De essentiële stappen van de replicatie zijn dezelfde als bij prokaryoten. De start van de replicatie is complexer bij eukaryoten. Bij de oorsprong van de replicatie wordt een pre-replicatiecomplex gemaakt met andere initiator-eiwitten. Vervolgens worden andere eiwitten gerekruteerd om het replicatieproces op gang te brengen. Het algemene proces is hetzelfde, hoewel enzymen met verschillende namen dezelfde functie vervullen. Zo wordt bij prokaryoten DNA pol III gebruikt voor het grootste deel van de replicatie, terwijl bij eukaryoten de leidende streng voortdurend wordt gesynthetiseerd door het enzym pol δ, terwijl de afgeleide streng wordt gesynthetiseerd door pol ε. Wij concentreren ons op de enzymen die bij de prokaryotische replicatie worden gebruikt, dus maak je geen zorgen over deze naamsverschillen.
Hier volgen de belangrijke verschillen tussen prokaryotische en eukaryotische replicatie:
Tabel 1: Verschillen tussen prokaryote en eukaryote replicatie
| Eigenschap | Prokaryoten | Eukaryoten |
|---|---|---|
| Oorsprong van replicatie | Enkelvoudig | Meervoudig |
| Snelheid van replicatie | 1000 nucleotiden/s | 50 tot 100 nucleotiden/s |
| DNA polymerase types | 5 | 14 |
| DNA packaging | supercoiling | wound around histones |
| Telomerase | Niet aanwezig | Aanwezig |
Origins en replicatiesnelheid
Eukaryote genomen zijn veel complexer en groter in omvang dan prokaryote genomen. Het menselijk genoom telt drie miljard basenparen per haploïde set chromosomen, en 6 miljard basenparen worden gerepliceerd tijdens de S-fase van de celcyclus. Dit betekent dat er meerdere replicatiehaarden op het eukaryote chromosoom moeten zijn opdat al het DNA tijdig kan worden gerepliceerd; de mens kan tot 100.000 replicatiehaarden hebben. De replicatiesnelheid bedraagt ongeveer 100 nucleotiden per seconde, veel langzamer dan bij prokaryoten.
DNA-polymerasetypes
Het aantal DNA-polymerases bij eukaryoten is veel groter dan bij prokaryoten: 14 zijn er bekend, waarvan er vijf een belangrijke rol spelen bij de replicatie en goed zijn bestudeerd. Ze staan bekend als pol α, pol β, pol γ, pol δ, en pol ε. Ik zal je nooit de namen van deze polymerasen vragen – leer de namen van de prokaryote polymerasen.
DNA verpakking
Eukaryotisch DNA wordt rond eiwitten gewikkeld die histonen worden genoemd om structuren te vormen die nucleosomen worden genoemd. Het DNA moet toegankelijk worden gemaakt om DNA-replicatie te laten plaatsvinden. Het chromatine (het complex tussen DNA en eiwitten) kan een aantal chemische modificaties ondergaan, zodat het DNA van de histonen kan glijden of anderszins toegankelijk wordt voor de enzymen van de DNA-replicatiemachine. Prokaryoten verpakken hun DNA niet door het rond histonen te wikkelen.
Telomeerreplicatie
In tegenstelling tot prokaryote chromosomen, zijn eukaryote chromosomen lineair. Zoals je hebt geleerd, kan het enzym DNA pol alleen nucleotiden toevoegen in de 5′ tot 3′ richting. In de voorste streng gaat de synthese door tot het einde van het chromosoom is bereikt. Op de achterblijvende streng wordt DNA gesynthetiseerd in korte stukken, die elk worden geïnitieerd door een afzonderlijke primer. Wanneer de replicatievork het einde van het lineaire chromosoom bereikt, is er geen plaats meer voor een primer voor het DNA-fragment dat aan het einde van het chromosoom moet worden gekopieerd. Deze uiteinden blijven dus ongepaard, en na verloop van tijd kunnen deze uiteinden steeds korter worden naarmate de cellen zich blijven delen.
