Αντιγραφή του DNA

Στη μοριακή βιολογία,  Αντιγραφή (αναδιπλασιασμός) του DNA (DNA replication) είναι η βιολογική διαδικασία παραγωγής δύο όμοιων αντιγράφων του DNA από ένα αρχικό μόριο DNA. Η αντιγραφή του DNA συμβαίνει σε όλους τους ζωντανούς οργανισμούς ενεργώντας ως το πιο ουσιαστικό μέρος της βιολογικής κληρονομικότητας. Αυτό είναι απαραίτητο για την κυτταρική διαίρεση κατά την ανάπτυξη και την επιδιόρθωση κατεστραμμένων ιστών, ενώ διασφαλίζει επίσης ότι κάθε ένα από τα νέα κύτταρα λαμβάνει το δικό του αντίγραφο του DNA. Το κύτταρο διαθέτει τη διακριτική ιδιότητα της διαίρεσης, η οποία καθιστά απαραίτητη την αντιγραφή του DNA.
Το DNA αποτελείται από μια διπλή έλικα από δύο συμπληρωματικούς κλώνους. Το DNA ονομάζεται συχνά διπλή έλικα. Η διπλή έλικα περιγράφει την εμφάνιση ενός δίκλωνου DNA που αποτελείται από δύο γραμμικούς κλώνους που βρίσκονται απέναντι ο ένας στον άλλον και συστρέφονται μεταξύ τους. Κατά τη διάρκεια της αντιγραφής, αυτοί οι κλώνοι διαχωρίζονται. Κάθε κλώνος του αρχικού μορίου DNA χρησιμεύει στη συνέχεια ως εκμαγείο για την παραγωγή του αντίστοιχου του, μια διαδικασία που αναφέρεται ως ημισυντηρητική αντιγραφή (semiconservative replication). Ως αποτέλεσμα, η νέα έλικα θα αποτελείται από έναν αρχικό κλώνο DNA καθώς και από έναν νεοσυντιθέμενο κλώνο. Οι κυτταρικοί μηχανισμοί επιδιόρθωσης και ο ελέγχου σφαλμάτων διασφαλίζουν σχεδόν τέλεια πιστότητα για την αντιγραφή του DNA.Imperfect DNA replication results in mutations. 
Σε ένα κύτταρο, η αντιγραφή του DNA ξεκινά σε συγκεκριμένες θέσεις (θέσεις έναρξης αντιγραφής) στο γονιδίωμα που περιέχει το γενετικό υλικό ενός οργανισμού. Το ξετύλιγμα του DNA στην αρχή και η σύνθεση νέων κλώνων, που φιλοξενούνται από ένα ένζυμο γνωστό ως ελικάση, έχει ως αποτέλεσμα την αμφίδρομη ανάπτυξη της διχάλας αντιγραφής από την αρχή. Ένας αριθμός πρωτεϊνών σχετίζεται με τη διχάλα αντιγραφής για να βοηθήσει στην έναρξη και τη συνέχιση της σύνθεσης του DNA. Κυρίως, η DNA πολυμεράση συνθέτει τους νέους κλώνους προσθέτοντας νουκλεοτίδια που συμπληρώνουν κάθε (εκμαγείο) κλώνου. Η αντιγραφή του DNA λαμβάνει χώρα κατά το S-στάδιο της μεσόφασης.
Η αντιγραφή του DNA (ενίσχυση του DNA) μπορεί επίσης να πραγματοποιηθεί in vitro (τεχνητά, έξω από ένα κύτταρο).Οι DNA πολυμεράσες που απομονώνονται από κύτταρα και οι τεχνητοί εκκινητές DNA μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την έναρξη της σύνθεσης του DNA σε γνωστές αλληλουχίες σε ένα μόριο εκμαγείου DNA. Η αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (Polymerase chain reaction, PCR), αλυσιδωτή αντίδραση λιγάσης (ligase chain reaction, LCR) και η ενίσχυση με μεσολάβηση μεταγραφής (transcription-mediated amplification, TMA) είναι παραδείγματα. Τον Μάρτιο του 2021, οι ερευνητές ανέφεραν στοιχεία που υποδηλώνουν ότι μια προκαταρκτική μορφή του tRNA, ενός απαραίτητου συστατικού της μετάφρασης, για τη βιολογική σύνθεση νέων πρωτεϊνών σύμφωνα με τον γενετικό κώδικα, θα μπορούσε να ήταν ένα μόριο αντιγραφέα (replicator) στην πολύ πρώιμη ανάπτυξη της ζωής, ή αβιογένεση.
 Δομή DNA 
Το DNA υπάρχει ως μια δίκλωνη δομή, με τους δύο κλώνους κουλουριασμένους μαζί για να σχηματίσουν τη χαρακτηριστική διπλή έλικα. Κάθε μεμονωμένη αλυσίδα DNA είναι μια αλυσίδα τεσσάρων τύπων νουκλεοτιδίων. Τα νουκλεοτίδια στο DNA περιέχουν ένα σάκχαρο δεοξυριβόζη, μία φωσφορική ομάδα και μια νουκλεοβάση. Οι τέσσερις τύποι νουκλεοτιδίου αντιστοιχούν στις τέσσερις νουκλεοβάσεις αδενίνη, κυτοσίνη, γουανίνη και θυμίνη, που συνήθως συντομεύονται ως A, C, G και T. Η αδενίνη και η γουανίνη είναι βάσεις πουρίνης ενώ η κυτοσίνη και η θυμίνη είναι πυριμιδίνες. Αυτά τα νουκλεοτίδια σχηματίζουν φωσφοδιεστερικούς δεσμούς, δημιουργώντας το σκελετό φωσφορικής ομάδας-δεοξυριβόζης της διπλής έλικας του DNA με τις νουκλεοβάσεις στραμμένες προς τα μέσα (δηλαδή προς την αντίθετη αλυσίδα). Οι νουκλεοβάσεις αντιστοιχίζονται μεταξύ των κλώνων μέσω δεσμών υδρογόνου για να σχηματίσουν ζεύγη βάσεων. Η αδενίνη ζευγαρώνει με τη θυμίνη (δύο δεσμοί υδρογόνου) και η γουανίνη με την κυτοσίνη (τρεις δεσμοί υδρογόνου).
Οι κλώνοι DNA έχουν κατευθυνσιμότητα, και τα διαφορετικά άκρα ενός μόνο κλώνου ονομάζονται 3' και 5' άκρο. Κατά σύμβαση, εάν δοθεί η βασική αλληλουχία ενός μόνο κλώνου DNA, το αριστερό άκρο της αλληλουχίας είναι το 5' άκρο, ενώ το δεξί άκρο της αλληλουχίας είναι το 3' άκρο. Οι κλώνοι της διπλής έλικας είναι αντιπαράλληλοι, με τον έναν να είναι 5′ προς 3′ και τον αντίθετο κλώνο 3′ προς 5′. Αυτοί οι όροι αναφέρονται στο άτομο άνθρακα της δεοξυριβόζης στο οποίο συνδέεται η επόμενη φωσφορική ομάδα στην αλυσίδα. Η κατευθυνσιμότητα έχει συνέπειες στη σύνθεση του DNA, επειδή η DNA πολυμεράση μπορεί να συνθέσει DNA μόνο προς μία κατεύθυνση προσθέτοντας νουκλεοτίδια στο 3' άκρο ενός κλώνου DNA.
Η σύζευξη συμπληρωματικών βάσεων στο DNA (μέσω δεσμών υδρογόνου) σημαίνει ότι οι πληροφορίες που περιέχονται σε κάθε κλώνο είναι περιττές. Οι φωσφοδιεστερικοί δεσμοί (ενδοκλωνικοί) είναι ισχυρότεροι από τους δεσμούς υδρογόνου (διακλωνικοί). Η πραγματική δουλειά των φωσφοδιεστερικών δεσμών είναι όπου στο DNA τα πολυμερή συνδέουν το 5' άτομο άνθρακα ενός νουκλεοτιδίου με το 3' άτομο άνθρακα ενός άλλου νουκλεοτιδίου, οι δεσμοί υδρογόνου να σταθεροποιούν τις διπλές έλικες του DNA κατά μήκος του άξονα της έλικας αλλά όχι προς την κατεύθυνση του άξονα. Αυτό καθιστά δυνατό τον διαχωρισμό των κλώνων μεταξύ τους. Τα νουκλεοτίδια σε έναν μονό κλώνο μπορούν επομένως να χρησιμοποιηθούν για την ανακατασκευή των νουκλεοτιδίων σε έναν νεοσυντιθέμενο συμπληρωματικό κλώνο.

