DNA Nasıl Kopyalanır? DNA Replikasyonu Aşamaları Nelerdir?

Bir hücrenin bölünmesiyle ortaya çıkan hücrelerin tümünün DNA'nın özdeş bir kopyasını alması son derece önemlidir. Bu kopya alma süreci, DNA replikasyonu süreci ile gerçekleştirilir. DNA replikasyonu, hücre mitoz veya mayoza girmeden önce, hücre döngüsünün sentez fazı (S fazı) sırasında meydana gelir.

Çift sarmal yapısının keşfi, DNA'nın nasıl kopyalandığına dair ipuçlarını da beraberinde getirmiştir. Adenin nükleotidlerinin timin nükleotidleriyle, ve sitozinin de guaninle eşleştiğini, bu nükleotitlerin birbirinin tamamlayıcısı olduğunu hatırlayın. Yani AGTCATGA nükleotid dizisine sahip bir DNA sarmalı, TCAGTACT dizisine sahip tamamlayıcı bir sarmalla bir arada yer alacaktır.

Libre Texts

İki sarmalın bu şekilde birbirlerini tamamlayıcı nitelikte olması, bir sarmalın bilinmesi halinde diğer sarmalın da oluşturulabileceği anlamına gelir. Bu replikasyon modeli, bizi replikasyon sırasında çift sarmalın ayrıldığı ve iki sarmalın da dizilimi koruyarak tamamlayıcı sarmallarını oluşturduğu sonucuna götürür.

Libre Texts

DNA replikasyonu sırasında, çift sarmalı oluşturan iki sarmalın her biri yeni sarmalların kopyalandığı bir şablon görevi görür. Bu bağlamda yeni sarmal, ebeveyn veya "eski" sarmalın tamamlayıcısı nitelikte olacaktır. Her yeni çift sarmal, bir ebeveyn sarmal ve bir yeni yavru sarmaldan oluşur. Bu süreç, yarı korunumlu replikasyon olarak bilinir. İki DNA kopyası bu şekilde oluştuğunda, aynı nükleotid baz dizisine sahip olurlar ve eşit olarak iki yavru hücreye bölünürler.

Ökaryotlarda DNA Replikasyonu

Ökaryotik genomların çok karışık olması, DNA replikasyonunu da birkaç enzim ve protein içeren karmaşık bir süreç haline getirmektedir. Replikasyon, başlangıç, elongasyon ve terminasyon olmak üzere üç ana aşamada gerçekleşir.

Ökaryotik DNA'nın nükleozom adı verilen yapılar oluşturmak amacıyla histon adı verilen proteinlere bağlandığını hatırlayın. Başlangıç aşamasında DNA, replikasyon sürecinde kullanılacak proteinler ve enzimler için erişilebilir hale getirilir. Bunun ardından belirli nükleotid dizileri, replikasyon orijinine bağlanır ve helikaz adı verilen bir enzim, DNA sarmalını çözer ve açar. DNA açıldıkça replikasyon çatalı adı verilen Y şeklinde yapılar oluşur. Replikasyon orijininde ise iki replikasyon çatalı oluşur ve bu çatallar replikasyon süreci ilerledikçe iki tarafa doğru uzar. Ökaryotik kromozom üzerinde birden fazla replikasyon orijini bulunur; yani replikasyon, genomun çeşitli yerlerinde aynı anda gerçekleşebilir.

DNA polimeraz adı verilen bir enzim, elongasyon sırasında şablonun 3' ucuna DNA nükleotidleri ekler. Ancak DNA polimeraz, yalnızca bir kökün ucuna yeni nükleotidler ekleyebilmektedir. Dolayısıyla bu başlangıç noktasını sağlayan primer dizi, tamamlayıcı RNA nükleotidleri ile eklenir. Bu primer, bu işlemin ardından sistemden çıkarılır ve nükleotidleri DNA nükleotidleri ile değiştirilir. Ebeveyn DNA sarmalını tamamlayıcı bir sarmal, devamlı olarak replikasyon çatalına doğru sentezlenir, böylece polimerazın bu yönde nükleotid ekleyebilmesi sağlanmaktadır. Sürekli sentezlenen bu sarmala primer sarmal adı verilmiştir.

DNA polimeraz, DNA'yı yalnızca 5' ila 3' yönünde sentezleyebilmektedir; dolayısıyla ikinci (yeni) sarmal, Okazaki parçaları adı verilen kısa parçalar halinde bir araya getirilir. Okazaki parçalarının her biri, senteze başlayabilmek için RNA primere ihtiyaç duymaktadır. Okazaki parçalarının bulunduğu sarmala ise kesintili zincir ve geciken eksen adları verilmiştir. Sentez devam ettikçe bir enzim RNA primerini çıkarır, RNA primerinin yeri, DNA nükleotidleri ile doldurulur ve parçalar arasındaki boşluklar DNA ligaz adı verilen bir enzim ile kapatılır.

