Replikace DNA: Porovnání verzí

'''Replikace DNA''' je proces tvorby kopií molekuly [[DNA|deoxyribonukleové kyseliny]] (DNA), čímž se [[sekvence DNA|genetická informace]] přenáší z jedné molekuly DNA (templát, matrice) do jiné molekuly stejného typu (tzv. replika). Celý proces je [[semikonzervativnost|semikonzervativní]], tzn. každá nově vzniklá molekula DNA má jeden řetězec z původní molekuly a jeden nový, syntetizovaný. Při replikaci dochází pomocí složité [[enzym]]atické mašinérie k řazení [[deoxyribonukleotid]]ů (nukleových bazí, základních stavebních částic DNA) jeden za druhým, a to podle vzorové původní molekuly DNA. Výsledkem tohoto řazení nukleotidů je nakonec kompletní DNA daného organizmu, v podstatě identická kopie původní DNA.

[[Arthur Kornberg]] objevil v roce [[1957]] při studiu bakterie ''[[Escherichia coli]]'' první [[DNA polymeráza|DNA polymerázu]], jež nese dnes jméno [[DNA polymeráza I]].<ref name="harperova">{{citace monografie| příjmení= Murray| jméno = Robert K.| spoluautoři= et al. |titul= Harperova biochemie, z angl. 23. vyd.|vydání=. 4. vyd. v ČR.|místo= Praha|vydavatel=H & H, |rok=2002 | isbn= 80-7319-013-3}}</ref><ref>{{Citace periodika

}}</ref> Ačkoliv je dnes známo, že hlavní roli má v replikaci spíše [[DNA polymeráza III]], i tak je tento objev důležitým milníkem. V roce [[1958]] bylo zjištěno, že replikace probíhá tzv. [[semikonzervativnost|semikonzervativně]] (více viz [[Meselsonův-Stahlův experiment]]). V šedesátých letech byl učiněn další krok kupředu, když bylo zjištěno, že každé z vláken původní DNA je replikováno mírně odlišným způsobem, u jednoho z nich totiž dochází vlivem diskontinuální syntézy ke vzniku [[Okazakiho fragment]]ů.<ref name="molbio">{{citace monografie | autor = Alberts, Bruce , et al.|rok=2002|titul= The Molecular Biology of the Cell | edice=4th. ed|vydavatel = Garland Science | isbn=0-8153-3218-1 | kapitola = DNA Replication Mechanisms| url = http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?highlight=DNA%20replication&rid=mboc4.section.754#759}}</ref>

Načasování DNA replikace je diametrálně odlišné při srovnávání tohoto jevu u [[prokaryota|prokaryot]] a [[eukaryota|eukaryot]]. U [[bakterie|bakterií]] a [[archea|archeí]] (souhrnně prokaryota) nedochází k replikaci ve speciální fázi [[buněčný cyklus|buněčného cyklu]] a nemusí vůbec souviset s [[buněčné dělení|buněčným dělením]]. Zato u eukaryot se obvykle replikace odehrává pouze v tzv. [[S fáze|S fázi]] („S“ podle slova „syntéza“) buněčného cyklu. Mimo S- fázi se tedy syntéza DNA omezuje na drobné [[oprava DNA|opravné mechanismy]]. Ve vzácných výjimkách (především tzv. [[endoreduplikace]]) však může i u eukaryot docházet k replikaci DNA bez ohledu na buněčný cyklus:. příklademPříkladem jsou [[Slinná žláza|slinné žlázy]] [[octomilka|octomilky]] (''[[Octomilka|Drosophila]]''), v nichž se mnohonásobně nakopíruje genom, ačkoliv k replikaci nedojde.<ref name="redei">{{citace monografie| titul = Encyclopedia of Genetics, Genomics, Proteomics, and Informatics| vydání=3rd Edition| příjmení= Rédei| jméno = George P.| vydavatel=Springer| rok=2008| isbn=978-1-4020-6753-2}}</ref>

