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Was ist ein offener Komplex bei der E.coli-DNA-Replikation?

Was ist ein offener Komplex bei der E.coli-DNA-Replikation?


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Die E.coli DnaB-Helikase ist essentiell für die Replikationseinleitung vom chromosomalen Replikationsursprung (oriC) und liegt in vivo als Proteinkomplex mit sechs Monomeren des DnaC-ATPase-Proteins und sechs ATP-Molekülen vor (Wickner und Hurwitz, 1975; Lanka and Schuster, 1983). Die Initiation der DNA-Replikation bei oriC beginnt mit der Bindung mehrerer Moleküle des bakteriellen DnaA-Initiatorproteins an 9 bp-Wiederholungen (DnaA-Boxen). Diese Bindung fördert die Destabilisierung von nahegelegenen AT-reichen Sequenzen, was zur Entwindung der DNA-Doppelhelix und zur Bildung von an . führt offener Komplex.

Ich habe in DNA Replication von Arthur Kornberg, Tania A. Baker (die Autoren, die diesen Begriff wahrscheinlich geprägt haben), Google und Google.Scholar nachgeschlagen, bin aber über keine Definition gestolpert.

Was ist es eigentlich?


Der Satz selbst ist eigentlich die Definition von offener Komplex: Es ist die Struktur, die entsteht, wenn die DNA-Doppelhelix aufgrund der DnaA-Proteine ​​abgewickelt wird.

Diese Bindung fördert die Destabilisierung von nahegelegenen AT-reichen Sequenzen, was zur Entwindung der DNA-Doppelhelix und zur Bildung eines offenen Komplexes führt.

Ich habe auch ein Papier gefundenein Co-Autor von Arthur Kornberg selbst, wobei die Autoren auch "offener Komplex" selbst definieren:

Drei Tandem-Wiederholungen eines 13-mers in der AT-reichen Region sind für den einzigartigen Replikationsursprung von E. coli und entfernt verwandten Enterobacteriaceae essentiell. Diese iterierten Sequenzen werden durch Deletionsanalyse und Empfindlichkeiten gegenüber Endonukleasen als die Stelle für die anfängliche Duplexöffnung durch das Initiator-dnaA-Protein identifiziert. Dieser „offene Komplex“ benötigt ATP und 38% für eine optimale Bildung und Stabilität.

Es gibt mehrere Papiereb, c die "offene Komplexe" in gleicher Weise verwenden.

Verweise:

ein David Bramhill, Arthur Kornberg, Duplex-Öffnung durch dnaA-Protein bei neuartigen Sequenzen in der Initiation der Replikation am Ursprung des E. coli-Chromosoms, Cell, Band 52, Ausgabe 5, 1988, Seiten 743-755, ISSN 0092-8674, http: //dx.doi.org/10.1016/0092-8674(88)90412-6. (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0092867488904126)

B Ozaki, Shogo et al. "Ein gemeinsamer Mechanismus für die ATP-DnaA-abhängige Bildung offener Komplexe am Replikationsstartpunkt." Journal of Biological Chemistry 283.13 (2008): 8351-8362. (http://www.jbc.org/content/283/13/8351.full)

C Mukhopadhyay, Gauranga et al. "Offene Komplexbildung durch den Wirtsinitiator DnaA am Ursprung der P1-Plasmidreplikation." Die EMBO-Zeitschrift 12.12 (1993): 4547. (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC413885/)


Ein offener Komplex ist der Komplex aus RNA-Polymerase und einem DNA-Strang (Antisense-Strang). Geschlossener Strang hingegen bedeutet, dass RNA-Ploymerase an beide Stränge der DNA gebunden ist.

Verfahren: RNA-Polymerase erzeugt zuerst den geschlossenen Komplex.

Dann offener Komplex entsteht, wenn die doppelsträngige DNA in zwei Stränge getrennt wird.


14.5 DNA-Replikation in Eukaryoten

Am Ende dieses Abschnitts können Sie Folgendes tun:

  • Diskutieren Sie die Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen der DNA-Replikation in Eukaryoten und Prokaryoten
  • Nennen Sie die Rolle der Telomerase bei der DNA-Replikation

Eukaryontische Genome sind viel komplexer und größer als prokaryontische Genome. Eukaryoten haben auch eine Reihe verschiedener linearer Chromosomen. Das menschliche Genom hat 3 Milliarden Basenpaare pro haploiden Chromosomensatz, und 6 Milliarden Basenpaare werden während der S-Phase des Zellzyklus repliziert. Es gibt mehrere Replikationsursprünge auf jedem eukaryotischen Chromosom. Menschen können bis zu 100.000 Replikationsursprünge im gesamten Genom haben. Die Replikationsrate beträgt ungefähr 100 Nukleotide pro Sekunde, viel langsamer als die prokaryontische Replikation. In Hefe, einem Eukaryoten, finden sich auf den Chromosomen spezielle Sequenzen, die als autonom replizierende Sequenzen (ARS) bekannt sind. Diese entsprechen dem Replikationsursprung in E coli.

Die Zahl der DNA-Polymerasen in Eukaryoten ist viel größer als in Prokaryoten: 14 sind bekannt, von denen fünf eine wichtige Rolle bei der Replikation spielen und gut untersucht sind. Sie sind bekannt als pol α, pol β, pol γ, pol δ, und pol ε.

Die wesentlichen Schritte der Replikation sind die gleichen wie bei Prokaryonten. Bevor die Replikation beginnen kann, muss die DNA als Matrize zur Verfügung gestellt werden. Eukaryotische DNA ist an basische Proteine, die als Histone bekannt sind, gebunden, um Strukturen zu bilden, die Nukleosomen genannt werden. Histone müssen während des Replikationsvorgangs entfernt und dann ersetzt werden, was dazu beiträgt, die niedrigere Replikationsrate bei Eukaryoten zu erklären. Das Chromatin (der Komplex zwischen DNA und Proteinen) kann einige chemische Modifikationen erfahren, so dass die DNA von den Proteinen abgleiten kann oder für die Enzyme der DNA-Replikationsmaschinerie zugänglich ist. Am Replikationsursprung wird ein Prä-Replikationskomplex mit anderen Initiatorproteinen gebildet. Helikase und andere Proteine ​​werden dann rekrutiert, um den Replikationsprozess zu starten (Tabelle 14.2).

EigentumProkaryotenEukaryoten
Ursprung der ReplikationEinzelMehrere
Replikationsrate1000 Nukleotide/s50 bis 100 Nukleotide/s
DNA-Polymerase-Typen514
TelomeraseNicht anwesendGegenwärtig
Entfernung des RNA-PrimersDNA-Pol IRNase H
StrangdehnungDNA pol IIIPol α, Pol δ, Pol
SchiebeklemmeSchiebeklemmePCNA

Eine Helikase, die die Energie der ATP-Hydrolyse nutzt, öffnet die DNA-Helix. Replikationsgabeln werden an jedem Replikationsstartpunkt gebildet, wenn sich die DNA abwickelt. Die Öffnung der Doppelhelix verursacht ein Überwinden oder Supercoiling in der DNA vor der Replikationsgabel. Diese werden durch die Wirkung von Topoisomerasen aufgelöst. Primer werden durch das Enzym Primase gebildet, und unter Verwendung des Primers kann DNA pol die Synthese starten. Drei Haupt-DNA-Polymerasen sind dann beteiligt: ​​α, δ und . DNA pol α fügt dem RNA-Primer auf beiden Strängen ein kurzes (20 bis 30 Nukleotide) DNA-Fragment hinzu und übergibt es dann an eine zweite Polymerase. Während der Leitstrang kontinuierlich vom Enzym pol . synthetisiert wird ε, der nacheilende Strang wird von pol . synthetisiert δ. Ein als PCNA (proliferierendes Zellkernantigen) bekanntes Gleitklemmenprotein hält den DNA-Pol an Ort und Stelle, damit er nicht von der DNA abrutscht. Da pol in die Primer-RNA auf dem nacheilenden Strang läuft, verdrängt es diese von der DNA-Matrize. Die verdrängte Primer-RNA wird dann durch RNase H (AKA-Flap-Endonuklease) entfernt und durch DNA-Nukleotide ersetzt. Die Okazaki-Fragmente im nacheilenden Strang werden nach dem Austausch der RNA-Primer durch DNA verbunden. Die verbleibenden Lücken werden durch DNA-Ligase verschlossen, die die Phosphodiesterbindung bildet.

Telomer-Replikation

Im Gegensatz zu prokaryontischen Chromosomen sind eukaryontische Chromosomen linear. Wie Sie erfahren haben, kann das Enzym DNA pol Nukleotide nur in 5'-3'-Richtung hinzufügen. Im Leitstrang wird die Synthese fortgesetzt, bis das Ende des Chromosoms erreicht ist. Auf dem nacheilenden Strang wird DNA in kurzen Abschnitten synthetisiert, die jeweils durch einen separaten Primer initiiert werden. Wenn die Replikationsgabel das Ende des linearen Chromosoms erreicht, gibt es keine Möglichkeit, den Primer am 5'-Ende des nacheilenden Strangs zu ersetzen. Die DNA an den Enden des Chromosoms bleibt somit ungepaart, und im Laufe der Zeit werden diese Enden, genannt Telomere, kann mit fortschreitender Zellteilung immer kürzer werden.

Telomere umfassen repetitive Sequenzen, die für kein bestimmtes Gen kodieren. Beim Menschen wiederholt sich eine sechs Basenpaare umfassende Sequenz, TTAGGG, 100 bis 1000 Mal in den Telomerregionen. In gewisser Weise schützen diese Telomere die Gene davor, bei der weiteren Zellteilung gelöscht zu werden. Die Telomere werden an die Enden der Chromosomen durch ein separates Enzym, die Telomerase, angefügt (Abbildung 14.16), deren Entdeckung half, zu verstehen, wie diese sich wiederholenden Chromosomenenden aufrechterhalten werden. Das Telomerase-Enzym enthält einen katalytischen Teil und eine eingebaute RNA-Matrize. Es heftet sich an das Ende des Chromosoms, und am 3'-Ende des DNA-Strangs werden zur RNA-Matrize komplementäre DNA-Nukleotide hinzugefügt. Sobald das 3'-Ende der nacheilenden Strangmatrize ausreichend verlängert ist, kann die DNA-Polymerase die zu den Enden der Chromosomen komplementären Nukleotide hinzufügen. Somit werden die Enden der Chromosomen repliziert.

Telomerase ist typischerweise in Keimzellen und adulten Stammzellen aktiv. In adulten Körperzellen ist es nicht aktiv. Für ihre Entdeckung der Telomerase und ihrer Wirkung erhielten Elizabeth Blackburn, Carol W. Greider und Jack W. Szostak (Abbildung 14.16) 2009 den Nobelpreis für Medizin und Physiologie.

Telomerase und Alterung

Die Telomere von Zellen, die sich einer Zellteilung unterziehen, werden weiterhin verkürzt, da die meisten somatischen Zellen keine Telomerase herstellen. Dies bedeutet im Wesentlichen, dass die Verkürzung der Telomere mit dem Altern verbunden ist. Mit dem Aufkommen der modernen Medizin, der Gesundheitsvorsorge und eines gesünderen Lebensstils hat sich die Lebenserwartung des Menschen verlängert, und die Nachfrage nach einem jüngeren Aussehen und einer besseren Lebensqualität mit zunehmendem Alter steigt.

Im Jahr 2010 fanden Wissenschaftler heraus, dass Telomerase einige altersbedingte Zustände bei Mäusen umkehren kann. Dies könnte in der regenerativen Medizin Potenzial haben. 2 In diesen Studien wurden Telomerase-defiziente Mäuse verwendet. Diese Mäuse weisen Gewebeatrophie, Stammzelldepletion, Organsystemversagen und eine beeinträchtigte Reaktion auf Gewebeverletzungen auf. Die Telomerase-Reaktivierung bei diesen Mäusen verursachte eine Verlängerung der Telomere, reduzierte DNA-Schäden, kehrte die Neurodegeneration um und verbesserte die Funktion von Hoden, Milz und Darm. Somit könnte die Telomerreaktivierung das Potenzial zur Behandlung altersbedingter Erkrankungen beim Menschen haben.

Krebs ist durch eine unkontrollierte Zellteilung abnormaler Zellen gekennzeichnet. Die Zellen sammeln Mutationen an, vermehren sich unkontrolliert und können durch einen Prozess namens Metastasierung in verschiedene Teile des Körpers wandern. Wissenschaftler haben beobachtet, dass Krebszellen die Telomere erheblich verkürzt haben und dass die Telomerase in diesen Zellen aktiv ist. Interessanterweise wurde die Telomerase erst aktiv, nachdem die Telomere in den Krebszellen verkürzt wurden. Wenn die Wirkung der Telomerase in diesen Zellen während der Krebstherapie durch Medikamente gehemmt werden kann, könnte die weitere Teilung der Krebszellen möglicherweise verhindert werden.


