Репликация ДНК

Сохранность генной информации между поколениями обеспечивается способностью ДНК к удвоению. Репликация ДНК представляет собой сложный механизм получения копий дезоксирибонуклеиновой кислоты от родительских организмов к дочерним, который происходит при делении клеток. В этом случае наблюдается копирование генного материала, зашифрованного в ДНК, а впоследствии разделяется между новыми клетками. Молекулярные механизмы, гарантирующие точную репликацию, сегодня достаточно хорошо изучены и представляют собой сложный процесс, который может быть определен в виде интерактивной модели.
Процесс самоудвоения генов (ее репликационный механизм) лежит в основе размножения, сохранения наследственности, передачи своих свойств потомству, развития целого многоклеточного организма всего лишь из одной оплодотворенной яйцеклетки. Термин репликация имеет другое название – редупликация ДНК. 

Кем был открыт процесс репликации?

Согласно предложенной учеными Уотсоном с Криком теории построения ДНК в модели двойной спиральной молекулы в 1953, сумевшая, наконец, объяснить, как осуществляется редупликация ДНК — записывается и сохраняется наследственная информация,

Ученые уотсон и крик
Ученые Уотсон и Крик

а также изучить химический принцип ее самоудвоения. Строгая специфичность при спаривании оснований в ДНК обусловливается комплементарностью азотистых оснований в обеих ниточках, что объясняет точность при ее синтезировании. Ведь учеными было показано, что в процессе репликации пара азотистых оснований, например, гуанина вместе с цитозином стабилизируется с помощью трех водородных связей, а пара аденина с тимином – с использованием двух. Именно это препятствует неправильному спариванию оснований, из которых построена молекула гена. 
Впервые гипотеза о возможном процессе реплицирования была сформулирована этими же исследователями в 1953 году. Они предполагали, что из любой комплементарной нити после отделения от другой возможно получить матрицу для синтезирования новой нити. В 1958 ученым Мезельсоном совместно со Сталем эта гипотеза была экспериментально подтверждена.
По теории Уотсона и Крика, которые доказали, что репликация ДНК осуществляется следующим образом, происходит: 
1) разрывание водородных связей с последующим расплетением нитей спиральной ДНК; 
2) синтезирование новых комплементарных участков на одиночных разъединенных частях. 
Результатом становится появление двух аналогичных генов из единичного, причём в любом новом гене одна нить — родительская, а другая – снова синтезированная. Данный механизм репликации был назван полуконсервативным.

Основные принципы

Основной принцип самоудвоения генов легко представить, зная основы строения двойной спирально-закрученных генов. Согласно известным данным, ДНК представлена в виде двойной нити из нуклеотидов. Генетическая информация в каждой из ее ниточек генов является идентичной, каждая из которых включает нуклеотидную последовательность, которая полностью соответствует последовательности второй. Такая идентичность возможная благодаря присутствию водородных связей, которые направленыхмежду двумя комплементарными основаниями из противоположных цепочек. Комплементарными друг другу являются G (гуанидин) и C (цитозит), а также A (аденин) и T (тимин). Комплементарность – это уникальное свойство ДНК. Благодаря ему противоположно направленные цепочки генов названы антипараллельными. 
Поэтому достаточно просто можно представить, что при самоудвоении молекул наблюдается расхождение нитей из двойных спиралей с последующим синтезом на исходной нити снова синтезированной нити по принципу подсоединения комплементарных нуклеотидных оснований.
Репликация ДНК приводит к возникновению двух абсолютно новых дочерних, двуспиральных, однако абсолютно неразличимых с исходной молекулой. Стоит отметить, что любая из новых молекул включает в состав одну материнскую ниточку и одну снова синтезированную. 