Chybovost replikace DNA byla (u [[bakterie|bakterií]]) odhadnuta na jednu chybu za 10⁹–10¹⁰ [[nukleotid]]ů (po proběhlém [[Oprava DNA#Proofreading|proofreadingu]] a [[Oprava DNA#Korekce párování bází|korekci párování bází]], tzv. ''mismatch repair'').<ref name="essential">{{citace monografie| příjmení=Alberts | jméno=Bruce| spoluautoři = et al| vydání = 2 | titul = Essential Cell Biology | vydavatel = Garland Science| rok=2004 | místo=New York}}</ref> Oprava DNA je zřejmě důvod, proč pracuje DNA polymeráza pouze v jednom směru (5'—>3'), v opačném směru by nemohlopo dostopravě dobřešpatně docházetzačleněného k[[Nukleotid|nukleotidu]] opravnýmnemohla mechanismůmpokračovat elongace řetězce DNA.<ref name="molbio" />

Rychlost replikace genomu je u ''[[Escherichia coli]]'' asi 50&nbsp;000&nbsp;[[nukleová báze|bází]] za&nbsp;minutu, zatímco u&nbsp;[[eukaryota|eukaryot]] je mnohem nižší. U&nbsp;[[Saccharomyces cerevisiae|pivní kvasinky]] činí 3&nbsp;600&nbsp;bází za&nbsp;minutu, u [[myš]]i pouze 2&nbsp;200&nbsp;bází za minutu. Je tedy vidět, že ačkoliv mají eukaryota více [[replikační počátek|replikačních počátků]] (kvasinka 400, myš kolem 2&nbsp;500), je přesto tempo replikace jejich genomu pomalejší.<ref name="redei" /> Kdyby byl u eukaryot k dispozici pouze jeden replikační počátek, trvalo by neúnosně dlouho, než by se celý genom replikoval: u člověka totiž rychlost DNA polymerázy činí pouhých 50&nbsp;nukleotidů za&nbsp;sekundu.<ref>{{citace elektronické monografie| titul = Speed of DNA Replication| url = http://www.dnareplication.info/speedofdnareplication.php}}</ref> Celý lidský genom (~3,2 mld. párů bazí = ~3,2 Gb) by se tak z jediného replikačního počátku replikoval ~740 dní.

Replikace je přitom [[Semikonzervativnost|semikonzervativní]], což znamená, že každý nový DNA řetězec se skládá z jednoho staréhopůvodního vlákna a jednoho nového vlákna. Do celého procesu je zapojeno mnoho enzymů, jako je především [[DNA polymeráza]], dále však např. [[DNA ligáza]], [[Primáza|DNA primáza]], [[helikáza]] či [[topoizomeráza]]. Každé z vláken původní dvoušroubovice je replikováno odlišným způsobem, což je způsobeno tím, že je molekula DNA tzv. antiparalelní. Zjednodušeně řečeno, skládá se ze dvou vláken, každé však je orientováno opačným směrem. DNA polymeráza však dokáže pracovat pouze v jednom směru (5'—>3'), což je v buňce vyřešeno elegantním způsobem. V každém případě však dochází k tomu, že je podle vzorutemplátu (původní DNA) vytvářena nová DNA, která je k původnímu řetězci [[komplementarita|komplementární]]. To znamená, že když je v původní DNA detekována báze [[adenin]], je nado novounové DNA přidán nukleotid obsahující [[thymin]] (a naopak, A a T k sobě patří). Pokud byl na vzorovétemplátové DNA nalezen například [[guanin]], je nado novýnového řetězecřetězce přidán podle pravidel komplementarity [[cytosin]]ový nukleotid.<ref name="harperova" />

Bakterie ''[[Escherichia coli]]'' má jediný [[replikační počátek]], a to v [[Lokus (genetika)|genovém lokusu]] nazvaném [[Replikační počátek|OriCoriC]]. Z tohoto místa se pohybují oběma směry [[replikační vidlice]], v nichž dochází k syntéze nových řetězců DNA podle vzoru původních řetězců. Hlavní polymerázou bakterií je [[DNA polymeráza III]] obsahující velké množství různých [[podjednotka|podjednotek]]. Polymerázy [[DNA polymeráza I|I]] a [[DNA polymeráza II|II]] hrají pouze méně významnou roli.<ref name="redei" />

Protože z lokusu [[Replikační počátek|OriCoriC]] byly vyslány dvě [[replikační vidlice]] po [[nukleoid|kruhové molekule DNA]], tyto vidlice se logicky potkají přibližně „na půl cesty“ kolem dokola. Asi 100 kB od tohoto středu se nachází terminační (ukončovací) oblasti o délce 23 párů bází. Tyto terminační sekvence existují celkem čtyři (dvě na každém z vláken dvoušroubovice) a označují se [[TerA]], [[TerB]], [[TerC]] a [[TerD]]. Tyto sekvence rozeznává protein [[tusTus]], schopný ukončit replikaci v momentu, kdy se replikační vidlice dostane k terminačním sekvencím.<ref name="redei" />