Primosom

In der Molekularbiologie, a primosom ist ein Proteinkomplex, der für die Bildung von RNA-Primern auf einzelsträngiger DNA während der DNA-Replikation verantwortlich ist.

Das Primosom besteht aus sieben Proteinen: DnaG-Primase, DnaB-Helikase, DnaC-Helikase-Assistent, DnaT, PriA, Pri B und PriC. Bei jeder Replikationsgabel wird das Primosom einmal auf dem führenden DNA-Strang und wiederholt auf dem nacheilenden DNA-Strang verwendet, um jedes Okazaki-Fragment zu initiieren. Zunächst bindet der aus PriA, PriB und PriC gebildete Komplex an DNA. Dann bindet der DnaB-DnaC-Helikase-Komplex zusammen mit DnaT. Diese Struktur wird als Präprimosom bezeichnet. Schließlich bindet DnaG an das Präprimosom und bildet ein vollständiges Primosom. Das Primosom bindet 1-10 RNA-Nukleotide an die einzelsträngige DNA, wodurch ein DNA-RNA-Hybrid entsteht. Diese RNA-Sequenz wird als Primer verwendet, um die DNA-Polymerase III zu initiieren. Die RNA-Basen werden schließlich durch DNA-Basen durch RNase H-Nuklease (Eukaryoten) oder DNA-Polymerase I-Nuklease (Prokaryoten) ersetzt. DNA-Ligase bewirkt dann, dass die beiden Enden miteinander verbunden werden.

Montage der Escherichia coli Primosom erfordert sechs Proteine, PriA, PriB, PriC, DnaB, DnaC und DnaT, die an einer Primosom-Assembly-Stelle (pas) auf einer SSB-beschichteten einzelsträngigen (8s) DNA wirken. Die Assemblierung wird durch Interaktionen von PriA und PriB mit ssDNA und dem Pas initiiert. PriC, DnaB, DnaC und DnaT wirken dann auf den PriAPriB-DNA-Komplex ein, um das Primosom zu ergeben. [1]

Primosomen sind Nukleoproteine, die DNA-Replikationsgabeln aktivieren. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, die replikative Helikase auf einzelsträngiger DNA zu rekrutieren. Das "Replikationsneustart"-Primosom, definiert in Escherichia coli, ist an der Reaktivierung von arretierten Replikationsgabeln beteiligt. Die Bindung des PriA-Proteins an die gegabelte DNA löst seinen Zusammenbau aus. PriA ist in Bakterien konserviert, seine primosomalen Partner jedoch nicht. Bei Bacillus subtilis hat die genetische Analyse drei primosomale Proteine, DnaB, DnaD und DnaI, ergeben, die keine offensichtlichen Homologen in aufweisen E coli. Sie sind an der Primosomenfunktion sowohl an arretierten Replikationsgabeln als auch am chromosomalen Ursprung beteiligt. Unsere biochemische Analyse der DnaB- und DnaD-Proteine ​​enträtselt ihre Rolle beim Zusammenbau von Primosomen. Sie sind beide multimer und binden einzeln an DNA. Darüber hinaus stimuliert DnaD die DnaB-Bindungsaktivitäten. DnaD allein und das DnaD/DnaB-Paar interagieren spezifisch mit PriA von B. subtilis auf mehreren DNA-Substraten. Dies legt nahe, dass der Nukleoproteinzusammenbau in der Reihenfolge PriA, DnaD, DnaB sequentiell ist. Das bevorzugte DNA-Substrat ahmt eine arretierte DNA-Replikationsgabel mit nicht repliziertem nachlaufendem Strang nach, die strukturell identisch mit einem Produkt einer rekombinatorischen Reparatur einer blockierten Replikationsgabel ist.

  1. ^ Allen, GC Kornberg, A. (1993). „Zusammenbau des Primosoms der DNA-Replikation in Escherichia coli“. J. Biol. Chem. 268: 19204–9. PMID8366072.

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EINLEITUNG

Um die Frage ‘Was ist Leben?’ zu beantworten, müssen wir zuerst lernen, eine lebende Zelle zu bauen. Mindestens drei verschiedene Schritte zum Aufbau von zellulärem Leben wurden untersucht: Identifizierung der minimalen genetischen Anforderungen durch den Bau einer minimalen Zelle (1,2), Modifikation lebender Zellen durch Einführung künstlicher genetischer Schaltkreise (3) und Rekonstruktion von Systemen in lebenden Zellen aus gereinigte Elemente (4𠄷). Die zellfreie Proteinexpressionstechnologie kombiniert diese drei synthetischen Ansätze. Künstliche genetische Schaltkreise wurden durch zellfreie Proteinexpression synthetisiert (8,9), der Rekonstitutionsansatz führte zur Schaffung eines minimalen Proteinexpressionssystems durch gereinigte Elemente (PURE-System) (6) und mehrere biologische Subsysteme wurden unter Verwendung der PURE-System (10,11). Diese Versuche waren jedoch bei der Rekonstruktion lebender Zellen aus definierten Faktoren nicht erfolgreich, und viele Probleme müssen noch gelöst werden, insbesondere die Integration dieser Studien.

Eine einfache Methode, diese synthetischen Studien zu integrieren, besteht darin, eine in vitro System, das aus definierten Elementen besteht und die zentralen Dogmaprozesse mehrfach durchlaufen kann (Ergänzende Abbildung S1A). Das PURE-System enthält 𾄀 definierte Elemente, die für die Transkription und Translation in Escherichia coli, jedoch fehlt ein DNA-Replikationssystem (6). Daher ist die Expression des chromosomalen DNA-Replikationssystems zum PURE-System ein Schlüsselansatz zur Rekonstitution in vitro zentrale Dogmenzyklen (Ergänzende Abbildung S1B).

Der Prozess von E coli Die chromosomale DNA-Replikation erfolgt wie folgt (Ergänzende Abbildung S2A) (12). DnaA-Moleküle sammeln sich am Ursprung der chromosomalen Replikation (oriC) und trennen Sie die beiden DNA-Stränge. DnaC lädt DnaB-Helikase in die abgetrennte Region. Die geladene DnaB bewegt sich in einer Richtung von 5′ zu 3′, während sie die Duplexregion trennt, und rekrutiert eine Primase (DnaG). DnaG synthetisiert RNA-Primer zur Elongation mit dem DNA-Polymerase III-Holoenzym (Pol III HE). Neben diesen Elementen sind auch mehrere Proteine, einschließlich DNA-Topoisomerase und DNA-Ligase, mit dem Replikationssystem verbunden. Die oben beschriebenen fünf Proteine ​​sind jedoch für die Replikation von DNA vom chromosomalen Typ essentiell. In diesem Punkt ist das Replikationssystem für einzelsträngige DNA der A-Stelle (ssDNA ABC-Primosomensystem) (13) ein gutes Material, um die Aktivität von Proteinen für die DNA-Replikation vom chromosomalen Typ zu bestätigen. Die ssDNA der A-Stelle ist eine zirkuläre ssDNA mit einem haarnadelförmigen Duplex, der eine DnaA-Bindungsstelle aufweist (ergänzende Abbildung S2B). Ähnlich wie chromosomale DNA benötigt ssDNA der A-Stelle DnaA, DnaB, DnaC, DnaG und Pol III HE für die Replikation. Eine erfolgreiche Replikation der ssDNA der A-Stelle sollte die Existenz eines DNA-Replikationssystems vom chromosomalen Typ anzeigen.

In dieser Studie rekonstruierten wir einen zentralen Dogmenzyklus in E coli durch die Herstellung eines DNA-Replikationssystems vom chromosomalen Typ unter Verwendung des PURE-Systems (ergänzende Abbildung S1B). Die in vitro Der hier etablierte zentrale Dogmenzyklus bietet einen grundlegenden Rahmen für die Rekonstitution eines mehrrunden zentralen Dogmensystems.


Sandweg

In einem früheren Beitrag habe ich ein Problem beschrieben, das wir oft verwenden, um kritisches Denken bei unseren Studenten zu fördern. Das Problem ist, wie kann E coli sich schneller teilen als die Zeit, die es braucht, um sein Chromosom zu replizieren? [DNA-Replikation in E. coli: Das Problem]

Denken Sie daran, dass die DNA-Replikation immer an einem Replikationsursprung beginnt. Bei Bakterien gibt es normalerweise einen Ursprung pro Chromosom oder Plasmid. (Eukaryotische Chromsomen haben mehrere Ursprünge.)

Die Replisomen sammeln sich am Ursprung und bewegen sich dann in entgegengesetzte Richtungen um das Chromom, bis sie sich in der Terminationsregion treffen. Jedes Replisom bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von 1000 Nukleotiden pro Sekunde und es dauert ungefähr 38 Minuten, um eine Replikationsrunde abzuschließen. Aber E coli alle 20 Minuten teilen kann. Das ist das Problem.

Das Brennen eines Ursprungs wird durch regulatorische Proteine ​​gesteuert. Diese Proteine ​​lösen den Zusammenbau von Replisomen an den Ursprungssequenzen aus. Wenn die meisten von uns zum ersten Mal mit diesem Problem konfrontiert werden, denken wir in Bezug auf die Ereignisse, die sequentiell auftreten. So wird ein Chromosom kopiert, die Tochterchromosomen segregieren und eine neue Replikationsrunde beginnt.

Das passiert nicht, wenn sich die Zellen schnell teilen. Stattdessen beginnt eine neue Replikationsrunde am "zukünftigen Ursprung", bevor die aktuelle Replikationsrunde abgeschlossen ist. Zu jedem gegebenen Zeitpunkt kann es innerhalb der Zelle sechs oder acht Replikationsgabeln geben, die gleichzeitig DNA synthetisieren.

Damit sich die Zelle alle 20 Minuten teilt, muss lediglich alle 20 Minuten eine Replikationsrunde beendet werden. Dies bedeutet, dass Ursprünge alle 20 Minuten feuern. Wenn sich die Tochterchromosomen in Tochterzellen aufspalten, werden diese bereits teilweise repliziert, um die nächste Zellteilung vorzubereiten.

So haben Fossum et al. (2007) beschreiben die Lösung in einem kürzlich erschienenen Artikel in EMBO-Journal.

Das Bakterium Escherichia coli hat ein einzelnes Chromosom, das einmal pro Teilungszyklus von einem einzigen Ursprung (oriC) bidirektional zum Terminus repliziert wird (Kornberg und Baker, 1992).Der Zellzyklus von langsam wachsenden Bakterien ist dem von eukaryontischen Zellen ziemlich ähnlich (Boye et al., 1996), wobei die G1-, S- und G2/M-Phasen der Bakterien als B, C bzw. D bezeichnet werden. E. coli (und bestimmte andere Bakterien) können in reichem Medium sehr schnell wachsen, mit Verdopplungszeiten von nur 20 Minuten. Die Replikationszeit bleibt jedoch lang, wobei ungefähr 60󈟆 Minuten erforderlich sind, um das Chromosom zu replizieren und zu segregieren. Daher ist der Zellzyklus während des schnellen Wachstums komplizierter (Abbildung 1). Wenn die Zeit, die für die Synthese und Trennung der Tochterchromosomen (C+D) benötigt wird, eine Generationszeit überschreitet, muss eine neue Replikationsrunde eingeleitet werden, bevor die vorherige abgeschlossen ist (Cooper und Helmstetter, 1968). Somit erfolgt die Initiation an zwei Ursprüngen in der „Mutter“-Zelle. Es kann sogar in der „Großmutter“-Zelle an vier Ursprüngen auftreten, wenn die Zeit, die zur Replikation und Trennung des Chromosoms benötigt wird, zwei Generationen überschreitet. Diese Initiationen an zwei oder vier Ursprüngen erfolgen gleichzeitig als ein Ereignis pro Teilungszyklus (Skarstad et al., 1986). Während E. coli und Bacillus subtilis zwei Beispiele für Bakterien sind, die in der Lage sind, eine Multifork-Replikation durchzuführen, sind es andere Bakterien wie Caulobacter crescentus nicht. Eukaryotische Zellen replizieren nicht mit überlappenden Zyklen, sondern initiieren die DNA-Replikation an mehreren Replikationsstartpunkten und führen somit eine andere Art von Multifork-Replikation durch, wobei die mehreren Forks auf derselben Kopie des Genoms sind (Diffley, 2004).

