همانند سازی DNA

سلول‌های بدن انسان، به طور مداوم در حال رشد و تکثیر هستند. این فرایند طی تقسیم سلولی انجام می‌شود. بنابر این سلول‌ها به روشی برای کپی‌کردن ماده ژنتیکی خود نیاز دارند تا هر سلول جدید، اطلاعات ژنتیکی یکسانی با سلول قبلی داشته باشد، به این فرایند کپی‌شدن ماده وراثتی، همانندسازی گفته می‌شود. همانطور که در فصل ششم زیست یازدهم و فصل اول زیست دوازدهم خواندیم، همانندسازی فرایندی است که طی آن، دو رشته دی ان ای جدید یکسان، از روی یک رشته دی ان ای قدیمی به‌عنوان رشته الگو، ساخته می‌شود؛ یعنی هر رشته از دو رشته مارپیچ دو رشته‌ای DNA به‌عنوان یک الگو عمل می‌کند که می‌تواند یک رشته جدید و مکمل خود را سنتز کند. همانند سازی DNA در همه موجودات اتفاق می‌افتد. یک فرآیند بسیار حیاتی در تقسیم سلول‌ها است و پایه و اساس وراثت را تشکیل می‌دهد.

در ادامه با مجله بیوزوم همراه باشید تا درباره این فرآیند اعجاب‌انگیز اطلاعات بیشتری کسب کنیم.

مطلب مرتبط: دی ان ای (DNA) چیست؟ – به زبان ساده

 همانند سازی DNA چیست؟

همانند سازی دی ان ای یا DNA Replication سنتز رشته جدید مکمل از رشته قدیمی دنا است. کپی کردن DNA یک سلول، کار پیچیده‌ای است. در انسان، به‌عنوان یک یوکاریوت عالی، در حدود ۳ بیلیون جفت باز DNA وجود دارد. زمانی که هر یک از سلول‌های بدن تقسیم می‌شوند، این جفت بازها باید با دقت زیادی همانندسازی شوند.

در ادامه به بررسی انواع مختلف همانند سازی DNA می‌پردازیم.

انواع مدل‌های همانندسازی

با توجه به این‌که دنا به‌عنوان ماده وراثتی سلول شناخته می‌شود، این پرسش مطرح می‌شود که هنگام تقسیم سلول مادر، اطلاعات چگونه به دو سلول دختر بدون هیچ کم و کاستی منتقل می‌شوند؟ این کار با همانند سازی دنا انجام می‌شود. طرح‌های متعددی به‌عنوان مدل‌های همانندسازی ارائه‌شده است که در ادامه به آن می‌پردازیم.

حفاظتی

مدل حفاظتی، مدلی است که طبق آن، کل مولکول دنا به‌عنوان الگویی برای سنتز مولکول جدید عمل می‌کند. در این مدل دو رشته مارپیچ دی ان ای قدیمی به‌صورت دست‌نخورده وارد یکی از سلول‌های حاصل از تقسیم می‌شوند و دو رشته دی ان ای تازه سنتز شده وارد سلول دوم حاصل از تقسیم می‌شوند. چون دو رشته دنای قدیمی در این مدل دست‌نخورده و حفظ‌شده می‌ماند، به آن مدل حفاظتی می‌گویند.

نیمه حفاظتی

طبق مدل نیمه حفاظتی، هر رشته مارپیچ DNA به‌عنوان یک الگو، برای سنتز یک‌رشته جدید و مکمل خود عمل می‌کند. در تکثیر نیمه حفاظت‌شده، فرایند همانند سازی از یک مولکول دنا، دو مولکول دختری ایجاد می‌کند که در این حالت هر مولکول دختری دو رشته‌ای تازه سنتز شده، شامل یک رشته جدید و یک رشته قدیمی است یعنی هر سلول حاصل از تقسیم، دارای یک رشته DNA قدیمی و یک رشته DNA جدید است.