Replikace [[mitochondriální DNA]] a [[plastidová DNA|plastidové DNA]] vykazuje značnou podobnost s replikací DNA u prokaryot.<ref name="redei" /><ref>{{Citace periodika| doi = 10.1016/j.bbrc.2005.06.052| issn = 0006-291X| ročník = 334| číslo = 1| strany = 43-50| příjmení = Mori| jméno = Yoko| spoluautoři = Seisuke Kimura, Ai Saotome, Nobuyuki Kasai, Norihiro Sakaguchi, Yukinobu Uchiyama, Toyotaka Ishibashi, Taichi Yamamoto, Hiroyuki Chiku, Kengo Sakaguchi| titul = Plastid DNA polymerases from higher plants, Arabidopsis thaliana| periodikum = Biochemical and Biophysical Research Communications| datum = 2005-08-19| url = http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/15993837}}</ref> Zato [[archea|archebakterie]] (''Archaea''), jež jsou řazeny mezi prokaryota, vykazují poměrně značné rozdíly ve srovnání s replikací bakterií. Zatímco u&nbsp;bakterií replikace probíhá jen z&nbsp;jednoho replikačního počátku, u&nbsp;archeí je těchto míst zpravidla více (podobně jako u eukaryot). Také příslušné [[DNA polymeráza|DNA polymerázy]] jsou podobné spíše eukaryotním DNA polymerázám.<ref>{{citace periodika |autor=Kelman L. M., Kelman Z |titul=Multiple origins of replication in archaea |periodikum=Trends Microbiol. |ročník=12 |číslo=9 |strany=399–401 |rok=2004 | pmid=153371581 | doi=10.1016/j.tim.2004.07.001}}</ref>

[[Virus|Viry]], které stojí na pomezí živého a neživého, mají poměrně specifický typ replikace DNA, odvíjející se od jejich [[Parazitismus|parazitického]] způsobu života. Toto se netýká tzv. [[RNA viry|RNA virů]], protože u většiny z nich v jejichžjejich rozmnožovacím cyklu DNA molekuly DNA vůbec nefigurují (u těch ostatních, např. u [[Retroviry|retrovirů]], molekula DNA replikacefiguruje, ale nedochází k její replikaci [[DNA polymeráza|DNA polymerázou]]). Replikace DNA se tedy týká výhradně [[DNA viry|DNA virů]]. Některé DNA viry obsahují [[jednovláknová DNA|jednovláknovou DNA]], a tak po infekci musí nejprve dojít k syntéze [[komplementarita|komplementárního]] vlákna, aby vznikla klasická [[dvoušroubovice]]. U virů se vyskytuje poměrně velké množství dalších odchylek od běžného schématu DNA replikace.<ref name="redei" /> Co se týče ''[[Polyomavirus|Polyomaviru]]'', jenž infikuje eukaryotické buňky, jeho DNA je replikována téměř stejně jako vlastní eukaryotický genom. Důvod je prostý: viry často zneužívají hostitelské [[DNA polymeráza|DNA polymerázy]] a celou jejich enzymatickou mašinérii. Jediný rozdíl spočívá v tom, že u ''Polyomaviru'' musí dojít k navázání tzv. [[velký T antigen|velkého T antigenu]] (''large T-antigen'') na [[replikační počátek]].<ref>{{citace elektronické monografie| titul = VIROLOGY - CHAPTER THREE; DNA VIRUS REPLICATION STRATEGIES | vydavatel=University of California| url = http://pathmicro.med.sc.edu/mhunt/dna1.htm}}</ref>

Přirozený mechanismus replikace DNA využívají mnohé metody moderní [[molekulární biologie]] a [[genetika|genetiky]]. Je na tom založena například [[polymerázová řetězová reakce]] (PCR), schopná namnožit (amplifikovat) vzorek DNA. Také mnohé způsoby [[sekvenování DNA|sekvenování]] zahrnují replikaci daného vzorku DNA; příkladem je [[Frederick Sanger|Sangerova]] metoda či [[pyrosekvenování]].