Prokaryotlarda DNA ikileşmesi

Prokaryotik hücrelerin DNA ikileşmesinde, ikili sarmal açılır ve sentezin başladığı yer olan ikileşme çatalı oluşur. Proteinler açılan sarmalı kararlı kılar ve ikileşme çatalının önünde oluşan sarılma gerilimini hafifletirler. Sentez, kalıp boyunca belirli bölgelerden RNA Primazın, DNA Polimeraz III'ün polimerizasyonu başlatabileceği serbest 3'-OH ucunu sağlayan kısa bir RNA parçasını sentezlemesiyle başlar. İkili sarmalın antiparalel yapısından dolayı polimeraz III, kesintili zincirde 5'-3' yönünde sürekli DNA sentezi yapar. Çatalın slounda DNA sentezi 5'-3' yönünde kesintisiz olarak devam eder. Kesintili zincir denen karşı zincirde kısa Okazaki parçaları sentezlenir ve bu parçalar daha sonra DNA ligaz ile birleştirilir. DNA Polimeraz I, RNA primerini uzaklaştırır ve yerine DNA sentezler, ortaya çıkan polinükleotidler (DNA parçaları) DNA ligaz ile birleştirilir. Böylece sentezi tamamlanan iki yeni çift dallı DNA molekülü birbirinden ayrılr ve biri atasal hücrede kalırken, diğeri oğul hücreye gider.

Replikon, oriC ve ter
Cairns, izotoplar kullanarak, otoradyografi yöntemiyle replikasyonu izlemiş ve E.Coli'de replikasyonun tek bir noktadan (orjinden) başladığını göstermiştir. Bu özgül bölgeye "oriC" denilmiştir. Bu bölgenin konumu E.Coli üzerinde haritalanmış ve 245 baz içerdiği saptanmştır. Bu konuda yapılan başka araştırmalarda da, replikasyonun iki yönlü olduğu ve oriC'nin her iki yönünde hareket ettiği gösterilmiştir. Bu durumda replikasyon ilerledikçe ayrı yönlere doğru birbirinden uzaklaşan iki replikasyon çatalı oluşturur. Bu çatallar tüm kromozom yarı-saklı eşleştikten sonra, "ter" olarak adlandırılan sonlanma bölgesinde birbiriyle birleşir. Bir orjinden replikasyon başladıktan sonra eşleşen DNA'nın uzunluğunun bir birim olduğunu belirten terim "replikon"dur. Buna göre, bakteriyofaj ve bakterilerde DNA sentezi bir noktadan (oriC), başlayıp bir noktada (ter) biter. Bakteriler, tek ve büyük bir kromozoma sahip oldukları için, kromozomun tümü bir "replikon"dur.

DNA Polimeraz I, II ve III
Replikasyonun yarı-saklı ve iki yönlü olduğu anlaşıldıktan sonra, birçok moleküler çalışma DNA kalıbı üzerinden tamamlayıcı uzun polinükleotit zincirlerinin gerçek sentezinin nasıl olduğunu anlamaya yönelmiştir. Bu çalışmalarda kullanılan mikroorganizmalarda, sentezde gerekli olan, DNA Polimeraz I, II ve III olarak bilinen enzimlerin varlığı görülmüştür.


DNA ikileşmesinde yer alan birçok molekülü etkileyen pekçok mutant bakteri ve faj genlerinin izole edilmesi, tüm ikileşme işleminin karmaşık genetik kontrolünün aydınlanmasına yardımcı olmuştur.

Ökaryotlarda DNA ikileşmesi

Ökaryotlarda DNA ikileşmesi, oldukça karmaşık bir işlem olup, DNA sentezindeki bazı faktörlerin nasıl işlediği hala tam olarak çözümlenememiştir.

Ökaryotik hücrelerin de DNA sentezi prokaryotlardakine benzer ancak daha karmaşıktır. Her iki sistemde de DNA ikili sarmalı "replikasyon orjini"nden açılarak iki "ikileşme çatalı" meydana gelir. DNA polimerazın yönlendirdiği sentez, kesintisiz zincirde ve kesintili zincirde çift yönlü olarak devam eder.

Prokaryotlardan en önemli fark olarak, ökaryotlada birçok "replikasyon orjini" ve sentezi yönlendiren daha farklı DNA Polimerazlar bulunmasıdır. Bunun nedenleri şöyle açıklanır:

1. Ökaryotlarda, prokaryotlara göre daha fazla gen vardır.
2. Ökaryotik polimerazın saniyede 50 nükleotit olan okuma hızı, prokaryotik polimeraza göre 20 kat yavaştır.

J.H. Taylor, P.Woods ve W.Hughes; 1957'de ökaryotlarda da replikasyonun yarı-saklı olduğunu gösteren kanıtı sunmuşlardır. Vicia faba (bakla) bitkisinin kök uçlarıyla yaptıkları deneyde DNA'yı 3H-timidin ile işaretleyip, otoradyografisini çekmişler ve replikasyonu izlemeyi başarmışlardır. Buradaki replikasyonun da yarı-saklı olduğunu kanıtlamışlardır.

Çoklu replikasyon orjini ile ilk bulguların çoğu bir maya olan Saccharomyces cerevisiae'den elde edilmiştir. Mayadan elde edilen bu repliksyon orjinlerine "özerk replike olan diziler" (ARS) denir. Hücre döngüsünün G1 fazı sırasında bütün ARS dizilerine bazı protein grupları bağlanır ve "orjin tanıma kompleksi" (ORC) meydana gelir. Bu tanıma kompleksleri G1 fazında oluştuğu ve S fazından önce sentez başlamadığı için, sentezin gerçek başlama sinyalinde yer alan daha başka pronteinler de bulunmaktadır. Bu proteinlerin en önemlileri özgül kinazlardır. Kinazlar, hücre döngüsünün ayrılmaz bir parçası olan fosforilasyonun kilit enzimleridir. Kinazlar, ORC'ye bağlandıklarında, DNA polimerazın bağlanmasına açık olan bir "ön tanıma kompleksi" (pre-RC) oluşur. pre-RC'ye bağlanacak DNA polimerazlar, ökaryotik replikasyonun en karmaşık yönüdür. Buna göre, 6 farklı tipte DNA polimeraz formu saflaştırılıp, çalışılmıştır:

* Polimeraz α (alfa), β (beta), γ (gamma), δ (delta), ε (epsilon) ve ζ (zeta) (bkz. DNA polimeraz)

Ökaryotlarda doğrusal kromozom uçlarının (telomerler) replikasyonda ortaya çıkan özel sorun, RNA içeren özgün bir enzim olan telomeraz enzimiyle çözülür.

Genetik moleküller arasındaki rekombinasyon, DNA zincirlerini kesen, tekrar sıraya koyan ve tekrar birleştiren bir dizi enzim varlığına dayanır. Gen dönüşümü olayı, bu değiş-tokuşlar sırasında yanlış eşleşme onarımı ile gerçekleştirilen sentez ile en iyi şekilde açıklanabilir.