غیر حفاظتی

در مدل غیر حفاظتی که به آن مدل پراکنده هم می‌گویند، هر یک از رشته‌های دنا به‌صورت پراکنده یا تصادفی، قطعاتی از رشته‌های دنای قدیمی و جدید را در خود دارند.

به‌راستی کدام‌یک از مدل‌های همانندسازی مورد تأیید قرار گرفته است؟ دو دانشمند به نام مزلسون و استال آزمایشی طراحی کردند که نشان داد، همانندسازی دنا نیمه حفاظتی است.

برای درک بهتر همانند سازی دنا، در ادامه به عوامل و مراحل این فرآیند خواهیم پرداخت.

عوامل و مراحل همانند سازی DNA

عوامل مؤثر در همانندسازی

عوامل مؤثر در همانند سازی شامل مولکول دنا به‌عنوان مولکول الگو، واحدهای سازنده دنا جهت ساخت رشته مکمل و آنزیم‌های همانندسازی هستند.

این آنزیم‌ها:

1. شرایط را برای باز شدن دو رشته دی ان ای از هم فراهم می‌کنند.
2. این امکان را ایجاد می‌کنند که در بی‌نقص‌ترین و کم خطاترین حالت ممکن فرآیند کپی کردن رشته الگو و ساخت رشته جدید مکمل از روی رشته قدیمی صورت بگیرد.

رشته پیشرو و پیرو

دو رشته مارپیچ DNA موازی و ناهم‌سو هستند. به این صورت که یکی از رشته‌ها در جهت 3 پرایم به 5 پرایم و رشته دیگر در جهت معکوس، یعنی 5 پرایم به 3 پرایم است.

سنتز DNA تنها در جهت 5 پرایم به 3 پرایم انجام می‌شود؛ یعنی رشته‌ای در مقابل رشته الگوی 3 پرایم به 5 پرایم ساخته می‌شود و به‌صورت پیوسته در جهت 5 پرایم به 3 پرایم  پیش می‌رود و به رشته رهبر یا پیشرو معروف است.

درصورتی‌که رشته دیگر که در مقابل رشته 5 پرایم به 3 پرایم به‌صورت قطعات ناپیوسته ساخته می‌شود، در جهت 5 پرایم به 3 پرایم در ناحیه‌ای جلوتر سنتز شده و بعداً به هم اتصال می‌یابند تا رشته کامل را به وجود آورند. این رشته به رشته پیرو معروف است.

بعد از آشنایی با عوامل همانندسازی و رشته پیرو و پیشرو، در ادامه به مراحل همانند سازی DNA خواهیم پرداخت.

مراحل همانند سازی DNA

قبل از اینکه دی ان ای شروع به همانندسازی کند، باید پیچ‌وتاب کروماتین باز شود و سپس پروتئین‌های متصل به آن یعنی هیستون‌ها از دنا جدا شوند تا همانند سازی DNA انجام شود. این مراحل با کمک آنزیم‌هایی صورت می‌پذیرد.

مهم‌ترین مرحله در شروع همانند سازی دنا، تشخیص جایگاه شروع همانندسازی یا اصطلاحاً مبدأ شروع همانندسازی است.

بعد از تشخیص این جایگاه، شکستن پیوندهای هیدروژنی بین بازهای موجود در مارپیچ دو رشته دی ان ای و باز شدن دو رشته موازی ناهم‌سو از هم اتفاق می‌افتد. آنزیمی بنام آنزیم هلیکاز باعث شکستن پیوند هیدروژنی بین بازها می‌شود. طی این فرایند، دو رشته دنا مانند زیپ از یکدیگر جدا می‌شوند.

بعد از باز شدن مارپیچ دو رشته‌ای دی ان ای از هم پروتئین‌هایی بنام پروتئین‌های اتصالی تک‌رشته‌ای (Single-strand DNA-binding protein) یا SSB به هرکدام از تک رشته‌های دنا متصل می‌شوند و مانع از اتصال دوباره این دو رشته جداشده از هم می‌شوند.