 DNA πολυμεράση 

Οι DNA πολυμεράσες είναι μια οικογένεια ενζύμων που πραγματοποιούν όλες τις μορφές αντιγραφής του DNA. Chapter 27, Section 2: DNA Polymerases Require a Template and a Primer Οι DNA πολυμεράσες δεν μπορούν γενικά να ξεκινήσουν τη σύνθεση νέων κλώνων, αλλά μπορούν μόνο να επεκτείνουν έναν υπάρχοντα κλώνο DNA ή RNA που έχει συζευχθεί με έναν κλώνο εκμαγείου. Για να ξεκινήσει η σύνθεση, ένα σύντομο θραύσμα RNA, που ονομάζεται εκκινητής, πρέπει να δημιουργηθεί και να συζευχθεί με τον κλώνο DNA του εκμαγείου.
Η DNA πολυμεράση προσθέτει έναν νέο κλώνο DNA επεκτείνοντας το 3' άκρο μιας υπάρχουσας νουκλεοτιδικής αλυσίδας, προσθέτοντας νέα νουκλεοτίδια που ταιριάζουν στον κλώνο του εκμαγείου, έναν κάθε φορά, μέσω της δημιουργίας φωσφοδιεστερικών δεσμών. Η ενέργεια για αυτή τη διαδικασία πολυμερισμού του DNA προέρχεται από την υδρόλυση των φωσφορικών δεσμών υψηλής ενέργειας (φωσφοανυδρίτες) μεταξύ των τριών φωσφορικών ομάδων που συνδέονται σε κάθε μη ενσωματωμένη βάση. Οι ελεύθερες βάσεις με τις συνδεδεμένες φωσφορικές τους ομάδες ονομάζονται νουκλεοτίδια. Συγκεκριμένα, οι βάσεις με τρεις συνδεδεμένες φωσφορικές ομάδες ονομάζονται τριφωσφορικοί νουκλεοζίτες (nucleoside triphosphates). Όταν ένα νουκλεοτίδιο προστίθεται σε έναν αναπτυσσόμενο κλώνο DNA, ο σχηματισμός ενός φωσφοδιεστερικού δεσμού μεταξύ του εγγύς φωσφορικού άλατος του νουκλεοτιδίου στην αναπτυσσόμενη αλυσίδα συνοδεύεται από υδρόλυση ενός φωσφορικού δεσμού υψηλής ενέργειας με απελευθέρωση των δύο απομακρυσμένων φωσφορικών ομάδων ως πυροφωσφορικών. Η ενζυματική υδρόλυση του προκύπτοντος πυροφωσφορικού (pyrophosphate) σε ανόργανο φωσφορικό καταναλώνει έναν δεύτερο φωσφορικό δεσμό υψηλής ενέργειας και καθιστά την αντίδραση στην ουσία μη αναστρέψιμη.Η ενεργητική αυτής της διαδικασίας μπορεί επίσης να βοηθήσει στην εξήγηση της κατευθυνσιμότητας της σύνθεσης - εάν το DNA συντέθηκε στην κατεύθυνση 3' έως 5', η ενέργεια για τη διαδικασία θα προερχόταν από το 5' άκρο του αναπτυσσόμενου κλώνου και όχι από ελεύθερα νουκλεοτίδια. Το πρόβλημα είναι ότι εάν τα τριφωσφορικά υψηλής ενέργειας βρίσκονταν στον αναπτυσσόμενο κλώνο και όχι στα ελεύθερα νουκλεοτίδια, η διόρθωση με την αφαίρεση ενός αταίριαστου τερματικού νουκλεοτιδίου θα ήταν προβληματική: Μόλις προστεθεί ένα νουκλεοτίδιο, το τριφωσφορικό χάνεται και ένα μόνο φωσφορικό παραμένει στη ραχοκοκαλιά μεταξύ του νέου νουκλεοτιδίου και του υπόλοιπου κλώνου. Εάν το προστιθέμενο νουκλεοτίδιο δεν ταιριάζει, η απομάκρυνση θα είχε ως αποτέλεσμα έναν κλώνο DNA που τερματίζεται από ένα μονοφωσφορικό στο τέλος του "αναπτυσσόμενου κλώνου" αντί για ένα τριφωσφορικό υψηλής ενέργειας. Έτσι, ο κλώνος θα κολλούσε και δεν θα μπορούσε να αναπτυχθεί πια. Στην πραγματικότητα, τα τριφωσφορικά υψηλής ενέργειας που υδρολύονται σε κάθε στάδιο προέρχονται από τα ελεύθερα νουκλεοτίδια, όχι από τον πολυμερισμένο κλώνο, επομένως αυτό το ζήτημα δεν υφίσταται.
Γενικά, οι πολυμεράσες του DNA είναι πολύ ακριβείς, με εγγενές ποσοστό σφάλματος μικρότερο από ένα λάθος για κάθε 107 νουκλεοτίδια που προστίθενται. Ορισμένες DNA πολυμεράσες μπορούν επίσης να διαγράψουν νουκλεοτίδια από το άκρο ενός αναπτυσσόμενου κλώνου για να διορθώσουν τις αταίριαστες βάσεις. Αυτό είναι γνωστό ως διόρθωση (proofreading). Τέλος, οι μηχανισμοί επιδιόρθωσης ασυμφωνίας μετά την αναπαραγωγή παρακολουθούν το DNA για σφάλματα, καθώς είναι ικανοί να διακρίνουν τις αναντιστοιχίες στη νεοσυντιθέμενη αλυσίδα DNA από την αρχική αλληλουχία κλώνων. Μαζί, αυτά τα τρία βήματα διάκρισης επιτρέπουν την πιστότητα της αντιγραφής με λιγότερο από ένα λάθος για κάθε 109 νουκλεοτίδια που προστίθενται.
Ο ρυθμός αντιγραφής του DNA σε ένα ζωντανό κύτταρο μετρήθηκε αρχικά ως ο ρυθμός επιμήκυνσης του DNA του φάγου Τ4 σε μολυσμένο με φάγο Ε. coli. Κατά την περίοδο της εκθετικής αύξησης του DNA στους 37°C, ο ρυθμός ήταν 749 νουκλεοτίδια ανά δευτερόλεπτο. Ο ρυθμός μετάλλαξης ανά ζεύγος βάσεων ανά αντιγραφή κατά τη διάρκεια της φάσης σύνθεσης DNA της Τ4 είναι 1,7 ανά 108.Drake JW (1970) The Molecular Basis of Mutation. Holden-Day, San Francisco   

 Διαδικασία αντιγραφής 
Η αντιγραφή του DNA, όπως όλες οι διαδικασίες βιολογικού πολυμερισμού, προχωρά σε τρία ενζυμικά καταλυόμενα και συντονισμένα στάδια: έναρξη, επιμήκυνση και τερματισμός.
 Έναρξη 
Για να διαιρεθεί ένα κύτταρο, πρέπει πρώτα να αντιγράψει το DNA του. Η αντιγραφή του DNA είναι μια διαδικασία όλα ή τίποτα. Μόλις ξεκινήσει η αντιγραφή, προχωρά στην ολοκλήρωση. Μόλις ολοκληρωθεί η αντιγραφή, δεν επαναλαμβάνεται στον ίδιο κυτταρικό κύκλο. Αυτό γίνεται εφικτό με τη διαίρεση της ένερξης του συμπλόκου προ-αντιγραφής.
