(a) DNA 복제의 시작
복제의 개시 단계에는 쌍사슬 DNA 복제 시작 지점 풀기, 활성화 단계를 통해 RNA 분자 합성, RNA 프라이머 합성, DNA 중합효소를 통해 첫 번째 디옥시리보 핵산을 유인물 RNA 의 3'-OH 끝에 추가하는 작업이 포함됩니다. 복제 시작의 핵심 단계는 선행체인 DNA 의 합성이다. 일단 선행체인 DNA 가 수렴을 시작하면, 뒤처진 체인의 DNA 합성도 시작됩니다. 모든 선행사슬이 수렴을 시작하기 전에 RNA 중합 효소 (프라이머가 아님) 를 통해 후행체인 템플릿을 따라 한 가지를 전사할 필요가 있다. 플라스미드 콜과 같은 일부 DNA 복제에서는 RNA 분자가 DNA 복제의 프라이머로 추가됩니다. 그러나, 대부분의 DNA 복제에서, 이 RNA 분자는 프라이머 기능이 없다. 그것은 단지 두 개의 DNA 사슬을 분리하고, 개시제가 결합될 수 있도록 특정 서열을 드러내고, 선행체인 템플릿 DNA 에서 RNA 프라이머를 합성하기 시작하는 역할을 하는 것 같다. (윌리엄 셰익스피어, DNA, DNA, DNA, DNA, DNA) 이 과정을 전사 활성화라고 하며, 선행체인의 복제 시작 과정에서 대장균의 dnaA 단백질과 같은 다른 단백질이 필요합니다. 이 두 단백질은 복제 시작점의 9bp 길이 4 개의 고도로 보수적인 DNA 서열과 결합될 수 있지만 구체적인 기능은 아직 명확하지 않다. 아마도 이 단백질과 DNA 복제 시작점의 결합으로 DNA 중합 효소 ⅲ 복합체의 7 가지 단백질이 DNA 복제 시작점에서 성공적으로 조립될 수 있게 된 것 같다. DNA 복제 초기에 DNA 해선효소는 복제 시작점의 쌍체인 DNA 를 풀었고, 합성된 RNA 분자를 전사하여 두 개의 DNA 체인을 분리하는 역할을 한 다음 단백질과 결합된 단일 체인 DNA 를 풀린 체인과 결합했다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 TV 드라마), DNA 명언) 복제인자 X(n 단백질), 복제인자 Y(N' 단백질), N "단백질, I 단백질, dnaB 단백질, dnaC 단백질 등 6 가지 단백질로 구성된 전구체는 단일 체인 DNA 결합단백질의 작용으로 단일 체인 DNA 와 결합하여 중간체를 형성하는 것이 전 시작 과정이다. 시작 전구체는 프라이머 효소 조립과 함께 프라이머를 형성한다. 시작자는 단일 체인 DNA 위로 이동할 수 있으며 dnaB 하위 키의 작용으로 DNA 복제의 시작점을 식별할 수 있습니다. 첫째, 프라이머 효소를 통해 선행사슬에서 RNA 프라이머를 합성한다. 그런 다음 시작자가 지연 체인에서 5'→3' 방향으로 계속 이동합니다 (상대 이동이거나 지연 체인의 템플릿이 이동하는 경우 아래 그림 참조). DNA 중합 효소 III 합성 오카자키 조각을 위해 합성 RNA 프라이머를 어느 정도 반복합니다. 개시제 중 많은 단백질 인자의 기능은 아직 명확하지 않다. 그러나 이러한 구성 요소는 지연 체인에서 시작자를 이동하고, 적합한 프라이머 합성 위치를 식별하고, 시작 위치에서 뉴클레오티드를 RNA 프라이머로 수렴하기 위해 함께 작동해야 합니다. 시작자의 이동 방향이 합성프라이머의 방향과 반대이기 때문에, 뒤처진 체인에서 합성된 RNA 프라이머는 매우 짧아서 보통 3 ~ 5 개의 뉴클레오티드 길이밖에 되지 않는다. 그리고이 프라이머들은 같은 생물의 세포에서 비슷한 서열을 가지고 있습니다. 즉, 프라이머 효소는 RNA 프라이머를 합성하기 위해 DNA 지연 체인 템플릿의 특정 위치 (시퀀스) 에 있어야합니다.
