همانندسازی دی‌ان‌ای

در زیست‌شناسی مولکولی به فرایند تولید دو رشته دی‌ان‌ای یکسان از یک مولکول دی‌ان‌ای، همانندسازی (همتاسازی) دی‌ان‌ای (به انگلیسی: DNA replication) گفته می‌شود. همانندسازی در همه موجودات زنده به عنوان پایه وراثت اتفاق می‌افتد. همانندسازی از مراحل ضروری در تقسیم سلول‌ها است که طی تقسیم سلول در مرحلهٔ اینترفاز انجام می‌شود.

DNA دو رشتهٔ پلی‌نوکلئوتیدی مارپیچ است. در طی تکثیر، این رشته‌ها جدا می‌شوند. هر رشته مولکول اصلی DNA به عنوان الگوی رشتهٔ مکمل خود عمل می‌کند، در همانندسازی دی‌ان‌ای، دو مولکول دی‌ان‌ای تولید می‌شود که هر یک، دارای یک رشتهٔ جدید و یک رشتهٔ قدیمی هستند (ردیف نوکلئوتیدها در هر یک از مولکول‌های دی‌ان‌ای حاصل، یکسان است) که باعث می‌شود دی‌ان‌ای‌های دختر دقیقاً مشابه دی‌ان‌ای مادر باشند. به این روش تکثیر که هر دی‌ان‌ای دختر از یک رشته از دی‌ان‌ای مادر و یک رشتهٔ نو ساخته شده‌است، روش همانندسازی همانندسازی نیمه‌حفاظتی می‌گویند.مکانیزم‌های تصحیح سلولی و تشخیص خطا تقریباً اطمینان حاصل می‌کنند که رشته دی‌ان‌ای جدید کاملاً مشابه با قبلی باشد.

تکثیر دی‌ان‌ای می‌تواند در آزمایشگاه و به‌صورت درون کشتگاهی و خارج از بدن جاندار انجام شود. برای این کار دی‌ان‌ای پلیمراز، از سلول جدا شده و پرایمر (آغازگر) مصنوعی دی‌ان‌ای می‌تواند برای شروع سنتز دی‌ان‌ای در توالی‌های شناخته شده در یک مولکول دی‌ان‌ای نمونه استفاده شود. واکنش زنجیره‌ای پلیمراز (PCR), واکنش زنجیره‌ای لیگاز (LCR) و تکثیر از طریق رونویسی (TMA)، نمونه‌هایی از همانندسازی در آزمایشگاه هستند.

آنزیم‌های ضروری 
هلیکاز: آنزیم هلیکاز کار بازکردن دو رشته دی‌ان‌ای را برعهده دارد. هلیکاز با هیدرولیز کردن آدنوزین تری‌فسفات (ATP) انرژی لازم برای حرکت در طول دی‌ان‌ای و بازکردن مارپیچ دورشته‌ای را امکان‌پذیر می‌کند. در ژنوم یوکاریوت‌ها از چندین مکان این بازشدگی رخ می‌دهد.

دی‌ان‌ای پلیمراز: آنزیم دی‌ان‌ای پلیمراز دو کار اصلی می‌کند. یکی با الگو قرار دادن یک رشته دی‌ان‌ای، رشته دوم را از نوکلئوتیدهای آزاد می‌سازد (فعالیت پلیمرازی) و دیگری در صورتی که خطایی در فرایند همانندسازی رخ داده باشد که نوکلئوتیدهای غیر مکمل روبروی یکدیگر قرار گرفته باشند، آن را اصلاح می‌کند (فعالیت نوکلئازی).

چگونگی همانندسازی 
دی‌ان‌ای پلیمراز در حال حرکت بر روی یک رشته دی‌ان‌ای، دو رشتهٔ دی‌ان‌ای را به یاری آنزیم هلیکاز مانند زیپ از یکدیگر جدا کرده و سپس از روی هر رشته، یک رشتهٔ نو ساخته می‌شود؛ به این گونه که یک آنزیم به نام دی‌ان‌ای پلیمراز (دنا بسپاراز) بر روی نوار پلی‌نوکلئوتیدی حرکت می‌کند و با به‌کارگیری نوکلئوتیدهای آزاد که در سیتوپلاسم هستند (دارای ۲ یا ۳ گروه فسفات) هر نوکلئوتید را در برابر نوکلئوتید مکمل خود می‌گذارد.

دی‌ان‌ای پلیمراز تنها در سوی انتهای بدون فسفات به سوی انتهای فسفات‌دار نوار پلی‌نوکلئوتیدی حرکت می‌کند. از آن‌جا که دو رشته دی‌ان‌ای هم پادسو هستند، در یک رشته، همانندسازی پیوسته انجام می‌شود و در رشته دیگر ('۵ به '۳) به‌شکلی پاره‌پاره انجام می‌شود که در پایان، آنزیم لیگاز، قطعات مجاور را به هم می‌پیوندد (پیوند فسفودی‌استر رخ می‌دهد).

