Free Press

Replikaation keskeiset vaiheet ovat samat kuin prokaryooteilla. Replikaation aloittaminen on monimutkaisempaa eukaryooteissa. Replikaation alkulähteessä muodostetaan esireplikaatiokompleksi muiden initiaattoriproteiinien kanssa. Sen jälkeen rekrytoidaan muita proteiineja replikaatioprosessin käynnistämiseksi. Kokonaisprosessi on sama, vaikka eri nimiset entsyymit täyttävät saman tehtävän. Esimerkiksi DNA pol III:a käytetään prokaryooteissa suurimpaan osaan replikaatiosta, kun taas eukaryooteissa johtavaa säiettä syntetisoi jatkuvasti entsyymi pol δ, ja jäljessä olevaa säiettä syntetisoi pol ε. Keskitymme prokaryoottisessa replikaatiossa käytettäviin entsyymeihin, joten älä huolehdi näistä nimieroista.

Näissä ovat tärkeät eroavaisuudet prokaryoottisen ja eukaryoottisen replikaation välille:

TAULUKKO 1: Prokaryoottisen ja eukaryoottisen replikaation erot

Ominaisuus	Prokaryootit	Eukaryootit
Alkuperä. replikaatio	Yksittäinen	Moninkertainen
Replikaationopeus	1000 nukleotidia/s	50 – 100 nukleotidia/s
DNA polymeraasityypit	5	14
DNA:n pakkaus	superkäämitys	kieroutuu histonien ympärille
Telomeraasi	Eivät ole present	Present

Origins and rate of replication

Eukaryoottiset genomit ovat paljon monimutkaisempia ja kooltaan suurempia kuin prokaryoottiset genomit. Ihmisen genomissa on kolme miljardia emäsparia haploidista kromosomisarjaa kohti, ja 6 miljardia emäsparia monistuu solusyklin S-vaiheen aikana. Tämä tarkoittaa, että eukaryoottisessa kromosomissa on oltava useita replikaation alkulähteitä, jotta koko DNA:n replikaatio tapahtuisi ajallaan; ihmisellä voi olla jopa 100 000 replikaation alkulähdettä. Replikaationopeus on noin 100 nukleotidia sekunnissa, mikä on paljon hitaampaa kuin prokaryoottien replikaatio.

DNA-polymeraasityypit

Eukaryoottien DNA-polymeraaseja on paljon enemmän kuin prokaryoottien: Niitä tunnetaan 14, joista viidellä tiedetään olevan merkittävä rooli replikaation aikana ja niitä on tutkittu hyvin. Ne tunnetaan nimillä pol α, pol β, pol γ, pol δ ja pol ε. En koskaan kysy näiden polymeraasien nimiä – opettele prokaryoottisten polymeraasien nimet.

DNA:n pakkaus

Eukaryoottinen DNA kiertyy histoneiksi kutsuttujen proteiinien ympärille muodostaen rakenteita, joita kutsutaan nukleosomeiksi. DNA:n on oltava saatavilla, jotta DNA:n replikaatio voi edetä. Kromatiini (DNA:n ja proteiinien välinen kompleksi) voi kokea joitakin kemiallisia muutoksia, jotta DNA voi liukua pois histonien päältä tai olla muuten DNA:n replikaatiokoneiston entsyymien saatavilla. Prokaryootit eivät pakkaa DNA:ta kietomalla sitä histonien ympärille.

Telomeerien replikaatio

Toisin kuin prokaryoottien kromosomit, eukaryoottien kromosomit ovat lineaarisia. Kuten olet oppinut, entsyymi DNA pol voi lisätä nukleotideja vain 5′-3′-suunnassa. Johtavassa säikeessä synteesi jatkuu, kunnes kromosomin loppu saavutetaan. Myöhästyneessä säikeessä DNA:ta syntetisoidaan lyhyissä pätkissä, joista jokainen aloitetaan erillisellä alukkeella. Kun replikaatiohaarukka saavuttaa lineaarisen kromosomin lopun, ei kromosomin lopussa ole enää paikkaa, josta aluketta voitaisiin tehdä kromosomin lopussa kopioituvalle DNA-fragmentille. Nämä päät jäävät siis parittomiksi, ja ajan mittaan nämä päät voivat lyhentyä asteittain, kun solut jatkavat jakautumistaan.