Dolayısıyla DNA replikasyon süreci, bu bilgiler ışığında aşağıdaki gibi özetlenebilir:

1. DNA, replikasyon başlangıcında çözülür.
2. Tamamlayıcı ebeveyn sarmallara yeni bazlar eklenir. Bir yeni sarmal sürekli olarak sentezlenmektedir; diğer sarmal ise Okazaki parçaları ile parça parça oluşturulur.
3. Primerler çıkarılır, primerlerin yerine yeni DNA nükleotidleri konur ve kök, DNA ligaz ile mühürlenir.

Libre Texts

Telomer Replikasyonu

Ökaryotik kromozomlar doğrusal yapıdadır, dolayısıyla DNA replikasyonu, bu doğrusal yapıyı bir çizgiyi takip eder gibi takip eder ve çizginin sonuna gelindiğinde durur. DNA polimeraz enzimi, nükleotidleri yalnızca bir doğrultuda ekleyebilmektedir. Kesintisiz zincirde sentez, kromozomun sonuna gelinene kadar devam eder; buna karşın ters istikamette (kesintili zincirde) kromozomun sonunda kopyalanacak DNA parçası için primerin sentezlenebileceği bir alan bulunmamaktadır. Dolayısıyla uçlar bu şekilde açık bırakılmakta; hücreler bölündükçe de uçlar kısalmaktadır.

Doğrusal kromozomların bu uçları telomer olarak bilinmektedir. Telomerler, belirli bir geni kodlamayan tekrar eden dizilere sahiptir; yani her bir DNA replikasyonu sürecinde genler değil, bu herhangi bir işlevi olmayan telomerler kısalır. Örneğin insanlarda altı baz çiftlik bir dizi (TTAGGG), 100 ila 1000 kez tekrarlanır.

Telomeraz enziminin keşfi, kromozom uçlarının nasıl korunduğunun anlaşılmasına yardımcı olmuştur. Telomeraz, kromozomun uçlarına bağlanır ve RNA şablonunu tamamlayıcı bazlar DNA sarmalının ucuna eklenir. Kesintili zincir şablonu yeterince uzadığında ise DNA polimeraz ile kromozomun uçlarına tamamlayıcı nitelikteki nükleotidlerin eklenmesi ve kromozom uçlarının replikasyonu mümkün olur.

Libre Texts

Telomeraz, tipik olarak bakteri hücrelerinde, yetişkin kök hücrelerinde ve bazı kanser hücrelerinde aktif olarak bulunur. Elizabeth Blackburn telomeraz ve işlevini keşfederek 2009 yılında Nobel Tıp ve Fizyoloji Ödülü'ne layık görülmüştür.

ABD Büyükelçiliği, Stockholm, İsveç

Telomeraz, yetişkin somatik hücrelerde aktif değildir, dolayısıyla hücre bölünmesi geçiren yetişkin somatik hücrelerin telomerleri kısalır. Telomer kısalması da böylelikle yaşlanma ile ilişkilendirilmektedir. Bilim insanları da bu çerçevede 2010 yılında, telomerazın farelerde yaşa bağlı olarak oluşan bazı durumları tersine çevirebildiğini keşfetmiştir.^[1] Bu çalışmalarda telomeraz eksikliği, doku atrofisi, kök hücre tükenmesi, çoklu organ yetmezliği ve bozulmuş doku hasar yanıtları olan fareler kullanılmış; fareler üzerinde yapılan telomeraz reaktivasyonu ise telomerlerin uzamasını, DNA hasarının azalmasını, nörodejenerasyonun tersine çevrilmesini ve testis, dalak ve bağırsaklarının daha iyi çalışmasını sağlamıştır. Bu bulgulardan telomer reaktivasyonunun rejeneratif tıp alanında yaşa bağlı hastalıkların tedavisi için kullanılabileceği düşünülmektedir.

Prokaryotlarda DNA Replikasyonu

Prokaryotik kromozomlar, doğrusal ve proteinlerin etrafında sıkıca sarılmış ökaryotik kromozomlara kıyasla daha kısa bir sarmal yapıya sahip dairesel moleküllerdir. Bu iki kromozom türü, birçok açıdan benzer bir DNA replikasyon sürecine sahip olsa da yukarıda belirtilen yapısal farklılıklar, sürece yine de yansımaktadır.

