DNA REPLİKASYONU Yrd.Doç.Dr. Metin Konuş

DNA REPLİKASYONU Replikasyon genetik materyelin tamamen kendi benzeri yeni bir molekül oluşturma işlemidir. DNA kendini eşleyebilen yegane biyomoleküldür Replikasyon sonrası ana DNA molekülü ile tüm nukleotid dizisi tamamen aynı olan DNA molekülü ortaya çıkar. Böylece DNA da taşınan genetik bilgi her replikasyon olayı ile dölden döle aktarılır.

DNA replikasyonu yarı koruyucu bir model ile açıklanır. Bu model iki zincirli sarmal DNA nın her bir ipliğinin kalıp görevi yaparak kendine yeni bir eş DNA ipliği oluşturması işlemidir. Böylece bir ana molekülden yeni oluşan her bir yavru molekül, ana DNA nın bir zincirini taşıyacaktır

DNA Replikasyonunun Temel Mekanizmaları Hem prokaryotik hemde ökaryotik hücrelerde replikasyonun temel mekanizmaları aynıdır. Replikasyon başlangıç noktalarının tayini DNA çift ipliğinin çözünmesi Replikasyon çatalının oluşması

Replikasyonda, DNA polimerazdan başka, herbirinin özel bir görevi olan, 20’den fazla enzim ve proteinler gerekmektedir. Tümüne DNA replikaz sistemi veya replizom denir.

Replikasyon başlangıç noktalarının tayini: Replikasyonun gerçekleştiği genom birimine replikon denir. Her replikonda bir başlangıç ve bir bitiş noktası vardır. Prokaryotlarda çembersel DNA da bir başlangıç ve bir bitiş noktası, Ökaryotik hücrede ise çok sayıda başlangıç ve bitiş noktaları vardır.

Başlangıç noktaları özel nukleotid dizilerinden oluşur ( A ve T den zengin tekrarlayan nukleotid dizileri) ve “diziye özel olan DNA ya bağlanan proteinler = başlatıcı proteinler” tarafından tanınır. Bu proteinlerin başlangıç noktalarına bağlanması ile replikasyonun ilk adımı atılır.

(A veya T)TTTAT(A veya G)TTT(A veya T) Saccoromyces cerevisia da; Replikasyon orijin noktalarında 11 nukleotidlik bir dizinin tekrarı saptanmıştır. (A veya T)TTTAT(A veya G)TTT(A veya T)

DNA çift ipliğinin çözünmesi Replikasyonun başlıyabilmesi için DNA çift zincirinin sarmal yapısının çözülmesi gereklidir. Çözülme işlemi başlatıcı protein kopleksinde yer alan DNA helikazlar ile gerçekleştirilir.

Replikasyon çatalının oluşması Helikaz aktivitesi ile açılan çift zincirde replikasyonun olduğu bölgeye replikasyon çatalı denir. Replikasyon olayı “replikasyon çatalı”nın ana DNA molekülü boyunca ilerlemesi ile gerçekleşir.

Replikasyon çatalında replikasyonda iş gören 4 temel yapı vardır; DNA helikaz, DNA sarmalını çözen enzim Primaz, DNA sentezinin başlıyabilmesi için gerekli olan RNA primerlerini (RNA öncül molekül) sentezleyen enzim DNA Polimerazlar, kalıp zincire komplamenter yeni DNA zincirini sentezleyen enzim Tek zincire bağlanan (SSB) proteinler, replikasyon çatalının sürekliliğini saglayan ,tek DNA ipliğine bağlanarak katlanmayı önleyen proteinler

DNA polimeraz III , her bir nükleotidin kalıp üzerindeki tamalayıcı bazına uygun olarak, yeni zincire eklenmesini kontrol eder. Eğer kalıp bazdaki adenine uyan, timin yerine sitozin taşıyan nükleotid yeni zincire eklenirse, DNA polimeraz III, yapıya yanlışlıkla katılan nükleotidi hidrolitik olarak uzaklaştırarak, timin taşıyan doğru nükleotidi yerine yerleştirir.

Öncül RNA molekülünün Çıkartılıp Atılarak DNA ile Yer Değiştirmesi   DNA polimeraz III sentezi, yeni bir öncü RNA ile karşılaşıncaya kadar devam eder. Öncü RNA molekülüne gelindiğinde, DNA polimeraz I ile RNA çıkarılarak DNA polimeraz I ile boşluk doldurulur .