Abbildung 1:Replikationsmuster von schnell wachsendem E coli Wildtyp-Zellen. Zellen (gelb) mit Chromosomen (blaue Linien) und Ursprünge (schwarze Quadrate) sind schematisch eingezeichnet, um die Anzahl der Replikationsgabeln und Ursprünge in verschiedenen Stadien des Zellzyklus zu zeigen. In diesem Beispiel erfolgt die Initiation der Replikation an vier Ursprüngen gleichzeitig mit der Zellteilung (unten). Eine junge Zelle enthält demnach vier Ursprünge und sechs Replikationsgabeln (oben links). Mit fortschreitender Replikation erreicht das älteste Gabelnpaar den Terminus und die beiden Schwesterchromosomen trennen sich. Die Zelle enthält dann vier Ursprünge und vier Replikationsgabeln (oben rechts). Die Initiation erfolgt dann erneut an 4 Ursprüngen und erzeugt 8 neue Gabeln, was insgesamt 12 Gabeln ergibt, wenn sich die Zellteilung nähert (unten). Da es eine Variabilität von Zelle zu Zelle geben wird, enthalten einige Zellen acht Ursprünge, bevor sie sich teilen, wohingegen Zellen, die sich vor Beginn der Replikation teilen, nur zwei Ursprünge enthalten (nicht gezeigt). Die Mehrheit der Zellen in der Kultur enthält jedoch vier Ursprünge.


Vorlesung 7: Replikation

Nachdem er in der vorangegangenen Vorlesung Nukleinsäuren vorgestellt hat, konzentriert sich Professor Imperiali nun auf ihre Rolle bei der Informationsspeicherung und Informationsübertragung, beginnend mit dem Prozess der Replikation.

Lehrer: Barbara Imperiali

Vorlesung 1: Willkommen Introdu.

Vorlesung 2: Chemische Bindung.

Vorlesung 3: Strukturen von Am.

Vorlesung 4: Enzyme und Meta.

Vorlesung 5: Kohlenhydrate an.

Vorlesung 9: Chromatin-Remode.

Vorlesung 11:Zellen, Die Simpl.

Vorlesung 16: Rekombinante DNA.

Vorlesung 17: Genome und DNA.

Vorlesung 18: SNPs und Mensch .

Vorlesung 19: Zellverkehr.

Vorlesung 20: Zellsignalisierung .

Vorlesung 21: Zellsignalisierung .

Vorlesung 22: Neuronen, Aktion.

Vorlesung 23: Zellzyklus und .

Vorlesung 24: Stammzellen, Apo.

Vorlesung 27: Visualisierung des Lebens.

Vorlesung 28: Visualisierung des Lebens.

Vorlesung 29: Zellbildgebung Te.

Vorlesung 32: Infektionskrankheit.

Vorlesung 33: Bakterien und An.

Vorlesung 34: Viren und Ameisen.

Vorlesung 35: Reproduktive Kl.

BARBARA IMPERIALI: Also fangen wir an. Dies ist ein komplizierter Vortrag zu choreografieren, aber ich werde mein Bestes geben, weil ich denke, dass wir einige ziemlich erstaunliche Dinge erklären müssen, die in der Natur ausgeführt werden. Und eines dieser Dinge ist, wie wir das gesamte Genom von Organismen auf einen Schlag fast perfekt replizieren – manchmal gibt es kleine Fehler – und das schnell.

Wir werden uns also gleich auf diese Zahlen beziehen. Aber zuallererst möchte ich Ihnen nur wieder das Bild davon vermitteln, wo wir am Ende des letzten Abschnitts, dem Abschnitt Biochemie, waren. Und in den nächsten Klassen werden wir uns mit Fragen im Zusammenhang mit dem zentralen Dogma und der Verwendung von Nukleinsäuren zur Informationsspeicherung und Informationsübertragung befassen.

Und bevor ich das tue, möchte ich nur ein paar Dinge hervorheben, nur einige Begriffe, die Sie sich aus dem Biochemie-Abschnitt über Nukleinsäuren erinnern und rekapitulieren sollten. Nukleinsäuren bilden also durch Basenpaarung komplementäre Doppelstränge, und diese Basenpaarung beinhaltet Wasserstoffbrücken zwischen den Nukleobasen, einem Purin zu einem Pyrimidin, und das AT-Basenpaar ist zwei Wasserstoffbrücken wert. Das GC-Basenpaar ist drei Wasserstoffbrücken wert.

Und das sind eigentlich ziemlich nützliche Fakten, die man sich merken sollte, weil sie uns über die Stabilität von doppelsträngiger DNA, wo es einfacher ist, sie auseinander zu ziehen, und andere Eigenschaften verraten. Es ist also eine nützliche Sache, die man im Hinterkopf behalten sollte. Also die Basenpaarung zwischen dem Purin-Pyrimidin-Paar, das das genaue Register festlegt, in der doppelsträngigen DNA. Das Rückgrat ist der genaue Abstand voneinander, da Sie immer ein kleines Pyrimidin mit einem viel größeren Purin kombinieren. Damit sollten Sie sich also wohlfühlen.

Die Komponenten sind in einer antiparallelen Ausrichtung organisiert, so dass ein Ende 5 hoch bis 3 hoch verläuft. Das andere Ende läuft 3 prim bis 5 prim. Und ich habe dir letztes Mal ein Bild gezeigt, das es uns erlaubt, ganz klar zu sagen, dass die antiparallele Orientierung wesentlich stabiler ist als die parallele Orientierung, weil man all diese großartigen Wasserstoffbrückenbindungen abgesehen von allem anderen nicht gut in der parallelen Organisation herstellen kann wird kompliziert.

Eine weitere wichtige Sache, an die Sie sich besonders in dieser Vorlesung erinnern müssen, ist, dass wir dem 3-Prime-Ende einer Nukleinsäure neue Nukleotide hinzufügen. Also stecke ich diesen kleinen Kerl hier einfach in die Ecke. Dies ist der Ribose-Zucker. Dort wird die Nukleobase befestigt. Und es ist ein Desoxyzucker, also gibt es keinen Substituenten an diesem Kohlenstoff. Dies ist die eine Position, an der sich die Basis befindet. die 2-Position, wo es Desoxy ist, die 3-Position. Und das sind alles Primzahlen. Denken Sie daran, dass die Zucker Primzahlen haben. Die Basen selbst haben Zahlen ohne Primzahlen, um zu unterscheiden, worüber wir sprechen. Also 3, 4, 5, und sie sind alle erstklassig.

Und wenn wir den DNA-Einzelstrang züchten, fügen wir dem 3-Prime-Ende immer eine neue Basis hinzu. Das ist ein wichtiges Nummerierungssystem. Ich mag dieses Stück Kreide nicht. Wir wachsen also immer von 5 prim auf 3 prim. Und das wird für Sie wichtig sein, wenn wir die Diskussion heute durchgehen.

Und schließlich ein Merkmal doppelsträngiger DNA, ganz im Gegensatz zu Proteinen, die manchmal thermisch oder mit dem pH-Wert ausschmelzen und oft Probleme haben, ihre zuverlässige Struktur neu zu bilden, weil sie sich nicht neu falten, sondern aggregieren. Doppelsträngige DNA aggregiert nicht, weil sie all die negativen Ladungen hat, die ziemlich abstoßend wären. Daher wäre es für DNA-Stränge sehr schwierig, sich als solche zu aggregieren, da die Konzentration negativer Ladungen zu hoch ist. Das wäre Abstoßung unter den gleichen Ladungen.

So kann DNA mit Hitze auseinander geschält werden, und sie wird wieder einen komplementären Strang an ihren Partner anlagern. Sobald Sie sechs, sieben, acht Basenpaare erreicht haben, ist das eine schöne Wechselwirkung zwischen den Strängen, und sie bildet sich treu. Wenn wir einen Fehler in den Strängen haben, wird die Stabilität des Doppelstrangs etwas geringer sein, und das können wir durch physikalische Messungen, die wir im Labor durchführen, messen. So können wir die Denaturierung oder die thermische Schmelztemperatur messen.

Wir nennen diesen Vorgang also, nachdem Sie doppelsträngige DNA getrennt haben, Reannealing, oder es wird auch als Hybridisierung bezeichnet, um ein Hybrid zu bilden, das die Zusammensetzung der beiden Strukturen ist. Diese Begriffe werden ziemlich austauschbar verwendet.

Gut. Die Ziele der nächsten vier Klassen sind also, Ihnen zu zeigen, wie die Strukturen der Nukleinsäuren wirklich für die Art von Prozessen bestimmt sind, die sie durchlaufen. Die Replikation der DNA, die Umwandlung eines DNA-Strangs in komplementäre Boten-RNA, sobald der Prozess der Proteinsynthese eingeleitet werden muss, dieser zweite Schritt.

Der erste Schritt heißt Replikation. Der zweite Schritt, wenn Sie DNA in RNA transkribieren, wird Transkription genannt. Und schließlich, wenn Sie Boten-RNA in Proteine ​​übersetzen. Wenn wir also in eine völlig neue Sprache gehen, nennen wir es eine Übersetzung. Und das ist die Grundlage dieser Vorträge. In diesen Vorträgen geht es um kompliziertere Dinge in der Säugerzelle, wo wir die Boten-RNA ein wenig verarbeiten müssen, bevor wir sie den Zellkern verlassen können. Und ich werde es bei der Zeit erklären, wenn es kommt. Das ist also das Line-Up für die vier Vorträge.

Gut. Nun, ich habe bereits mit Ihnen gesprochen, wenn Sie hinzufügen – ich habe es hier erwähnt – wenn Sie Cytidintriphosphat, GTP, ATP, TTP hinzufügen, dies die aktivierten Nukleobasen sind, also die Desoxynukleosidtriphosphate. Sie sind Nukleotide, weil sie Phosphat enthalten, aber wenn wir sie beschreiben, nennen wir sie Nukleosidtriphosphate, wenn wir den Phosphatanteil erwähnen. Ich weiß, dass das wahrscheinlich überhaupt keinen Sinn macht. Sind alle damit einverstanden?

Wenn Sie nur allgemein etwas mit einem Phosphat beschreiben, nennen Sie es ein Nukleotid. Wenn Sie etwas genauer sein wollen, sagen Sie Nukleosid und dann sagen Sie, wie viele Phosphate. Gut? Bei den Bausteinen handelt es sich also um ein Nukleosidtriphosphat. Und glauben Sie mir, das mache ich die ganze Zeit falsch, und meine Schüler korrigieren mich. Ich habe also kein Problem, wenn Sie mit dieser Nomenklatur nicht perfekt sind.

Das sind also die Bausteine ​​für DNA, für die Polymerisation. Und ich habe Ihnen gerade gezeigt, wie Sie vom 5-Prime-Ende aus wachsen – diese Zahl ist dort nicht gezeigt, aber sie ist hier gezeigt – und Sie addieren zum 3-Prime-Ende. Und die Konvention, denken Sie daran, wenn wir einen DNA-Strang beschreiben, schreiben wir ihn 5 prim bis 3 prim, weil wir ihn 5 prim bis 3 prim machen, nur damit wir alle konsistent sind und wissen, wovon wir sprechen.

Jetzt möchte ich über zwei Experimente sprechen, die die Verwendung von Isotopen einbeziehen, weil diese schon früh sehr nützlich waren, um einige der Merkmale der Replikation, also einige Details der Replikation, und auch die Tatsache, dass die DNA das genetische Material war, zu beschreiben.

Isotope sind also Elemente, die die gleiche Anzahl von Protonen und Elektronen teilen, sich jedoch in der Anzahl der Neutronen unterscheiden. Die gemeinsamen Isotope der Elemente, die in allen kovalenten Strukturen des Körpers vorkommen, sind also Wasserstoff, Kohlenstoff, und was ich als Zahl daneben setze, ist das gemeinsame Isotop, so dass diese Zahl die Summe der Neutronenzahl bezeichnet und Protonen. Also Kohlenstoff-12, Phosphor-31. Ich hätte Stickstoff hier reinbringen sollen. Mal sehen. Warte eine Minute. Ich werde diese ordnen, weil es sinnvoller ist. Phosphor-31, Stickstoff-14, PS, Phosphor-31 und Schwefel. Was ist das Schwefelisotop? 32.

Dies sind also die gemeinsamen Isotope, die die Mehrheit dieser Elemente im Körper ausmachen. Aber es gibt viele Experimente mit verschiedenen Isotopen dieser Atome, die wir als Spuren oder Marker verwenden können, so ähnlich. Aber Sie werden sehen, wenn ich das Wort Tracer erwähne, bringt es für mich die radioaktiven Isotope hervor, weil wir sehr wenig davon verwenden. Wenn wir also über diese Elemente sprechen, gibt es verschiedene Isotope, die wir häufig verwenden. Da ist der Wasserstoff, der ein zusätzliches Neutron hat. Das nennt man auch Deuterium.

Und dann ist da noch der Wasserstoff, der radioaktiv ist. Es ist metastabil. Es zerfällt und emittiert ein radioaktives Teilchen. Dieses hier würden wir das schwere Isotop nennen, und dieses würden wir das radioaktive Isotop nennen. Wir könnten also bestimmte Wasserstoffe in Biomolekülen aufspüren, indem wir diese Wasserstoffe entweder zu den schwereren oder zu den radioaktiven machen.