Lineaaristen kromosomien päät tunnetaan telomeereina, joissa on toistuvia sekvenssejä, jotka eivät koodaa tiettyä geeniä. Nämä telomeerit suojaavat kromosomissa olevia geenejä poistumasta, kun solut jatkavat jakautumistaan. Ihmisillä kuuden emäsparin sekvenssi, TTAGGG, toistuu 100-1000 kertaa. Telomeraasientsyymin (kuva 1) löytäminen auttoi ymmärtämään, miten kromosomien päät säilyvät. Telomeraasientsyymi sisältää katalyyttisen osan ja sisäänrakennetun RNA-mallin. Se kiinnittyy kromosomin päähän, ja DNA-juosteen 3′-päähän lisätään RNA-mallin komplementaarisia emäksiä. Kun jäljessä olevan säikeen mallin 3′-pää on riittävän pitkänomainen, DNA-polymeraasi voi lisätä kromosomien päihin komplementaarisia nukleotideja. Näin kromosomien päät monistuvat.

Telomeraasi on tyypillisesti aktiivinen sukusoluissa ja aikuisten kantasoluissa. Se ei ole aktiivinen aikuisten somaattisissa soluissa. Telomeraasin ja sen toiminnan löytämisestä Elizabeth Blackburn (kuva 2) sai lääketieteen ja fysiologian Nobel-palkinnon vuonna 2009.

Telomeraasi ja ikääntyminen

Solujen, jotka käyvät läpi solunjakautumisen, telomeerit lyhenevät edelleen, koska useimmat somaattiset solut eivät valmista telomeraasia. Tämä tarkoittaa lähinnä sitä, että telomeerien lyheneminen liittyy ikääntymiseen. Nykyaikaisen lääketieteen, ennaltaehkäisevän terveydenhuollon ja terveellisempien elintapojen myötä ihmisten elinikä on pidentynyt, ja yhä useammat haluavat näyttää nuoremmilta ja saada paremman elämänlaadun ikääntyessään.

Tutkijat havaitsivat vuonna 2010, että telomeraasi voi kääntää joitakin ikääntymiseen liittyviä tiloja hiirillä. Tällä voi olla potentiaalia regeneratiivisessa lääketieteessä (Jaskelioff, 2011). Näissä tutkimuksissa käytettiin telomeraasipuutteisia hiiriä; näillä hiirillä on kudosten surkastumista, kantasolujen köyhtymistä, elinjärjestelmän vajaatoimintaa ja heikentyneitä kudosvammareaktioita. Telomeraasin reaktivointi näissä hiirissä aiheutti telomeerien pidentymistä, vähensi DNA-vaurioita, kumosi neurodegeneraation ja paransi kivesten, pernan ja suoliston toimintaa. Telomeerien uudelleenaktivoinnilla voi siis olla potentiaalia ikääntymiseen liittyvien sairauksien hoidossa ihmisillä.

Syövälle on ominaista epänormaalien solujen hallitsematon jakautuminen. Solut keräävät mutaatioita, lisääntyvät hallitsemattomasti ja voivat siirtyä kehon eri osiin metastaasiksi kutsutun prosessin kautta. Tutkijat ovat havainneet, että syöpäsolujen telomeerit ovat huomattavasti lyhentyneet ja että telomeraasi on aktiivinen näissä soluissa. Mielenkiintoista on, että vasta kun telomeerit olivat lyhentyneet syöpäsoluissa, telomeraasi aktivoitui. Jos telomeraasin toimintaa näissä soluissa voidaan estää lääkkeillä syöpähoidon aikana, syöpäsolut voitaisiin mahdollisesti estää jakautumasta edelleen.