ДНК-полимераза – катализатор самоудвоения генома

В 1957 г. ученым А. Корнбергом был впервые выделен фермент из бактерии (кишечной палочки), который обладал уникальными свойствами и смог катализировать процессы репликации, который был назван ДНК-полимеразой. После этого аналогичные вещества были найдены и у других организмов.
Было установлено, что именно этот фермент может из нуклеотидов синтезировать новые нити на материнской цепочке. Благодаря этим уникальным свойствам, полимераза может последовательно наращивать одноцепочечную цепочку генов путем присоединения комплементарных нуклеотидных оснований в определенном направлении от ее 3′-концу.
В настоящее время ясно, что каждая клетка содержит вариантов ДНК-полимераз с различными задачами и строением. Но главной их функцией является синтезирование точных копий исходных генов. 

Механизм удвоения

При самоудвоении генной информации ученые выделяют несколько основных стадий, сходно протекающих у различных форм живых организмов (от бактерий до млекопитающих):
инициация генных цепей;
расплетение двойной спирали;
непосредственно достраивание второй цепочки.
1. Инициация цепочек ДНК. Для нее нужно наличие заранее синтезированной небольшой цепочки — затравки, только при наличииМодекула удвоение  днк которой, полимераза может добавлять нуклеотидные основания. В случае ее отсутствия синтезирование генов невозможно. Однако на практике видно, что такие затравки образуют в любом организме ферменты — ДНК-праймазы. Этот фермент не является точным и не умеет исправлять сделанные им ошибки, поэтому он служит только инициатором процесса синтеза и далее целиком удаляется из снова синтезированной цепочки, а его пространство достраивается полимеразой.
2. Расплетение двойной спиральной цепочки ДНК. Этот этап необходим, ведь синтез новой цепочки ДНК возможен лишь на одноцепочечной молекуле. Место, в котором произошло разделение двойной спирали выглядит вилкой и поэтому называется репликационной вилкой. Здесь происходит синтез дочерних цепочек полимеразами. Важно заметить, что обычно такое расхождение начинается в определенных областях, названных точками начала самоудвоения генома и включают около 300 нуклеотидов.
Для раскрытия такой стабильной молекулы как ДНК нужно воздействие специальных дестабилизирующих ферментов — белков вместе с ДНК-хеликазами, которые при встрече с двойными участками молекул делают разрезы водородных соединений между комплементарными основаниями, при котором происходит разделение цепочек и продвижение тем самым репликационной вилки. Белковые дестабилизаторы не дают одиночным цепочкам вновь соединиться, однако делают возможным синтез новых.
Для возможности продвижения вилки репликации по закрученной цепочке гена и отсутствия вращения пока не самоудвоенной цепи возникают такие участки на ДНК, которые делают возможным ее раскручивание. Этот процесс происходит с участием ДНК-топоизомераз, вносящих в нити генов надрезы на цепочках, дающие молекулам разделяться, а впоследствии сами могут заделывать полученные повреждения. Они помогают генам принимать «недораскрученную» форму, имеющую меньшее количество витков, что позволяет легче расходиться двум цепочкам в репликационной вилке.
3. Этап прерывистого синтезирования. Репликационные процессы в действительности происходят не с помощью непрерывного добавления нуклеотидов одновременно на двух новых цепочках при перемещении в обоих направлениях. Ученые показали, что синтезирование дочерних цепочек идет только по 3′ направлению, что приводит удлинению 3′-конца, а считывание матрицы полимеразой идет только по 5′-направлению. Как может показаться, движение вилки репликации только по одному направлению невозможно. Но это не так. Разгадкой данной тайны является то, что синтезирование непрерывно наблюдается только по одной нити гена, а по другой синтезирование идет отрезками – 100-1000 нуклеотидных оснований, которые названы фрагментами Оказаки. Ниточка, синтезируемая непрерывно, названа непрерывной, синтезируемая фрагментами – отстающей. Исследователями показано, что синтезирование каждого из таких фрагментов идет при помощи РНК-затравок, через определенные промежутки удаляющиеся из снова синтезированной цепи и достраиваются нуклеотидами с использованием фермента полимеразы.

