EN
فارسی
中国人
یکی از ویژگی¬های مشخص موجودات زنده توانایی رشد و تولید مثل آن¬هاست. پروکاریوت¬ها هسته ندارند، اما ماده وراثتی یا همان DNA را دارند که با استفاده از تقسیم دودویی ساده و با ایجاد شکاف سپتوم و همانندسازی DNA و تقسیم آن به دو سلول دختری انجام می¬شود. مجموعه کوچکی از مواد ژنتیکی نیز می-تواند بین باکتری¬ها منتقل شود. سه مکانیزم انتقال DNA در پروکاریوت¬ها وجود دارد، کانجوگیشن یا ترکیب(Conjugation) ، ترنسداکشن (Transduction) و ترنسفورمیشن(Transformation) . در یوکاریوت¬¬ها، همجوشی سلولی (Cellular Fusion) اولین مرحله در تولید مثل جنسی است. سلولهایی که در همجوشی شرکت می¬کنند، گامت¬ها(Gamete) هستند و سلول حاصل از آنها به عنوان یک زایگوت (Zygote) در نظر گرفته می¬شود. همجوشی گامتیکی با همجوشی هسته¬ای (Nuclear Fusion) دنبال می¬شود، در نتیجه هسته زایگوت شامل دو مجموعه کامل از ژنوم (Genome) است. همجوشی جنسی منجر به دو برابر شدن تعداد کروموزوم¬ها در نتیجه انباشت کروموزوم¬های گامت¬ها می¬شود که هر کدام حاوی n کروموزوم هستند. بنابراین هسته زایگوت، شامل 2n کروموزوم خواهد شد. نصف شدن تعداد کروموزوم در گامت¬ها توسط یک فرآیند ویژه تقسیم هست¬های، به نام میوز (Meiosis) اتفاق می¬افتد. در طول تقسیم سلول، کپی برداری از ژنوم (به مجموع ژن¬های یک سلول ژنوم می¬گویند) توسط فرایند همانندسازی DNA (DNA Replication) اتفاق می¬افتد. اگرچه عمل DNA پلیمرازها ساده و به خوبی درک شده است، فرایند همانندسازی DNA بسیار پیچیده است، و سوالات بسیار و مجهولاتی وجود دارند که نیازمند کشفیات علمی بیشتر و پاسخ می¬باشند.
ساخت DNA یا پلیمریزاسیون DNA توسط آنزیم¬هایی با نام DNA پلیمرازها کاتالیز می¬شود. DNAپلیمرازها علاوه بر دئوکسی-نوکلئوتید-تری-فسفات¬ها (dNTP) که به عنوان آجر ساخت DNA عمل می¬کنند، به دو مولکول اسیدنوکلئیک دیگر نیاز دارند. یکی الگوی DNA است که به آن dNTPها طبق قوانین جفت شدن بازی متصل می¬شوند(A-T, G-C) . دومی آغازگری (Primer) از جنس RNA است، که در شروع پلیمریزاسیون DNA، اولین نوکلئوتید به آن متصل می¬شود. در پروکاریوت¬ها سه DNA پلیمراز مختلف افزوده شدن نوکلئوتیدها را از انتهای 5 به 3 را کاتالیز می کند. از آنجا که DNA پلیمراز به یک الگوی تک رشته¬ای نیاز دارد، دو رشته کروموزوم باید حداقل به صورت محلی (Local)، قبل از اینکه همانندسازی شروع شود از هم باز شده یا ذوب (Melting) شود. بازشدن DNA در یک ناحیه، حبابی در کروموزوم ایجاد می¬کند که منشاء همانندسازی (Origin of Replication) نامیده می¬شود. منشاء همانندسازی دارای توالی خاصی می¬باشد که همانندسازی همیشه از آن نقطه آغاز می¬شود. همانندسازی DNAدورشته¬ای حلقوی بسته پروکاریوت¬ها، ساختاری را ایجاد می¬کند که اصطلاحاً به آن ابر مارپیچ یا سوپر کویل (Supercoil) می¬گویند که ساختار θشکل داشته و توسط دو چنگال همانندسازی (Replication Forks) شکل می¬گیرد. این ساختار در صورت تداوم و با پیشرفت حرکت دو چنگال در خلاف هم، روند تکثیر را متوقف می¬کنند. عملکرد مورد نیاز برای باز کردن دو رشته DNA از هم، سنتز پرایمر و از بین بردن پیچ و تاب¬ها توسط انواع متفاوتی از پروتئین¬ها انجام می¬شود. این پروتئین¬ها همراه با DNA پلیمرازها، یک کمپلکس مولتی آنزیم را تشکیل می¬دهند که دستگاه تکثیر (Replication Apparatus) نامیده می شود. در پروکاریوت¬ها همانندسازی DNA، حداقل شامل 13 پروتئین مختلف است و با سرعت و دقت قابل توجهی، تقریباً 3000 نوکلئوتید در هر ثانیه (در دمای 37 درجه سانتیگراد) و فقط در حدود یک اشتباه (جفت نادرست یا میس مچ (Mismatch)) در هر 1010 نسخه نوکلئوتید انجام می¬شود. برای اینکه رشته¬های DNA در یک کروموزوم به صورت کامل از هم جدا شوند مقدار قابل توجهی از انرژی مورد نیاز است، و بخاطر آن است که در شروع همانندسازی فقط بخشی از DNA به صورت لوکال باز می¬شود شود تا یک چنگال همانند سازی تشکیل شود. زنجیره¬های یک مارپیچ دورشته¬ای توسط آنزیم DNA هلیکاز از هم جدا می¬شود و پروتئین¬های بی¬ثبات کننده مارپیچ، که به زنجیره¬های تک رشته DNA متصل می¬شوند (Single Strand Binding Proteins, SSBP) از اتصال دوباره این دو زنجیره به هم جلوگیری می¬کنند. پروتئین¬های دیگری، از جمله آنزیم DNA توپوایزومراز II و پروتئین Rep، که در مجموع پروتئین¬های بازکننده DNA نامیده می¬شوند، رشته¬های DNA را با هیدرولیز همزمان ATP از هم باز می¬کنند. آنزیمی به نام DNA ژیراز (توپوایزومراز II) که به هیدرولیز ATP نیاز دارد، با شکستن دوره¬ای پیوند فسفو-دی-استری در یکی از رشته¬ها، از ایجاد پیچش جلوگیری می¬کند. بعد از شکست پیوند و رفع پیچش، همان پیوند را بدون تغییر دوباره برقرار می¬کند.