آنزیم دی‌ان‌ای پلیمراز توانایی دیگری نیز دارد و آن ویرایش است: در صورتی که نوکلئوتید اشتباهی به دی‌ان‌ای‌های دختر اضافه‌شود، یعنی مکمل نباشد، این آنزیم برمی‌گردد و نوکلئوتید غلط را جدا و آن را با نوکلئوتید صحیح تعویض می‌کند. اگر این اشتباهات تصحیح نشوند در دی‌ان‌ای‌های دختر باقی مانده و به نسل بعد منتقل می‌شوند. به این اشتباهات تصحیح نشده جهش می‌گویند.

در پروکاریوت‌ها 

همانندسازی در مکان آغازش همتاسازی آغاز می‌شود. این عمل نیازمند آنزیم‌های همانندسازی بسیاری است. در ابتدا، دو چنگال همانندسازی در این محل ایجاد می‌شود. در اغلب ژن‌ها، همانندسازی در ۲ جهت است. به مکان شروع در اشریشیا کلی، ناحیهٔ (Ori c) گفته می‌شود. اتصال پروتئین‌ها به آن، تنها هنگامی صورت می‌گیرد که دنا دارای ابر مارپیچ منفی یا در واقع در حالت وضعیت طبیعی کروموزوم اشریشیاکلای است. نتیجهٔ اتصال دنا A باز شدن مارپیچ دوتایی است که با پروتئین‌های hu تقویت می‌شود. این پروتئین‌ها فراوان‌ترین پروتئین بسته‌بندی دنا در اشریشیاکلای هستند. اولین مرحله اتصال یک هم آرای پیش‌آغازگر است. در ابتدا، ۱۲ پروتئین شامل ۶ نسخه از دنا B و ۶ نسخه از دنا C تشکیل می‌شود دنا C دارای یک نقش تراوایی است و پس از تشکیل آزاد می‌شود دنا B یک هلیکاز است و جفت بازها را می‌شکند.

وقتی دنا از هم باز شد پروتئین‌های SSBP به حالت ۴تایی به تک‌رشته متصل می‌شوند؛ وزن هریک حدود ۱۸ هزار دالتون است و اتصال آن‌ها از نوع تعاونی است. سپس نوبت به دناG می‌رسد که یک زی مایه پرایماز است. پروتئین‌های n وn´´،n´وi در انجام بهتر عمل این پروتئین‌ها دخالت دارند. هم آرایی این پروتئین‌ها و پرایماز را پرایموزوم می‌نامند. پروتئین n´مسئول شناسایی عملی است که اجزای هم‌آرای پیش‌آغازگر بایستی در آن‌جا اجتماع کنند، همچنین فعالیت هلیکازی وابسته به آدنوزین تری فسفات هم از خود نشان می‌دهد و SSBPها را از دنا تک‌رشته‌ای جدا می‌کند؛ پرایماز ۶۰ هزار دالتون است و در هر سلول ۷۵ مولکول از آن وجود دارد؛ پرایماز محصول ژن دنا G است و به آن پروتئین دنا G نیز گفته می‌شود. پرایماز را نوعی آران‌ای پلیمراز می‌نامند که تنها می‌تواند بخش‌های کوچکی از رنا به نام رنای آغازگر که دارای ۳ تا ۴ و ۵ تا ۱۰ نوکلئوتید هستند را رونویسی کند. پروتئین‌های rep با وزن مولکولی ۶۵۰۰۰ دالتون نقش باز کردن مارپیچ دنا را دارند به طوری‌که در مراحل بعدی همانندسازی، که سرعت باز شدن باید بالا باشد؛ این پروتئین‌ها به‌کار گرفته می‌شوند.

دوراهی همانندسازی 
در باکتری‌ها که دی‌ان‌ای حلقوی دارند همانندسازی معمولاً از دو دوراهی همانندسازی شروع می‌شود. این دوراهی‌ها در یک نقطهٔ خاص به نام جایگاه آغاز همانندسازی به‌وجود می‌آیند. اغلب پروکاریوت‌ها (پیش هسته ای‌ها) فقط یک جایگاه آغاز همانندسازی دارند. دوراهی‌های همانندسازی به تدریج از هم دور می‌شوند، تا این که در نقطهٔ مقابل جایگاه آغاز همانندسازی به هم می‌رسند.

