9.2 تضاعف DNA
أهداف التعلم
بحلول نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:- شرح عملية تضاعف DNA
- شرح أهمية التيلوميراز لتضاعف DNA
- وصف آليات إصلاح DNA
عندما تنقسم الخلية، من المهم أن تتلقى كل خلية بنوية نسخة مطابقة من DNA. يتم تحقيق ذلك من خلال عملية تضاعف DNA. يحدث تضاعف DNA خلال طور التخليق، أو الطور S، من دورة الخلية، قبل دخول الخلية في الانقسام المتساوي أو الانقسام المنصف.
قدم توضيح بنية اللولب المزدوج تلميحًا حول كيفية نسخ DNA. تذكر أن نيوكليوتيدات الأدينين تقترن بنيوكليوتيدات الثايمين، والسايتوسين بالغوانين. هذا يعني أن الخيطين متكاملان لبعضهما البعض. على سبيل المثال، خيط DNA بتسلسل نيوكليوتيدي AGTCATGA سيكون له خيط متكامل بتسلسل TCAGTACT (شكل 9.8).
نظرًا لتكامل الخيطين، فإن وجود خيط واحد يعني أنه من الممكن إعادة إنشاء الخيط الآخر. يشير هذا النموذج للتضاعف إلى أن خيطي اللولب المزدوج ينفصلان أثناء التضاعف، ويعمل كل خيط كقالب يتم منه نسخ الخيط المتكامل الجديد (شكل 9.9).
أثناء تضاعف DNA، يعمل كل من الخيطين اللذين يشكلان اللولب المزدوج كقالب يتم منه نسخ خيوط جديدة. سيكون الخيط الجديد متكاملًا مع الخيط الأبوي أو "القديم". يتكون كل خيط مزدوج جديد من خيط أبوي واحد وخيط بنوي جديد واحد. يُعرف هذا باسم التضاعف شبه المحافظ (semiconservative replication). عندما تتشكل نسختان من DNA، يكون لديهما تسلسل متطابق من القواعد النيوكليوتيدية ويتم تقسيمهما بالتساوي إلى خليتين بنويتين.
تضاعف DNA في حقيقيات النواة
نظرًا لأن جينومات حقيقيات النواة معقدة للغاية، فإن تضاعف DNA عملية معقدة جدًا تتضمن العديد من الإنزيمات والبروتينات الأخرى. تحدث في ثلاث مراحل رئيسية: البدء، والاستطالة، والإنهاء.
تذكر أن DNA حقيقي النواة يرتبط ببروتينات تُعرف بالهستونات لتشكيل تراكيب تسمى النيوكليوسومات. خلال مرحلة البدء، يصبح DNA متاحًا للبروتينات والإنزيمات المشاركة في عملية التضاعف. كيف تعرف آلية التضاعف أين تبدأ على اللولب المزدوج لـ DNA؟ يتضح أن هناك تسلسلات نيوكليوتيدية محددة تسمى مناشئ التضاعف حيث يبدأ التضاعف. ترتبط بروتينات معينة بمنشأ التضاعف بينما يقوم إنزيم يسمى الهيليكاز (helicase) بفك وفتح لولب DNA. مع انفتاح DNA، تتشكل تراكيب على شكل حرف Y تسمى شوك التضاعف (replication forks) (شكل 9.10). تتشكل شوكتا تضاعف عند منشأ التضاعف، وتتوسع هاتان الشوكتان في كلا الاتجاهين مع استمرار التضاعف. توجد مناشئ تضاعف متعددة على الصبغي حقيقي النواة، بحيث يمكن أن يحدث التضاعف في وقت واحد من عدة أماكن في الجينوم.
خلال مرحلة الاستطالة، يضيف إنزيم يسمى بوليميراز الحمض النووي (DNA polymerase) نيوكليوتيدات DNA إلى الطرف 3' للقالب. نظرًا لأن بوليميراز DNA يمكنه فقط إضافة نيوكليوتيدات جديدة في نهاية العمود الفقري، يتم إضافة تسلسل بادئ (primer)، والذي يوفر نقطة البداية هذه، مع نيوكليوتيدات RNA متكاملة. يتم إزالة هذا البادئ لاحقًا، ويتم استبدال النيوكليوتيدات بنيوكليوتيدات DNA. يتم تخليق خيط واحد، وهو متكامل مع خيط DNA الأبوي، بشكل مستمر باتجاه شوكة التضاعف حتى يتمكن البوليميراز من إضافة النيوكليوتيدات في هذا الاتجاه. يُعرف هذا الخيط المُخلَّق باستمرار باسم الخيط القائد (leading strand). نظرًا لأن بوليميراز DNA يمكنه فقط تخليق DNA في الاتجاه من 5' إلى 3'، يتم تجميع الخيط الجديد الآخر في قطع قصيرة تسمى قطع أوكازاكي (Okazaki fragments). تتطلب كل قطعة من قطع أوكازاكي بادئًا مصنوعًا من RNA لبدء التخليق. يُعرف الخيط الذي يحتوي على قطع أوكازاكي باسم الخيط المتأخر (lagging strand). مع استمرار التخليق، يزيل إنزيم بادئ RNA، والذي يتم استبداله بعد ذلك بنيوكليوتيدات DNA، ويتم إغلاق الفجوات بين القطع بواسطة إنزيم يسمى إنزيم ربط الحمض النووي (DNA ligase).