Kohlenstoff hat auch nützliche Isotope. Kohlenstoff-13 ist das schwere Isotop und Kohlenstoff-14 ist das radioaktive Isotop. Sie werden also recht häufig verwendet. Beim Stickstoff sieht es dann etwas anders aus. Wir verwenden ein schweres Stickstoffisotop, nämlich N-15, nur ein zusätzliches Neutron. Aber obwohl es ein radioaktives Stickstoffisotop gibt, ist seine Halbwertszeit zu kurz, um im Labor zu arbeiten. Es ist nicht nützlich für uns, also sprechen wir nie darüber. Aber ich werde Ihnen ein Experiment mit dem schweren N-15 beschreiben, wenn wir über den Replikationsmechanismus sprechen.

Und dann für Phosphor und Schwefel sind die wichtigsten P-32, ein radioaktiver Phosphor, und S-35, ein radioaktiver Schwefel. Es gibt noch einen anderen radioaktiven Phosphor, nämlich P-33. Hat eine etwas längere Halbwertszeit. Es ist praktisch, damit zu arbeiten, wenn Sie bestimmte Experimente haben. Die Halbwertszeiten variieren stark, aber die Halbwertszeiten von Tritium C-14 sind lang. Deshalb machen wir Carbon-Dating. Die Halbwertszeiten von P-32 sind kurz, weniger Tageszeitraum und Schwefel 35 ist etwas länger. Aber das sind Nuancen, um die Sie sich keine Sorgen machen müssen.

Wie sind diese Isotope nun als Spuren und Marker nützlich, um uns über Biologie und Details der Biologie zu informieren? Was ich Ihnen hier nur zeigen werde, ist ein spezielles Experiment, das mit sogenannten Baculoviren durchgeführt wird. Viren infizieren also eukaryontische Zellen. Baculoviren infizieren Bakterien. Da gibt es also eine Gemeinsamkeit.

Und wenn Baculoviren Bakterien infizieren, lagern sie, genau wie parallel zu eukaryotischen Zellen, Material in die Bakterien ein, damit sie sich vermehren können, damit sie die Bakterien entführen können, um neue Baculoviren herzustellen. So wurde ein frühes Experiment durchgeführt, um zu fragen, welches genetische Material die Informationen vom Baculovirus auf die Bakterienzelle überträgt, um mehr Baculovirus herzustellen.

So konnten sie in diesem Experiment von Hershey und Chase zeigen, dass man Protein und DNA mit bestimmten Isotopen markieren und herausfinden kann, welcher Teil des Baculovirus für den Informationstransfer zur Produktion neuer Baculovirus wichtig ist. Also wollten sie das Kapsidprotein kennzeichnen, also das proteinhaltige Material, das sich auf der Außenseite dieses Mondlanders befindet. Dies ist ein Baculovirus. Es ist irgendwie erstaunlich, wie es aussieht.

Also wollten sie das Protein markieren. Sie wollten aber auch den Inhalt des Baculovirus, die DNA, mit Tracer-Radioisotopen markieren. Was wären also die besten Isotope, um zwischen Protein und Nukleinsäure zu unterscheiden?

Und was Sie darüber nachdenken möchten, ist, was Proteine ​​haben, was Nukleinsäuren nicht haben und was Nukleinsäuren haben, was Proteine ​​nicht haben? Welche Elemente sind für die Differenzierung wichtig? Ja. Da drüben.

BARBARA IMPERIALI: Ja, Phosphor. Willst du ein bisschen mehr von a--

BARBARA IMPERIALI: Okay. Die Antwort ist also, dass wir Phosphor verwenden würden, um Nukleinsäuren zu markieren, da dieses Phosphodiester-Rückgrat reich an Phosphor ist. Es gibt ein paar Phosphate in Proteinen, aber sie sind sehr kurzlebig. Sie sind Teil der Signalisierung. Aber jedes Nukleotid hat in jedem Baustein einen Phosphor. Und dann enthalten sie in Proteinen Schwefel, wo Nukleinsäuren dies nicht tun. Und der Schwefel ist in zwei Aminosäuren Cystin und Methionin enthalten. Sie können also diese beiden Tracer für die Bausteine ​​verwenden.

Und das Experiment funktioniert so, wenn Sie das Protein mit Schwefel markiert haben, infizieren Sie eine Zelle, das Virus repliziert sich. Und was Sie dann tun werden, ist, die Bakterienzellen zu zentrifugieren, um zu sehen, was in der Zelle ist, und dann können Sie alternativ die DNA markieren - und in diesem Fall habe ich sie grün angezeigt, aber das wäre das andere Isotop - lassen Sie es die Zelle infizieren und geben Sie seinen Inhalt in die Zelle ab, zentrifugieren Sie die Zellen. Und Sie möchten wissen, wo die Radioaktivität ist, und die Radioaktivität ist eng mit Phosphor-32 verbunden, weil das genetische Material, das für die Produktion des neuen Baculovirus kodiert, mit der Bakterienzelle verbunden bleibt.

Im Gegensatz dazu ist keine Radioaktivität verbunden, wenn Sie die Zellen mit S-35 markieren. Gut? Schönes Experiment. Einfacher Weg, es zu tun. Ziemlich schöne Art, es zu tun.

Das andere Experiment möchte ich Ihnen ganz kurz beschreiben, da es auf einer zentralen Bewässerungstechnologie beruht, die sehr leistungsstark ist. Und es ist eine Methode, die N-15 sehr, sehr gut nutzt. Lassen Sie mich Ihnen von diesem Experiment erzählen. Es gibt Dinge im Labor, die wir täglich benutzen, Ultrazentrifugen und normale Zentrifugen, die sich mit sehr hoher Geschwindigkeit drehen, wo wir die Dinge wirklich nach molekularer Masse unterscheiden können, die sich auf Sedimentationskoeffizienten bezieht. Wie schnell dreht sich das Teilchen zum Boden des Röhrchens, wenn es unter hoher Zentrifugalkraft steht? Je schwerer es ist, desto schneller dreht es sich.

Die Frage, die sehr früh aufkam, sieht jetzt wie eine unsinnige Frage aus, weil es so offensichtlich aussieht, dass wir DNA so replizieren, wie wir es tun. Aber ursprünglich war es nicht absolut sicher, ob die DNA durch einen halbkonservativen Mechanismus repliziert wurde, bei dem die Stränge auseinanderbrachen und Sie zwei Kopien erstellten, eine Kopie jedes Strangs, um zwei identische neue doppelsträngige Tochter-DNA herzustellen.

Könnten Sie alternativ einen Mechanismus haben, der ziemlich konservativ war, Sie behalten Ihre DNA und haben irgendwie eine Kopie davon gemacht. Für mich etwas schwerer zu verstehen. Ihre beiden neuen Stränge würden also wie die ursprüngliche aussehen, aber eine wäre ganz anders. Oder dispersiv, wo Sie nur Teile der DNA kopieren und dieses gigantische Puzzle irgendwie wieder zusammensetzen.

Das Zentrifugationsexperiment ermöglichte es den Menschen, absolut und klar zu sagen, dass die Replikation über einen halbkonservativen Prozess erfolgt. Gehen wir es also durch. Und was geschah, war, dass die Nukleotide innerhalb der DNA alle mit schwerem Stickstoff markiert waren. Also für jede Nukleinsäure – sagen wir zum Beispiel, wenn sich ein Adenin im Rückgrat befindet, gibt es fünf Stickstoffatome, das wären also fünf Atommasseneinheiten schwerer als Stickstoff-14 in dieser Nukleobase.

Also N-15 Nukleobase, fünf Masseneinheiten schwerer als N-14 Nukleobase. Sinn für alle? Gut. Es ist also um einiges schwerer. Es ist keine große Menge, aber es reicht aus, um in einem Zentrifugationsexperiment zu differenzieren. So wurden die Bakterien zunächst in schwerem Stickstoff gezüchtet, sodass sich die gesamte DNA mit einer bestimmten Geschwindigkeit und an einem bestimmten Ort absetzt. Und es enthält alles N-15, also ist es so schwer, wie es sedimentieren kann.

Und dann ließen sie die Bakterien sich in Gegenwart von N-14, dem leichteren Isotop des Stickstoffs, vermehren. Und was man erwarten würde, ist, wenn Sie sich replizieren, schälen Sie die beiden schweren Stränge auseinander, und jeder paart sich mit einem leichten Strang. Sie haben jetzt also zwei Kopien, zwei neue identische Kopien der DNA, wobei die Hälfte eines Strangs N-15 hat, ein Strang N-14 hat.Es sedimentiert also weniger schnell, weil es eine andere Dichte hat, eine geringere Dichte als das gesamte N-15. Sie würden also beim Sedimentieren ein mittleres Gewichtsband im Zentrifugenröhrchen erhalten.

Wenn Sie diese beiden Stränge wieder auseinander schälen, haben Sie eine schwere und eine leichte. Wenn Sie in N-14 anbauen, wird das Licht mit einem anderen Licht kombiniert, und es gibt zwei davon. Und dann verbindet sich das Schwere mit einem Licht. So bekommst du neue Sedimentation, wo du immer noch eine Band hast, die die Kombination aus leicht und schwer ist. Aber dann fängst du an, etwas Material zu haben, das alles Licht ist. Das wäre also dieser Zyklus. Also zwei, die immer noch leicht und schwer sind, und dann zwei, die ausschließlich leicht sind. Sie replizieren weiter, und Sie werden das Schwere weiter verdünnen. Macht dieses Experiment Sinn?

Es ist ein cooles Experiment. Kaum zu glauben, dass es machbar ist, aber die Fähigkeit der Zentrifugation, mit diesen Isotopen zu differenzieren, ist wirklich wertvoll. Also möchte ich nur einen Stecker für die Verwendung von Isotopen einsetzen. Offensichtlich werden sie in der Kernphysik verwendet. Wir verwenden viele der radioaktiven Isotope aus unterschiedlichen Gründen. Aber in der Biologie sind sie für einige dieser Experimente unverzichtbar. Und bis heute kann man mit Isotopen Dinge machen, die andere Experimente nicht können, weder die radioaktiven noch die schweren.

Heutzutage wird viel in der Proteomik mit Massenspektrometrie und schweren Isotopen gearbeitet, wo man wirklich verfolgen kann, wohin die Dinge gehen und Krebszellen anders als gesunde Zellen behandeln, aber tatsächlich verfolgen können, was passiert, indem man schwere Isotope in eine der Wachstumsschalen von . gibt Zellen.

Also ich mag diese beiden Experimente sehr. Ich würde sie in die Kategorie Oldies aber Goodies einordnen.

Gut. Jetzt habe ich hier einige Details, die wir im weiteren Verlauf erklären müssen. Und ich möchte zunächst nur mit ein paar Details beginnen, die ich auf diesem Board hervorheben möchte.

Zuallererst Prokaryoten wie Bakterien, E. Coli und Eukaryoten wie menschliche Zellen. Haben einige Unterschiede in ihrer DNA. Die Größe des Bakteriengenoms beträgt also etwa fünf Millionen Basenpaare. Die Größe des menschlichen Genoms ist zwar nicht ganz 1000-mal größer, aber um einiges größer. Die DNA in Bakterien ist zirkulär, während die DNA in eukaryotischen Zellen linear ist.

Und es ist tatsächlich in der Form - Sie sehen all diese kleinen Bilder, in denen Sie die Chromosomenpaare in der Mitte irgendwie zusammenkleben sehen, und das ist lineare DNA von einem Ende zum anderen. Bei Bakterien ist die DNA zirkulär, hat also kein Ende. Sie sind also unterschiedlich, in Ordnung?

Die Replikation von zirkulärer DNA unterscheidet sich also ein wenig von der Replikation linearer DNA. In beiden Fällen muss die DNA nun so verpackt werden, dass sie in die Zelle passt. Ansonsten ist es einfach zu sehr ungeordnet. Im Fall von Bakterien wird die zirkuläre DNA mit sogenannten Polyaminen umwickelt und super gewickelt, Verbindungen, die sehr positiv geladen sind, um all die negative Ladung in der DNA zu neutralisieren. Und beim Menschen und anderen Eukaryoten sind die Chromosomen um sehr, sehr positiv geladene Proteine ​​gewickelt, die als Histone bekannt sind. Es sind ähnliche Prinzipien, aber sie sind unterschiedliche Einheiten.

Wenn wir also über die Replikation einer prokaryotischen Zelle sprechen, ist hier die typische zirkuläre DNA. So können Sie die doppelsträngige DNA sehen. Und ich habe hier ein kleines Symbol eingefügt, das ich ORI nenne. Das ist also der Ursprung der Initiation. Das ist also der Ort, an dem Sie anfangen, Ihre DNA zu kopieren. Und wir werden gleich darüber sprechen, wie man diese Stellen in Genomen erkennt.

Und so wird das Bakteriengenom bidirektional kopiert, sodass Sie in beide Richtungen in die entsprechende Richtung kopieren können – wir werden gleich darüber sprechen – um die gesamte zirkuläre DNA und eine perfekte Kopie der DNA mit bidirektionalem Kopieren zu erstellen . Und das ist für kleine Genome nicht schlecht, weil Sie nur einen Replikationsstartpunkt haben. Sie müssen die zirkuläre DNA vollständig umgehen. Es ist ein bisschen kleiner als das menschliche.

