از ویژگی‌های سلول زنده توانایی مضاعف کردن محتوای ژنوم خود، تکثیر و انتقال اطلاعات ژنتیکی به نسل بعدی است. این ماده ژنتیکی از والدین به فرزندان و از یک سلول به سلول دیگر انتقال می‌یابد. قبل از تقسیم سلول به دو سلول دختری یکسان از لحاظ ژنتیکی، فرآیند دو برابر شدن دی‌ان‌ای باید صورت بگیرد. لازمه انجام این کار نسخه برداری از دی‌ان‌ای از طریق همانندسازی یا DNA Replication است. همچنین سلول باید قادر باشد که خطاهای به وجود آمده، آسیب‌های تصادفی و در بعضی مواقع تغییرات دائمی در توالی دی‌ان‌ای که تحت عنوان جهش نامیده می‌شوند را، ترمیم کند. اکثر جهش‌ها اثر قابل توجهی بر موجود زنده ندارند ولی برخی اثرات شدیدی به جای می‌گذارند. این تغییرات حتی می‌توانند گاهی مفید نیز باشند. به عنوان مثال برخی جهش‌ها در باکتری‌ها می‌توانند صفت مقاومت در برابر آنتی بیوتیک را ایجاد کنند اما بطور کلی، از آنجایی که جهش‌ها تصادفی رخ می‌دهند احتمال آسیب آنها بیشتر از فایده‌شان است. در انسان این جهش‌ها مسئول هزاران بیماری ژنتیکی و انواع مختلف سرطان‌ها هستند.
ساختار دو رشته دی‌ان‌ای عامل پیچیده شدن ردیفی بازهای نیتروژن‌دار با پیوندهای استکینگ و پیوندهای هیدروژنی بین بازها در رشته‌های روبروی هم است. جفت شدن بازهای A با T با دو پیوند هیدروژنی و G با C با سه پیوند هیدروژنی اصل مکملیت بازها در دی‌ان‌ای دو رشته‌ای است. بنابراین همانندسازی دی‌ان‌ای به جفت شدن دو رشته دی‌ان‌ای مطابق قانون AT/GC بستگی دارد. از طرفی، برای تکمیل همانندسازی، نیاز هست تا بین گروه فسفات یک نوکلئوتید با گروه قند نوکلئوتید قبلی پیوند کوالانسی تشکیل می‌شود.
هر رشته مارپیچ دوتایی دی‌ان‌ای دارای توالی نوکلئوتیدی است که دقیقاً مکمل توالی رشته مقابل است پس هر رشته می‌تواند به عنوان الگو یا Temple برای سنتز رشته مکمل جدید عمل کند. بنابراین اطلاعات ژنتیکی دی‌ان‌ای می‌تواند با یک فرایند ساده به درستی کپی شود به طوری که ابتدا دو رشته از هم جدا شده و هر رشته به عنوان الگویی برای تولید رشته مکمل جدید عمل کند. این توانایی یعنی همین که هر رشته از مولکول دی‌ان‌ای بتواند به عنوان الگویی برای تولید رشته مکمل عمل کند به سلول این اجازه را می‌دهد تا ژن‌های خود را قبل از انتقال به نسل بعدی کپی یا همانندسازی کند این کار به کمک پروتئین‌هایی صورت می‌گیرد که همراه یکدیگر ماشین همانندسازی یا Replication Machine را می‌سازند. طی همانندسازی دی‌ان‌ای، دو مولکول دو رشته‌ای کامل از مولکول دی‌ان‌ای اصلی ایجاد می‌شود. هر مولکول دی‌ان‌ای جدید مشابه دی‌ان‌ای والد است و چون هر رشته والد به عنوان یک الگو برای رشته جدید عمل می‌کند هر یک از مارپیچ‌های دوتایی جدید دارای یک رشته اصلی یا همان رشته والدی و یک رشته کاملاً جدید دختری هستند به همین دلیل این نوع همانندسازی را نیمه حفاظتی می‌گویند.
در اواخر دهه ۱۹۵۰ دانشمندان ۳ مکانیسم پیشنهاد شده برای همانندسازی دی‌ان‌ای را مورد بررسی قرار دادند در اولین مدل که مدل حفاظتی بود دو رشته دی‌ان‌ای والدی حین همانندسازی با هم و دو رشته دختری نیز هنگام همانندسازی با هم باقی می‌مانند. در مدل نیمه حفاظتی دی‌ان‌ای تازه سنتز شده متشکل از یک رشته دختری و یک رشته والدی بود. در سومین مدل یعنی مدل پراکنده قطعاتی از رشته‌های دی‌ان‌ای جدید و رشته‌های والدی در هر دو رشته پراکنده می‌شوند. اما طبق مدلی که پیش تر، واتسون و کریک برای همانندسازی پیشنهاد کردند سنتز یکی از رشته‌های جدید یعنی رشته پیشرو در جهت چنگال همانندسازی و سنتز رشته جدید دیگر یعنی رشته پیرو به صورت قطعات کوچک و در خلاف جهت حرکت چنگال همانندسازی انجام می‌شود.
