13. fejezet - Replikáció (DNS szintézis) és DNS-hibajavítás

Tartalom

13.1. A centrális dogma
13.2. A DNS replikációval kapcsolatos alapvető kérdések
13.3. A Meselson-Stahl kísérlet: a DNS replikáció szemikonzervatív
13.4. A Cairns-kísérlete: az origó és a replikációs villa kimutatása
13.5. A DNS szintézis kémiája
13.6. Az Okazaki-fragmentumok
13.7. DNS-polimerázok
13.8. A replikáció iniciációs fázisa
13.9. A replikáció elongációs fázisa
13.10. A replikáció terminációs fázisa
13.11. A prokarióta és eukarióta replikáció összevetése
13.12. DNS hibajavítás
13.12.1. Az Ames-teszt
13.12.2. Mutáció típusok
13.12.3. A fő DNS hibajavító mechanizmusok

(szerző: Pál Gábor)

A replikáció az a folyamat, amelynek során az eredeti DNS molekula megkettőződik, és két, az eredetivel azonos másolat keletkezik. A replikáció folyamatában az élőlény (vagy vírus) teljes DNS állománya másolásra kerül.

Bármilyen organizmusról legyen is szó, annak örökítő anyagában őrződik mindazon információ, amely lehetővé tette, és lehetővé teszi, hogy az organizmus létezzen, túléljen, szaporodjon. Az örökítő anyagban tárolt információ tehát felbecsülhetetlenül nagy értéket képvisel. Ezzel tökéletes összhangban az evolúció során olyan kifinomult mechanizmusok jöttek létre, melyek révén az örökítő anyag másolása szinte hiba nélkül megy végbe. A hibaráta megdöbbentően alacsony, megközelítőleg minden egymilliárd lemásolt monomerre jut egyetlen hiba (a hibaarány tehát 1/109, azaz 10-9).

Ugyanakkor ez a nagyon alacsony hibaarány teszi lehetővé, hogy az élőlények genetikai állománya lassan, de folyamatosan változzon, a populációkon belül genetikai változatosság jöjjön létre, az evolúció működjön.

13.1. A centrális dogma

A replikáció a genetikai információ áramlásának az egyik folyamata. Mielőtt magára a replikációra kitérnénk, ismerkedjünk meg a biológia rendszerekben zajló genetikai információáramlás általános koncepciójával (lásd 13.1. ábra).

13.1. ábra:Francis Crick centrális dogmája.A baloldali kép az egyes makromolekula típusok közötti összes elméletileg lehetséges információáramlást mutatja. Információáramláson itt azt értjük, hogy az egyik makromolekula monomersorrendje alapján alakul ki egy másik makromolekula monomersorrendje. A jobboldali ábrán piros nyíl jelzi a minden élőlényben lezajló 3 általános információáramlási útvonalat, a replikációt, transzkripciót és transzlációt. Kék szín jelzi a csak egyes organizmusokban (esetleg csak vírusfertőzött élőlényekben) lezajló folyamatokat, és szaggatott nyíl azokat, amelyek a mai ismereteink szerint nem mennek végbe.

13.1. ábra: Francis Crick centrális dogmája. A baloldali kép az egyes makromolekula típusok közötti összes elméletileg lehetséges információáramlást mutatja. Információáramláson itt azt értjük, hogy az egyik makromolekula monomersorrendje alapján alakul ki egy másik makromolekula monomersorrendje. A jobboldali ábrán piros nyíl jelzi a minden élőlényben lezajló 3 általános információáramlási útvonalat, a replikációt, transzkripciót és transzlációt. Kék szín jelzi a csak egyes organizmusokban (esetleg csak vírusfertőzött élőlényekben) lezajló folyamatokat, és szaggatott nyíl azokat, amelyek a mai ismereteink szerint nem mennek végbe.

Francis Crick 1958-ban egy általános sémát alkotott arról, hogy a nukleinsavak és a fehérjék szekvenciájában lévő információ hogyan adódhat át az egyes makromolekulák között. Információáramlás alatt specifikusan azt értjük, hogy az egyik makromolekula monomersorrendje meghatározza egy másik makromolekula monomersorrendjét. Az eredeti sémát Crick 1970-ben pontosította. A sémának a „centrális dogma” elnevezést adta.