 Σύμπλοκο προαντιγραφής 
Στην όψιμη μίτωση και στην πρώιμη φάση G1, ένα μεγάλο σύμπλοκο πρωτεϊνών έναρξης συγκεντρώνεται στο σύμπλοκο προ-αντιγραφής σε συγκεκριμένα σημεία του DNA, γνωστό ως "θέσεις έναρξης". Στο E. coli η πρωταρχική πρωτεΐνη έναρξης είναι το Dna A. στους ζυμομύκητες, αυτό είναι το σύμπλοκο αναγνώρισης έναρξης (origin recognition complex). Οι αλληλουχίες που χρησιμοποιούνται από πρωτεΐνες έναρξης τείνουν να είναι "πλούσιες σε ΑΤ" (πλούσιες σε βάσεις αδενίνης και θυμίνης), επειδή τα ζεύγη βάσεων Α-Τ έχουν δύο δεσμούς υδρογόνου (και όχι τρία που σχηματίζονται σε ένα ζεύγος C-G) και επομένως είναι ευκολότερο να διαχωριστούν.12.1.  General Features of Chromosomal Replication: Three Common Features of Replication Origins Στους ευκαρυώτες, το σύμπλοκο αναγνώρισης έναρξης καταλύει τη συγκρότηση πρωτεϊνών έναρξης στο σύμπλοκο προ-αντιγραφής. Επιπλέον, μια πρόσφατη αναφορά προτείνει ότι το ORC εκκολαπτόμενου ζυμομύκητα διμερίζεται με τρόπο που εξαρτάται από τον κυτταρικό κύκλο για τον έλεγχο της αδειοδότησης. Με τη σειρά του, η διαδικασία του διμερισμού του ORC μεσολαβείται από έναν κύκλο διμερισμού Noc3p που εξαρτάται από τον κυτταρικό κύκλο στη φύση, και αυτός ο ρόλος του Noc3p διαχωρίζεται από τον ρόλο του στη βιογένεση ριβοσώματος.Το ORC και το Noc3p συνδέονται συνεχώς με τη χρωματίνη σε όλο τον κυτταρικό κύκλο. Ο Cdc6 και ο παράγοντας αντιγραφής του DNA Cdt1 συσχετίζονται στη συνέχεια με το σύμπλοκο αναγνώρισης δεσμευμένης έναρξης στην έναρξη προκειμένου να σχηματιστεί ένα μεγαλύτερο σύμπλοκο που είναι απαραίτητο για τη φόρτωση του συμπλόκου συντήρησης μικροχρωμοσώματος (Mcm) στο DNA. Στους ευκαρυώτες, το σύμπλεγμα Mcm είναι η ελικάση που θα διασπάσει την έλικα του DNA στις διχάλες αντιγραφής και στην έναρξη. Το σύμπλοκο Mcm στρατολογείται στην όψιμη φάση G1 και φορτώνεται από το σύμπλεγμα ORC-Cdc6-Cdt1 στο DNA μέσω αναδιαμόρφωσης πρωτεΐνης που εξαρτάται από το ATP. Η φόρτωση του συμπλόκου MCM στο DNA έναρξης σηματοδοτεί την ολοκλήρωση του σχηματισμού συμπλόκου προ-αντιγραφής.
Εάν οι περιβαλλοντικές συνθήκες είναι κατάλληλες στην όψιμη φάση G1, ενεργοποιούνται τα σύμπλοκα G1 και G1/S κυκλίνη-Κυκλινο-εξαρτώμενη κινάση (Cyclin-dependent kinase, Cdk), τα οποία διεγείρουν την έκφραση γονιδίων που κωδικοποιούν συστατικά του συνθετικού μηχανισμού DNA. Η ενεργοποίηση G1/S-Cdk προάγει επίσης την έκφραση και την ενεργοποίηση των συμπλόκων S-Cdk, τα οποία μπορεί να διαδραματίσουν ρόλο στην ενεργοποίηση των θέσεων έναρξης της αντιγραφής ανάλογα με το είδος και τον τύπο του κυττάρου. Ο έλεγχος αυτών των Cdk ποικίλλει ανάλογα με τον τύπο κυττάρου και το στάδιο ανάπτυξης. Αυτή η ρύθμιση γίνεται καλύτερα κατανοητή στο Saccharomyces cerevisiae, όπου οι S κυκλίνες Clb5 και Clb6 είναι κυρίως υπεύθυνες για την αντιγραφή του DNA. Τα σύμπλοκα Clb5,6-Cdk1 ενεργοποιούν άμεσα τις θέσεις έναρξης αντιγραφής και επομένως απαιτούνται σε όλη τη φάση S για να ενεργοποιηθεί άμεσα κάθε θέση έναρξης.
Με παρόμοιο τρόπο, απαιτείται επίσης κύκλος διαίρεσης κυττάρων σχετιζόμενος με την 7 πρωτεϊνική κινάση (Cell division cycle 7-related protein kinase, Cdc7) μέσω της φάσης S για την ενεργοποίηση των θέσεων έναρξης της αντιγραφής. Το Cdc7 δεν είναι ενεργό καθ' όλη τη διάρκεια του κυτταρικού κύκλου και η ενεργοποίησή του είναι αυστηρά χρονισμένη για να αποφευχθεί η πρόωρη έναρξη της αντιγραφής του DNA. Στο όψιμο G1, η δραστηριότητα του Cdc7 αυξάνεται απότομα ως αποτέλεσμα της συσχέτισης με τη ρυθμιστική υπομονάδα DBF4, η οποία δεσμεύει άμεσα το Cdc7 και προάγει τη δράση της πρωτεϊνικής κινάσης. Το Cdc7 έχει βρεθεί ότι είναι ένας ρυθμιστής δραστηριότητας έναρξης που περιορίζει τον ρυθμό. Μαζί, τα G1/S-Cdks και/ή S-Cdks και Cdc7 συνεργάζονται για να ενεργοποιήσουν άμεσα τις θέσεις έναρξης της αντιγραφής, οδηγώντας στην έναρξη της σύνθεσης DNA.

 Σύμπλοκο προέναρξης 
Στην πρώιμη φάση σύνθεσης (φάση S), η ενεργοποίηση S-Cdk και Cdc7 οδηγεί στη συναρμολόγηση του συμπλόκου προέναρξης, ενός συμπλόκου μαζικής πρωτεΐνης που σχηματίζεται στην αρχή. Ο σχηματισμός του συμπλόκου προέναρξης εκτοπίζει τα Cdc6 και Cdt1 από το σύμπλοκα αντιγραφής έναρξης, αδρανοποιώντας και αποσυναρμολογώντας το σύμπλοκο προ-αντιγραφής. Η φόρτωση του συμπλόκου προέναρξης στην έναρξη ενεργοποιεί την ελικάση Mcm, προκαλώντας ξετύλιγμα της έλικας του DNA. Το σύμπλοκο προέναρξης φορτώνει επίσης την α-εκκινητάση (πριμάση) και άλλες πολυμεράσες DNA στο DNA.
Αφού η α-εκκινητάση συνθέσει τους πρώτους εκκινητές, οι συνδέσεις εκκινητή-εκμαγείου αλληλεπιδρούν με τον φορτωτή σφιγκτήρα, ο οποίος φορτώνει τον ολισθαίνοντα σφιγκτήρα στο DNA για να ξεκινήσει η σύνθεση DNA. Τα συστατικά του συμπλόκου προέναρξης παραμένουν συνδεδεμένα με τις διχάλες αντιγραφής καθώς απομακρύνονται από τη θέση έναρξης.
 Επιμήκυνση 
Η DNA πολυμεράση έχει δραστικότητα 5'–3'.
Όλα τα γνωστά συστήματα αντιγραφής DNA απαιτούν μια ελεύθερη 3' υδροξυλομάδα για να μπορέσει να ξεκινήσει η σύνθεση (σημείωση: το εκμαγείο DNA διαβάζεται σε κατεύθυνση 3' προς 5', ενώ ένας νέος κλώνος συντίθεται στην κατεύθυνση 5' προς 3'—αυτό συχνά συγχέεται). Αναγνωρίζονται τέσσερις διακριτοί μηχανισμοί για τη σύνθεση DNA:
 Όλες οι κυτταρικές μορφές ζωής και πολλοί ιοί, φάγοι και πλασμίδια DNA χρησιμοποιούν μια εκκινητάση (πριμάση, primase) για να συνθέσουν έναν βραχύ εκκινητή RNA με μια ελεύθερη ομάδα 3' ΟΗ που στη συνέχεια επιμηκύνεται από μια πολυμεράση DNA.
 Τα ρετροστοιχεία (συμπεριλαμβανομένων των ρετροϊών) χρησιμοποιούν ένα μεταφορικό RNA που εκκινεί την αντιγραφή του DNA παρέχοντας ένα ελεύθερο 3' ΟΗ που χρησιμοποιείται για επιμήκυνση από την αντίστροφη μεταγραφάση.
 Στους αδενοϊούς και στην οικογένεια φ29 των βακτηριοφάγων, η ομάδα 3' ΟΗ παρέχεται από την πλευρική αλυσίδα ενός αμινοξέος της συνδεδεμένης στο γονιδίωμα πρωτεΐνης (η τερματική πρωτεΐνη) στην οποία προστίθενται νουκλεοτίδια από την DNA πολυμεράση για να σχηματιστεί ένας νέος κλώνος.
