδα του επόμενου νουκλεοτιδίου.]

ii) Ταυτόχρονα, άλλα μόρια DNA πολυμεράσης ΙΙΙ, αντιγράφουν με διακεκομμένο τρόπο, πιο αργά και αντίθετα προς την κίνηση της Helicase, την άλλη έλικα του DNA (lagging strand ή καθυστερημένη έλικα).

Τα τμήματα του DNA που συνθέτουν οι DNA πολυμεράσες ΙΙΙ στη lagging strand, λέγονται Okazaki fragments και ξεκινούν ταυτόχρονα από πολλά RNA primers (πρωταρχικά τμήματα) που είχαν τοποθετηθεί από πριν.

Στη συνέχεια τα  RNA primers αντικαθίστανται με DNA από την DNA πολυμεράση I (ή RNAse H).

Τελικά τα Okazaki fragments και τα τμήματα του DNA που αντικατέστησαν τα RNA primers, ενώνονται από το ένζυμο Συνδετάση (ή Δεσμάση- DNA ligase).

Υπ΄όψιν ότι για να μετατραπεί το RNA των RNA primers σε DNA, χρειάζεται να υπάρχει DNA πριν το RNA primer.

Όμως το τελικό RNA primer της lagging strand δεν έχει DNA πριν από αυτό, οπότε δεν μπορεί να μετατραπεί σε DNΑ και έτσι καταστρέφεται από ένζυμα, γιατί απαγορεύεται να παραμένει RNA πάνω στο DNA.

Γι’ αυτό ένα κομμάτι του τελομερούς, στην 5’ άκρη της lagging strand, χάνεται σε κάθε αναδιπλασιασμό του DNA, κάθε φορά που το κύτταρο πρόκειται να διαιρεθεί. Το κομμάτι που χάνεται έχει τουλάχιστον το μέγεθος του τελικού RNA primer (αυτό δεν τοποθετείται πάντα στα τελευταία ακριβώς νουκλεοτίδια).

Έτσι σε κάθε διχάλα αντιγραφής, η έλικα της leading strand του DNA αντιγράφεται μέχρι το άκρο της 3’, ενώ η lagging strand του DNA δεν μπορεί να ολοκληρωθεί μέχρι το άκρο της 5’, γιατί το τελικό RNA primer σ’ αυτήν, δεν μπορεί να αντικατασταθεί από DNA.

Οπότε οι ακολουθίες TTAGGG του τελομερούς στο τέλος 3’ της leading strand του DNA μένουν- προεξέχουν μόνες τους, χωρίς συμπληρωματικές βάσεις απέναντι.

Η αδυναμία πλήρους σύνθεσης της lagging strand του DNA, αναφέρεται σαν “5′ end replication problem”.

Το πρόβλημα της μη πλήρους σύνθεσης της lagging strand του DNA, και άρα της συνεχούς σμίκρυνσης των τελομερών, έρχεται να “διορθώσει” σε ορισμένα κύτταρα (κυρίως στα βλαστοκύτταρα) η τελομεράση.

ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

https://www.youtube.com/watch?v=_IaK_J_zAfU

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC87295/

https://www.nature.com/articles/s41576-019-0099-1