왜 DNA 복제를 트리거하기 위해 RNA 프라이머가 필요합니까? 이것은 DNA 복제가 시작될 때의 돌연변이를 최소화하는 것과 관련이 있을 수 있다. DNA 복제 시작 시 몇 개의 뉴클레오티드가 가장 쉽게 잘못되기 때문에 RNA 유인물에 오류가 발생하더라도 결국 DNA 중합 효소 I 에 의해 제거되어 DNA 복제의 정확성을 높인다. RNA 프라이머가 형성되면 염기상보성의 원리에 따라 DNA 중합 효소 III 의 촉매로 RNA 프라이머의 3'-OH 끝에 첫 번째 디옥시리드산을 추가하고 DNA 체인을 확장한다.
(DNA 가닥의 확장
DNA 신생사슬의 합성은 DNA 중합효소 III 에 의해 촉진되지만 DNA 는 복제포크에서 움직일 때 반드시 해선효소에 의해 풀려야 한다. 따라서 토폴로지 문제가 발생합니다. DNA 의 용융으로 인해 DNA 의 이중 체인 영역에서 반드시 양수 초나선이 생성되는데, 이는 링 DNA 에서 더욱 두드러집니다. 어느 정도 도달하면 복제 포크가 계속 전진하기 어려워 DNA 복제가 종료됩니다. 그러나 세포 내 DNA 복제는 토폴로지 문제로 인해 중지되지 않습니다. 이런 현상을 방지하는 메커니즘은 두 가지가 있다. [1] DNA 자체는 생물세포의 초나선이며, DNA 가 녹아서 양수 초나선을 만들 때 원래의 음의 초나선에 중화될 수 있다. [2]DNA 토폴로지 isomerase I 는 체인을 열어야 양수 하이퍼나선 상태를 릴랙스 상태로 바꿀 수 있으며, DNA 토폴로지 isomerase II (gyrase) 는 DNA 가 체인을 풀기 전에 계속해서 음의 하이퍼나선 상태를 이중 체인 DNA 로 도입할 수 있습니다. 이 두 가지 메커니즘은 링 DNA 와 개방 루프 DNA 의 복제가 순조롭게 녹은 다음 DNA 중합 효소 III 에서 새로운 DNA 체인을 합성할 수 있도록 보장합니다. 앞서 언급했듯이 DNA 성장 사슬의 확장은 주로 DNA 중합 효소에 의해 촉매되는데, DNA 중합 효소는 7 가지 단백질 (펩타이드) 으로 구성된 중합체로, 전효소라고 한다. 전체 효소의 모든 하위 단위는 DNA 복제를 완료하는 데 필요합니다. α 야키는 중합 기능과 5'→3' 핵산 외체효소 활성을 가지고 있고, ε 야키는 3'→5' 핵산 외체효소 활성을 가지고 있다. 또한, 전체 효소에는 DNA 중합 효소 ⅲ 가 첫 번째 디옥시 뉴클레오티드와 RNA 프라이머 연결을 촉매하는 데 필요한 ATP 분자가 있습니다. 다른 하위 단위의 기능은 아직 명확하지 않다.
DNA 복제 분기점에서 두 세트의 DNA 중합 효소 III 는 DNA 선행 체인과 후행 체인을 동시에 복제할 수 있어야 합니다. 지연 체인 템플릿이 DNA 중합 효소 III 의 전체 효소를 둘러싸고 DNA 중합 효소 II 를 통과한 다음 체인 해제된 이중 체인 DNA 와 같은 방향으로 구부러지면 지연 체인의 합성이 선행 체인의 합성과 같은 방향으로 진행될 수 있습니다.