Aber was macht man mit gigantischen Genomen wie dem, das etwa 1.000 Mal größer ist als das bakterielle? Wie schafft man es, die Replikation des gesamten Genoms dennoch schnell genug zu katalysieren, um in angemessener Zeit die Kopie der DNA zu erstellen? Dabei wird auch berücksichtigt, dass die Geschwindigkeit der bakteriellen Replikation 1.000 Basenpaare pro Sekunde beträgt. Ziemlich beeindruckend - 1.000 dieser Anleihen werden jede Sekunde hergestellt -, während es bei Eukaryoten je nach Bedingungen bei 50 Basenpaaren pro Sekunde liegt. Dies sind nicht sehr eindeutige Zahlen. Es gibt eine kleine Variabilität.

Also, wie würden Sie es tun? Wenn Sie dieses riesige Stück Gen hätten, und Sie müssten es ziemlich schnell kopieren, um einen ganzen Zellinhalt in acht Stunden zu replizieren, was würden Sie tun? Wie könnten Sie die Dinge beschleunigen? Ja.

Jawohl. Die Antwort hier lautet also: Beginnen Sie an vielen verschiedenen Orten, sodass entlang dieses großen Genoms viel kollaborative Arbeit im Gange ist. Wenn also die langen linearen Chromosomen, die sich in eukaryontischen Zellen befinden, repliziert werden, hat man am Ende nur viele Replikationsursprünge. Sie fangen also im Grunde überall an, damit Sie die Arbeit schnell genug erledigen können, damit sie Sinn macht. Macht das für alle Sinn? Fangen Sie also an vielen Stellen an. Es ist eine ziemlich einfache Sache.

Gut. Nun habe ich ganz kurz erwähnt, dass man DNA erst auspacken muss, bevor man sie kopieren kann. Jetzt denken wir viel über das Verpacken von DNA nach, weniger über das Auspacken. Also habe ich diese Bilder irgendwie in umgekehrter Richtung. Es kann also nur diese ausgestreckte Form der DNA kopiert werden, während die DNA in Ihren Zellen sehr eng in Chromosomen gebündelt ist.

Wie werden sie zusammengestellt? Diese Chromosomen bestehen aus Chromatin, einem Haufen von Kugeln, die Histonproteine ​​​​sind, um die DNA gewickelt ist. Das ist kompaktes Chromatin. Tut mir leid, Leute. Lass mich zurückgehen, nicht um vorwärts zu gehen. Das ist Chromatin in kompakter Form. Dies ist Chromatin, das jetzt entwirrt ist. Sie sehen eher aus wie Perlen an einer Schnur, DNA, die um jedes Histonprotein gewickelt ist, um diese Nukleosomenstrukturen zu bilden.

Und dann sieht jedes Nukleosom so aus. Es hat Protein in der Mitte und DNA, die darum gewickelt ist. Um also vorwärts zu gehen und zu replizieren, müssen wir die DNA auspacken. Es gibt viele Signale, um die DNA auszupacken, über die wir später sprechen werden. Die Nukleosomen sehen so aus. So können Sie die DNA und die in der Mitte gebündelten Proteine ​​verfolgen.

Und wenn wir zum Schluss noch Zeit haben, zeige ich euch das Video der DNA-Verpackung und das Video der DNA-Replikation. Sie sind jeweils etwa anderthalb Minuten lang, also ist es kein ganzer Haufen.

Später werden wir darüber sprechen, was passiert, wenn festgestellt wird, dass eine Zelle ihr Genom replizieren muss. Eine Menge Dinge müssen als Signale passieren, um das Auspacken zu tun. Und eines dieser Dinge ist tatsächlich, den geladenen Zustand der Histonproteine ​​zu ändern, damit Sie die positiven Ladungen neutralisieren, damit sich die DNA dafür auflösen kann. Macht Sinn. Es ist immer noch nur eine einfache alte elektrostatische Wechselwirkung.

Die DNA-Synthese ist also die sogenannte templatgetriebene Polymerisation. OK. Also templatgetriebene Polymerisation. Sie werden ein Gefühl dafür bekommen, was das genau bedeutet. Wir wissen, dass die beiden Stränge komplementär sind, und wir werden einen Strang als Code verwenden, um einen neuen komplementären Strang zu erstellen. Wenn wir also DNA herstellen, haben wir dort einen Strang. Das ist der sogenannte Template-Strang. Ich möchte eine komplementäre Kopie dieses Strangs erstellen.

Was die DNA-Polymerase also tun wird, ist, systematisch Nukleotide zum 3-Prime-OH der Ribose hinzuzufügen, und dann wächst man weiter. Aber die Base, die eingefügt wird, ist diejenige, die komplementär zur Base auf dem Matrizenstrang ist. Wenn es sich also um Thiamin auf dem Matrizenstrang handelt, ist es Adenin, das in den neuen Strang eingebracht wird, und so weiter.

Und nur um diese Zahlen wieder zu erhalten, wird der neue Strang von 5 Primzahlen auf 3 Primzahlen gezüchtet. Der alte Strang wird 3 prim bis 5 prim gelesen. Sie lesen also einen Strang und Sie lesen ihn 3 zu 5, und Sie machen 5 zu 3. So erhalten Sie am Ende komplementäre antiparallele Stränge. Okay, alle?

Gut. Und wenn Sie die Bindung eingehen, gehen Sie mit Nukleosidtriphosphaten ein, Sie bilden einen neuen Phosphodiester mit nur einem dieser Phosphore und Sie werfen Phosphatphosphat heraus, das wir Pyrophosphat oder Diphosphat nennen würden.

OK. Hier können Sie also einfach sehen, überprüfen Sie einfach, ob Sie wissen, was Sie tun. Ich sage nur, das ist wirklich eine ziemlich einfache Sache. Wir werden ein T einfügen, dann ein a und dann ein C, weil unsere Vorlage uns sagt, dass wir das entsprechende Purin oder Pyrimidin einfügen sollen, das ein schönes Basenpaar bildet damit.

Hier ist also eine Frage. Aber ich habe dir schon die Antwort darauf gegeben. Daher sollte es für Sie sehr einfach sein, sich einen Schablonenstrang anzusehen und zu entscheiden, was sich auf dem komplementären Strang befinden würde, und auch über die Direktionalität des komplementären Strangs zu entscheiden.

Jetzt Ursprünge der Replikation. Wie sehen Sie aus? Es ist das alte Problem, wo fange ich an. Wo soll ich anfangen? Wo fange ich am besten an? Jemand? Nicht du. Nicht du. Möchte hier noch jemand antworten? Ich habe dieses ganze Genom. Ich muss los. Ich muss anfangen, eine Kopie davon zu machen. Wo ist der beste Ort, um hineinzubrechen, um mit dem Erstellen von Kopien zu beginnen? Ja. Dort.

BARBARA IMPERIALI: Richtig. Es ist einfach. Es ist der Unterschied zwischen zwei und drei. Wenn Sie in den Bereich gehen, in dem es viele Gs und Cs gibt, hat jeder GC drei Wasserstoffbrücken. Wenn Sie in einen anderen Bereich gehen, in dem zufällig viele A und T hintereinander liegen, ist jedes Paar nur zwei Wasserstoffbrücken wert. Sie werden die Strecke wählen, die die meisten A's und T's hat, weil dies die Stelle ist, an der die Basenpaarung schwächer ist.

Es ist eigentlich ein sehr einfaches Konzept. Es wäre also die AT-reiche Region der Ort, an dem die Replikationsursprünge vorherrschen. OK. Was wir jetzt tun werden – und das wird schwierig, aber ich werde es zum Laufen bringen – ist, über die Replikation eines ganzen Genblocks zu sprechen. Und was ich hier getan habe, ist, dass ich die Teile, die wir hier besprechen werden, hier platziert habe. Das ist meine Speisekarte. Und wir werden durcharbeiten, was wir brauchen, um einen großen Teil der DNA zu kopieren.

Gut? Alle mit mir?

Also habe ich heute morgen neu gezeichnet. Ich habe mir geschworen, dass ich an dieser Tafel super aufgeräumt sein werde, was für mich ein langer Weg ist. Also Replikation, wir wissen, wo die Replikation beginnt, AT-reiche Region. Die könnten wir im Genom heraussuchen. Wir wissen, dass wir die DNA abwickeln müssen, um eine Kopie davon zu erstellen, also müssen wir die DNA vorher auspacken. Das sind alles bekannte Dinge. Werfen wir nun einen Blick auf doppelsträngige DNA und versuchen herauszufinden, wie wir alle Komponenten verwenden.

Eigentlich werde ich dieses Board runterbringen, weil ich es dort oben nicht so gut sehe. Wie nutzen wir all diese Komponenten, die Teil des Menüs sind, das wir brauchen, um den neuen DNA-Strang herzustellen? Wir haben also doppelsträngige DNA und es gibt Basenpaare. Das ist typische doppelsträngige DNA. Davon gehen wir aus, unverpackt. Ich habe es nicht spiralförmig gemacht, weil meine Spiralen unordentlich werden.

Und deshalb müssen wir anfangen. Das erste, was passieren wird, ist, dass die wichtigen Enzyme wie die Helikase scannen, um einen Replikationsursprung zu finden, also irgendwo, wo der Prozess beginnen kann, weil sie dort einbrechen werden.

David, einer Ihrer TAs, arbeitet in Steve Bells Labor. Und sie untersuchen den Ursprung des Replikationskomplexes bei Säugetieren, was eine viel kompliziertere Situation darstellt, als ich Ihnen heute beschreiben werde. Aber sie leisten fabelhafte Einzelmolekülarbeit, um zu zeigen, wie diese Teile zusammengesetzt sind.

Aber ich sage dir die Wahrheit. So blöd ich auch bin, am coolsten finde ich den Ursprung des Replikationskomplexes, dass er ORC buchstabiert. Und wenn einer von euch ist Herr von das Ringe Fans, wer kann nicht von einem Komplex namens ORC-Komplex begeistert sein?

Es wird also ein Screening des Genoms auf ORI geben. Und ich möchte, dass Sie sich daran erinnern, was hier oben ist, ist der Rest des Chromosoms. Es ist nicht nur ein unscharfes Ende. Es ist etwas, das eine Menge Zeug hat, das immer noch basengepaart ist.

Das erste, was passiert, ist, dass die Helikase mit dem Entpacken der doppelsträngigen DNA beginnen muss, damit Sie zu einem neuen Zwischenprodukt gelangen. Wir werden so zeichnen.

Und die Helikase wird abfangen, um im Grunde damit zu beginnen, diese beiden DNA-Stränge zu trennen, um die Replikation durchzuführen. Aber vergessen Sie nicht, dass diese immer noch Basenpaare sind und dies jetzt Einzelstränge sind. Also brauche ich etwas aus diesem Menü. Ich werde es schnell brauchen.

Was denkst du ist das nächste, was wir wirklich brauchen werden, um in unserem Job voranzukommen? Was brauchen wir von hier? Wir verwenden bereits die doppelsträngige DNA. Es wird nicht allzu schwierig sein, die NTPs herauszufinden. Wir verwenden bereits die Unzip-Arrays, die Helicase. Was werden wir brauchen? Ja.

Primas. Ah, Primase kurz. Aber wir müssen wirklich etwas tun, um unsere entpackten Sachen zu stabilisieren.

Diese beiden Einzelstränge liegen also dicht beieinander und ergänzen sich. Was wird sie davon abhalten, direkt wieder zusammen zu gehen und keine Replikation zuzulassen? Es gibt also Proteine, die im Grunde auf den einzelsträngigen Teilen der DNA sitzen, so genannte einzelsträngige Bindungsproteine, die diesen vorübergehend hergestellten Komplex so lange stabilisieren, dass er kopiert werden kann.

Bisher haben wir die Helikase verwendet. Wir haben die einzelsträngigen Bindungsproteine ​​verwendet. Und ich werde sie dort zeichnen, wobei ich mich immer noch daran erinnere, dass ich hier oben ein ganzes Chromosom habe. Jetzt muss das schwere Heben ziemlich bald beginnen, also brauchen wir das Enzym, das eine Kopie eines dieser Einzelstränge anfertigt.

Das wird eine DNA-Polymerase sein, die genau hier ist. Aber DNA-Polymerase ist ein kniffliges Enzym, weil es nicht gerne einfach am Genom, am Einzelstrang, kalt anfängt und eine Kopie erstellt. DNA-Polymerase benötigt irgendeine Art von Primer. Also schreibe ich das hier einfach mal als Notiz. DNA-Polymerase benötigt einen sogenannten Primer.

Und was ist ein Primer? Ein Primer ist eine Sequenz – ich glaube, ich habe hier etwas – ein Primer ist eine Sequenz, die zu einem kleinen Stück DNA komplementär ist, sodass die DNA-Polymerase, wenn sie auftaucht, tatsächlich einen Doppelstrang erfasst und sich dann auffüllt der Rest des Einzelstrangs. Dies wäre also eine typische Darstellung einer Grundierung. Hier ist ein Strang, den wir kopieren möchten. Aber der blaue ist ein Primer-Strang, der Ihnen etwas Doppelsträngiges gibt, an dem Sie sich festhalten können.