در سلول‌های یوکاریوتی (هوهسته ای)، هر کروموزوم از دو مولکول دی‌ان‌ای طویل تشکیل شده‌است. اما طول دی‌ان‌ای آن‌قدر زیاد است که اگر قرار باشد یک کروموزوم انسان، مانند باکتری همانندسازی را از یک نقطه آغاز کند، همانندسازی هر کروموزوم ۳۳ روز طول می‌کشید! از این رو همانندسازی در سلول‌های یوکاریوتی و انسان در نقاط مختلف انجام می‌شود (در چند نقطه). دوراهی‌های همانندسازی مختلف، سبب می‌شوند تا یک کروموزوم انسان در حدود ۸ ساعت به‌طور کامل همانندسازی کند.

در یوکاریوت‌ها 
در یوکاریوت‌ها همانندسازی در سه مرحله انجام می‌شود.

۱. شروع

گیره‌های لغزنده موجب افزایش چشم گیر پیش روندگی دنا پلیمرازها می‌شوند؛ این پروتئین‌ها شامل زیر واحدهای منفردی هستند که به شکل نان شیرینی‌های حلقوی سر هم می‌شوند. سوراخ موجود در مرکز حلقه به اندازه‌ای بزرگ است که بتواند مار پیچ دو رشته‌ای دنا را در بر بگیرد. ترارسان گیرهٔ لغزنده باز شده و روی دنا جای‌گیری می‌شود ترارسان گیره و دنا پلیمرازها نمی‌توانند هم‌زمان با گیرهٔ لغزنده میان‌کنش دهند و جایگاه اتصال آن‌ها بر روی یک سمت از گیرهٔ لغزنده با یکدیگر هم پوشانی دارند بنابراین این گیره که به دنا وصل است از آن جدا نمی‌شود.
انتخاب توالی همتاسازی با تشکیل هم آرای پیش همانند ساز Pre_Rc انجام می‌شود؛ که ترکیبی از ۴ پروتئین مجزا است و با ترتیب ویژه‌ای به هر ترادف همانند ساز متصل می‌شوند. نخستین مرحله از تشکیل آن شناسایی ترادف همانند ساز به وسیلهٔ آغاز گر یوکاریوت‌ها یعنی ORCاست. به محض اتصال ORC پروتئین‌های حامل هلیکاز Cdc۶و Cdt۱ به آن متصل می‌شوند orc به همراه پروتئین‌های دیگری به هلیکاز موجود در چنگال همانندسازی یوکاریوتی وصل خواهد شد PreRCها برای شروع برای شروع توسط ۲ کیناز فعال می‌شوند Cdkو Ddk. این کینازها در G۱غیرفعال اند و در مرحلهٔ سنتز فعال می‌شوند فسفریلاسیون این پروتئین‌ها سبب جذب سایر پروتئین‌های همانندسازی هوهسته‌ای به نقطهٔ شروع همانندسازی می‌شود. این پروتئین‌ها ی جدید شامل ۳دنا پلی مراز هوهسته‌ای و سایر پروتئین‌های لازم برای به‌کارگیری آن‌ها ست. ابتدا دی‌ان‌ای پلیمراز سیگما و بعد اپسیلون و به دنبال آن دنا پلیمراز آلفا پرایماز متصل می‌شوند به این ترتیب اطمینان حاصل می‌شود که هر ۳ دنا پلیمراز در ابتدا همانندسازی و قبل از ساخت رنا حضور دارند.

۲.ادامه

 مرحله اول :دنا هلیکاز موجود در چنگال همتاسازی اشریشیاکلای بر روی الگوی رشتهٔ پیرو و در جهت ۵´ به ۳´حرکت می‌کند هالو آنزیم دنا پلیمراز سه به هلیکاز متصل می‌شود و به این شکل هلیکاز به هر دو دنا پلیمرازها متصل خواهد شد؛ یکی از هسته‌های دنا پلیمراز سه، رشتهٔ پیرو و دیگری پیشرو را همانند سازی می‌کنند SSBهم مناطق تک رشته‌ای را می‌پوشاند.
 مرحلهٔ دوم :پرایماز به هلیکاز متصل شده و روی رشتهٔ دوم پرایمر می‌سازد.
 مرحلهٔ سوم:وقتی رشتهٔ پیرو ساخته شد دنا پلیمراز از گیرهٔ لغزنده و دنا آزاد می‌شود.
 مرحلهٔ چهارم: قسمتی دیگر از پیرو که قرار است همانند سازی شود به عنوان هدف برای ترارسان گیره عمل می‌کند به این ترتیب گیرهٔ لغزندهٔ جدید به هم آرای پرایمر _الگو متصل می‌شود.
 مرحلهٔ پنجم: هم آرای پرایمر الگو با گیرهٔ لغزنده متصل به آن‌ها به دنا پلیمراز از رشتهٔ پیرو متصل می‌شود و به این ترتیب ساخت قطعهٔ اکازاکی بعدی شروع می‌شود.

