13.11. A prokarióta és eukarióta replikáció összevetése

A prokarióta DNS replikációjánál bemutatott alapelvek (szemikonzervativitás, specifikus kezdőhelyek, szintézis kémiája, replikációs villa, Okazaki-fragmentumok, korrektor funkció, ligálás) az eukariótákra is érvényesek, de vannak jellegzetes eltérések is.

Míg a prokariótáknál optimális környezeti feltételek esetében a sejtosztódás, és emiatt a replikáció folyamatos, az eukariótáknál a DNS szintézis csak egy adott sejtciklus fázisban, az S fázisban indulhat el. Az eukarióták genomja általában sokkal, legalább tízszer, de inkább ezerszer nagyobb, mint a prokariótáké. Az eukarióta DNS nukleoszómás szerkezetbe pakolt, a replikációs villa (talán ezért is) mintegy tízszer lassabban halad, mint a bakteriális.

Ebből látszik, hogy egyetlen origó nem lenne elég ahhoz, hogy az ismert ütemű sejtosztódással a replikáció lépést tartson. Mint kiderült, az élesztő 17 kromoszómájában mintegy 400, az ember 23 pár kromoszómáján összesen több tízezer origóban indul el a replikáció.

Az eukarióták és a prokarióták genomja között a másolás szempontjából az egyik legfontosabb különbség az, hogy míg a prokarióta kromoszóma köralakú, az eukarióta kromoszómák lineárisak. Ez a látszólag apró különbség a lineáris DNS másolásában egy komoly problémát okoz, aminek feloldása sok fejtörést okozott a kutatóknak.

A replikáció fent ismertetett mechanizmusa alapján ugyanis a lineáris kromoszóma minden másolás után rövidülne! Az újonnan szintetizálódó szál 5’-vége mindig rövidebb lenne, mint a szülői szálé!

Nézzük meg, miért is van ez így. A templát szál ugyebár 3’→5’ irányban olvasódik le. Tegyük fel, hogy van olyan mechanizmus, melynek köszönhetően a primáz enzim a templát szál legvégső, 3’-végét is használja, tehát az első RNS primer a templát szál legvégső szakaszával lesz komplementer. Az RNS primer-t folytató DNS-polimeráz gond nélkül eljuthat a templát másik végéig. Csakhogy van egy komoly probléma. A primert el kell távolítani, és a hiányzó szakaszt nem lehet DNS-sel pótolni, mert nem lesz szabad 3’-OH csoport (vagyis primer) amit ehhez a DNS szintézishez fel lehetne használni. Ez a szál tehát menthetetlenül rövidebb lenne. A következő replikációban ez a szál templátként szolgál, így a mellé szintetizálódó szál is rövidebb lenne. Ez a probléma mindkét DNS szálat érinti. Minden ciklusban rövidül mindkét szál 5’-vége, és minden második ciklusban hozzárövidül ezekhez a komplementer szálak 3’-vége is.

A lineáris kromoszómák végeinek nevéről a felvázolt problémát „telomer-problémának” nevezték el. A megoldásról a telomeráz enzim gondoskodik (lásd 13.21. ábra).

A telomeráz enzim egy fehérjéből és RNS-ből álló ribonukleoprotein. Az RNS rész egy „hordozható” RNS (!) templát, amit az enzim az eukarióta kromoszóma vége, tehát a telomer 3’ vége alá illeszti, és az RNS templát alapján meghosszabbítja azt. A speciális RNS templátban az első, és az utolsó néhány bázis sorrendje azonos, ezért a templátot újra meg újra elcsúsztatva, a templátról újra meg újra tovább nyújtható a 3’-vég. A telomer végek ezáltal speciális, repetitív szekvenciát tartalmaznak, amely a telomeráz RNS temlátja alapján keletezett.

Az RNS templát alapján DNS-t szintetizáló telomeráz egy reverz transzkriptáz, vagyis RNS-függő DNS-polimeráz. A telomeráz által megnyújtott 3’ vég, mint templát alapján a sejt normál DNS-szintetizáló rendszere készít komplementer szakaszt. Annak felfedezéséért, hogy a telomeráz enzim hogyan védi meg a kromoszómákat a rövidüléstől, Elizabeth Blackburn, Carol Greider és Jack Szostak 2009-ben orvosi Nobel-díjat kaptak.

13.21. ábra: A telomeráz enzim működése

13.21. ábra: A telomeráz enzim működése