بعد از باز شدن دو رشته دنا از هم نوبت به سنتز رشته مکمل جدید از رشته‌های جداشده الگو می‌رسد. از دیگر آنزیم‌های مهم موجود در همانندسازی، آنزیم DNA پلیمراز یا همان دنابسپاراز است. این آنزیم باعث جفت شدن نوکلئوتیدهای مکمل با نوکلئوتیدهای رشته الگو می‌شود و یک رشته جدید مکمل از روی رشته قدیمی می‌سازد.

در ادامه نقطه‌ای که فرآیند همانندسازی از آن شروع می‌شود، یعنی دوراهی همانند سازی DNA را با جزئیات بیشتری بررسی خواهیم کرد.

دو راهی همانند سازی DNA

به نقطه‌ای که فرآیند همانند سازی DNA از آن آغاز می‌شود، نقطه شروع همانندسازی می‌گویند. در باکتری‌ها، نواحی‌ای که دو رشته دی ان ای از هم جدا می‌شوند، ساختار Y شکلی تشکیل می‌شود که این ساختارها را دوراهی همانندسازی می‌نامند. در فاصله بین دو دوراهی همانندسازی، شکستن پیوندهای هیدروژنی بین دو رشته دنا رخ می‌دهد و پیوند فسفودی استر بین نوکلئوتیدهای رشته دی ان ای جدید در حال تشکیل شدن است.

در ادامه معرفی انواع آنزیم‌های دخیل در فرایند همانند سازی را داریم که تکثیر دنان ای را به‌درستی، سریع و با خطاهای بسیار کم پیش می‌برند.

آنزیم‌های ضروری در همانند سازی DNA

دنابسپاراز (DNA پلیمراز)

همان‌طور که به‌طور خلاصه اشاره شد، یکی از آنزیم‌های ضروری در همانند سازی DNA، آنزیم DNA پلیمراز است. DNA پلیمرازها نوکلئوتیدها را کنار هم قرار می‌دهند تا یک زنجیره DNA را بسازند. طی این فرایند، دنا پلیمرازها نوکلئوتیدهای مکمل رشته الگو را، در طول رشته در حال ساخت کنار هم قرار می‌دهند.

چند ویژگی اصلی DNA پلیمراز به شرح زیر است:

• برای ساخت رشته‌های DNA آنزیم‌های DNA پلیمراز همیشه به یک رشته الگو نیازمندند.
• آنزیم‌های پلیمراز قادر هستند نوکلئوتیدها را فقط به انتهای 3 پرایم رشته دی ان ای اضافه کنند.
• آنزیم‌های پلیمراز قادر نیستند به‌تنهایی همانند سازی DNA را شروع کنند.

اگرچه همانند سازی DNA، با دقت بالایی انجام می‌شود، اما امکان اشتباه در همانندسازی وجود دارد. آنزیم‌های پلیمراز خاصیت پروف ریدینگ (Proof Reading) دارند، یعنی این آنزیم‌ها قادرند عملکرد خود را بعد از انجام‌وظیفه، بررسی و در صورت اشتباه، اصلاح کنند. مثلاً اگر نوکلئوتیدی را به‌اشتباه وارد رشته در حال ساخت کردند، آن نوکلئوتید را حذف کرده و نوکلئوتید صحیح را جایگزین آن کنند، در طی این عمل، پیوند فسفو دی استر شکسته می‌شود که به این ویژگی، خاصیت نوکلئازی گفته می‌شود. پس آنزیم دنابسپاراز، هم خاصیت پلیمرازی دارد که در آن پیوند فسفو دی استر تشکیل می‌شود و هم به‌واسطه درست کردن پیوند فسفو دی استر، خاصیت نوکلئازی دارد. به این فعالیت نوکلئازی که سبب رفع اشتباه در فرایند همانندسازی می‌شود، ویرایش گفته می‌شود.