Совместность действия ферментов на вилке репликации

Редупликация ДНК идет с участием комплекса ферментов-белков, способного к быстрому передвижению вдоль генов и способный выполнять согласованно процессы самоудвоения генетического со значительной точностью. Данный комплекс белков по своей эффективности можно сравнить со «швейной машинкой», «деталями» здесь для изготовления ДНК являются белки, а главными источниками энергетических процессов — реакции гидролиза нуклеотидных оснований.
Раскручивание молекулы генов идет под воздействием ДНК-хеликазы, которую дополняет ДНК-топоизомераза, способная раскручивать генные цепочки, а также белки с дестабилизирующими гены свойствами, которые могут связываться с одинарными нитями и не позволять им соединяться обратно. 
Непосредственно в месте репликационной вилки воздействуют полимеразы двух цепочек. Работа полимеразы ведущей цепочки непрерывна, а отстающей – прерывиста при использовании РНК-затравок, синтезирующих белки ДНК-праймазы. Такие праймазы, а также хеликазы образуют комплексную структуру, названную праймосомой, которая обладает способностью двигаться в направлении открытия репликационной вилки, проводит синтезирование РНК-затравки, стимулирующих образование фрагментов Оказаки. 
В ту же сторону продвигается полимераза. Движение ее по отстающей цепи затруднительно представить, однако объяснен учеными – полимераза накладывает цепочку гена, служащего матрицей для синтезирования, самой на себя, благодаря чему происходит поворот полимеразы отстающей цепочки в обратную сторону. Такая согласованность при движении полимераз помогает обеспечивать скоординированное удвоение обеих нитей, на которых происходит удвоение. 
Общее количество участвующих в процессах самоудвоения генов белков более двадцати, что делает возможным осуществление данного сложного, высокоупорядоченного, энергоемкого процесса.

Согласование механизмов удвоения генома с делением клеток

В независимости от содержания клеткой одну (прокариотические организмы) или нескольких хромосом (эукариотическиеЦепь днкорганизмы) при делении клеток геном полностью должен быть реплицирован. Сигналом для начала удвоения генного материала служит процесс связывания инициаторного регуляторного белка вместе с последовательностью ДНК в точке начала репликации. 
У бактерий процессы редукпликации хромосомы начинаются, в специфической точке начала репликационный процессов и продолжается до окончания удвоения всего генетического материала. В связи с тем, что бактерии содержат хромосому в качестве единственной единицы репликации, она была названа репликоном. Начало репликационных процессов непременно приводит разделение клетки, которое происходит после полного окончания репликации. При этом каждый из геномов переходит в отдельную дочернюю клетку.
Эукариотные клетки перед процессом деления производят полную копию своих хромосом. Каждая из хромосом при этом делится несколько отдельных репликонов, которые активируются постепенно, по мере однократной репликации любого. Это позволяет одновременно образовываться нескольким независимым репликационным вилкам. Остановка репликации на определенной вилке может произойти при столкновении с другой хромосомой, а также при достижении окончания хромосомы. Благодаря этому генетический материал хромосом реплицируется достаточно быстро. Далее каждая из пар хромосом перемещается клетки потомства при митотическом делении.

Регулирование удвоения ДНК

Репликация ДНК считается ключевым событием, которое происходит при делении клеток. Принципиальным моментом здесь является то, чтоб в момент разделения клетки ее ДНК уже реплицировалась. Это достигается при определённых механизмах регулирования репликации. Выделяют 3 основных этапа при репликации ДНК:
стадия инициации репликации
процесс элонгации,
терминация.
Основное регулирование процесса репликации происходит на стадии инициации. 
Как осуществляется регулирование? Процесс репликации возможен далеко не с каждого из участков гена, а лишь с определённых, называемых сайтами инициации процесса репликации. В зависимости от организма геном может содержать один или несколько сайтов инициации. Как правило, сайты инициации расположены на репликонах – специальных участках, начинающих репликацию сразу при синтезировании генов. 