 Στους μονόκλωνους ιούς DNA - μια ομάδα που περιλαμβάνει τους κυκλοϊούς (circoviruses), τους διδυμοϊούς (geminiviruses), τους παρβοϊούς (parvoviruses) και άλλους— καθώς και τους πολλούς φάγους και πλασμίδια που χρησιμοποιούν τον μηχανισμό αντιγραφής κυλιόμενου κύκλου (rolling circle replication, RCR), η ενδονουκλεάση RCR δημιουργεί μια εγκοπή στον κλώνο του γονιδιώματος (μονόκλωνοι ιοί) ή σε έναν από τους κλώνους του DNA (πλασμίδια). Το 5' άκρο του χαραγμένου κλώνου μεταφέρεται σε ένα υπόλειμμα τυροσίνης στη νουκλεάση και η ελεύθερη ομάδα 3' ΟΗ χρησιμοποιείται στη συνέχεια από την DNA πολυμεράση για τη σύνθεση του νέου κλώνου.
Οι κυτταρικοί οργανισμοί χρησιμοποιούν την πρώτη από αυτές τις οδούς αφού είναι η πιο γνωστή. Σε αυτόν τον μηχανισμό, μόλις διαχωριστούν οι δύο κλώνοι, η εκκινητάση προσθέτει εκκινητές RNA στους κλώνους εκμαγείου. Ο προπορευόμενος κλώνος λαμβάνει έναν εκκινητή RNA, ενώ ο καθυστερημένος κλώνος λαμβάνει πολλούς Ο προπορευόμενος κλώνος επεκτείνεται συνεχώς από τον εκκινητή από μια DNA πολυμεράση με υψηλή επεξεργασιμότητα (processivity), ενώ ο καθυστερημένος κλώνος επεκτείνεται ασυνεχώς από κάθε εκκινητή που σχηματίζει θραύσματα του Οκαζάκι. Η ριβονουκλεάση αφαιρεί τα θραύσματα RNA του εκκινητή και μια DNA πολυμεράση χαμηλής επεξεργασιμότητας, διαφορετική από την αντιγραφική πολυμεράση, εισέρχεται για να γεμίσει τα κενά. Όταν ολοκληρωθεί αυτό, μπορούν να βρεθούν μία μόνο εγκοπή στον προπορευόμενο κλώνο και πολλές εγκοπές στον καθυστερημένο κλώνο. Η λιγάση εργάζεται για να γεμίσει αυτές τις εγκοπές, ολοκληρώνοντας έτσι το νεοαντιγραφόμενο μόριο DNA.
Η εκκινητάση που χρησιμοποιείται σε αυτήν τη διαδικασία διαφέρει σημαντικά μεταξύ βακτηρίων και αρχαίων/ευκαρυωτών. Τα βακτήρια χρησιμοποιούν μια εκκινητάση που ανήκει στην υπεροικογένεια πρωτεϊνών DnaG, η οποία περιέχει μια καταλυτική περιοχή του τύπου πτυχής TOPRIM. Η πτυχή TOPRIM περιέχει έναν α/β πυρήνα με τέσσερις διατηρημένους κλώνους σε μια τοπολογία παρόμοια με Rossmann. Αυτή η δομή βρίσκεται επίσης στις καταλυτικές περιοχές της τοποϊσομεράσης Ia, της τοποϊσομεράσης II, των νουκλεασών της οικογένειας OLD και των πρωτεϊνών επιδιόρθωσης DNA που σχετίζονται με την πρωτεΐνη RecR.
Pol α. Η εκκινητάση που χρησιμοποιείται από τα αρχαία και τους ευκαρυώτες, αντίθετα, περιέχει μια υψηλά παραγόμενη έκδοση του μοτίβου αναγνώρισης RNA (RNA recognition motif, RRM). Αυτή η εκκινητάση είναι δομικά παρόμοια με πολλές ιικές RNA πολυμεράσες εξαρτώμενες από RNA, αντίστροφες μεταγραφάσες, κυκλικά νουκλεοτίδια που δημιουργούν κυκλάσες και DNA πολυμεράσες των οικογενειών Α/Β/Υ που εμπλέκονται στην αντιγραφή και επιδιόρθωση του DNA. Στην ευκαρυωτική αντιγραφή, η εκκινητάση σχηματίζει σύμπλοκο με την πολυμεράση α.
Πολλές DNA πολυμεράσες αναλαμβάνουν διαφορετικούς ρόλους στη διαδικασία αντιγραφής του DNA. Στο E. coli, η DNA πολυμεράση III (DNA Pol I) είναι το ένζυμο πολυμεράσης που είναι κυρίως υπεύθυνο για την αντιγραφή του DNA. Συγκεντρώνει σε ένα σύμπλοκο αντιγραφής στη διχάλα αντιγραφής που παρουσιάζει εξαιρετικά υψηλή διεργασιμότητα, παραμένοντας ανέπαφη για ολόκληρο τον κύκλο της αντιγραφής. Αντίθετα, η DNA πολυμεράση I είναι το ένζυμο που είναι υπεύθυνο για την αντικατάσταση των εκκινητών RNA με DNA. Το DNA Pol I έχει δραστικότητα από 5' προς 3' δραστικότητα εξωνουκλεάσης επιπλέον της δραστικότητάς της ως πολυμεράσης και χρησιμοποιεί τη δράση της εξωνουκλεάσης της για να αποικοδομεί τους εκκινητές RNA μπροστά της καθώς επεκτείνει τον κλώνο DNA πίσω της, σε μια διαδικασία που ονομάζεται μετάφραση εντομής (nick translation). Η Pol I είναι πολύ λιγότερο επεξεργαστική από την Pol III επειδή η κύρια λειτουργία της στην αντιγραφή του DNA είναι να δημιουργεί πολλές βραχείες περιοχές DNA παρά μερικές πολύ μεγάλες περιοχές.
Στους ευκαρυώτες, το ένζυμο χαμηλής διεργασιμότητας, πολυμεράση α (Pol α), βοηθά στην έναρξη της αντιγραφής επειδή σχηματίζει ένα σύμπλοκο με την εκκινητάση. Στους ευκαρυώτες, η σύνθεση του προπορευόμενου κλώνου πιστεύεται ότι διεξάγεται από τον Pol ε. Ωστόσο, αυτή η άποψη αμφισβητήθηκε πρόσφατα, υποδηλώνοντας έναν ρόλο για την πολυμεράση δ. Η αφαίρεση του εκκινητή ολοκληρώνεται από την Pol δ,  ενώ η επιδιόρθωση του DNA κατά την αντιγραφή ολοκληρώνεται από την Pol ε.
Καθώς η σύνθεση του DNA συνεχίζεται, οι αρχικοί κλώνοι του DNA συνεχίζουν να ξετυλίγονται σε κάθε πλευρά της φυσαλίδας, σχηματίζοντας ένα δίχαλο αντιγραφής με δύο δόντια. Στα βακτήρια, τα οποία έχουν μια ενιαία προέλευση αντιγραφής στο κυκλικό τους χρωμόσωμα, αυτή η διαδικασία δημιουργεί μια δομή θήτα (που μοιάζει με το ελληνικό γράμμα θήτα: θ). Αντίθετα, οι ευκαρυώτες έχουν μακρύτερα γραμμικά χρωμοσώματα και ξεκινούν την αντιγραφή σε πολλαπλές προελεύσεις μέσα σε αυτά.