میان‌کنش بین پروتئین‌ها در طی این فرایند نقش به‌سزایی دارد، از جمله میان‌کنش‌ها می‌توان به میان‌کنش هلیکاز با دنا پلیمراز ۳اشاره کرد، که توسط حامل گیره به عنوان جزئی از هالوآنزیم وساطت می‌شود بنابراین هلیکاز اگر از دنا پلیمراز ۳جدا باشد حرکت آهسته‌ای دارد.
دومین میان‌کنش پروتئین _پروتئین مهم دیگر هلیکاز و پرایماز است. پرایماز اتصال محکمی با چنگال همانند سازی ندارد ولی در عوض در فاصلهٔ زمانی حدود ۱ مرتبه در ثانیه پرایماز به هلیکاز و دنا پوشیده شده با SSBمتصل می‌شود و پرایمر جدید ساخته می‌شود.
به مجموع تمام پروتئین‌هایی که در چنگال همانند سازی فعالیت دارند رپلیزوم می‌نامند.

۳. پایان

انتهای رشته در یوکاریوت‌ها تلومر نام دارد؛ که به‌طور معمول تکرارهایی از ترادف‌های غنی از ترادف‌های TG هستند برای نمونه مورد انسانی تکرارهایی از ترادف ´۵TTAGGG۳ می‌باشد. این ناحیه با آنزیم تلومراز برهم‌کنش می‌دهد. پروتئین‌هایی وجود دارند که به دقت طول رشته را وارسی می‌کنند و به‌عنوان مهارکننده برای تلومراز عمل می‌کنند؛ البته بسیاری از آن‌ها نیز فعالیت تلومراز را تعدیل می‌کنند، برای مثال پروتئین Cdc۱۳ به ناحیهٔ تک‌رشته‌ای تلومر متصل می‌شود و سبب اتصال تلومرازها روی رشته می‌شوند. پروتئینPOT۱ باعث مهار فعالیت تلومرازی می‌شود این پروتئین به تک رشته‌ای تارک دنا وصل می‌شود. پروتئین‌های Rif و RIF۲ به‌طور غیرمستقیم به Rap۱ با تارک ارتباط دارند و در مهار فعالیت دخالت دارند.

تکمیل قطعه‌های اکازاکی 
در یوکاریوت‌ها

بالغ‌سازی قطعات اکازاکی شامل چندین مرحلهٔ مجزا است که این مراحل عبارتند از برداشت آران‌ای پرایمر، پر نمودن شکاف حد فاصل ۲ قطعهٔ اکازاکی و نهایتاً اتصال ۲ دنا به یکدیگر است که ۲ مدل برای آن داده شده‌است.

الف: RNAaseH قطعهٔ آران‌ای متصل به انتهای قطعهٔ اوکازاکی را برمی‌دارد و از آن‌جا که این ریز مایه فقط می‌تواند اتصال بین ۲ ریبونوکلئوتید را بشکند، ریبونوکلئیکی در محل اتصال آران‌ای پرایمر و دی‌ان‌ای باقی می‌ماند و سپس FEN۱ آن را برمی‌دارد.

ب: هلیکاز DNA۲ قطعهٔ دی‌ان‌ای_آران‌ای را جابه‌جا می‌کند، سپس FEN۱ با خاصیت اندونوکلئازی خود نقطهٔ انشعاب را برش می‌دهد و آران‌ای جابه‌جا شده را برش می‌دهد.

در هر ۲ مدل شکاف ایجاد شده با به‌کارگیری دی‌ان‌ای پلیمراز اپسیلون و سیگما، پر شده و لیگاز اتصال لازم را برقرار می‌کند.

در پروکاریوت‌ها:

دی‌ان‌ای پلیمراز ۱ با خاصیت اگزونوکلئازی این مراحل را طی می‌کند و مراحل بعدی با به‌کارگیری دی‌ان‌ای پلیمراز لازم و لیگاز انجام می‌شود.

پانویس

منابع 
۱- زیست‌شناسی سلولی مولکولی، گرد آوری دکتر مجد و دکتر محمد علی شریعت زاده، چاپ دهم، نشر آییژ، بهار ۱۳۸۷

۲- ژنتیک مولکولی واتسون، نویسنده جیمز واتسون و دیگران، گروه مترجمین خانهٔ زیست‌شناسی، ناشر خانهٔ زیست‌شناسی، چاپ اول

۳- ژنتیک مولکولی پیشرفته ۱، گردآوری دکتر مجید متولی باشی دکتر زهره حجتی و احسان حبیبی، ناشر دانشگاه اصفهان، چاپ اول زمستان۱۳۸۷
 ویکی‌پدیا فرانسوی

پیری
دی‌ان‌ای
زیست‌شناسی مولکولی
ژنتیک
فرایندهای سلولی
همانندسازی