Синтез ДНК у еукаріотів просторова організація
Синтез ДНК у еукаріотів: просторова організація
Просторова організація реплікативного синтезу ДНК у еукаріотів є одним з найбільш яскравих прикладів внутрішньоядерної компартменталізації генетичних процесів. Аналіз локалізації місць синтезу ДНК у ядрах ссавців з використанням імпульсної мітки бромдезоксиуридину або біотинілованого dUTP виявляє всього близько 150 місць включення цих попередників (центрів реплікації), які приблизно рівномірно віддалені один від одного. Під час ініціації синтезу ДНК розмір цих центрів малий, і вони виявляються у вигляді невеликих чітко окреслених "крапок", які з часом стають більш дифузними. У цих центрах реплікації відбувається акумуляція білків, що беруть участь у синтезі ДНК: ДНК-полімерази альфа, PCNA і RP-A, а також регуляторних молекул типу цикліну А, cdk2 і RPA70.
Імунохімічними методами з використанням частинок колоїдного золота було показано, що ланцюги ДНК, що ростуть, виходять з центрів реплікації. Це дозволяє припускати, що під час реплікативного синтезу ланцюга ДНК переміщуються через фіксовані всередині ядра структури реплікаційного апарату. Така внутрішньоядерна компартменталізація синтезу ДНК дозволяє концентрувати регуляторні, структурні та ферментативні компоненти, що беруть участь у реплікації та підтримці просторової структури хромосом. Ступінчасте складання функціонально активних елонгуючих комплексів у мікрокомпартментах ядра надає великі можливості для регулювання ініціації реплікативного синтезу ДНК.
Роль ядерних просторових структур у забезпеченні функціональних властивостей ДНК можна розглянути з прикладу реплікації хромосом в ооцитах Xenopus laevis. Ін'єкція прокаріотичної ДНК в ооцити або її додаваннядо екстрактів ооцитів супроводжується утворенням псевдоядер, компетентних щодо реплікації ДНК. Реплікація у таких системах просторово упорядкована: вона відбувається у дискретних ділянках ДНК, які містять кластери реплікативних виделок. При цьому спостерігається кореляція між числом і просторовим розподілом центрів реплікації в штучних псевдоядрах і ядрах клітин, що культивуються, що знаходяться в S-фазі . Отже, складання функціонуючих комплексів, здатних ініціювати реплікацію, не залежить від послідовностей нуклеотидів ДНК хромосом, але великою мірою залежить від внутрішньої просторової структури ядра і може ефективно відбуватися навіть на прокаріотичних ДНК. Це означає, що просторова структура ядра може безпосередньо контролювати його функції, у разі - ініціацію реплікації хромосом. Слід, проте, пам'ятати, що у ранніх ембріональних стадіях розвитку Xenopus контроль реплікації ослаблений, і число зон початку реплікації значно більше, ніж у соматичних клітинах.
Нормальний контроль реплікації встановлюється після збільшення тривалості клітинного циклу на стадії середньої бластули. У нормальних соматичних клітинах в повному обсязі центри реплікації одночасно починають синтез ДНК. Деякі з них функціонують у ранній, а деякі в пізній S-фазі клітинного циклу. Така диференціальна реплікація хромосом є важливим регуляторним механізмом, що забезпечує локальну організацію хроматину та активність генів.
Аналогічне явище виявлено у клітинах дріжджів, де функціонування у часі центрів реплікації залежить від положення хромосом у ядрі.