يمكن تلخيص عملية تضاعف DNA على النحو التالي:
- ينفك DNA عند منشأ التضاعف.
- تُضاف قواعد جديدة إلى الخيوط الأبوية المتكاملة. يتم صنع خيط جديد واحد بشكل مستمر، بينما يتم صنع الخيط الآخر على شكل قطع.
- تُزال البادئات، وتوضع نيوكليوتيدات DNA جديدة مكان البادئات، ويتم إغلاق العمود الفقري بواسطة إنزيم ربط الحمض النووي (DNA ligase).
ربط بصري
لقد عزلت سلالة خلوية يكون فيها ربط قطع أوكازاكي ضعيفًا وتشتبه في حدوث طفرة في إنزيم موجود عند شوكة التضاعف. ما هو الإنزيم الأكثر احتمالًا أن يكون قد طرأت عليه طفرة؟
تضاعف التيلوميرات
نظرًا لأن الصبغيات حقيقية النواة خطية، فإن تضاعف DNA يصل إلى نهاية الخط في الصبغيات حقيقية النواة. كما تعلمت، يمكن لإنزيم بوليميراز DNA إضافة النيوكليوتيدات في اتجاه واحد فقط. في الخيط القائد، يستمر التخليق حتى يتم الوصول إلى نهاية الصبغي؛ ومع ذلك، في الخيط المتأخر لا يوجد مكان لإنشاء بادئ لقطعة DNA ليتم نسخها في نهاية الصبغي. هذا يمثل مشكلة للخلية لأن النهايات تظل غير مقترنة، ومع مرور الوقت تقصر هذه النهايات تدريجيًا مع استمرار انقسام الخلايا. تُعرف نهايات الصبغيات الخطية باسم التيلوميرات (telomeres)، والتي تحتوي على تسلسلات متكررة لا تشفر لجين معين. ونتيجة لذلك، فإن التيلوميرات هي التي تقصر مع كل جولة من تضاعف DNA بدلاً من الجينات. على سبيل المثال، في البشر، يتكرر تسلسل من ستة أزواج قاعدية، TTAGGG، من 100 إلى 1000 مرة. ساعد اكتشاف إنزيم التيلوميراز (telomerase) (شكل 9.11) في فهم كيفية الحفاظ على نهايات الصبغيات. يرتبط التيلوميراز بنهاية الصبغي، وتُضاف قواعد متكاملة لقالب RNA على نهاية خيط DNA. بمجرد إطالة قالب الخيط المتأخر بشكل كافٍ، يمكن لبوليميراز DNA الآن إضافة نيوكليوتيدات متكاملة لنهايات الصبغيات. وبالتالي، يتم تضاعف نهايات الصبغيات.
يُوجد التيلوميراز عادةً نشطًا في الخلايا الجنسية، والخلايا الجذعية البالغة، وبعض الخلايا السرطانية. لاكتشافها التيلوميراز وعمله، حصلت إليزابيث بلاكبيرن (شكل 9.12) على جائزة نوبل في الطب وعلم وظائف الأعضاء عام 2009. أكدت الأبحاث اللاحقة باستخدام خلايا HeLa (التي تم الحصول عليها من هنريتا لاكس) أن التيلوميراز موجود في الخلايا البشرية. وفي عام 2001، وجد باحثون منهم ديان إل. رايت أن التيلوميراز ضروري لتكاثر الخلايا في الأجنة البشرية بسرعة.