Und dann würde die DNA-Polymerase in dieser Situation gerne den Rest der Sequenz ausfüllen. Um diese Diskussion zu beginnen, werden wir nur einen Primer zur Verfügung stellen, der die DNA ergänzt, nur um es uns zu versuchen. Wir haben eine Alternative in der Zelle, wo wir tatsächlich eine Primase und RNA-Bausteine ​​verwenden, um einen Primer zu bauen. Aber lassen Sie uns die Dinge für eine Minute einfach halten und mit viel der Hauptarbeit fortfahren. Und dann kommen wir gleich darauf zurück.

Dieser Teil ist also eine Grundierung. Und dieser Primer – wenn dies das 3-Prime-Ende ist, ist das 5 Prime 3-Prime. Der Primer ist also in dieser Richtung zur DNA komplementär. Es ist antiparallel. Und dann kann DNA-Polymerase mitgehen und den Strang auffüllen. Und ich werde es gestrichelt zeichnen, und es wird weiter wachsen.

Und ich möchte, dass Sie bemerken, dass die DNA-Polymerase von 5 prim auf 3 prim wächst. Das ist eine Kardinalregel, die Richtung, in der wir die neue DNA wachsen lassen. Wenn man sich also dieses Bild ansieht, geht es im Grunde in diese Richtung, weil das 3-Prime-OH frei ist und Sie darauf aufbauen. Sie verwenden also zuerst einen Primer und dann DNA-Polymerase plus Desoxynukleosidtriphosphate. Also all diese AT CG-Bausteine.

Also haben wir diese verwendet. Wir haben die einzelsträngigen Bindungsproteine ​​verwendet. Wir haben eine Grundierung verwendet, aber es gibt eine Alternative. Dazu komme ich gleich. Aber wir haben jetzt einen Komplex, in dem ich Sie kurz ablenken werde, um Ihnen in der Zelle zu erzählen, was Sie sonst noch als Grundierung verwenden könnten. Und dann müssen wir uns damit befassen, diesen anderen Strang zu kopieren.

Aber dieser erste Strang, der hergestellt wird, wird als führender Strang bezeichnet. Es ist das, was einfach ist. Ich schäle die DNA auseinander. Ich habe dort eine Grundierung, und ich kann einfach bauen. Geht wirklich reibungslos. Ich baue in die richtige Richtung. Wenn Sie auf die andere Seite des Zauns schauen, haben Sie ein Problem, weil ich von hier aus nicht bauen kann, oder? Warum nicht?

BARBARA IMPERIALI: Ja. Ich würde es in die falsche Richtung machen. Ich wäre das totale Chaos, ehrlich gesagt. Es würde eine Krise in der Zelle geben. Damit müssen wir uns also auseinandersetzen. Lassen Sie mich Sie also aus der Grundierung herausholen, kümmern Sie sich einfach um dieses Grundierungsproblem. In der Zelle ist es nicht so, dass wir all diese kleinen Primer mikroinjizieren können, um unsere DNA zu synthetisieren.

Ob Sie es glauben oder nicht, RNA-Polymerase braucht also keinen Primer. So können Sie kleine Primer mit RNA bauen. Sie bauen nicht sehr viel, bauen Sie nur kurze Segmente. Und wenn Sie dann genug haben, kann die DNA-Polymerase mit der Polymerisation beginnen.

Sie verwenden also RNA-Polymerase und Nukleosidtriphosphate, nicht die Desoxy-Phosphate. Später haben wir also dieses Stück hier, das aus Desoxy-RNA hergestellt werden könnte, weshalb ich hier zu meiner Speisekarte komme - habe ich es? Jawohl. Wir brauchen eine RNA-Primase, und wir brauchen RNAs, um sie herauszuhacken, damit die DNA-Polymerase zurückkommen kann, denn jetzt gibt es doppelsträngiges Material und füllt die Lücke. Und dann brauchen wir noch ein Enzym, um die Lücken zusammenzunähen. Und das ist die Ligase. Die Logik dieses Zeugs ist großartig. Ich denke, es ist wirklich erstaunlich, weil all diese beweglichen Teile weiterentwickelt wurden, um all diese Funktionen zu erfüllen.

Jetzt müssen wir über diesen lästigen anderen Strang sprechen. Wir haben hier also ein Problem, weil wir die falsche Richtung haben. Was also in der Natur passiert, ist, sobald es genug Dehnung gibt, wird ein Primer eingesetzt, der die DNA in die richtige Richtung wachsen lässt. Von dort wird die Helikase entpackt. Also haben wir eine weitere Grundierung eingefügt. Und dann kann die DNA-Polymerase – das ist die weiße – ihren komplementären Strang aufbauen, und zwar in der richtigen Richtung, um konsistent zu sein.

Sie füllen also im Grunde einen Brocken aus und müssen dann eine Weile warten, bis mehr geöffnet wird, einen anderen Primer einlegen und dann die DNA wachsen lassen. In diesem anderen Stück machen Sie also kleine DNA-Segmente, in die RNA-Primer eingreifen. Später werden diese kleinen Primer von RNAs zerkaut. DNA-Polymerase wird sie ausfüllen, und Ligase wird sich ihnen anschließen.Ist das sinnvoll? Es ist viel zu begreifen.

Und diese andere Seite wird als nachlaufender Strang bezeichnet. Und es gibt Stücke kurzer DNA, die vorübergehend hergestellt werden und einen eigenen Namen haben. Sie können sich daran erinnern oder nicht. Ich habe nur das Gefühl, dass ich nicht vollständig bin, wenn ich ihren Namen nicht nenne. Sie werden Okazaki-Fragmente genannt, nach dem Typen, der sie entdeckt hat. Und sie sind bei Bakterien länger als beim Menschen. Okazaki-Fragmente sind also die vorübergehenden kurzen DNA-Abschnitte, die im nacheilenden Strang hergestellt werden und dann zusammengefügt werden.

Das ist also eine Art Geschichte für die Replikation der DNA. Lassen Sie mich sicherstellen, dass ich Ihnen alles beschrieben habe. Führender Strang, nacheilender Strang. Oh, ich kann nicht glauben, dass ich das fast vergessen hätte. Gut. Jetzt haben wir ein Problem. Also sind wir den ganzen Weg gekommen. Wir haben alle Teile verwendet. Wir haben keines der Stücke verwendet.

Wir stecken also in kleinen Schwierigkeiten, denn was wird passieren, wenn Sie zum Beispiel versuchen, Ihre DNA zu zerlegen? In welche Schwierigkeiten wirst du geraten? Wer will hierher kommen und an meiner Demo teilnehmen? Und Sie müssen sich bewusst sein, dass Sie auf dem Bildschirm sein werden. Du und du da oben. Du hast zuerst deine Hand hoch. OK.

Ich brauche jemanden, der daran festhält, als würde sein Leben davon abhängen. Du darfst die Gelben nicht rausrutschen lassen. Sie sind also der Rest des Chromosoms, also stellen Sie sicher, dass Sie wirklich halten – und Sie lassen nicht zu, dass die Dinge auseinanderbrechen.

Jetzt bist du Helicase, OK? OK. Also komm schon. Beginnen Sie mit dem Helicasing und ziehen Sie so stark wie möglich. Er wird es halten. Nein, ich möchte nicht, dass Sie es abwickeln, weil wir uns mitten in einem Chromosom befinden. Sie müssen also buchstäblich tun, was Helicase tut. Ja, zieh weiter. Komm schon, du kannst es. Können Sie noch viel weiter gehen? Ich meine, deine Arme sind nicht mehr. Aber es ist fast unmöglich, oder? Wir kommen an einen Punkt, an dem wir Hilfe brauchen.

Die Hilfe, die wir bekommen, kommt von Topoisomerase. Topoisomerase tut etwas – gehen Sie also nur einen Schritt auf diese Weise. Ja. Topoisomerase kommt etwas mit und es schneidet die DNA. Er hält die Stücke, wenn man so will, in den Händen, lässt das Supercoiling entspannen und fügt sie dann wieder zusammen. Also Topoisomerase - vielen Dank, Leute. Das ist es. Chromosom, Helikase, danke. Wir haben hier wirklich einige eng gewundene DNA.

Topoisomerase ist also die kostenlose Karte, um aus dem Gefängnis zu kommen, weil sie es Ihnen ermöglicht, mit all diesen Spannungen umzugehen, die Sie nicht lösen können. Sie brauchen also jemanden, der buchstäblich schneidet, hält, das Ding entspannen lässt, sich ihm wieder anschließt. Und es gibt einige Topoisomerasen, die DNA-Gyrasen genannt werden.

Aber das wirklich Coole an Topoisomerase ist, dass sie sowohl in Säugetier- als auch in Bakterienzellen ein wunderbares Wirkstoffziel ist, da sie in den beiden Arten von Organismen ziemlich unterschiedlich sind. In Bakterien ist das Antibiotikum Ciprofloxacin also ein Topoisomerase-Hemmer, der die Teilung Ihrer Bakterien tatsächlich stoppt, denn wenn Topo nicht wirkt, können Sie nicht weitermachen.

Und in der Humanbiologie und Krebsbiologie gibt es auch Topoisomerasen – es gibt eine namens [INAUDIBLE] – die dasselbe in der eukaryotischen Topoisomerase tun, um die schnelle Teilung von Krebszellen zu stoppen, damit diese nicht weitermachen und größere Tumoren bilden können.

Deshalb möchte ich Ihnen etwas zeigen. Und ich bin mir eigentlich sicher, dass ich Zeit habe. Komm schon. Jetzt zeige ich es dir.

- In dieser Animation sehen wir die bemerkenswerte Art und Weise, wie unsere DNA dicht gepackt ist, so dass zwei Meter dieses langen Moleküls in den mikroskopischen Kern jeder Zelle passen.

Der Prozess beginnt, wenn die DNA um spezielle Proteinmoleküle, sogenannte Histone, gewickelt wird. Die kombinierte Schleife aus DNA und Protein wird Nukleosom genannt.

Als nächstes werden die Nukleosomen in einen Faden verpackt. Das Endergebnis ist eine Faser, die als Chromatin bekannt ist. Diese Faser wird dann noch einmal geschlungen und gewickelt, was schließlich zu den bekannten Formen führt, die als Chromosomen bekannt sind und im Kern sich teilender Zellen zu sehen sind.

BARBARA IMPERIALI: Jetzt bringe ich Sie weiter zu DNA, worüber wir gerade hier gesprochen haben.

- Mit Hilfe von Computeranimationen basierend auf molekularer Forschung können wir jetzt sehen, wie DNA in lebenden Zellen tatsächlich kopiert wird. Sie sehen ein Fließband erstaunlicher biochemischer Miniaturmaschinen, die die DNA-Doppelhelix auseinanderziehen und eine Kopie jedes Strangs herausdrehen.

Die zu kopierende DNA läuft von unten links in die Produktionslinie ein. Die wirbelnde blaue molekulare Maschine heißt Helikase. Es dreht die DNA so schnell wie ein Düsentriebwerk, während es die Doppelhelix in zwei Stränge aufwickelt. Ein Strang wird fortlaufend kopiert und kann nach rechts abgespult werden.

Für den anderen Strang ist es nicht so einfach, weil er rückwärts kopiert werden muss. Es wird wiederholt in Schleifen gezogen und abschnittsweise kopiert. Das Endergebnis sind zwei neue DNA-Moleküle.

BARBARA IMPERIALI: In Ordnung. OK. Das haben Sie heute gesehen, Nachbildung, viele Mechaniken, viele bewegliche Teile. Es gibt dieses knifflige Zeug mit Primern. Daran wirst du dich gewöhnen. Aber dies ist wirklich die Quintessenz der Teile, um DNA zu replizieren.

Es ist ein erstaunlicher Prozess. Schau dir die Geschwindigkeit an. 1.000 Basenpaare pro Sekunde. Kannst du es überhaupt glauben? Ein ganzes zirkuläres Chromosom kopiert in 20 Minuten. Dies sind also wirklich Dinge, über die Sie nachdenken sollten, weil sie so beeindruckend sind, dass es eine Freude ist, sie Ihnen tatsächlich beibringen zu können.