DNA replikasyonu, öncelikle genomlarının çok küçük olması ve çok sayıda varyantın ulaşılabilir olması nedenleriyle prokaryotlarda son derece iyi çalışılmıştır. Escherichia coli'de tek bir dairesel kromozomda 4.6 milyon baz çifti bulunur ve bunların tamamı tek bir replikasyon kaynağından başlayarak ve kromozomun etrafında her iki yönde ilerleyerek yaklaşık 42 dakikada replike olur. Bu da saniyede yaklaşık 1000 nükleotidin işlendiği anlamına gelir. Bu süreç, ökaryot hücrelerde çok daha yavaş işlemektedir.

Libre Texts

Gen Hasarlarının Giderilmesi

DNA polimeraz ile nükleotid eklenirken hatalar meydana gelebilir. Zira DNA polimeraz, eklenen her bazın redaksiyonunu yaparak DNA'yı düzenler. Bu düzenleme sırasında yanlış bazlar çıkarılır, yerlerine doğru bazlar konar ve polimerizasyon devam eder. Hataların çoğu, replikasyon sırasında bu şekilde düzeltilir; bununla beraber bir hatanın replikasyon sırasında düzeltilmemesi durumunda, yanlış eşleşme tamir mekanizması devreye girer. Yanlış eşleşme tamir enzimleri, yanlış bazı tanır ve DNA'dan çıkararak yerine doğru bazı yerleştirir.

Bir başka onarım türü olan nükleotid eksizyon tamirinde (NER) ise DNA çift sarmalı çözülüp ayrılır, yanlış bazlar 5' ve 3' uçlarında yer alan birkaç baz ile birlikte çıkarılır ve DNA polimeraz yardımıyla şablonun kopyalanmasıyla değiştirilir. Nükleotid eksizyon tamiri, özellikle ultraviyole ışığın neden olduğu timin dimerlerinin düzeltilmesinde rol oynamaktadır. Bir sarmal üzerinde birbirine bitişik konumda yer alan iki timin nükleotidi, tamamlayıcı bazlarına bağlanmak yerine birbirlerine kovalent olarak bağlanır. Dolayısıyla dimer, çıkarılmaz ve onarılmazsa bir mutasyona yol açar. Nükleotid eksizyon tamir genleri kusurlu bireyler, güneş ışığına karşı aşırı hassasiyet gösterir ve yaşamlarının erken dönemlerinde cilt kanserleri geliştirebilirler.

Libre Texts

Bu yöntemlerle hataların birçoğu giderilmektedir. Giderilmeyen hatalar ise DNA dizisinde kalıcı bir değişime, yani mutasyonlara sebep olabilmektedir. Tamir genlerinde meydana gelen mutasyonlar ise kanser gibi ciddi sonuçlara yol açabilmektedir.

Özet

DNA, iki ebeveyn DNA sarmalının sentezlenecek yeni DNA için şablon görevi gördüğü yarı korunumlu bir model ile kopyalanır. Bu replikasyonun ardından her DNA'nin bir ebeveyn veya "eski" sarmalı, bir de yavru veya "yeni" sarmalı meydana gelir.

Ökaryotlarda replikasyon birden fazla, prokaryotlarda ise tek replikasyon orijininden başlar. DNA, enzimlerle açılarak replikasyon çatalını oluşturur. Primaz, bir RNA primer sentezleyerek DNA polimeraz ile sentezi başlatır. DNA polimeraz ile tek bir yönde nükleotidler işlenir.

Bir sarmal, replikasyon çatalı doğrultusunda devamlı olarak sentezlenir. Diğer sarmal ise Okazaki parçaları adı verilen kısa DNA parçaları ile replikasyon çatalının diğer yönünde sentezlenir. Devamlı olarak gerçekleşen sentezlemeye kesintisiz zincir; diğer yönde kısa DNA parçaları ile gerçekleşen sentezlemeye ise kesintili zincir adı verilmiştir.

Replikasyon tamamlandığında RNA primerlerinin yerini DNA nükleotidleri alır. Bunun da ardından DNA, DNA ligaz ile kapatılır.

Ökaryotik hücrelerde ise kromozomların uçları polimeraz ile uzayamamaktadır; zira polimeraz, uçları uzatma işlemi için primere gerek duyar. Bununla beraber dahili bir RNA şablonuna sahip bir enzim olan telomeraz, RNA şablonunu kopyalayıp bir ucunu kromozoma vererek uzamasını sağlar; böylelikle DNA polimeraz, oluşan primeri kullanarak DNA sarmalını uzatabilir. Ökaryotik hücrelerin uçları bu yolla korunur.

Hücreler, hasar gördüğünde veya replikasyon sırasında bir hata meydana geldiğinde devreye giren DNA tamir mekanizmalarına sahiptir. Bu mekanizmalar, tamamlayıcı nitelikte olmayan bir baz ile eşleştirilmiş nükleotidlerin yerine doğru nükleotidin koyulmasını içeren eşleşme tamiri ve timin dimerleri gibi hasarlı bazları silen nükleotid eksizyon onarımıdır.