التيلوميراز غير نشط في الخلايا الجسدية البالغة. تستمر الخلايا الجسدية البالغة التي تخضع لانقسام الخلية في قصر تيلوميراتها. هذا يعني أساسًا أن قصر التيلوميرات يرتبط بالشيخوخة. في عام 2010، وجد العلماء أن التيلوميراز يمكن أن يعكس بعض الحالات المرتبطة بالعمر في الفئران، وقد يكون لهذا إمكانات في الطب التجديدي.1 استُخدمت فئران تعاني من نقص التيلوميراز في هذه الدراسات؛ هذه الفئران تعاني من ضمور الأنسجة، واستنفاد الخلايا الجذعية، وفشل أجهزة الجسم، وضعف استجابات إصابات الأنسجة. تسبب إعادة تنشيط التيلوميراز في هذه الفئران في إطالة التيلوميرات، وتقليل تلف DNA، وعكس التنكس العصبي، وتحسين وظائف الخصيتين، والطحال، والأمعاء. وبالتالي، قد يكون لإعادة تنشيط التيلوميراز إمكانات لعلاج الأمراض المرتبطة بالعمر في البشر.
تضاعف DNA في بدائيات النواة
تذكر أن الصبغي بدائي النواة هو جزيء دائري ذو بنية حلزونية أقل اتساعًا من الصبغيات حقيقية النواة. الصبغي حقيقي النواة خطي وملتف بشدة حول البروتينات. بينما توجد العديد من أوجه التشابه في عملية تضاعف DNA، فإن هذه الاختلافات الهيكلية تستلزم بعض الاختلافات في عملية تضاعف DNA في هذين الشكلين من أشكال الحياة.
لقد تمت دراسة تضاعف DNA بشكل جيد للغاية في بدائيات النواة، ويرجع ذلك أساسًا إلى صغر حجم الجينوم والعدد الكبير من المتغيرات المتاحة. تحتوي بكتيريا Escherichia coli على 4.6 مليون زوج قاعدي في صبغي دائري واحد، ويتم تضاعف كل ذلك في حوالي 42 دقيقة، بدءًا من منشأ تضاعف واحد ومتابعة حول الصبغي في كلا الاتجاهين. هذا يعني أنه يتم إضافة حوالي 1000 نيوكليوتيد في الثانية. العملية أسرع بكثير مما هي عليه في حقيقيات النواة. جدول 9.1 يلخص الاختلافات بين تضاعف الحمض النووي في بدائيات النواة وحقيقيات النواة.
| الخاصية | بدائيات النواة | حقيقيات النواة |
|---|---|---|
| منشأ التضاعف | واحد | متعدد |
| معدل التضاعف | 1000 نيوكليوتيد/ثانية | 50 إلى 100 نيوكليوتيد/ثانية |
| تركيب الصبغي | دائري | خطي |
| التيلوميراز | غير موجود | موجود |
رابط للتعلم
انقر على برنامج تعليمي حول تضاعف الحمض النووي (DNA).
إصلاح DNA
يمكن لبوليميراز DNA أن يرتكب أخطاء أثناء إضافة النيوكليوتيدات. يقوم بتعديل DNA عن طريق تدقيق كل قاعدة مضافة حديثًا. تُزال القواعد غير الصحيحة وتُستبدل بالقاعدة الصحيحة، ثم تستمر البلمرة (شكل 9.13أ). تُصحح معظم الأخطاء أثناء التضاعف، على الرغم من أنه عندما لا يحدث ذلك، تُستخدم آلية إصلاح عدم التطابق (mismatch repair). تتعرف إنزيمات إصلاح عدم التطابق على القاعدة المدمجة بشكل خاطئ وتستأصلها من DNA، مستبدلة إياها بالقاعدة الصحيحة (شكل 9.13ب). في نوع آخر من الإصلاح، وهو إصلاح استئصال النيوكليوتيد (nucleotide excision repair)، يتم فك و فصل خيط DNA المزدوج، وتُزال القواعد غير الصحيحة مع بضع قواعد على الطرفين 5' و 3'، ويتم استبدالها بنسخ القالب بمساعدة بوليميراز DNA (شكل 9.13ج). يُعد إصلاح استئصال النيوكليوتيد مهمًا بشكل خاص في تصحيح ثنائيات الثايمين، والتي تسببها بشكل أساسي الأشعة فوق البنفسجية (UV). في ثنائي الثايمين، ترتبط نيوكليوتيدتا ثايمين متجاورتان على خيط واحد تساهميًا ببعضهما البعض بدلاً من قواعدهما المتكاملة. إذا لم يتم إزالة الثنائي وإصلاحه، فسيؤدي ذلك إلى طفرة. يُظهر الأفراد الذين يعانون من عيوب في جينات إصلاح استئصال النيوكليوتيد حساسية شديدة لأشعة الشمس ويصابون بسرطانات الجلد في وقت مبكر من حياتهم.
تُصحح معظم الأخطاء؛ وإذا لم تُصحح، فقد تؤدي إلى طفرة (mutation)—تُعرّف بأنها تغيير دائم في تسلسل DNA. قد تؤدي الطفرات في جينات الإصلاح إلى عواقب وخيمة مثل السرطان.