Replikace DNA

Autoři: LADISLAV a MILAN

V průběhu svého života buňka roste a získává živiny z okolního prostředí. Jakmile buňka dosáhne určité velikosti, je to často signál k tomu, že je připravena k dělení a potřebuje replikovat svou DNA. Toto je zvláště důležité v buňkách, které rychle rostou a dělí se, jako jsou buňky v naší kůži nebo ve střevech.

Zde hrají roli růstové faktory. To jsou speciální proteiny, které mohou buňkám signalizovat, aby začaly růst a dělit se. V mnoha případech tyto růstové faktory působí jako "spouštěče", které aktivují řadu buněčných drah, včetně těch, které řídí replikaci DNA. Například v embryonálním vývoji, kdy je rychlé dělení buněk nezbytné pro růst embrya, mohou být růstové faktory vysílány z jedné buňky k druhé, aby stimulovaly replikaci DNA. Buňka může být někdy také vystavena různým stresovým faktorům, jako jsou poškození DNA, nedostatek živin nebo dokonce účinky radiace. V reakci na tyto stresy může buňka zahájit replikaci své DNA jako součást opravných mechanismů.

Jakmile buňka obdrží jeden nebo více signálů k replikaci DNA, spustí se signalizační dráhy, které aktivují proteiny, jež regulují buněčný cyklus. Mezi těmito proteiny patří například cykliny a cyklin-dependentní kinázy (CDK). Tyto proteiny se spojí a tvoří komplex, který podněcuje buňku k postupu v buněčném cyklu. Když buňka postoupí do fáze S buněčného cyklu, začne replikace DNA. Fáze S je obdobím, během kterého je celá DNA buňky replikována, aby byly dvě kompletní sady DNA pro dvě nové dceřiné buňky po dělení. STOP!

Signály k replikaci DNA můžeme chápat jako chemické zprávy, které informují buňku o tom, co má následně vykonat. V rámci replikace DNA mohou tyto signály vycházet z různých zdrojů. Jedním z těchto zdrojů je buněčná komunikace, kde buňky vysílají a přijímají specifické molekuly nazývané cytokiny. Příkladem takového cytokinu je růstový faktor, který může stimulovat buňku k dělení a replikaci její DNA. Kromě toho, pokud je DNA buňky poškozena, může buňka detekovat toto poškození, ať už je způsobeno UV zářením nebo chemickou expozicí, a zahájit replikaci jako součást svého opravného mechanismu. Když buňka zaznamená tyto signály, začne řada biochemických reakcí, které vedou k aktivaci buněčného cyklu. V centru tohoto procesu stojí proteiny známé jako cykliny a cyklin-dependentní kinázy (CDK). Cykliny jsou unikátní v tom, že jejich koncentrace v buňce se mění v průběhu buněčného cyklu, a fungují jako regulační proteiny, určující, v jaké fázi se buňka nachází. Na druhou stranu, CDK enzymy se aktivují vázáním na cykliny. Když je CDK aktivována, fosforyluje specifické cílové proteiny, čímž může buňku buď podněcovat k postupu v buněčném cyklu nebo ji v něm zastavit. Spojením cyklinů a CDK vzniká komplex, jenž řídí postup buňky buněčným cyklem, a konkrétně ji směřuje do fáze S. Během této fáze S začne buňka replikovat svou DNA, zdvojnásobí tak veškerý svůj genetický materiál a připraví se na dělení, kdy vzniknou dvě dceřiné buňky. Tento komplexní proces nám ukazuje, jak sofistikovaně jsou buňky navrženy k regulaci svého růstu a dělení.

 Po inicializaci replikace, kdy buňka obdrží signál k zahájení replikace a postoupí do fáze S, následují další kroky.  DNA má specifická místa, kde začíná replikace. Tato místa se nazývají replikační počátky. V bakteriích je obvykle jeden replikační počátek, zatímco v eukaryotických buňkách jich může být mnoho. Tyto počátkyobsahují specifické sekvence DNA, které jsou rozpoznány replikačními proteiny. Na replikační počátky se vážou speciální proteiny, které slouží jako iniciátory replikace. Tyto iniciátorové proteiny rozpoznávají a vážou se na replikační počátky a připravují je pro vznik replikační vidlice.

Skvělá otázka by byla: "Jak tam doputují? Jak rozpoznají replikační počátek? Replikační počátky obsahují sekvence DNA, které jsou unikátní a mohou být rozpoznány iniciátorovými proteiny. Tyto sekvence DNA jsou často bohaté na adenin (A) a thymin (T) páry, což je méně stabilní než guanin (G) a cytosin (C) páry, což umožňuje lehčí rozpletení DNA na těchto místech. Iniciátorové proteiny mají specifické vazebné domény, které umožňují interakci s těmito sekvencemi DNA. Díky tomu mohou iniciátorové proteiny "rozpoznat" replikační původy a vázat se na ně.

Proteiny se v buňce pohybují prostřednictvím Brownova pohybu, což je náhodné kmitání malých částic v roztoku v důsledku srážek s molekulami rozpouštědla. Díky tomuto pohybu proteiny "prozkoumávají" prostor v buňce. Když protein náhodně narazí na DNA, může se na ni krátce připojit. Pokud to není správné místo, obvykle se rychle uvolní a pokračuje v difuzi. Pokud je však místo vhodné (např. specifická sekvence DNA pro iniciátorový protein), protein zůstane na DNA vázán pevněji. Některé proteiny mohou klouzat po ní a prozkoumávat sousední oblasti, což zvyšuje efektivitu hledání správného místa. DNA má také negativní náboj kvůli svým fosfátovým skupinám. Mnoho proteinů, které se vážou na DNA, má pozitivní nábojové oblasti, což je přitahuje k DNA. V buňce je též mnoho molekul vody, které mohou vytvářet vodíkové vazby s proteiny i DNA. Tyto vodíkové vazby mohou pomáhat při rozpoznávání a vazbě proteinů na DNA.