روشی که مزلسون و استال در سال ۱۹۵۸ برای تشخیص رشته‌های دختری تازه سنتز شده از رشته‌های والدی ابداع کردند مبتنی بر نشاندار کردن دی‌ان‌ای با ایزوتوپ سنگین نیتروژن بود بنابراین نیتروژن موجود در بازهای دی‌ان‌ای، بصورت سنگین و سبک دیده شدند. آنها برای انجام این آزمایش سلول‌های باکتری E.coli را در محیط حاوی نیتروژن ۱۵ برای نسل‌های متعدد کشت دادند در نتیجه جمعیتی از سلول‌ها به وجود آمدند که محتوای دی‌ان‌ای آنها نیتروژن سنگین نشاندار شده بود. در شروع آزمایش باکتری‌ها به محیط حاوی نیتروژن ۱۴ منتقل شدند بنابراین همه رشته‌های دی‌ان‌ای تازه سنتز شده با نیتروژن سبک نشاندار شدند اما رشته‌های والدی همچنان به فرم سنگین باقی ماندند. در ادامه غلظت دی ان‌ای را با سانتریفیوژ شیب سزیم کلراید یا سانتریفیوژ شیب گرادیان بررسی کردند. اصولاً اگر هر دو رشته دارای نیتروژن ۱۴ باشد به علت سبک بودن نزدیک به لبه لوله آزمایش رسوب می‌کند و اگر هر دو رشته حاوی نیتروژن ۱۵ باشند تمامی دی‌ان‌ای سنگین بوده و در پایین لوله سانتریفیوژ رسوب می‌کنند ولی اگر یک رشته حاوی نیتروژن ۱۴ و رشته دیگر حاوی نیتروژن ۱۵ باشد دی‌ان‌ای نیمه سنگین با چگالی متوسط به وجود می‌آید.
بعد از اولین دور همانندسازی نتایج نشان دادند که تمامی دی‌ان‌ای ها دارای چگالی نیمه سنگین هستند که با هر دو مدل نیمه حفاظتی و پراکنده مطابقت دارد و چون تمام دی‌ان‌ای در یک نوار منفرد رسوب کرده بود مدل حفاظتی رد شد. بعد از دومین دور همانندسازی ترکیبی از دی‌ان‌ای سبک و سنگین مشاهده شد که این نتایج فقط با مدل نیمه حفاظتی مطابقت داشت. مدل پراکنده وجود نیتروژن سنگین در هر چهار رشته را پیشگویی می‌کرد.
برای مطالعه بیشتر به آزمایش مزلسون-استال مراجعه کنید.
همانندسازی در باکتری
ژنوم باکتری که در یک مولکول حلقوی با ۴.۶ میلیون جفت نوکلئوتید جا گرفته است فقط دارای یک مبدا همانند سازی است.
در باکتری‌ها و مخمر مبدا همانندسازی منطقه‌ای به طول تقریبی ۱۰۰ جفت باز را در بر می‌گیرد و شامل توالی‌هایی است که پروتئین‌های آغازگر را جذب می‌کنند. بنابراین، کروموزوم باکتریایی فقط یک مبدا همانندسازی به نام OriC که به آن اصطلاحا OriC یا Origin of Chromosomal Replication نیز گفته می‌شود، دارد و همانندسازی از این نقطه شروع شده و در دو جهت ادامه می‌یابد. همچنین، دو چنگال همانندسازی در دو جهت متفاوت نسبت به مبدا حرکت می‌کنند که در نهایت در سمت مقابل به هم می‌رسند تا فرآیند همانندسازی را کامل کنند. لازم به ذکر است، جداسازی جهش یافته‌هایی در E.coli که دارای ناهنجاری‌هایی در همانندسازی بودند به شناخت ما از نقش پروتئین‌ها و نحوه همانندسازی دی‌ان‌ای کمک کرده است.
سه نوع توالی در ناحیه OriC وجود دارد
- ناحیه غنی ازAT
- توالی‌های اتصال DnaA
- جایگاه متیلاسیون GATC
جایگاه‌های GATC در تنظیم همانندسازی دی‌ان‌ای نقش دارند به طوری که این جایگاه‌ها می‌توانند توسط آنزیم Dam متیله شوند (پیش از شروع همانندسازی نیز این جایگاه‌ها بر روی هر دو رشته متیله هستند). متیلاسیون کامل جایگاه‌های GATC شروع همانندسازی در مبدا را تسهیل می‌کند. بعد از همانندسازی دی‌ان‌ای، شته‌های جدید، متیله نیستند چون که آدنین به جای متیل آدنین در همانندسازی رشته‌های دختری مشارکت دارد بنابراین همانندسازی دی‌ان‌ای بلافاصله در مبدا همانندسازی شروع نمی‌شود و تا متیله شدن کامل توالی‌های ذکر شده به تعویق می‌افتد و با توجه به اینکه چند دقیقه زمان لازم است تا آنزیم Dam توالی‌های GATC را در این ناحیه متیله کنند در نتیجه همانندسازی مجدد دی‌ان‌ای بلافاصله انجام نمی‌شود.
آغاز همانندسازی
همانندسازی با اتصال پروتئین‌های DnaA به توالی مخصوصی به نام جعبه DnaA در مبدا همانندسازی شروع می‌شود. پروتئین‌های DnaA به شکل متصل به ATP بوده و برای شروع همانندسازی به ۵ جعبه مخصوص DnaA در ناحیه OriC متصل می‌شوند. پروتئین‌های دیگری نظیر Hu و IHF منجر به خمیده شدن دی‌ان‌ای در اطراف کمپلکس پروتئین‌های DnaA می‌گردند و در نتیجه دو رشته دی‌ان‌ای در ناحیه غنی از AT از هم باز می‌شود. به دنبال جدا شدن نواحی غنی از AT، پروتئین‌های DnaA به کمک پروتئین DnaC، آنزیم هلیکاز را به این جایگاه می‌آورند (اسم دیگر DNA هلیکاز، DnaB می‌باشد).
بدون دیدگاه