DNA 복제는 풀리고 복제되는 과정입니다. 복제가 시작되면 DNA 분자는 먼저 세포에서 제공되는 에너지를 사용하여 헬리카제의 작용으로 두 나선의 이중 가닥을 풀어줍니다. 이 과정을 풀림이라고 합니다. 그런 다음 풀어진 각 모가닥을 주형으로 사용하고, 주변 환경에 있는 4개의 디옥시뉴클레오티드를 원료로 사용하여 염기쌍과 상보쌍의 원리에 따라 DNA 중합효소의 작용으로 각각 합성된다. 하위 사슬에 상보적입니다. 풀림 과정이 진행됨에 따라 새로 합성된 딸 가닥은 계속해서 확장되며, 동시에 각 딸 가닥과 모 가닥 코일이 이중 나선 구조로 형성되어 새로운 DNA 분자가 형성됩니다. 이렇게 복제가 완료된 후 하나의 DNA 분자가 세포 분열을 통해 두 개의 딸세포로 분배됩니다!
참고: 복제는 상보적인 염기쌍의 원리를 따르며 복제는 세포 분열 간기 동안 발생합니다.
DNA는 유전 정보의 전달자이므로 부모 DNA는 자체 분자를 주형으로 사용하여 두 개의 복사본으로 정확하게 복사되고 두 개의 딸세포에 배포되어 유전 정보 전달자로서의 임무를 완수해야 합니다. DNA의 이중 가닥 구조는 이러한 유형의 유전 물질의 안정성과 복제의 정확성을 유지하는 데 매우 중요합니다.
(1) DNA의 반보존적 복제
Waston과 Click은 DNA 이중나선 구조 모델을 제안하면서 DNA 복제 과정을 연구했습니다. 염기 사이의 수소결합이 먼저 끊어지고 이중나선이 풀리고 분리되어 각 가닥이 새로운 가닥을 합성하는 주형으로 사용됩니다. 반보존적 복제(semi-conservative 복제)라고 합니다.
1958년 메셀슨(Meselson)과 스탈(Stahl)은 그림 8-3-5와 같은 실험을 수행하여 DNA 분자가 반보존적 방식으로 스스로 복제한다는 것을 증명했습니다. 그림 8-3-5 DNA의 반보존적 복제를 입증하는 Meselson과 Stahl의 실험
(2) DNA 복제의 시작, 방향 및 속도
DNA가 복제되면 이중 가닥 DNA를 두 가닥으로 풀어서 따로 진행합니다. 복제 프로세스의 시작점은 포크(fork) 형태를 취하므로 이를 복제 포크라고 합니다. 복제 분기점의 전진 이동 방향을 기준으로 하나의 주형 가닥이 3'->5' 방향으로 흐르고, 이 가닥에서 DNA가 5'->3' 방향으로 연속적으로 합성될 수 있는 것을 선도 가닥(Leading Strand)이라고 합니다. 다른 하나는 주형가닥이 5'->3' 방향으로 흐르고 DNA도 5'->3' 방향으로 합성되지만 복제분기점의 이동방향과 반대방향이므로 불연속적인 Okazaki 단편이 많다. 복제 분기점이 움직이면서 형성되고, 최종적으로 연결되어 지연 가닥이라고 불리는 완전한 DNA 가닥을 형성합니다. 실험에 따르면 DNA 복제는 고정된 시작점에서 시작됩니다. 유기체의 단일 복제 단위를 일반적으로 복제자라고 합니다. 복제기에는 복제 원본이 하나만 포함됩니다. 일반적으로 말하면, 박테리아, 바이러스 또는 미토콘드리아 DNA 분자는 모두 단일 레플리콘으로 복제를 완료합니다. 진핵생물 게놈은 동시에 여러 복제 원점에서 양방향으로 복제할 수 있습니다. 즉, 해당 게놈에는 여러 레플리콘이 포함됩니다. 다양한 실험 결과에 따르면 대부분의 유기체에서 DNA 복제는 고정된 시작점에서 양방향 등속성 방식으로 진행됩니다. 복제 분기점은 DNA 분자의 특정 서열에서 시작하여 양방향으로 동일한 속도로 성장합니다. 그림 8-3-6 DNA 복제 과정
DNA 복제 과정
(3) DNA 복제 과정
원핵생물의 DNA 복제 과정에 대한 간략한 설명
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1． DNA 이중 나선 풀림
DNA가 복제되면 이중 가닥이 먼저 풀리면서 복제 분기점을 형성하며, 복제 분기점의 형성은 다양한 단백질과 효소가 관여하는 보다 복잡한 복제 과정입니다. ssbDNA 단백질은 단일 가닥 DNA에 더욱 단단하게 결합하는 단백질이다. 원핵생물의 ssbDNA 단백질은 DNA와 결합할 때 시너지 효과를 나타냅니다. 첫 번째 ssbDNA 단백질의 결합 능력이 1이면 두 번째 단백질의 결합 능력은 진핵 세포의 ssbDNA 단백질이 103만큼 높을 수 있습니다. 좌초된 DNA 위의 효과는 표시되지 않습니다. ssbDNA 단백질의 기능은 헬리카제에 의해 풀리는 단일 가닥이 복제가 완료되기 전에 단일 가닥 구조를 유지할 수 있도록 하는 것입니다. 복제 분기점에서 4량체 형태로 존재하며 단일 가닥이 끝난 후에는 분리됩니다. 좌초된 복제가 완료되고 재활용됩니다.