De uiteinden van de lineaire chromosomen staan bekend als telomeren, die repeterende sequenties hebben die niet voor een bepaald gen coderen. Deze telomeren beschermen de genen die zich op het chromosoom bevinden tegen wissen wanneer de cellen zich blijven delen. Bij de mens wordt een sequentie van zes basenparen, TTAGGG, 100 tot 1000 keer herhaald. De ontdekking van het enzym telomerase (figuur 1) heeft bijgedragen tot een beter begrip van de wijze waarop chromosoomuiteinden in stand worden gehouden. Het enzym telomerase bevat een katalytisch deel en een ingebouwd RNA-sjabloon. Het hecht zich aan het uiteinde van het chromosoom, en aan het 3′-uiteinde van de DNA-streng worden complementaire basen aan het RNA-sjabloon toegevoegd. Zodra het 3′-uiteinde van de achterblijvende DNA-strengsjabloon voldoende uitgerekt is, kan DNA-polymerase de nucleotiden toevoegen die complementair zijn aan de uiteinden van de chromosomen. Zo worden de uiteinden van de chromosomen gerepliceerd.
Telomerase is typisch actief in kiemcellen en volwassen stamcellen. Het is niet actief in volwassen somatische cellen. Voor haar ontdekking van telomerase en de werking ervan kreeg Elizabeth Blackburn (figuur 2) in 2009 de Nobelprijs voor geneeskunde en fysiologie.
Telomerase en veroudering
Cellen die celdeling ondergaan, blijven hun telomeren verkorten omdat de meeste somatische cellen geen telomerase aanmaken. Dit betekent in wezen dat het verkorten van telomeren samengaat met veroudering. Met de komst van de moderne geneeskunde, preventieve gezondheidszorg en een gezondere levensstijl is de menselijke levensduur toegenomen en is er een toenemende vraag naar mensen om er jonger uit te zien en een betere kwaliteit van leven te hebben als ze ouder worden.
In 2010 ontdekten wetenschappers dat telomerase sommige leeftijdsgerelateerde aandoeningen bij muizen kan omkeren. Dit kan potentieel hebben in de regeneratieve geneeskunde (Jaskelioff, 2011). In deze studies werden telomerase-deficiënte muizen gebruikt; deze muizen hebben weefselatrofie, stamceldepletie, orgaanstelselfalen en een verminderde respons op weefselschade. Telomerase reactivatie in deze muizen zorgde voor verlenging van telomeren, verminderde DNA schade, keerde neurodegeneratie om en verbeterde de functie van de testes, milt en darmen. Zo kan reactivering van telomeren potentieel hebben voor de behandeling van leeftijdsgebonden ziekten bij mensen.
Kanker wordt gekenmerkt door ongecontroleerde celdeling van abnormale cellen. De cellen accumuleren mutaties, woekeren ongecontroleerd, en kunnen migreren naar verschillende delen van het lichaam via een proces dat metastase wordt genoemd. Wetenschappers hebben waargenomen dat kankercellen aanzienlijk verkorte telomeren en dat telomerase in deze cellen actief is. Interessant is dat pas nadat de telomeren in de kankercellen waren verkort, het telomerase actief werd. Als de werking van telomerase in deze cellen kan worden geremd door medicijnen tijdens kankertherapie, dan zouden de kankercellen mogelijk kunnen worden gestopt met verdere deling.
Tenzij anders vermeld, zijn de afbeeldingen op deze pagina gelicenseerd onder CC-BY 4.0 door OpenStax.
OpenStax, Concepten van Biologie. OpenStax CNX. May 18, 2016 http://cnx.org/contents/[email protected]:2ousESf0@5/DNA-Replication
Jaskelioff e.a., 2011 Telomerase reactivatie keert weefseldegeneratie om in verouderde telomerase-deficiënte muizen. Nature 469: 102-7.