A háromféle makromolekula, DNS, RNS és fehérje esetében elméletileg 3x3 = 9 lehetséges információ átadás történhet. 1958-ban Crick ezek közül hármat tartott olyannak, ami nem valósulhat meg. Ezek mind a fehérje szekvencia alapján történő új polimer keletkezésre vonatkoztak. Tehát fehérje szekvenciát, mint templátot használva nem keletkezhet DNS, RNS, vagy fehérje.

A maradék 6 utat lehetségesnek nevezte. Ezek közül 1970-ben háromról már egyértelműen kijelenthette, hogy azok a teljesen általános utak. Ez a DNS-alapú DNS-szintézis, vagyis a replikáció; a DNS-alapú RNS-szintézis, vagyis a transzkripció; valamint az RNS-alapú fehérjeszintézis, a transzláció.

A három másik elméleti lehetőségből 1970-ben kettőről már ismert volt, hogy speciális esetekben végbemennek. Az RNS genomú vírusok egy része olyan enzimmel rendelkezik, amelyik RNS-alapú RNS-szintézissel másolja a genomját. Más RNS genomú vírusokról (retrovírusok) pedig kiderült, hogy az RNS genomjuk alapján először egy DNS-másolat keletkezik (RNS-alapú DNS-szintézis) a reverz transzkriptáz enzim által, majd erről a DNS másolatról képződik az RNS genom.

Néhány tanulmány azt állította, hogy bizonyos speciális kezelések hatására a riboszóma képes egyszálú DNS alapján fehérjét szintetizálni. Ezt nem sikerült megbízhatóan reprodukálni, ezért a mai ismeretek szerint ez a mechanizmus, bár elméleti alapon nem zárható ki, a valóságban nem megy végbe.

A 13.1. ábra baloldali képe az elméletileg lehetséges 9 információ átadási folyamatot illusztrálja. A 13.1. ábra jobboldali képén piros nyilak mutatják a minden élőlényben működő 3 alap információs utat, a replikáció, transzkripciót és a transzlációt. Kék nyilak mutatják a speciálisabb információs utakat, amelyek csak az élőlények (esetleg csak vírusfertőzött élőlények) egy részében működnek.

A centrális dogma elnevezésben a dogma szó használatát sokan, és jó okkal kritizálták. A dogma megkérdőjelezhetetlen igazságot jelent. Márpedig semmi sem állhat távolabb a tudományos világnézettől, mint a megkérdőjelezhetetlenség. Minden tudományos állítás igazságtartalma megkérdőjelezhető, és amennyiben az állítás nem igaz, úgy (előbb, vagy utóbb) cáfolható.

Mint később visszaemlékezéseiben Crick megírta, amikor ezt a kifejezést választotta, nem volt tökéletesen tisztában annak jelentésével. Úgy gondolta, hogy a dogma mindig valami olyasmire vonatkozik, ami központi jelentőségű, ugyanakkor nem alapul ésszerű bizonyításon. Amikor az első modellt leírta, az információs utak zöme még nem volt bizonyítva.

Térjünk vissza a replikációra. Watson és Crick az általuk alkotott DNS térszerkezeti modell alapján egy koncepcionálisan rendkívül elegáns, egyszerűnek tűnő replikáció modellt javasolt. Mint látni fogjuk, maga a modell helytállónak bizonyult, de a konkrét megvalósulás szintjén egy rendkívül összetett folyamat.

Azt, hogy összetett kell, hogy legyen már a folyamat részleteire vonatkozó első mechanisztikus kérdések özöne is sejttette. Másrészt a kólibaktérium genetikai és biokémiai vizsgálata alapján az is kiderült, hogy még ebben a viszonylag egyszerű organizmusban is több mint 50 géntermék vesz részt a DNS másolásában, és a DNS-ben keletkező szekvencia hibák kijavításában.