9.6 Telomere und replizierende Seneszenz

Das Endreplikationsproblem

In Menschen, Telomerebestehen aus Hunderten bis Tausenden von repetitiven Sequenzen von TTAGGG an chromosomalen Enden zur Aufrechterhaltung der genomischen Integrität. Da die DNA-Replikation entlang Doppelsträngen asymmetrisch ist, kann die RNA-Pimer-Sequenz am 3'-Hydroxyl-Ende nicht durch DNA-Polymerase I ersetzt werden, da keine 3′-OH-Primergruppe für die Polymerase vorhanden ist, um die DNA-Kette zu verlängern. Dies verursacht den Verlust von 30–200 Nukleotiden bei jeder DNA-Replikation und Zellteilung und wird als das Endreplikationsproblem. Telomere stellen eine repetitive nicht-kodierende DNA-Sequenz am 3'-Ende bereit, um den Verlust kritischer genetisch kodierter Informationen während der Replikation zu verhindern. Darüber hinaus sind Telomere mit einem Komplex aus sechs Capping-Proteinen beschichtet, auch bekannt als Shelterin-Proteine, die kompakt verpackt sind T-Schleifen-Strukturdas verbirgt die Enden der Chromosomen. Dies verhindert, dass die DNA-Reparaturmaschinerie chromosomale Enden mit doppelsträngigen DNA-Brüchen verwechselt (Abbildung 9.25). Daher wurden Telomere als a mitotische Uhrdas misst, wie oft sich eine Zelle geteilt hat und gibt einer Zelle im Wesentlichen eine definierte Lebensdauer.

Abbildung 9.25 Telomerstruktur. (A) Telomere befinden sich am Ende der Chromosomen, wo sie beim Schutz vor DNA-Verlust während der Replikation helfen. (B) DNA-Quadruplex, gebildet durch Telomer-Wiederholungen. Die geschlungene Konformation des DNA-Rückgrats unterscheidet sich stark von der typischen DNA-Helix, die als . bekannt ist T-Schleifenbildung. Die grünen Kugeln in der Mitte stehen für Kaliumionen.

Der Mensch Telomerase-Enzym ist für den Erhalt und die Verlängerung der Telomere verantwortlich und besteht aus einem RNA-Komponente (TERC) und ein reverse Transkriptase (TERT), das als katalytische Komponente dient (Abbildung 9.26). Die TERT verwendet die TERC als Matrize zur Synthese neuer telomerer DNA-Wiederholungen an einem einzelsträngigen Überhang, um die Telomerlänge beizubehalten (Abbildung 9.26). Einige Zellen wie Keimzellen, Stammzellen, hämatopoetische Vorläuferzellen, aktivierte Lymphozyten und die meisten Krebszellen exprimieren konstitutiv Telomerase und behalten die Telomerase-Aktivität bei, um die Telomerverkürzung und die zelluläre Alterung zu überwinden. Die meisten anderen somatischen Zellen haben jedoch im Allgemeinen eine niedrige oder nicht nachweisbare Telomeraseaktivität und gleichzeitig eine begrenzte Lebensdauer. Interessanterweise nimmt die Gesamtaktivität der Telomerase mit dem Alter ab, nimmt jedoch als Reaktion auf eine Verletzung deutlich zu, was auf eine Rolle der Telomerase bei der Zellregeneration während der Wundheilung hindeutet. Die Länge und Integrität der Telomere wird durch das Zusammenspiel zwischen den Telomerase und Shelterin-Proteine.

Abbildung 9.26 Konzeptuelles Modell der Telomerase-Aktivität. Das aktive Zentrum des Telomerase-Enzyms enthält die RNA-Matrize TERC (in Rot dargestellt) und richtet sich nach den letzten paar Telomerbasen am Ende des Chromosoms (in Blau dargestellt). Dadurch entsteht ein einzelsträngiger Überhang, der von der TERT-Reversen Transkriptase als Matrize verwendet werden kann, um die Telomersequenz zu verlängern.

In-vivo, Verkürzte Telomere und beschädigte Telomere, die im Allgemeinen durch reaktive Sauerstoffspezies (ROS) verursacht werden, werden normalerweise als Hauptmarker der Zellalterung angesehen und als Hauptursache für replikative Seneszenz. ichn vitro, verlieren die Telomere aufgrund des Endreplikationsproblems bei jeder Teilung etwa 50–200 bp. Es wird angenommen, dass etwa 100 Mitosen ausreichen, um die Hayflick-Limit, oder die maximale Anzahl von mitotischen Ereignissen, die vor Eintritt in die replikative Seneszenz zulässig sind. Zellen in ständiger Erneuerung, wie Blutzellen, kompensieren die Telomererosion durch die Expression von Telomerase, dem einzigen Enzym, das in der Lage ist, Telomersequenzen zu polymerisieren de novo am Ende der Telomere. Das Ausschalten von Telomerase-Komponenten, wie der katalytischen Untereinheit (TERT) oder der RNA-Matrize (TERC), induziert mehrere Merkmale des Alterns bei Mäusen. Beim Menschen sind Keimbahnmutationen in Telomerase-Untereinheiten für progerod Syndrome wie Dyskeratosis congenita, eine seltene genetische Form des Knochenmarkversagens, verantwortlich. Darüber hinaus korreliert die gesunde Lebenserwartung beim Menschen positiv mit einer längeren Telomerlänge und Patienten, die an altersbedingten Erkrankungen und vorzeitigem Altern leiden, haben kürzere Telomere im Vergleich zu gesunden Personen. Es wurde auch gezeigt, dass sich bei alternden Mäusen und nicht-menschlichen Primaten eine Anhäufung von nicht reparierten Schäden innerhalb von Telomerregionen anhäuft, was darauf hindeutet, dass eine Schädigung von Telomeren mit zunehmendem Alter auch zu altersbedingten Krankheitszuständen und einer verringerten Gesundheitsspanne beitragen kann.

Somit könnte man argumentieren, dass die Aktivierung und Expression von Telomerase ein Weg sein könnte, altersbedingte Erkrankungen zu reduzieren und die Gesamtlebensdauer zu erhöhen. Die konstitutive Expression der Telomerase ist jedoch leider ein Merkmal fast aller Krebszellen. Es ist daher keine Überraschung, dass transgene Tiere, die die katalytische Untereinheit der Telomerase (mTERT) überexprimieren, Krebs früher im Leben entwickeln. Die Überexpression von Telomerase bei Mäusen, die gegen Krebs sehr resistent sind, hat jedoch eine starke Verlängerung der mittleren Lebensdauer und eine signifikante Verringerung altersbedingter Erkrankungen gezeigt. Da der Mensch nicht sehr resistent gegen Krebs ist, ist dies für den Menschen keine praktikable Option. Zusätzliche Studien an Mäusen, bei denen die konstitutive Expression von Telomerase nur in einen kleinen Prozentsatz der Wirtszellen unter Verwendung von Adenovirus-Gentherapietechniken eingeführt wird, haben jedoch vielversprechendere Ergebnisse geliefert. Adenoviren sind eine Gruppe von Viren, die ein ikosaedrisches Proteinkapsid bilden, das ein lineares doppelsträngiges DNA-Genom enthält. Infektionen beim Menschen verursachen typischerweise Erkältungssymptome und sind in der Regel mild. Diese sind ein gutes Ziel für die Gentherapie, da die DNA, die sie tragen, mutiert werden kann, sodass sie nach einer Infektion des Wirts nicht mehr replizieren können. Sie können auch so transformiert werden, dass sie ein interessierendes Gen in den Wirt tragen, wo dieses Gen dann in das Wirtsgenom integriert werden kann. Experimente an Mäusen, die mit einem Adenovirus, das das mTERT-Gen trägt, infiziert wurden, zeigten, dass mTERT an eine Vielzahl von Geweben im Körper abgegeben wurde und die Telomerlänge innerhalb dieser Gewebe erhöht wurde. Darüber hinaus waren die mTERT-exprimierenden Mäuse gesünder als ihre Wurfgeschwister und zeigten eine Verringerung der mit physiologischem Altern verbundenen Behinderungen wie Osteoporose und Insulinresistenz (Abbildung 9.27). Kognitive Fähigkeiten und Stoffwechselfunktionen wurden ebenfalls verbessert. Bemerkenswerterweise hatten Mäuse, die mit Gentherapie behandelt wurden, keine erhöhte Inzidenz der Krebsraten, was darauf hindeutet, dass zumindest bei den kurzlebigen Mausarten ein Gentherapie-Ansatz zur Erhöhung der Telomerase-Aktivität sicher ist. Bei diesen Tieren war die mediane Lebensdauer um 24 % verlängert, wenn die Tiere im Alter von 1 Jahr behandelt wurden, und um 13 %, wenn die Tiere im Alter von 2 Jahren behandelt wurden.

Abbildung 9.27 Förderung der Gesundheitsspanne bei Mäusen durch eine Telomerase-Gentherapie. Die Abgabe der katalytischen Untereinheit der Telomerase (TERT) unter Verwendung eines modifizierten Adenovirus-Vektors (rAAV) unterdrückt die altersbedingte Telomererosion und verlängert kurze Telomere in einer Vielzahl von Geweben. Folglich weisen Tiere eine verbesserte Gesundheit und eine längere Lebensdauer auf.

Replikation und Reparatur von Telomersequenzen

Neben dem Problem der Endreplikation ist die Replikation und Reparatur von telomerischer DNA (telDNA) aufgrund der unterschiedlichen Strukturmerkmale der Telomere eine echte Herausforderung. Zum einen besteht die Nukleotidsequenz selbst aus einem sich über Kilobasen wiederholenden Hexanukleotid-Motiv (TTAGGG), wobei der 5'-3'-Strang aufgrund seines hohen Guaningehalts als „G-Strang“ bezeichnet wird. Während des Fortschreitens der Replikationsgabel bildet der dem G-Strang entsprechende nacheilende Strang G-Quadruplex (G4)-Strukturen, die aufgelöst werden müssen, um eine Fork-Progression zu ermöglichen und die Replikation abzuschließen (Abbildung 9.28a). Zweitens müssen auch R-Schleifen, die hochstabilen RNA:DNA-Hybriden entsprechen, an denen das lange nicht-kodierende telomerische Transkript TERRA (telomeric repeat-enthaltende RNA) beteiligt ist, dissoziiert werden. Drittens nimmt das Ende von Telomeren eine spezifische Schleifenstruktur an, die T-Schleife, die entwirrt werden muss. Dies ist die Schleife, die das Doppelstrangende vor den DNA-Schadenssensoren verbirgt und durch die Hybridisierung des 3′-Einzelstrangüberhangs mit dem obigen 3′-5′-Strang verriegelt wird, wodurch der entsprechende 5′-3′-Strang verdrängt wird um eine D-Schleife (Verschiebungsschleife) zu bilden (Abbildung 9.28a). Schließlich muss die Replikation auch mit Barrieren umgehen, die an anderer Stelle im Genom angetroffen werden, wie beispielsweise Torsionen und einer kondensierten heterochromatischen Umgebung.

Abbildung 9.28 Hindernisse und Lösungen zur Replikation von Telomeren. (a) Die telomerische Sequenz mit dem G-Strang in durchgezogener roter Linie und dem C-Strang in durchgezogener grüner Linie ist dargestellt. Die endständige D-Schleife, die die viel größere T-Schleife strukturiert, wird durch den Shelterin-Komplex stabilisiert. Das Replisom (PCNA, pol ε usw.) polymerisiert einen neuen G-Strang (dargestellt in einer gestrichelten roten Linie) und befreit den parentalen G-Strang, wodurch die Bildung der G4-Sekundärstruktur ermöglicht wird. R-Schleifen, die der TERRA-Hybridisierung (in gepunkteten schwarzen Linien) mit dem 3′-5′ Strang entsprechen, und Torsionen aufgrund der Gabelprogression werden ebenfalls gezeigt. (b) Replikationshelfer wie Helikasen, die entweder beim G4-Abwickeln oder beim Entsperren der D-Schleife helfen, sind dargestellt. Die DNAsen (Top2a, DNA2) und RNAsen (RNAse H1 und FEN1) helfen bei der Auflösung von Torsionen und RNA:DNA-Heteroduplexen, während Timeless das Replisom stimuliert und POT1 mit RPA1 um die Bindung des Einzelstrangs konkurriert und bei der G4-Auflösung hilft. Die Shelferin-Komponenten POT1, TRF1 und TRF2 helfen beim Laden der Helferproteine ​​(feine grüne Pfeile)

Da Telomere beim Abschließen des Replikationsprozesses mit zahlreichen Hindernissen konfrontiert sind, wie in Abbildung 9.28 dargestellt, verfügt die Zelle über eine Reihe spezialisierter Maschinen, um ihre Replikation vollständig zu erreichen, wie die RTEL1-, TRF1- und TRF2-Proteine, DNAsen, RNAss und Timeless . Die Rekrutierung dieser Faktoren wird durch den Shelterin-Komplex orchestriert.