따라서 ssbDNA 단백질은 단일 가닥의 존재만 유지하고 풀림 효과가 없습니다. (2) DNA 헬리카제 DNA 헬리카제는 ATP를 가수분해하여 이중 가닥 DNA를 풀어 에너지를 얻을 수 있습니다. ATP를 분해하는 이 헬리카제의 활성은 단일 가닥 DNA의 존재에 따라 달라집니다. 이중 가닥 DNA에 단일 가닥 말단이나 틈이 있으면 DNA 헬리카제가 먼저 이 부분에 결합한 다음 점차 이중 가닥 방향으로 이동할 수 있습니다. 복제하는 동안 대부분의 DNA 헬리카제는 지연 주형의 5'->3' 방향을 따라 이동할 수 있으며 복제 포크가 진행됨에 따라 개별 헬리카제(Rep 단백질)만 3'->5' 방향을 따라 이동합니다. 따라서 Rep 단백질과 특정 DNA 헬리카제는 이중 가닥 DNA를 풀기 위해 DNA의 두 모체 가닥에서 협력적으로 작용하는 것으로 추측됩니다. (3) DNA 풀림 과정 복제 전 DNA는 이중나선형일 뿐만 아니라 초나선형 상태의 존재도 풀림 전에 필요한 구조적 상태입니다. 풀림에서, 대장균의 DNA 단백질 등. 부분 이중 가닥 DNA가 풀리면, 부분 이중 가닥 DNA가 이중 가닥 DNA로 돌아가지 않도록 하기 위해 풀린 단일 가닥을 안정화하기 위해 ssbDNA 단백질이 존재해야 합니다. 두 개의 단일 가닥 DNA 복제의 시작 과정은 다르지만 선도 가닥과 지연 가닥 모두 딸 가닥 DNA의 합성을 시작하려면 RNA 프라이머가 필요합니다. 따라서 선도가닥과 지연가닥의 차이점은 전자는 오카자키 단편을 형성하지 않고 복제 시작점으로부터 5'-3'부터 계속 합성되는 반면, 후자는 오카자키 단편의 출현과 함께 약 2-3kb 정도 계속 합성된다는 점이다. 복제 포크.
2. 오카자키 단편과 반불연속 복제
DNA의 두 가닥이 역평행이기 때문에 복제 분기점 근처에서 풀리는 DNA 가닥 중 하나는 5'->3' 방향이고 다른 하나는 5'->3' 방향으로 3'->5' 방향이며 두 템플릿의 극성이 다릅니다. 알려진 모든 DNA 중합효소의 합성 방향은 3'->5' 방향이 아닌 5'->3' 방향이므로 두 DNA 가닥의 동시 복제를 설명할 수 없습니다. 주형에 의해 합성된 두 가닥의 DNA 딸 가닥의 등속성 복제 현상을 설명하기 위해 일본 학자 Okazaki 등은 DNA의 반연속 복제 모델을 제안했습니다. 1968년에 Okazaki는 3H 데옥시티미딘을 사용하여 짧은 시간 동안 E. coli에 표지를 한 후 DNA를 추출하고 변성시킨 후 초원심분리를 통해 Okazaki 단편으로 알려진 많은 3H 표지 DNA를 얻었습니다. 라벨링 시간이 연장되면 Okazaki 단편은 성숙한 DNA 가닥으로 변환될 수 있으므로 이러한 단편은 복제 과정에서 중간 생성물이 되어야 합니다. 또 다른 실험에서도 DNA 복제 과정에서 작은 조각이 먼저 합성된다는 사실이 입증되었습니다. 즉, 온도에 민감한 DNA 리가아제 돌연변이 균주를 사용하여 리가아제가 작동하지 않는 온도에서 많은 수의 작은 DNA 조각이 생성되는 것을 확인했습니다. 축적된 것은 DNA 복제 과정을 나타냅니다. DNA의 적어도 하나의 가닥은 먼저 더 짧은 단편을 합성한 다음 큰 DNA 분자로 연결됩니다. 일반적으로 원핵생물의 오카자키 단편은 진핵생물의 단편보다 길다. 선도가닥의 연속복제와 지연가닥의 불연속적인 복제가 생물학적 세계에서는 보편적이라는 것이 심층연구를 통해 입증되기도 했기 때문에 이를 DNA 이중나선의 반불연속 복제라고 부른다.