 Διχάλα αντιγραφής 
Η διχάλα αντιγραφής είναι μια δομή που σχηματίζεται μέσα στο μακρύ ελικοειδές DNA κατά την αντιγραφή του DNA. Παράγεται από ένζυμα που ονομάζονται ελικάσες που σπάνε τους δεσμούς υδρογόνου που συγκρατούν τους κλώνους του DNA μαζί σε μια έλικα. Η προκύπτουσα δομή έχει δύο διακλαδιζόμενα δόντια, που το καθένα αποτελείται από έναν μόνο κλώνο DNA. Αυτοί οι δύο κλώνοι χρησιμεύουν ως εκμαγείο για τους προπορευόμενους και τους καθυστερημένους κλώνους, οι οποίοι θα δημιουργηθούν καθώς η πολυμεράση DNA ταιριάζει με συμπληρωματικά νουκλεοτίδια στα εκμαγεία. Τα εκμαγεία μπορούν να αναφέρονται σωστά ως το εκμαγείο του προπορευόμενου κλώνου (leading strand template) και το εκμαγείο του καθυστερημένου κλώνου. (the lagging strand template)
Το DNA διαβάζεται από την DNA πολυμεράση στην κατεύθυνση από 3' προς 5', που σημαίνει ότι ο νέος κλώνος συντίθεται στην κατεύθυνση από 5' προς 3'. Δεδομένου ότι τα εκμαγεία προπορευόμενου και καθυστερημένου κλώνου είναι προσανατολισμένα σε αντίθετες κατευθύνσεις στη διχάλα αντιγραφής, ένα σημαντικό ζήτημα είναι πώς θα επιτευχθεί η σύνθεση του νέου καθυστερημένου κλώνου, του οποίου η κατεύθυνση της σύνθεσης είναι η αντίθετη κατεύθυνση προς την κατεύθυνση προς την κατεύθυνση της ανάπτυξης της διχάλας αντιγραφής.
 Προπορευόμενος κλώνος 
Ο προπορευόμενος κλώνος είναι ο κλώνος του νέου DNA που συντίθεται στην ίδια κατεύθυνση με την αναπτυσσόμενη διχάλα αντιγραφής. Αυτό το είδος αντιγραφής του DNA είναι συνεχές.
 Καθυστερημένος κλώνος 
Ο καθυστερημένος κλώνος είναι ο κλώνος του νέου DNA του οποίου η κατεύθυνση σύνθεσης είναι αντίθετη από την κατεύθυνση της αναπτυσσόμενης διχάλας αντιγραφής. Λόγω του προσανατολισμού του, η αντιγραφή του καθυστερημένου κλώνου είναι πιο περίπλοκη σε σύγκριση με αυτήν του προπορευόμενου κλώνου. Κατά συνέπεια, η DNA πολυμεράση σε αυτόν τον κλώνο φαίνεται να καθυστερεί από τον άλλο κλώνο.
Ο καθυστερημένος κλώνος συντίθεται σε μικρά, διαχωρισμένα τμήματα. Στο "εκμαγείο" του καθυστερημένου κλώνου, μια εκκινητάση "διαβάζει" το DNA του εκμαγείου και ξεκινά τη σύνθεση ενός σύντομου συμπληρωματικού RNA εκκινητή. Μια πολυμεράση DNA επεκτείνει τα εκκινημένα τμήματα, σχηματίζοντας θραύσματα του Οκαζάκι. Οι εκκινητές RNA στη συνέχεια αφαιρούνται και αντικαθίστανται με DNA, και τα θραύσματα του DNA ενώνονται με DNA λιγάση.
 Δυναμική της διχάλας αντιγραφής 
Σε όλες τις περιπτώσεις η ελικάση αποτελείται από έξι πολυπεπτίδια που τυλίγονται γύρω από μόνο έναν κλώνο του DNA που αντιγράφεται. Οι δύο πολυμεράσες συνδέονται με το εξαμερές της ελικάσης. Στους ευκαρυώτες η ελικάση τυλίγεται γύρω από τον προπορευόμενο κλώνο, και στους προκαρυώτες τυλίγεται γύρω από τον καθυστερημένο κλώνο.
Καθώς η ελικάση ξετυλίγει το DNA στη διχάλα αντιγραφής, το DNA που προηγείται αναγκάζεται να περιστραφεί. Αυτή η διαδικασία έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία συστροφών στο DNA που προηγείται. Αυτή η συσσώρευση δημιουργεί ένα στρεπτικό φορτίο που θα σταματούσε τελικά τη διχάλα αντιγραφής. Οι τοποϊσομεράσες είναι ένζυμα που σπάζουν προσωρινά τους κλώνους του DNA, ανακουφίζοντας την τάση που προκαλείται από το ξετύλιγμα των δύο κλώνων της έλικας του DNA. Οι τοποϊσομεράσες (συμπεριλαμβανομένης της DNA γυράσης) το επιτυγχάνουν με την προσθήκη αρνητικών υπερσυσπειρώσεων στην έλικα του DNA.
Το γυμνό μονόκλωνο DNA τείνει να αναδιπλώνεται στον εαυτό του σχηματίζοντας δευτεροταγείς δομές. Αυτές οι δομές μπορούν να παρεμβαίνουν στην κίνηση της DNA πολυμεράσης. Για να αποφευχθεί αυτό, οι πρωτεΐνες που δεσμεύονται σε μονόκλωνο DNA (single-strand DNA binding proteins) συνδέονται στο DNA μέχρι να συντεθεί ένας δεύτερος κλώνος, αποτρέποντας το σχηματισμό δευτερογενούς δομής.
Το δίκλωνο DNA τυλίγεται γύρω από ιστόνες που παίζουν σημαντικό ρόλο στη ρύθμιση της έκφρασης των γονιδίων, επομένως το αντιγραμμένο DNA πρέπει να περιτυλίσσεται γύρω από τις ιστόνες στα ίδια σημεία με το αρχικό DNA. Για να διασφαλιστεί αυτό, οι συνοδοί πρωτεΐνες της ιστόνης αποσυναρμολογούν τη χρωματίνη πριν αντιγραφεί και αντικαθιστά τις ιστόνες στη σωστή θέση. Ορισμένα βήματα σε αυτήν την επανασυναρμολόγηση είναι κάπως υποθετικά.
Οι πρωτεΐνες σφιγκτήρα δρουν ως ολισθαίνοντες σφιγκτήρες στο DNA, επιτρέποντας στην πολυμεράση DNA να συνδεθεί με το εκμαγείο της και να βοηθήσει στην επεξεργασιμότητα. Η εσωτερική όψη του σφιγκτήρα επιτρέπει στο DNA να περάσει μέσα από αυτό. Μόλις η πολυμεράση φτάσει στο τέλος του εκμαγείου, ή ανιχνεύσει δίκλωνο DNA, ο ολισθαίνων σφιγκτήρας υφίσταται μια διαμορφωτική αλλαγή που απελευθερώνει την πολυμεράση DNA. Οι πρωτεΐνες που φορτώνουν σφιγκτήρα χρησιμοποιούνται για την αρχική φόρτωση του σφιγκτήρα, αναγνωρίζοντας τη σύνδεση μεταξύ εκμαγείου και εκκινητών RNA.:274-5
 Πρωτεΐνες αντιγραφής DNA 
Στη διχάλα αντιγραφής, πολλά ένζυμα αντιγραφής συγκεντρώνονται στο DNA σε μια πολύπλοκη μοριακή μηχανή που ονομάζεται αντιγραφόσωμα (replisome). Ακολουθεί μια λίστα με τα κύρια ένζυμα αντιγραφής του DNA που συμμετέχουν στο αντιγραφόσωμα:[Chapter 7: DNA: Structure and Replication. pg 283–290]
 Ένζυμο  Λειτουργία στην αντιγραφή του DNA Ελικάση  Επίσης γνωστή ως αποσταθεροποιητικό ένζυμο έλικας. Η ελικάση διαχωρίζει τους δύο κλώνους του DNA στη διχάλα αντιγραφής πίσω από την τοποϊσομεράση. DNA πολυμεράση  Το ένζυμο που είναι υπεύθυνο για την κατάλυση της προσθήκης νουκλεοτιδικών υποστρωμάτων στο DNA στην κατεύθυνση από 5' προς 3' κατά την αντιγραφή του DNA. Εκτελεί επίσης διόρθωση ανάγνωσης και διόρθωση σφαλμάτων. Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι πολυμερασών DNA, καθεμιά από τις οποίες εκτελεί διαφορετικές λειτουργίες σε διαφορετικούς τύπους κυττάρων. Σφιγκτήρας DNA (DNA clamp)  Μια πρωτεΐνη που εμποδίζει τις επιμηκυνόμενες πολυμεράσες DNA από το να διαχωριστούν από τον μητρικό κλώνο του DNA. Πρωτεΐνη πρόσδεσης σε μονόκλωνο DNA  Σύνδεση στο ssDNA και αποτροπή της επανασύνδεσης της διπλής έλικας του DNA μετά το ξετύλιγμα της ελικάσης DNA, διατηρώντας έτσι τον διαχωρισμό του κλώνου και διευκολύνοντας τη σύνθεση του νέου κλώνου. Τοποϊσομεράση Χαλαρώνει το DNA από τη υπερσυνεστραμμένη φύση του. Γυράση Ανακουφίζει την τάση του ξετυλίγματος από την ελικάση του DNA. Αυτός είναι ένας συγκεκριμένος τύπος τοποϊσομεράσης DNA λιγάση Επανασυνδέει ξανά τους ημι-συντηρητικούς κλώνους και ενώνει τα θραύσματα του Οκαζάκι του καθυστερημένου κλώνου. Εκκινητάση  Παρέχει ένα σημείο έναρξης του RNA (ή του DNA) για την DNA πολυμεράση για να ξεκινήσει η σύνθεση του νέου κλώνου DNA. Τελομεράση  Επιμηκύνει το τελομερές DNA προσθέτοντας επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες νουκλεοτιδίων στα άκρα των ευκαρυωτικών χρωμοσωμάτων. Αυτό επιτρέπει στα γεννητικά κύτταρα και στα βλαστοκύτταρα να αποφύγουν το όριο Hayflick στην κυτταρική διαίρεση.