DNA replikasyon yönü (yeni sentezlenen zincirin yönü) 5’ 3’ ucuna doğrudur

DNA replikasyon yönü (yeni sentezlenen zincirin yönü) 5’ 3’ ucuna doğrudur DNA molekülü birbirize zıt yönde paralel iki zincir içerdiginden (biri 5’ 3’ diğeri 3’ 5’) sentezin aynı anda ve devamlı olarak ilerlemesi mümkün değildir. Bu nedenle replikasyon çatalında iki farklı sentez tipi ortaya çıkar. 1- Devamlı iplik (DNA) sentezi ( 3’ 5´ kalıbına uygun sentez ) 2- Kesikli iplik (DNA) sentezi ( 5´ 3´ kalıbına göre yapılan sentez)

Kesikli DNA zincirlerinin oluşumunu deneysel olarak gösteren Okazaki ve Ark.(1968) dan dolayı bunlara Okazaki Parçaları adı verilmiştir. (ökaryotlarda 100-200 nukleotidlik parçalar) Her bir Okazaki parçasınında başlangıcında RNA primerleri bulunmaktadır.

Kesikli zincir Devamlı zincir

Replikasyon ilerledikçe RNA primerleri kesilip çıkarılır ortaya çıkan boş alanlar DNA polimerazlar tarafından kalıp DNA ya uygun olarak sentezlenir ve iki DNA ucu ligaz enzimi ile birleştirilerek bir bütün DNA ipliği oluşur. Ökaryotiklerde replikonlarda tamamlanan DNA parçalarıda yine ligaz enzimi ile birleştirilir.

Ökaryotik DNA polimerazlar α, β, δ, γ, ve ε.   γ : mitokondriumda bulunur . mtDNA replikasyonunda iş görür  Diğerleri nukleusta bulunur.  α: kesikli ipliğin sentezi. β: DNA tamiri. δ: devamlı ipliğin sentezi. ε: DNA tamiri.

Ökaryotiklerde DNA molekülünün prokaryotlardan daha büyük olması ve histon proteinleri ile kromatin yapı oluşturmaları nedeniyle farklı sentez aşamaları gözlenir.

Ökaryotik hücrelerde replikasyon adımları Replikasyon orijin noktalarının tayini DNA çift ipliğinin çözünmesi Replikasyon çatalının oluşması DNA polimeraz aktivitesi, sentez ve uzama Replikasyon kabarcıklarının oluşması Yeni sentezlenen DNA parçalarının birleştirilmesi Kromatin yapısının yeniden oluşumu

Ökaryotik DNA da replikasyon orijinleri, 20 ila 80 orijinlik gruplar şeklinde (bir replikon=replikasyon ünitesi) aktiflenirler. Tüm DNA replike oluncaya kadar S fazı boyunca yeni replikasyon orijinleri aktiflenmeye devam eder.

DNA replike oldukça yeni sentezlenen histonlar ile kromatin şeklinde yeniden düzenlenir. Histonlarda hücre siklusunun S fazında sentezlenir.

S fazı boyunca aynı kromozomun farklı bölgeleri farklı zamanlarda replike olur. Kondens kromatin (heterokromatin) geç S fazında replikasyona uğrar Aktif kromatin (ökromatin) erkan S fazında replikasyona uğrar örneğin; aktif X kromozomu S fazı boyunca, inaktif X kromozomu geç S fazında replike olur

Sonlanma safhası E.coli’de DNA’nın iki replikasyon çatalı terminal bölgede birleşir. Bu bölge 20 baz çiftinden oluşur ve Terminus adını alır. Bu bölge aynı zamanda TUS (terminus utilization substance) adlı protein için bağlanma bölgesi içerir ve sentez bu bölgede durur.

Ökaryotik kromozomlar, prokaryotik kromozomlardan farklı olarak doğrusal yapıdadır Kromozomların ucu telomer olarak adlandırılan yapılar ile sonlanır. Normalde sentez sırasında 3‘-OH grubuna nükleotid ilavesi yapılır koromozom ucunda, 3’-OH grubunu sağlayacak pirimer yoktur Bu yüzden her DNA sentezi sonunda, kromozom RNA primeri kadar kısalacaktır Bu problem telomeraz enzimi tarafından giderilir.

Kromozom uçlarındaki tekrarlanan TELOMER- TELOMERAZ Kromozom uçlarındaki tekrarlanan nukleotid dizileri TELOMER

DNA Repliasyonunda Topoizomerazlar Replikasyon çatalında ortaya çıkan Süperkıvrımların açılması-çözülmesinde iş görürler topoizomeraz l ;Tip I tek iplikli DNAyı keser topoizomeraz ll ;Tip II çift iplikli DNAyı keser