فعالیت¬های مختلف پروتئین¬ها که فرایندهای جداسازی رشته و از بین بردن پیچ و تاب¬ها را انجام می¬دهند به شرح زیر است. RNA پرایمر توسط RNA پلی مراز (RNA Pol) سنتز می¬شود. DNA جدید توسط DNA پلیمراز III (DNA pol III)؛ سنتز می¬شود. پرایمر بعد از گسترش DNA توسط اگزونوکلئاز و DNA پلیمراز I برداشته شده و جای آن با DNA پر می-شود. درزهای ایجاد شده بخاطر عدم وجود پیوند فسفودی¬استری در DNA توسط آنزیم DNAلیگاز برطرف می-شود.
بعد از بازشدن زنجیره¬ها توسط هلیکاز، قطعات کوتاه RNA مکمل بخشی از توالی مناطق تک رشته بر روی هر رشته تک توسط یک آنزیم خاص به نام پریماز (Primase) سنتز می شود. پرایمر RNA توسط RNA پلیمرازهای معمول ساخته نمی-شود، بلکه توسط پریماز ایجاد می¬شود که می¬تواند گسترش زنجیره را از نو (de novo) آغاز کند. پریمازها توالی های خاص را در تک رشته های DNA تشخیص می¬دهند. پروتئین¬های شناسایی کننده این توالی¬ها پروتئین¬های N نامیده می¬شوند که در DNA مکانی را که در آن پرایماز عمل می¬کند را شناسایی می¬کنند. پرایمر RNA بعدا توسط ریبونوکلئاز حذف شده و شکافهای ایجاد شده با DNA پلیمراز I پر می¬شوند. درزهای ایجاد شده توسط DNA لیگاز برطرف می¬شود که تشکیل یک رشته پیوسته را می¬دهد، و این فرایند همراه با هیدرولیز ATP است.
رشته¬ای که در همان جهت حرکت چنگال همانندسازی تکثیر می¬شود، رشته پیشرو (Leading Strand) نامیده می¬شود. DNA در رشته پیشرو به طور مداوم سنتز می¬شود، در حالی که DNA در رشته پسرو(Lagging Strand) ، که در جهت مخالف حرکت چنگال سنتز می¬شود، به صورت ناپیوسته و در یک سری از نواحی کوتاه تکثیر می¬شود. این نوع سنتز DNA منجر به تشکیل قطعات اوکازاکی می¬شود. قطعات اوکازاکی همان قطعات رشته پسرو بر روی توالی الگو با حدود 1000-2000 نوکلئوتید طول و متصل به یک پرایمر هستند. بعد از برداشتن پرایمر ها، این بخش¬ها توسط DNA لیگاز برای تولید یک رشته DNA پیوسته بهم متصل می¬شوند.
مکانیسم سنتز DNA در یوکاریوت ها مشابه فرآیند همانندسازی در پروکاریوت هاست اما در یوکاریوت¬ها پیچیدگی زیادی ای وجود دارد. DNA در یوکاریوت ها در چندین کروموزوم خطی سازمان¬دهی شده است و بسیار طولانی تر از ژنوم تکی پروکاریوت¬هاس است. یک سلول یوکاریوتی حاوی بیش از 20000 آنزیم است، که اجازه می دهد تعداد بسیار بیشتری از چنگال های تکثیر تشکیل شود (2000 ≥). قطعات کوچکتر اوکازاکی (40-300 جفت باز) نیز در یوکاریوت¬ها تشکیل می شود. بنابراین، نرخ همانندسازی DNA در مقایسه با E. coli با سرعت بیشتری انجام می¬شود.
مدل سلولی برای چنگال¬های همانندسازی یوکاریوتی بر اساس همانندسازی ویروس SV40 (آدنو ویروس سیمیان) مشارکت دو DNA پلیمراز مجزا را در همانندسازی نشان داد. پلیمراز σ، رشته پیشرو و پلیمراز α رشته پسرو را سنتز می¬کند. رشته پسرو در اطراف پلیمراز حلقه می¬شود و به آنزیم اجازه می¬دهد تا در داخل آن هم جهت با چنگال همانند سازی، به روشی مشابه همانند سازی پروکاریوتی حرکت کند.