Εργαστηριακά πειράματα ενός μορίου (χρησιμοποιώντας οπτικές και μαγνητικές λαβίδες) έχουν βρει συνεργικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ενζύμων του αντιγραφοσώματος (ελικάση, πολυμεράση και της πρωτεΐνης σύνδεσης του μονόκλωνου DNA και με τη διχάλα αντιγραφής DNA που ενισχύει το ξετύλιγμα του DNA καθώς και την αντιγραφή του DNA. Αυτά τα αποτελέσματα οδηγούν στην ανάπτυξη κινητικών μοντέλων που υπολογίζουν τις συνεργικές αλληλεπιδράσεις και τη σταθερότητά τους.

 Μηχανήματα αντιγραφής 
Οι μηχανές αντιγραφής αποτελούνται από παράγοντες που εμπλέκονται στην αντιγραφή του DNA και εμφανίζονται στα εκμαγεία ssDNA. Οι μηχανές αντιγραφής περιλαμβάνουν ένζυμα αναπαραγωγής, DNA πολυμεράση, DNA ελικάσες, DNA σφιγκτήρες και DNA τοποϊσομεράσες και πρωτεΐνες αντιγραφής, π.χ. μονόκλωνες πρωτεΐνες σύνδεσης DNA (SSB). Στα μηχανήματα αναπαραγωγής αυτά τα στοιχεία συντονίζονται. Στα περισσότερα από τα βακτήρια, όλοι οι παράγοντες που εμπλέκονται στην αντιγραφή του DNA εντοπίζονται στις διχάλες αντιγραφής και τα σύμπλοκα παραμένουν στις διχάλες κατά την αντιγραφή του DNA. Οι μηχανές αντιγραφής αναφέρονται επίσης ως αντιγραφοσώματα (replisomes) ή συστήματα αντιγραφής του DNA. Αυτοί οι όροι είναι γενικοί όροι για πρωτεΐνες που βρίσκονται σε διχάλες αντιγραφής. Στα ευκαρυωτικά και ορισμένα βακτηριακά κύτταρα δεν σχηματίζονται τα αντιγραφοσώματα.
Σε μια εναλλακτική εικόνα, τα εργοστάσια DNA (DNA factories) είναι παρόμοια με τους προβολείς και τα DNA είναι σαν κινηματογραφικές ταινίες που περνούν συνεχώς στους προβολείς. Στο μοντέλο του εργοστασίου αντιγραφής, αφού και οι δύο DNA ελικάσες για τους προπορευόμενους κλώνους και οι καθυστερημένοι κλώνοι φορτωθούν στα DNA του εκμαγείου, οι ελικάσες περνούν κατά μήκος των DNA η μία μέσα στην άλλη. Οι ελικάσες παραμένουν συνδεδεμένες για το υπόλοιπο της διαδικασίας αντιγραφής. Οι Peter Meister κ.α. παρατήρησαν απευθείας θέσεις αντιγραφής σε εκβλαστήματα ζυμομύκητα παρακολουθώντας DNA πολυμεράσες α επισημασμένες με πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη (green fluorescent protein, GFP). Ανίχνευσαν αντιγραφή ζευγών DNA των σημασμένων τόπων που απέχουν συμμετρικά από μια αρχή αντιγραφής και διαπίστωσαν ότι η απόσταση μεταξύ των ζευγών μειώθηκε σημαντικά με το χρόνο. Αυτό το εύρημα υποδηλώνει ότι ο μηχανισμός αντιγραφής του DNA συμβαδίζει με τα εργοστάσια DNA. Δηλαδή, ζευγάρια εργοστασίων αναπαραγωγής φορτώνονται στις αρχικές θέσεις αναπαραγωγής και στα συνδεόμενα εργοστάσια μεταξύ τους. Επίσης, τα εκμαγεία DNA μετακινούνται στα εργοστάσια, τα οποία φέρνουν εξώθηση των εκμαγείων ssDNA και νέα DNA. Το εύρημα του Meister είναι η πρώτη άμεση απόδειξη του μοντέλου του εργοστασίου αντιγραφής. Μεταγενέστερη έρευνα έδειξε ότι οι ελικάσες DNA σχηματίζουν διμερή σε πολλά ευκαρυωτικά κύτταρα και οι μηχανισμοί βακτηριακής αντιγραφής παραμένουν σε μία μόνο ενδοπυρηνική θέση κατά τη διάρκεια της σύνθεσης του DNA.
Τα εργοστάσια αντιγραφής ξεμπλέκουν τις αδελφές χρωματίδες. Η αποσύμπλεξη είναι απαραίτητη για την κατανομή των χρωματιδών στα θυγατρικά κύτταρα μετά την αντιγραφή του DNA. Επειδή οι αδελφές χρωματίδες μετά την αντιγραφή του DNA συγκρατούνται μεταξύ τους με δακτυλίους συνεκτίνης (Cohesin), υπάρχει η μοναδική πιθανότητα για την αποσύμπλεξη στην αντιγραφή του DNA. Η ρύθμιση των μηχανημάτων αντιγραφής ως εργοστάσια αντιγραφής μπορεί να βελτιώσει το ποσοστό επιτυχίας της αντιγραφής του DNA. Εάν οι διχάλες αντιγραφής κινούνται ελεύθερα στα χρωμοσώματα, η αλυσίδωση των πυρήνων επιδεινώνεται και εμποδίζει τον μιτωτικό διαχωρισμό.
 Τερματισμός 
Οι ευκαρυώτες ξεκινούν την αντιγραφή του DNA σε πολλά σημεία του χρωμοσώματος, έτσι οι διχάλες αντιγραφής συναντώνται και τελειώνουν σε πολλά σημεία του χρωμοσώματος. Επειδή οι ευκαρυώτες έχουν γραμμικά χρωμοσώματα, η αντιγραφή του DNA δεν μπορεί να φτάσει στο τέλος των χρωμοσωμάτων. Λόγω αυτού του προβλήματος, το DNA χάνεται σε κάθε κύκλο αντιγραφής από το τέλος του χρωμοσώματος. Τα τελομερή είναι περιοχές επαναλαμβανόμενου DNA κοντά στα άκρα και βοηθούν στην πρόληψη της απώλειας γονιδίων λόγω αυτής της βράχυνσης. Η βράχυνση των τελομερών είναι μια φυσιολογική διαδικασία στα σωματικά κύτταρα. Αυτό μειώνει τα τελομερή του θυγατρικού χρωμοσώματος DNA. Ως αποτέλεσμα, τα κύτταρα μπορούν να διαιρεθούν μόνο ορισμένες φορές, προτού η απώλεια DNA αποτρέψει την περαιτέρω διαίρεση. (Αυτό είναι γνωστό ως το όριο Hayflick). Εντός της γραμμής γαμετικών κυττάρων, που περνά το DNA στην επόμενη γενιά, η τελομεράση επεκτείνει τις επαναλαμβανόμενες αλληλουχίες της περιοχής των τελομερών για να αποτρέψει την αποικοδόμηση. Η τελομεράση μπορεί να γίνει κατά λάθος ενεργή στα σωματικά κύτταρα, οδηγώντας μερικές φορές σε σχηματισμό καρκίνου. Η αυξημένη δραστηριότητα της τελομεράσης είναι ένα από τα χαρακτηριστικά του καρκίνου.