따라서 DNA 중합 효소 III 가 후행 체인 템플릿을 따라 이동할 때 특정 프라이머 효소에 의해 합성된 RNA 프라이머는 DNA 중합 효소 III 에 의해 확장될 수 있습니다. 합성된 DNA 체인이 이전에 합성된 오카자키 조각의 위치에 도달하면 지연된 체인 템플릿과 새로 합성된 오카자키 조각이 DNA 중합 효소 III 에서 방출됩니다. 이때 복제 포크가 계속 앞으로 이동하면서 DNA 중합 효소 III 의 전체 효소를 다시 둘러싸고 DNA 중합 효소 III 를 통해 새로운 낙후체인 오카자키 조각을 합성하기 시작하는 또 다른 단일 체인 낙후체인 템플릿이 만들어졌습니다. 이 매커니즘을 통해 선행체인의 합성이 후행체인 (마지막으로 오카자키 세그먼트의 길이 하나만 있음) 을 초과하지 않습니다. 또한 시작물은 DNA 체인에서 DNA 중합 효소 III 와 같은 속도로 움직입니다.
상기 DNA 복제의 메커니즘에 따르면 복제 포크 부근에 DNA 중합 효소 III 전효소 분자, 개시제, 나선형으로 구성된 리보당체 크기의 복합체가 형성되어 DNA 복제체라고 한다. 복제품이 DNA 선행 및 후행 체인 템플릿 위로 이동할 때 연속 DNA 선행 체인과 많은 오카자키 세그먼트로 구성된 후행 체인을 합성합니다. DNA 합성과 확장 과정에서 주된 역할을 하는 것은 DNA 중합 효소 III 이다. 오카자키 조각이 형성되면 DNA 중합 효소 I 는 5'→3' 핵산 외체효소 활성을 통해 오카자키 조각에서 RNA 프라이머를 제거하고, 이후 오카자키 조각은 프라이머로 5'→3' 에서 DNA 를 합성한다. 마지막 두 오카자키 조각은 DNA 연결 효소를 통해 연결되어 완전한 DNA 지연 체인을 형성한다.
(DNA 복제의 종료
과거에는 일단 DNA 복제가 시작되면 DNA 복제가 끝나기 전에 모든 DNA 분자가 복제될 것이라고 생각했다. 그러나 최근 실험에 따르면 DNA 에도 복제 종료 지점이 있으며, DNA 복제는 복제 종료 지점에서 중지되며 반드시 모든 DNA 합성이 완료된 후일 필요는 없습니다. 그러나 현재 복제 종료 사이트의 구조와 기능에 대해서는 거의 알지 못합니다. NDA 복제 종료 단계에서 혼란스러운 질문은 선형 DNA 분자의 양쪽 끝이 어떻게 복제되는가 하는 것입니다. RNA 프라이머가 DNA 복제에 참여하는 것으로 알려져 있습니다. RNA 프라이머가 제거되면 중간에 남아 있는 틈새가 DNA 중합 I 로 채워진다. 선형 분자의 양쪽 끝은 5'→3' 을 템플릿으로 하는 후행체인 합성에서 끝의 RNA 프라이머가 제거되면 DNA 중합 효소로 채워질 수 없다.
이 문제는 T7DNA 복제를 연구할 때 부분적으로 해결되었다. T7DNA 의 양쪽 끝에 있는 DNA 서열장 160bp 는 정확히 같습니다. 그리고 T7DNA 복제 시 생성된 하위 DNA 분자는 T7DNA 길이의 단위가 아니라 T7DNA 의 많은 단위가 연결되어 있습니다. T7DNA 의 두 자식의 DNA 분자는 모두 3'- 끝 단일 가닥 꼬리, 두 자식 DNA 의 3'- 끝 꼬리는 상호 결합을 통해 두 T7DNA 단위의 선형 연결을 형성한다. 그런 다음 DNA 중합 효소 I 를 채우고 DNA 연결 효소를 연결한 후 4 단위 길이를 형성하는 T7DNA 분자를 계속 복제합니다. 이 복제는 여러 단위 길이의 T7DNA 분자를 형성할 수 있다. 이런 T7DNA 분자는 특정 핵산 내체효소에 의해 잘릴 수 있고, 친본 DNA 와 똑같은 쌍체인 T7DNA 분자는 DNA 중합효소로 채워질 수 있다.