Точность при удвоении ДНК

Для сохранения генетического материала существующих организмов редупликация ДНК должна иметь высокую точность. Известно, что геном любого организма имеет просто огромный размер. Ученые показали, что при самоудвоении генома млекопитающих, имеющего общую длину около 3 миллиардов нуклеотидных оснований, всего наблюдается от 1 до 3 ошибок. Как достигается такая точность? Ведь синтез генома имеет значительную скорость – около 500 нуклеотидов за одну секунду у бактерий и около 50 нуклеотидов за одну секунду у млекопитающих. Сегодня исследователями выявлены особенные механизмы коррекции ошибок, которые помогают наряду со значительной скоростью синтезирования генома получать его точную копию. 
Уникальность процесса коррекции заключается двух основных моментах. Первое — в процессе синтезирования гена полимераза два раза перепроверяет каждый встроенный нуклеотид – первый раз перед добавлением его в синтезируемую цепочку. А второй раз проверяет непосредственно перед встраиванием последующего нуклеотида. При нахождении ошибки синтез цепочки гена останавливается до момента ее исправления. Исправление происходит посредством перемещения фермента в обратном направлении и вырезания последнего из добавленных звеньев, благодаря чему на это место способен встроиться правильный – комплементарный — нуклеотид. Словами науки это означает, что некоторые из полимераз обладают еще и способностью к 3′-концевой гидролизующей активности, которая помогает удалять ошибочно встроенные в новые гены нуклеотиды. 

Интерактивная модель репликации 

Цепь днкПодобная модель репликации ДНК может быть представлена в виде сложной «репликационной машины», состоящей из множества сложных процессов и механизмов, регулируемых белками и ферментами. Интерактивная модель помогает наглядно представить механизм, происходящие при репликации генетического материала. 
На такой модели при синтезе генов демонстрируется комплементарное присоединение азотистых оснований, которые обозначаются условными символами разных цветов. При этом нуклеотиды способны к соединению лишь в определённом порядке (нуклеотид аденин только с тимином, а гуанин только с цитозином). Механизм синтеза цепи происходит слева направо. Пентозофосфатный скелет молекулы ДНК символически определяется при помощи стрелок, имеющих обозначения направления концов 3′ и 5′. Положительный результат реакции обеспечивается ферментом — полимеразой, которая перемещается вдоль нити ДНК.
Как правило, на интерактивной модели репликация ДНК наглядно отображаются при запуске модели кнопкой Старт, приостановить анимацию можно кнопкой Стоп, а вернуть интерактивный механизм в исходную форму кнопкой Сброс.

Скорость репликации

Скорость репликационных процессов очень высока, что позволяет провести синтез около 45 000 нуклеотидов за одну минуту, при этом происходит вращение родительской вилки со скоростью 4500 оборотов за минуту. Благодаря возможности одновременной репликации генетической информации иногда сразу в тысячах мест у эукариотических организмов механизм полного удвоения генетического материала происходит достаточно быстро. Если бы это было невозможно, то копирование генома занимало бы несколько месяцев.

Значение процесса репликации в генетике

Исследование процессов удвоения и сохранения генетического материала всегда привлекало внимание исследователей. Благодаря этому возникла наука — молекулярная биология, которая занимает сегодня особое место среди других наук.
В наш век именно в данной области науки были свершены открытия, которые позволили проанализировать и расшифровать важнейшие процессы и механизмы одной из главных сторон жизни – теории наследственности.
Выполненные в данной области открытия отнесены к величайшим научным достижениям XX века, значение которых приравнивают по значимости к открытию радиоактивности. 
Исследования в данной области позволили создать и развить ряд новых биологических дисциплин — молекулярная биология, бионика, биокибернетика, которые сегодня позволяют решить ряд проблем, связанных со здоровьем человека, созданием новых сортов растений, видов животных. 