Nyní přichází na řadu topoisomerázy. Topoisomeráza "pluje" buněčným prostředím pomocí procesů, které jsem popsal výše – difuze, vazba a uvolňování a elektrostatické interakce. Když narazí na DNA, může se na ni připojit. Pokud je místo vhodné pro její funkci, zůstane na DNA pevněji vázána. Jedním z hlavních úkolů topoisomerázy je řešení topologických problémů DNA. To znamená, že pomáhá "rozmotat" přetočené nebo zamotané části DNA, což je nezbytné pro replikaci. Topoisomeráza rozpozná místa na DNA, která jsou přetočená nebo zamotaná. Tyto oblasti mohou být vytvořeny různými procesy, včetně aktivity helikázy, která rozplétá dvě vlákna DNA během replikace. Jakmile topoisomeráza rozpozná problematickou oblast, pevně se k ní připojí. Uchopí dvě vlákna DNA v místě, které chce upravit. Topoisomeráza má schopnost přerušit fosfodiesterovou vazbu v jednom nebo obou vláknech DNA. Tím vytvoří dočasný "řez" v DNA.  Poté, co je DNA přerušena, topoisomeráza může změnit topologii DNA. Může to zahrnovat přesun jednoho vlákna DNA přes druhé nebo jednoduše "uvolnění" přetočených oblastí. Po úpravě topologie topoisomeráza znovu spojí přerušená vlákna DNA, obnovuje fosfodiesterovou vazbu a tím "opravuje" řez, který původně vytvořila. Po dokončení svého úkolu se topoisomeráza odpojí od DNA a pokračuje v pohybu buněčným prostředím, připravena vykonat svou funkci znovu.

Dalším klíčovým hráčem je zde enzym helikáza. V různých knihách se často kreslí tak, že "jde" za topoisomerázkou v těsném závěsu. To ovšem není tak úplně pravda. Helikáza a topoisomeráza spolupracují, aby zajistily hladký průběh replikace. Zatímco helikáza "rozepíná" dvě vlákna DNA tím, že narušuje vodíkové vazby mezi nukleotidy, topoisomeráza pracuje na odstranění torsionálního napětí, které se tímto rozepínáním vytváří. Po spuštění replikace se helikáza aktivuje a váže se k DNA v blízkosti replikační vidlice. V těchto místech je DNA připravena k rozdělení. Jakmile je helikáza pevně připojena, začne se pohybovat podél DNA a "rozepínat" dvě vlákna DNA. Provádí to tak, že narušuje vodíkové vazby, které drží komplementární báze (adenin s thymidinem a guanin s cytosinem) pohromadě. Když helikáza postupuje podél DNA, za ní zůstávají dvě oddělené vlákna DNA, která jsou nyní jednovláknová. Tato jednovláknová DNA jsou ideální pro polymerázu, aby začala syntetizovat nové vlákno. Ale ještě to nemusí být tak jednoduché. Totiž, jakmile helikáza rozepne DNA, může vzniknout torsní napětí, protože DNA se může stáčet a překrucovat. Topoisomeráza je zde, aby toto napětí uvolnila a umožnila tak helikáze pokračovat v její činnosti bez překážek. Takže nejde jen o nějaký "předproces" pro rozepínání DNA, ale také o odstranění kroucení po procesu helikázy.

Po práci helikázy a topoisomerázy je DNA připravena k replikaci. DNA polymeráza je enzym, který vstoupí do procesu v následující fázi a přebírá klíčovou úlohu ve vytváření nového vlákna DNA. DNA polymeráza "čte" jednovláknovou DNA, která byla oddělena helikázou, a používá ji jako šablonu pro syntézu nového komplementárního vlákna. DNA polymeráza přidává nové nukleotidy (základní stavební jednotky DNA) ke konci rostoucího vlákna DNA. STOP!

Tento proces je řízen párováním bází: adenin se páruje s thymidinem a cytosin s guaninem. DNA polymeráza "ví", jaký nukleotid přidat díky komplementárnímu párování bází. Co je fascinující na DNA polymerázách, je jejich schopnost "opravit" chyby. Pokud DNA polymeráza omylem vloží nesprávný nukleotid, má schopnost tento nukleotid rozpoznat, odstranit ho a nahradit správným nukleotidem. To znamená, že DNA polymeráza nejenže syntetizuje nové vlákno DNA, ale také zajišťuje, že je co nejvíce věrné původní šabloně. V průběhu replikace DNA polymeráza spolupracuje s mnoha dalšími proteiny a enzymy. Například potřebuje speciální protein zvaný "primázu", který syntetizuje krátký úsek RNA zvaný "primer". Tento primer je nutný, protože DNA polymeráza potřebuje místo, kde začít s přidáváním nukleotidů. Když DNA polymeráza dokončí replikaci celého segmentu DNA, další proteiny přijdou a zpracují nově syntetizované vlákno, odstraní primery a nahradí je DNA a zajistí, že je vše správně spojeno.