여드름 바이러스 복제 연구에서 선형 DNA 분자가 끝 복제를 완료하는 두 번째 방법을 발견했다. 여드름 바이러스 DNA 는 양끝에 머리핀 고리 구조를 형성한다. DNA 복제 시 선형 분자 중간의 한 복제 시작점에서 시작하여 양방향으로 머리핀 링 구조를 이중 체인 링 DNA 로 변환합니다. 그런 다음 머리핀의 중심에서 다른 DNA 사슬을 잘라서 DNA 분자를 변성시키고 쌍사슬을 분리한다. 이렇게 각 분자의 양끝에 있는 단일 체인 꼬리는 모체 DNA 분자처럼 자기보완적이어야 하며 완전한 머리핀 구조를 형성해야 한다. 진핵생물의 선형 DNA 분자가 복제될 때, 끝부분의 복제 과정이 어떻게 진행되는지는 아직 분명하지 않다. 여드름 바이러스와 같은 머리핀 구조를 만들어 복제할 수도 있다. 그러나 최근 실험에 따르면 진핵 생물 염색체 끝 DNA 복제는 새로 복제된 DNA 끝에 새로운 끝 DNA 서열을 추가하는 특수한 효소로 나타났다. 이 메커니즘은 우선 사막충에서 발견되었다. 이 생물세포의 선형 DNA 분자 끝에는 30 ~ 70 개의 복사본이 있는 5'TTGGGG 3' 시퀀스가 있는데, 이 세포에는 TTGGG 시퀀스를 단일 키 DNA 끝에 있는 기존 TTGGGG 시퀀스에 추가할 수 있는 효소가 있다. 이렇게 하면 긴 말단 단일 가닥 DNA 가 있는데, 이는 유인효소나 다른 효소 단백질에 의해 합성 RNA 프라이머를 다시 유발할 수 있고, DNA 중합 효소는 그것을 이중 가닥 DNA 로 바꿀 수 있다. 이렇게 하면 그 DNA 가 끊임없이 복제됨에 따라 짧아지는 것을 막을 수 있다.
링 DNA 복제의 끝 종료 단계에서는 이 문제가 발생하지 않습니다. 고리형 DNA 복제가 끝날 때, 쌍사슬 DNA 는 DNA 토폴로지 이기종 효소 II 에 의해 잘렸고, 두 개의 DNA 분자는 친대 DNA 분자와 같은 두 개의 완전한 하위 DNA 로 분리되었다.
고등학교 생물학 분야의 DNA 복제
DNA 의 복제는 사슬을 풀고 복제하는 과정이다. 복제 초기에는 DNA 분자가 먼저 세포가 제공하는 에너지를 이용하여 해선효소의 작용으로 두 나선의 이중 사슬을 풀었다. (윌리엄 셰익스피어, DNA 분자, DNA 분자, DNA 분자, DNA 분자, DNA 분자, DNA 분자) 이 과정을 볼륨 해제라고 합니다. 그런 다음 풀린 각 모사슬을 템플릿으로 사용하여 주변 환경의 네 가지 디옥시뉴클레오티드를 원료로 하고, DNA 중합효소의 작용에 따라 염기쌍과 보완쌍의 원리에 따라 모사슬과 보완되는 자사슬을 각각 합성한다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 자기관리명언) 해체가 진행됨에 따라 새로 합성된 하위 체인도 계속 확장되면서 각 하위 체인과 해당 상위 체인이 이중 나선 구조로 감겨 새로운 DNA 분자를 형성합니다. 이런 식으로 DNA 분자 하나가 복제되어 세포 분열을 통해 두 개의 하위 세포에 분배된다!