3. 복제의 시작과 종료
모든 DNA 복제는 고정된 시작점에서 시작되며 DNA 중합효소는 기존 DNA 사슬을 확장할 수만 있고 처음부터 DNA 사슬을 합성할 수는 없습니다. DNA가 복제될 때 RNA 중합효소는 종종 DNA 주형에서 먼저 RNA 프라이머를 합성한 다음, 중합효소가 RNA 프라이머의 3' 말단부터 시작하여 새로운 DNA 가닥을 합성한다는 것이 많은 실험 연구를 통해 입증되었습니다. 선도 가닥의 경우, 이 프라이밍 과정은 RNA 프라이머가 있는 한 비교적 간단합니다. DNA 중합효소는 이를 출발점으로 사용하여 계속 합성할 수 있습니다. 지연 가닥의 경우 개시 과정은 더 복잡하며 여러 단백질과 효소의 참여가 필요합니다. 지연 체인의 시작 프로세스는 개시자에 의해 완료됩니다. 개시제는 6개의 단백질로 구성됩니다. 프리프라이머 또는 프라이머 전구체는 이들 6개의 단백질을 결합한 후 이를 프리마제 또는 프라이머 공정 효소와 결합하여 개시제를 형성합니다. 개시자는 기관차처럼 후행 가닥 가지 방향으로 전진하고 간헐적으로 주형을 트리거하여 후행 가닥에 짧은 가닥의 프라이머 RNA를 생성한 다음 다음 프라이머 또는 Okazaki를 만날 때까지 DNA 중합효소 III에 의해 합성됩니다. .조각까지.
RNase H는 RNA 프라이머를 분해하고 DNA 중합효소 I이 그 틈을 채운 다음 DNA 리가아제가 두 개의 Okazaki 단편을 서로 연결하여 거대분자 DNA를 형성합니다.
(4) 텔로미어와 텔로머라제
1941년 아메리칸 인디언 매클린톡(McClintock)은 염색체 끝에 특별한 구조, 즉 텔로미어가 있어야 한다고 믿는 텔로미어 가설을 제안했습니다. 염색체 텔로미어는 적어도 두 가지 기능을 갖고 있는 것으로 알려져 있습니다. ① 염색체 말단을 손상으로부터 보호하고 염색체를 안정적으로 유지합니다. ② 핵판에 연결하여 염색체를 위치시킵니다.
1970년대 과학자들은 DNA 복제 과정을 파악한 후, DNA 복제 과정에서 새로운 가닥의 5' 말단에 있는 RNA 프라이머가 끊어진 후 어떻게 빈자리가 채워지는지에 대해 의문을 제기했습니다. 패딩이 없다면 DNA가 복사될 때마다 길이가 짧아진다는 뜻이 아닐까? 가닥 후 복제를 예로 들면, RNA 프라이머가 제거되면 오카자키 조각 사이의 공간은 DNA 중합효소 I에 의해 합성된 DNA로 채워지고, DNA 리가아제는 이를 완전한 사슬로 연결합니다. 그러나 DNA 중합효소 I이 DNA 합성을 촉매할 때 프라이머로 유리된 3'-OH가 필요하며, 결국 남은 딸가닥의 5'를 채울 수 없어 염색체가 조금 짧아진다.
정상적인 체세포에서는 염색체 효소가 복제될 때마다 텔로미어가 짧아지는 현상이 흔히 나타난다. 텔로미어가 특정 임계 길이 아래로 짧아지면 경보를 울리고 세포에 노화를 지시하는 것으로 추측됩니다. 아마도 세포는 염색체가 너무 짧아져 분열을 중단하여 수명에 특정 제한이 생길 수 있습니다. 정상적인 신체 세포의 그런데 암세포에서는 염색체 텔로미어가 항상 일정한 길이로 유지되는 이유는 무엇일까요? 이는 DNA가 복제된 후 염색체 말단의 부족한 부분을 채우기 위해 텔로머라제가 필요하기 때문입니다. 이는 주형과 프라이머 문제를 모두 해결하는 RNA가 포함된 효소입니다. 텔로머라제 활성은 생식세포와 암세포의 85%에서 검출되었으나 정상적인 체세포에서는 활성이 없습니다. 1990년대 중반에 블랙번(Blackburn)은 처음으로 원생동물에서 텔로머라제 유전자를 클로닝했습니다.
텔로머라제는 암세포가 계속해서 분열하고 증식하도록 할 뿐만 아니라, 전암세포나 이미 암이 된 세포가 추가적인 돌연변이를 축적할 시간을 제공하는 역할도 합니다. 복제, 침입 및 궁극적으로 전이 능력을 향상시킵니다. 동시에 사람들은 암 치료 목적을 달성하기 위해 암세포의 텔로머라제 활성을 억제하는 텔로미어를 표적으로 하는 약물 개발에도 착수했습니다.
진핵 세포의 DNA 말단의 구조적 특성에 대해 Blackburn은 1978년 초에 원생동물인 Tetramembrana(섬모류)를 예로 들어 다음과 같이 설명했습니다. ① 지그재그 형태의 머리핀 고리; C와 A로만 구성된 단순 시퀀스는 반복 횟수(C4A2)가 20~70개입니다. ③ 체인에 간격(닉)이 많이 있습니다.