Auf molekularer Ebene sind die telomeren Wiederholungen von GGG besonders empfindlich gegenüber ROS, die Abschnitte von 8-Oxoguanin produzieren, die besonders schwer zu reparieren sind. In Verbindung mit einer ineffizienten Telomerreparatur erzeugen diese ROS-induzierten Läsionen Einzel- und Doppelstrangbrüche und/oder erzeugen Replikationsstress, was letztendlich zu einer Verkürzung der Telomere führt. Die Anwesenheit von unrepariertem Einzel- oder Tandem-8-Oxoguanin hemmt die Bindung von TRF1 und TRF2 drastisch und beeinträchtigt die Rekrutierung von Telomerase, insbesondere wenn ROS-Schäden im 3′-Überhang lokalisiert sind. Diese Art von Schädigung trägt zur Entschützung und Verkürzung der Telomere bei. Bemerkenswerterweise induzieren ROS (und andere metabolische Belastungen) auch die Verlagerung von TERT in die Mitochondrien, wie beobachtet (i) in primären Neuronen nach oxidativem Stress (ii) in Neuronen, die dem Tau-Protein ausgesetzt sind (iii) in Purkinje-Neuronen, die Exzitotoxizität ausgesetzt sind, und ( iv) in Krebszelllinien, die mit einem G4-Liganden behandelt wurden. Mitochondriales TERT erhöht das innere Membranpotential sowie die mtDNA-Kopienzahl und verringert die ROS-Produktion mit einer schützenden Wirkung auf die mtDNA. Mitochondrien sind auch kritische Sensoren für Zellschäden und tragen zu den Prozessen der Autophagie und Apoptose (programmierter Zelltod) bei. Die Relokalisierung von TERT nach einer Chromosomenschädigung im Zellkern kann auf einen Mechanismus hinweisen, den die Mitochondrien nutzen, um zellulären Stress und Zellschädigung zu überwachen.

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Den Inhalt beherrschen

Welches der folgenden Enzyme ersetzt die RNA-Nukleotide in einem Primer durch DNA-Nukleotide?

[reveal-answer q=”628075″]Antwort anzeigen[/reveal-answer]
[hidden-answer a=”628075″]Antwort b. DNA-Polymerase I ist das Enzym, das die RNA-Nukleotide in einem Primer durch DNA-Nukleotide ersetzt.[/hidden-answer]

Welcher der folgenden Faktoren ist nicht an der Replikation beteiligt?

[reveal-answer q=”820951″]Antwort anzeigen[/reveal-answer]
[hidden-answer a=”820951″]Antwort a. Ligase ist nicht an der Initiierung der Replikation beteiligt.[/hidden-answer]

Welches der folgenden Enzyme, die an der DNA-Replikation beteiligt sind, kommt nur bei Eukaryoten vor?

[reveal-answer q=”650146″]Antwort anzeigen[/reveal-answer]
[hidden-answer a=”650146″]Antwort d. Telomerase ist einzigartig bei Eukaryoten.[/hidden-answer]

Welches der folgenden Elemente würde mit 5′-CAGTTCGGA-3′ als Templat synthetisiert?

[reveal-answer q=”429167″]Antwort anzeigen[/reveal-answer]
[hidden-answer a=”429167″]Antwort c. 3′-GTCAAGCCT-5′[/hidden-answer]

Das Enzym, das für die Relaxation von supercoiled DNA verantwortlich ist, um die Replikation zu ermöglichen, wird ________ genannt.
[reveal-answer q=”855893″]Antwort anzeigen[/reveal-answer]
[hidden-answer a=”855893″]Das Enzym, das für die Relaxation von supercoiled DNA verantwortlich ist, um die Replikation einzuleiten, heißtDNA-Gyrase oder Topoisomerase II.[/versteckte-Antwort]

Die unidirektionale Replikation eines zirkulären DNA-Moleküls wie eines Plasmids, bei dem ein DNA-Strang geschnitten und während der Synthese eines neuen Strangs verdrängt wird, wird als ________ bezeichnet.
[reveal-answer q=”378861″]Antwort anzeigen[/reveal-answer]
[hidden-answer a=”378861″]Die unidirektionale Replikation eines zirkulären DNA-Moleküls wie eines Plasmids, bei dem ein DNA-Strang gespalten und verdrängt wird, während ein neuer Strang synthetisiert wird, wird als . bezeichnetRolling-Circle-Replikation.[/versteckte-Antwort]

Bei der Nachlaufstrang-Synthese werden mehr Primer verwendet als bei der Leitstrang-Synthese.
[reveal-answer q=”25479″]Antwort anzeigen[/reveal-answer]
[hidden-answer a=”25479″]Richtig[/hidden-answer]


Die Bedeutung des GC-Skew

Wie kann eine Nukleotidsequenz verwendet werden, um Replikationsursprünge zu finden? Bei den meisten Eubakterien gibt es eine statistische Überrepräsentation von Guanin (G) in der DNA des Leitstrangs und mehr Cytosin (C) in der DNA des Nachlaufstrangs. Diese GC-Schiefe ändert das Vorzeichen am Replikationsursprung und -terminus (Abbildung 2), obwohl diese Änderung am Ursprung am deutlichsten ist, da die Termination in einem größeren Bereich auftreten kann. Was einen GC-Schieflauf erzeugt, ist kaum bekannt, könnte aber Unterschiede in Fehlern, Schäden und/oder Reparaturen für die Synthese von verzögerten und führenden Strängen umfassen. Eine verzerrte Verteilung kurzer Sequenzen kann sogar noch prädiktiver für den bakteriellen Ursprung sein als die GC-Schiefe allein [9]. Myllykallio et al. [1] maßen die Strangverteilung des Tetramers GGGT über mehrere Archaeengenome, um nach einer Singularität zu suchen, bei der die GGGT-Schiefe das Vorzeichen änderte. Dies geschah an der gleichen Stelle in Genomen von drei verwandten Pyrokokken Arten analysiert, was darauf hindeutet, dass diese Region der Replikationsursprung für diese Organismen sein könnte.

Mehreren Archaeengenomen fehlt eine offensichtliche GC-Schiefe, die auf einen einzelnen DNA-Replikationsursprung hinweisen würde [10,11]. Dies hat Spekulationen angeheizt, dass Archaeen mehrere Ursprünge für die DNA-Replikation verwenden, und könnte Hinweise auf die Auswahl und Verwendung vieler Replikationsursprünge in Eukaryoten liefern. Aber GC-Schiefe ist nicht für alle Eubakterien klar und kann durch biologische Beschränkungen von Faktorbindungsstellen und Gencodierungssequenzen verdeckt werden (siehe McLean et al. [11] für eine Diskussion dieser Fragen und eine klare, durchdachte Skew-Analyse von 12 Prokaryoten, darunter drei Archaeen). Durch das Üben an Bakterien mit bekanntem Ursprung finden Wissenschaftler und Mathematiker unzählige Möglichkeiten, Gs und Cs zu zählen und haben für einige Archaeen einen einzelnen Ursprung vorhergesagt [9,10,11,12,13]. Das Besondere an dem Bericht von Myllykallio et al.?

Myllykallio et al. hat drei wichtige Dinge getan. Zuerst erhielten sie ein Signal, das eine schiefe Strangverteilung von Nukleotiden aufzeigte, und das schiefe Vorzeichen änderte abrupt das Vorzeichen an einer Position im Genom (dem mutmaßlichen Ursprung). Die Verwendung eines Tetramers (GGGT) und Mathematik zur Glättung lokaler Variationen waren erforderlich, um überhaupt ein Signal zu sehen. Da nicht genau bekannt ist, was Nukleotid-Schiefe verursacht und noch weniger klar ist, was eine schiefe Verteilung kurzer Sequenzen verursacht, war die Suche nach einem Signal nur der erste Schritt.

Zweitens nutzten sie die beeindruckende Macht der vergleichenden Genomik aus. Sie verglichen drei vollständig sequenzierte Pyrokokken Spezies. Nukleotid-Schiefe sowie andere Eigenschaften sagen den Ursprungsort an derselben Stelle in allen drei Genomen voraus. Eine Vorhersage für die bakterienähnliche Replikation ist beispielsweise, dass Gene, die Replikationsfaktoren kodieren, um den Replikationsursprung gruppiert werden. Vor allem das Gen für den bakteriellen Replikationsinitiator dnaA ist so konsequent mit dem Ursprung verbunden, dass es den Ursprungsort vorhersagt. Mehrere der Pyrokokken Replikationsfaktoren gruppieren sich um den vorhergesagten Ursprung, einschließlich Orc1/Cdc6, der dem mutmaßlichen eukaryotischen Initiator-Ursprungserkennungskomplex ähnelt und daher analog zu DnaA ist. Schließlich ist der bakterielle Replikationsterminus ein Hot Spot für Umlagerungen [14,15] und vergleichende Genomik zeigt, dass dies für die drei . zutrifft Pyrokokken Von Myllykallio . untersuchte Arten et al. [1].

Drittens und vor allem testeten sie die vom Computer abgeleitete Hypothese oder in silico Experimente mit altmodischen Laborexperimenten. Sie haben diese Kreaturen des dritten Königreichs gezüchtet - sie hielten sie bei 95 ° C warm - mit der Bezeichnung neu synthetisierte DNA in vivo, und dann bestimmt, welche Genomregionen zuerst und zuletzt replizieren. Wie bei jeder guten Geschichte passen alle Teile. Die Tetramer-Skew-Analyse sagte für alle drei Arten den Ursprung an derselben Stelle voraus: Die identifizierte Region weist eine hochkonservierte intergenische Sequenz auf, die Replikationsfaktoren binden könnte [8], und schließlich wurde gezeigt, dass die DNA-Replikation in dieser mutmaßlichen Ursprungsregion beginnt.


DNA Replikation

Nach der Entdeckung der DNA als genetisches Material (siehe Zelle, egal ob Hefe, Bakterium oder menschliche Zelle, teilt sich in zwei Zellen, beide resultierenden Zellen sind genetisch identisch untereinander und mit der ursprünglichen Elternzelle Um sich zu teilen, muss eine Zelle irgendwie ihre gesamte DNA kopieren, damit beide resultierenden Zellen das vollständige genetische Material haben.Wissenschaftler wie Edwin Chargaff und andere hatten beobachtet, dass sich die DNA-Menge in einer Zelle vor der Zellteilung verdoppelt. Der DNA-Pool wird dann zu gleichen Teilen auf die beiden Tochterzellen aufgeteilt, sodass beide die gleiche DNA-Menge haben wie die ursprüngliche Mutterzelle.Aber wie genau diese DNA-Verdoppelung stattfindet, war zunächst ein Rätsel, und Wissenschaftler begannen, mehrere vorzuschlagen mögliche Mechanismen oder "Modelle" der DNA-Replikation?

Nach dem Vorschlag und schließlich der Annahme des Watson-Crick-Modells der DNA-Struktur glaubten Molekularbiologen, dass jeder DNA-Strang irgendwie als Kopiervorlage für die Synthese eines neuen DNA-Moleküls diente (siehe unsere Bindungen, die sie zusammenhalten. Einige stellten sich eine Replikation vor als in kurzen Abschnitten verlaufend, während andere sich einen kontinuierlichen Prozess ähnlich einem Reißverschluss vorstellten. Dieses Paradoxon ließ einige prominente Wissenschaftler der damaligen Zeit sogar an der Doppelhelix-Struktur der DNA zweifeln. Trotzdem begannen die Wissenschaftler, an möglichen theoretischen Lösungen für die Trennung zu arbeiten von zwei ineinander verschlungenen DNA-Strängen und in den späten 1950er Jahren wurden drei hypothetische Modelle für die DNA-Synthese heiß diskutiert: das konservative Modell, das semikonservative Modell und das dispersive Modell.Abbildung 1 unten zeigt ein Diagramm jedes dieser Mechanismen.

Abbildung 1: Drei konkurrierende Modelle der DNA-Replikation. Dieses Diagramm zeigt die drei konkurrierenden Modelle der DNA-Replikation in den 1950er und 1960er Jahren. Bild & kopieren N. Lents

Kurz gesagt, das konservative Modell der DNA-Replikation besagt, dass, wenn DNA vor der Zellteilung repliziert wird, einer der DNA-Doppelstränge die gesamte neu replizierte DNA in beiden Strängen erhält, während der andere nur die beiden ursprünglichen DNA-Stränge in der Elternzelle erhält . Das semi-konservative Modell (von James Watson auch "Zipper-Modell" genannt) besagt jedoch, dass die ursprünglichen beiden DNA-Stränge voneinander gespalten sind und dass die beiden Tochtermoleküle jeweils aus einem "alten" DNA-Strang bestehen aus der Elternzelle und einem neu replizierten Strang. Schließlich geht das dispersive Modell davon aus, dass die DNA in kurzen Abschnitten kopiert wird und dass beide Tochter-DNA-Stränge eine Mischung aus der ursprünglichen Eltern-DNA und neu replizierter DNA erhalten. Jedes dieser drei möglichen Modelle wurde von verschiedenen Wissenschaftlern vorgeschlagen und jedes hatte bestimmte Vorteile bei der Erklärung der Trennung der verflochtenen Eltern-DNA. Es gab jedoch kaum Beweise, um eines der Modelle zu widerlegen oder zu unterstützen.

In den 1950er Jahren waren sich die Wissenschaftler nicht sicher


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Bemerkungen:

  1. Kenriek

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  2. Neil

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