Ο τερματισμός απαιτεί η πρόοδος της διχάλας αντιγραφής του DNA να πρέπει να σταματήσει ή να μπλοκαριστεί. Ο τερματισμός σε έναν συγκεκριμένο τόπο, όταν συμβαίνει, περιλαμβάνει την αλληλεπίδραση μεταξύ δύο συστατικών: (1) μιας αλληλουχίας θέσης τερματισμού στο DNA και (2) μιας πρωτεΐνης που συνδέεται με αυτήν την αλληλουχία για να σταματήσει φυσικά την αντιγραφή του DNA. Σε διάφορα βακτηριακά είδη, αυτό ονομάζεται πρωτεΐνη που δεσμεύει τη θέση του τερματικού αντιγραφής του DNA ή Πρωτεΐνη Ter (Ter protein).
Επειδή τα βακτήρια έχουν κυκλικά χρωμοσώματα, ο τερματισμός της αντιγραφής συμβαίνει όταν οι δύο διχάλες αντιγραφής συναντώνται μεταξύ τους στο αντίθετο άκρο του γονικού χρωμοσώματος. Το  E. coli  ρυθμίζει αυτή τη διαδικασία μέσω της χρήσης αλληλουχιών τερματισμού που, όταν δεσμεύονται από την πρωτεΐνη Tus, επιτρέπουν τη διέλευση μόνο μιας κατεύθυνσης της διχάλας αντιγραφής. Ως αποτέλεσμα, οι διχάλες αντιγραφής περιορίζονται να συναντώνται πάντα εντός της περιοχής τερματισμού του χρωμοσώματος.

 Ρύθμιση 

 Ευκαρυώτες 
Στούς ευκαρυώτες, η αντιγραφή του DNA ελέγχεται στο πλαίσιο του κυτταρικού κύκλου. Καθώς το κύτταρο μεγαλώνει και διαιρείται, προχωρά σε στάδια του κυτταρικού κύκλου. Η αντιγραφή του DNA λαμβάνει χώρα κατά τη φάση S (φάση σύνθεσης). Η πρόοδος του ευκαρυωτικού κυττάρου μέσω του κύκλου ελέγχεται από τα σημεία ελέγχου κυτταρικού κύκλου. Η εξέλιξη μέσω των σημείων ελέγχου ελέγχεται μέσω πολύπλοκων αλληλεπιδράσεων μεταξύ διαφόρων πρωτεϊνών, συμπεριλαμβανομένων των κυκλινών και κυκλινο-εξαρτώμενων κινασών. Σε αντίθεση με τα βακτήρια, το ευκαρυωτικό DNA αντιγράφεται στα όρια του πυρήνα.
Το σημείο ελέγχου G1/S (σημείο ελέγχου περιορισμού) ρυθμίζει εάν τα ευκαρυωτικά κύτταρα εισέρχονται στη διαδικασία αντιγραφής του DNA και της επακόλουθης διαίρεσης. Τα κύτταρα που δεν περνούν από αυτό το σημείο ελέγχου παραμένουν στο στάδιο G0 και δεν αναπαράγουν το DNA τους.
Μόλις το DNA περάσει από τη δοκιμή "G1/S", μπορεί να αντιγραφεί μόνο μία φορά σε κάθε κυτταρικό κύκλο. Όταν το σύμπλοκο Mcm απομακρύνεται από την έναρξη, το σύμπλεγμα προαντιγραφής αποσυναρμολογείται. Επειδή ένα νέο σύμπλοκο Mcm δεν μπορεί να φορτωθεί σε μια αρχή έως ότου επανενεργοποιηθούν οι υπομονάδες προαντιγραφής, δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί μία έναρξη αντιγραφής δύο φορές στον ίδιο κυτταρικό κύκλο.
Η ενεργοποίηση των S-Cdks στην πρώιμη φάση S προάγει την καταστροφή ή την αναστολή μεμονωμένων συμπλόκων συστατικών προαντιγραφής, αποτρέποντας την άμεση επανασυναρμολόγηση. Τα S και M-Cdks συνεχίζουν να εμποδίζουν τη συγκρότηση συμπλόκου προαντιγραφής ακόμη και μετά την ολοκλήρωση της φάσης S, διασφαλίζοντας ότι η συναρμολόγηση δεν μπορεί να συμβεί ξανά έως ότου μειωθεί όλη η δραστηριότητα Cdk στην όψιμη μίτωση.
Στους εκκολαπτόμενους ζυμομύκητες, η αναστολή της συναρμολόγησης προκαλείται από την εξαρτώμενη από το Cdk φωσφορυλίωση των συστατικών του συμπλόκου προαντιγραφής. Στην έναρξη της φάσης S, η φωσφορυλίωση του Cdc6 από την Cdk1 προκαλεί τη δέσμευση του Cdc6 στο σύμπλοκο SCF λιγάσης ουβικουιτίνης, η οποία προκαλεί πρωτεολυτική καταστροφή της Cdk6. Η εξαρτώμενη από το Cdk φωσφορυλίωση των πρωτεϊνών Mcm προάγει την εξαγωγή τους έξω από τον πυρήνα μαζί με το Cdt1 κατά τη φάση S, αποτρέποντας τη φόρτωση νέων συμπλόκων Mcm στην αρχή κατά τη διάρκεια ενός μεμονωμένου κυτταρικού κύκλου. Η φωσφορυλίωση Cdk του συμπλόκου αντιγραφής έναρξης αναστέλλει επίσης τη συναρμολόγηση του συμπλόκου προαντιγραφής. Η μεμονωμένη παρουσία οποιουδήποτε από αυτούς τους τρεις μηχανισμούς είναι επαρκής για την αναστολή της συναρμολόγησης του συμπλόκου προαντιγραφής. Ωστόσο, οι μεταλλάξεις και των τριών πρωτεϊνών στο ίδιο κύτταρο προκαλούν επανέναρξη σε πολλές εκκινήσεις αντιγραφής σε έναν κυτταρικό κύκλο.
Στα ζωικά κύτταρα, η πρωτεΐνη διδυμίνη (geminin) είναι ένας βασικός αναστολέας της συναρμολόγησης του συμπλόκου προαντιγραφής. Η διδυμίνη (geminin) δεσμεύει το Cdt1, εμποδίζοντας τη δέσμευσή του στο σύμπλοκο αναγνώρισης της έναρξης. Στο G1, τα επίπεδα της διδυμίνης διατηρούνται χαμηλά από το APC, το οποίο ουμπικουιτινοποιεί τη διδυμίνη για να τη στοχεύσει για υποβάθμιση. Όταν η διδυμίνη καταστρέφεται, το Cdt1 απελευθερώνεται, επιτρέποντάς του να λειτουργήσει στη συναρμολόγηση συμπλόκου προαντιγραφής. Στο τέλος του G1, το APC απενεργοποιείται, επιτρέποντας στη διδυμίνη να συσσωρευτεί και να δεσμεύσει το Cdt1.
Η αντιγραφή των χλωροπλαστών και των μιτοχονδριακών γονιδιωμάτων λαμβάνει χώρα ανεξάρτητα από τον κυτταρικό κύκλο, μέσω της διαδικασίας αντιγραφής του βρόχου D.
 Εστία αντιγραφής 
Στα κύτταρα των σπονδυλωτών, οι θέσεις αντιγραφής συγκεντρώνονται σε θέσεις που ονομάζονται εστίες αντιγραφής. Οι θέσεις αντιγραφής μπορούν να ανιχνευθούν με ανοσοχρώση θυγατρικών κλώνων και ενζύμων αντιγραφής και παρακολούθηση παραγόντων αντιγραφής με επισήμανση GFP. Με αυτές τις μεθόδους διαπιστώθηκε ότι εστίες αντιγραφής ποικίλου μεγέθους και θέσεων εμφανίζονται στη φάση S της κυτταρικής διαίρεσης και ο αριθμός τους ανά πυρήνα είναι πολύ μικρότερος από τον αριθμό των διχάλων γονιδιωματικής αντιγραφής.