Вопросы и ответы:
Анализы ДНК для суда

Лаборатория «Medical Genomics» имеет все лицензии на проведение судебных, судебно-медицинских, судебно-генетических экспертиз, наши заключения принимают суды по всей территории России. Так же возможен выезд судмедэксперта лаборатории в суд.

Возможно ли самостоятельно забрать пробы ДНК?

Да. Для самостоятельного забора проб мы предоставляем бесплатные наборы, в которых Вы найдёте подробную инструкцию по применению и номер Вашего личного консультанта, который ответит на любые вопросы по забору.

Как мне получить результаты анализа?

Результаты анализа Вы можете получить несколькими способами:

  • Получить результаты на электронную почту
  • Забрать самостоятельно в одном из наших представительств в г.Саратов
  • Воспользоваться услугами нашего курьера в г.Саратов
  • Почтой России, заказным письмом
Какой набор str-локусов мне нужен для анализа?

Нашей лабораторией используется несколько STR-маркерных систем, в зависимости от целей и типа анализа. Чтобы узнать, какой набор используется в вашем анализе ДНК, свяжитесь с консультантом.

Может ли кто-то кроме меня получить доступ к результатам моего анализа ДНК?

Нет, лаборатория Медикал Геномикс строго следит за конфиденциальностью личной информации, полученной от клиента. Никто кроме заказчика ни при каких условиях не может получить доступ к его личной информации

Можно ли сдать анализ анонимно?

Да, Вы можете не указывать настоящие имена участников исследования

Можно ли сделать тест на определение отцовства во время беременности?

Лаборатория Медикал Геномикс не делает дородовый тест на определение отцовства по нескольким причинам:

  • По сравнению с постнатальным, дородовый тест на отцовство менее точный, в этой связи довольно велика вероятность ошибки в результатах.
  • Вероятность получения неопределенного результата – 5%. Вы платите деньги, но информацию о том, кто отец, можете так и не узнать.
  • Часто от результата анализа зависит дальнейшая судьба плода, и, если результат теста не устроит женщину или её партнера, существует вероятность принятия решения о прерывании беременности со всеми вытекающими последствиями для здоровья женщины. А учитывая, что в данном тесте существует вероятность ошибки, мы настоятельно рекомендуем проводить тест ДНК на установление отцовства уже после рождения ребенка.
Насколько точен анализ ДНК?

Наибольшую точность анализа ДНК можно получить при исследовании по определению отцовства и материнства. Достоверность анализа превышает 99,99% при подтверждении родства и составляет 100% при его исключении.

В других случаях определения родства (брат-сестра, дядя-племянник, бабушка-внук и т.д.) вероятность родства может варьироваться, но мы всегда предложим тот вариант исследования, при котором будет достигнута максимальная точность.

Отца ребенка нет в живых, но есть бабушка со стороны отца, можно ли установить отцовство?

Да, отцовство в этом случае установить можно. Для более высокой точности мы предложим привлечь к участию в анализе маму ребенка или его дедушку. Если это невозможно, то проведем анализ по большему количеству str-маркеров или Х-хромосоме.

Способы оплаты анализов

Оплатить анализы можно наличными, кредитной или дебетовой картой в отделении лаборатории, а так же банковским переводом через любой банк.

Сроки проведения анализа

Результат обычного информационного анализа на отцовство или другой вид родства будет готов через 3 рабочих дня. Если для анализа предоставляется нестандартный образец (волосы, ногти и т.д.), то срок в среднем увеличивается на 2 рабочих дня. Судебный анализ, с заключением судмедэксперта, будет готов в течение 6-7 дней. Кроме того, Вы можете заказать срочный анализ ДНК, в этом случае Вы получите результат анализа через 24 часа.

Оставьте заявку на прохождение теста
Заказать обратный звонок
Оставьте заявку на прохождение теста