اضافه کردن نوکلئوتیدها به انرژی نیاز دارد و این انرژی به‌وسیله خود نوکلئوتیدها تأمین می‌شود. وقتی‌که پیوند بین فسفات‌ها می‌شکند، انرژی آزادشده حاصل از این شکست، باعث تشکیل پیوند بین نوکلئوتید جدید و زنجیره در حال ساخت می‌شود.

پروکاریوت‌هایی مانند E.coli، دارای دو DNA پلیمراز اصلی هستند:

• دنا پلیمراز ۳ (DNA Pol III) که سازنده اصلی رشته DNA است.
• دنا پلیمراز ۱ (DNA Pol I) که نقش آن پشتیبانی از سنتز DNA است

هلیکاز

DNA هلیکاز اولین آنزیم دخیل در همانند سازی DNA است که در مبدأ همانندسازی ایفای نقش می‌کند. آنزیم هلیکاز فرآیند همانندسازی را با دو عملکرد پیش می‌برد:

• باز کردن پیچ‌خوردگی‌های دی ان ای
• شکستن پیوندهای هیدروژنی بین جفت‌های بازهای دی ان ای

بعد از آشنایی با آنزیم‌های دخیل در همانندسازی، در ادامه همانند سازی DNA را در پروکاریوت‌ها و یوکاریوت‌ها بررسی خواهیم کرد.

همانندسازی در پروکاریوت و یوکاریوت

در ابتدا همانند سازی رشته دنا در پروکاریوت‌ها را به‌طور خلاصه بررسی می‌کنیم:

همان‌طور که می‌دانید، در پروکاریوت‌ها، هسته سلول وجود ندارد و کروموزوم اصلی دارای یک مولکول حلقوی است که در سیتوپلاسم و متصل به غشای سلول است. اغلب پروکاریوت‌ها، فقط یک جایگاه همانندسازی دارند که در این جایگاه، دو رشته دنا از هم باز می‌شوند و از یک نقطه همانندسازی شروع می‌شود و در دو جهت ادامه می‌یابد تا به هم برسند و همانندسازی پایان یابد.

در یوکاریوت‌ها، دنا در هر کروموزوم، به‌صورت خطی است و مجموعه‌ای از پروتئین‌ها، همراه آن قرار دارند. در یوکاریوت‌ها دنای بسیار زیادی در کروموزوم‌های متعدد قرارگرفته است که هرکدام از آن‌ها، چندین برابر یک دنای باکتری است، به همین دلیل همانندسازی از چندین جایگاه همانندسازی شروع می‌شود.

تعداد جایگاه‌های آغاز همانندسازی در یوکاریوت‌ها، به رشد و تقسیم آن‌ها نیز بستگی دارد به‌طوری‌که در هنگام تشکیل جنین تا مرحله تشکیل بلاستوسیست سرعت تقسیم سلولی زیاد است و تعداد جایگاه‌های آغاز همانندسازی نیز بالا است اما پس از تشکیل اندام‌ها تعداد این جایگاه‌ها کاهش می‌یابد.

جمع‌بندی

همان‌طور که توضیح داده شد، فرآیند همانند سازی DNA یک فرآیند حیاتی در تقسیم سلولی است که طی آن یک رشته دی ان ای مادری، دو رشته یکسان دختری را می‌سازد. طی این فرآیند مارپیچ دو رشته‌ای دنا توسط آنزیم هلیکاز از هم باز می‌شود، سپس هر رشته جداشده به‌عنوان یک رشته الگو عمل کرده و آنزیم پلیمراز، نوکلئوتیدهای مکمل را قرار می‌دهد و بدین ترتیب رشته جدید مکمل از رشته الگو قدیمی ساخته می‌شود.