Οι P. Heun κ.α.,(2001) παρακολούθησαν τις εστίες αντιγραφής με επισήμανση GFP σε εκκολαπτόμενα κύτταρα ζυμομύκητα και ανακάλυψαν ότι οι εκκινήσεις αντιγραφής μετακινούνται συνεχώς στη φάση G1 και S και η μειώθηκε σημαντικά στη φάση S. Παραδοσιακά, οι θέσεις αντιγραφής σταθεροποιούνται στη χωρική δομή των χρωμοσωμάτων με πυρηνική μήτρα ή λαμίνες. Τα αποτελέσματα του Heun αρνήθηκαν τις παραδοσιακές έννοιες, οι εκκολαπτόμενες ζυμομύκητες δεν έχουν λαμίνες και υποστηρίζουν ότι οι εκκινήσεις αντιγραφής αυτοσυναρμολογούνται και σχηματίζουν εστίες αντιγραφής.
Με την έναρξη των εκκινήσεων της αντιγραφής, που ελέγχονται χωρικά και χρονικά, ρυθμίζεται ο σχηματισμός εστιών αντιγραφής. Οι D. A. Jackson κ.α. (1998) αποκάλυψαν ότι οι γειτονικές εκκινήσεις ξεκινούν ταυτόχρονα σε κύτταρα θηλαστικών. Η χωρική αντιπαράθεση των τόπων αναπαραγωγής φέρνει ομαδοποίηση των διχαλών αναπαραγωγής. Η ομαδοποίηση κάνει διάσωση καθυστερημένων διχαλών αναπαραγωγής και ευνοεί την κανονική πρόοδο των διχαλών αναπαραγωγής. Η πρόοδος των διχαλών αναπαραγωγής παρεμποδίζεται από πολλούς παράγοντες. Σύγκρουση με πρωτεΐνες ή με σύμπλοκα που συνδέονται ισχυρά με το DNA, ανεπάρκεια των dNTP (τριφωσφορικούς δεοξυνουκλεοζίτες), εγκοπές σε εκμαγεία DNA και ούτω καθεξής. Εάν οι διχάλες αντιγραφής κολλήσουν και οι υπόλοιπες αλληλουχίες από τις κολλημένες διχάλες δεν αντιγραφούν, τότε οι θυγατρικοί κλώνοι γίνονται μη αντιγραμμένες θέσεις. Οι μη αντιγραμμένες θέσεις στο γονικό κλώνο συγκρατούν τον άλλο κλώνο, αλλά όχι τους θυγατρικούς κλώνους. Επομένως, οι αδελφές χρωματίδες που προκύπτουν δεν μπορούν να διαχωριστούν η μία από την άλλη και δεν μπορούν να διαιρεθούν σε 2 θυγατρικά κύτταρα. Όταν οι γειτονικές εκκινήσεις ξεκινούν και μια διχάλα από μια έναρξη έχει κολλήσει, η διχάλα από την άλλη έναρξη προσπελάζει σε αντίθετη κατεύθυνση από την ακινητοποιημένη διχάλα και αντιγράφει τις μη αντιγραμμένες θέσεις. Ως άλλος μηχανισμός διάσωσης, υπάρχει η εφαρμογή των αδρανών ενάρξεων αντιγραφής που οι υπερβολικές ενάρξεις δεν ξεκινούν σε κανονική αντιγραφή DNA.
 Βακτήρια 
Τα περισσότερα βακτήρια δεν περνούν από έναν καλά καθορισμένο κυτταρικό κύκλο, αλλά αντιγράφουν συνεχώς το DNA τους. κατά τη διάρκεια της ταχείας ανάπτυξης, αυτό μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα την ταυτόχρονη εμφάνιση πολλαπλών γύρων αντιγραφής. Στο Ε. coli, τα καλύτερα χαρακτηρισμένα βακτήρια, η αντιγραφή του DNA ρυθμίζεται μέσω πολλών μηχανισμών, όπως: η ημιμεθυλίωση και απομόνωση της αρχικής αλληλουχίας, η αναλογία τριφωσφορικής αδενοσίνης (ATP) προς διφωσφορική αδενοσίνη (ADP) και τα επίπεδα της πρωτεΐνης DnaA. Όλα αυτά ελέγχουν τη σύνδεση των πρωτεϊνών εκκίνησης στις αλληλουχίες προέλευσης.
Επειδή οι αλληλουχίες GATC του DNA μεθυλιώνουν το Ε. coli, η σύνθεση του DNA έχει ως αποτέλεσμα ημιμεθυλιωμένες αλληλουχίες. Αυτό το ημιμεθυλιωμένο DNA αναγνωρίζεται από την πρωτεΐνη SeqA, η οποία δεσμεύει και απομονώνει την αλληλουχία έναρξης. Επιπλέον, το DnaA (που απαιτείται για την έναρξη της αντιγραφής) συνδέεται λιγότερο καλά με το ημιμεθυλιωμένο DNA. Ως αποτέλεσμα, οι νέες αντιγραφές έναρξης εμποδίζονται να ξεκινήσουν αμέσως έναν άλλο γύρο αντιγραφής DNA.
Το ATP συσσωρεύεται όταν το κύτταρο βρίσκεται σε πλούσιο μέσο, πυροδοτώντας την αντιγραφή του DNA μόλις το κύτταρο φτάσει σε ένα συγκεκριμένο μέγεθος. Το ATP ανταγωνίζεται το ADP για να συνδεθεί με το DnaA και το σύμπλοκο DnaA-ATP είναι σε θέση να ξεκινήσει την αντιγραφή. Ένας ορισμένος αριθμός πρωτεϊνών DnaA απαιτείται επίσης για την αντιγραφή του DNA - κάθε φορά που αντιγράφεται η έναρξη, ο αριθμός των θέσεων δέσμευσης για το DnaA διπλασιάζεται, απαιτώντας τη σύνθεση περισσότερου DnaA για να καταστεί δυνατή μια άλλη έναρξη αντιγραφής.
Σε ταχέως αναπτυσσόμενα βακτήρια, όπως το E. coli, η αντιγραφή των χρωμοσωμάτων απαιτεί περισσότερο χρόνο από τη διαίρεση του κυττάρου. Τα βακτήρια το λύνουν αυτό ξεκινώντας έναν νέο γύρο αντιγραφής πριν από τον τερματισμό του προηγούμενου. Ο νέος γύρος αντιγραφής θα σχηματίσει το χρωμόσωμα του κυττάρου που γεννιέται δύο γενιές μετά το διαιρούμενο κύτταρο. Αυτός ο μηχανισμός δημιουργεί επικαλυπτόμενους κύκλους αναπαραγωγής.
 Προβλήματα με την αντιγραφή του DNA 
Υπάρχουν πολλά γεγονότα που συμβάλλουν στην καταπόνηση αντιγραφής, όπως:
 Λανθασμένη ενσωμάτωση ριβονουκλεοτιδίων
 Ασυνήθιστες δομές DNA
 Συγκρούσεις μεταξύ αντιγραφής και μεταγραφής
 Ανεπάρκεια βασικών παραγόντων αναπαραγωγής
 Συνήθεις εύθραυστες θέσεις
 Υπερέκφραση ή ιδιοσυστατική ενεργοποίηση των ογκογονιδίων
 Απροσβασιμότητα χρωματίνης 
 Αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης 

Οι ερευνητές αντιγράφουν συνήθως το DNA εργαστηριακά χρησιμοποιώντας την αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (PCR). Η PCR χρησιμοποιεί ένα ζεύγος εκκινητών για να καλύψει μια περιοχή στόχο στο εκμαγείο του DNA και, στη συνέχεια, πολυμερίζει τους συνεργαζόμενους κλώνους προς κάθε κατεύθυνση από αυτούς τους εκκινητές χρησιμοποιώντας μια θερμοσταθερή πολυμεράση DNA. Η επανάληψη αυτής της διαδικασίας μέσω πολλαπλών κύκλων ενισχύει την στοχευόμενη περιοχή DNA. Στην αρχή κάθε κύκλου, το μείγμα του εκμαγείου και των εκκινητών θερμαίνεται, διαχωρίζοντας το νεοσυντιθέμενο μόριο και το εκμαγείο. Στη συνέχεια, καθώς το μείγμα ψύχεται, και τα δύο γίνονται εκμαγεία για την αναδόμηση νέων εκκινητών και η πολυμεράση επεκτείνεται από αυτούς. Ως αποτέλεσμα, ο αριθμός των αντιγράφων της περιοχής στόχου διπλασιάζεται σε κάθε γύρο, αυξάνεται εκθετικά.
 Σημειώσεις 

 Παραπομπές 


Κατηγορία:Γήρας
Κατηγορία:Κυτταρικές διεργασίες
Κατηγορία:Μοριακή βιολογία