Точки начала репликации

Репликация больших геномов эукариот, происходящая в течение относительно короткой S-фазы клеточного цикла, представляется довольно сложной задачей. Каким образом клетка «узнает», что вся ДНК реплицирована? Аппарат репликации эукариот просто не в состоянии двигаться со скоростью достаточной для копирования всей ДНК эукариотических хромосом в пределах предоставленного S-фазой времени и репликация не сможет завершиться, если начнется в одной единственной точке начала репликации, как это имеет место у Escherichia coli. Для успешной и полной репликации эукариоты начинают удвоение ДНК во многих точках начала репликации, которые распределены по хромосомам: у почкующихся дрожжей обнаружено 400 точек начала репликации, а в клетках человека таких точек насчитывается около 60.000. Точки начала репликации расположены так, что вся ДНК может быть реплицирована в относительно короткий предоставленный для этого процесса промежуток времени.

Каким же образом «запуск» всех точек начала репликации согласуется так, что каждая из них активируется раз и только раз в течение S-фазы. Если бы какие-нибудь точки начала репликации активировались больше или меньше одного раза в S-фазе последствия для клетки были бы драматическими: происходили бы дупликация или потеря генов. Согласованная активация точек начала репликации контролируется с помощью механизма называемого «лицензированием». При этом каждая точка начала репликации получает разрешение удвоиться только один раз в течение клеточного цикла. Удвоение каждой конкретной точки начала репликации «снимает лицензию», которая не может быть возобновлена до тех пор, пока клетка не осуществит весь цикл и не пройдет через митоз.

Участок хромосомной ДНК, удвоение которого инициируется в одной точке начала репликации, получил название репликона. Точка начала репликации генетически определяется как репликаторный элемент (или просто репликатор). Классическим репликоном, как упоминалось ранее, является хромосома Escherichia coli: она содержит один единственный сайт-репликатор (т.е. имеет одну точку начала репликации), обозначаемый oriC (рис. в разделе «репликация ДНК E. coli). Начало репликации зависит от участия особых инициаторных белков, часто называемых просто нициаторами, (в случае E. coli это продукт гена DnaA), которые связываются с репликатором (точкой начала репликации) и, прямо или косвенно, способствуют плавлению дуплекса ДНК и предоставляя аппарату репликации, доступ к двум отдельным цепям ДНК. В свою очередь, инициаторы связываются с дополнительными белковыми факторы, совместное действие которых порождает «волну» репликации ДНК, распространяющуюся в двух направлениях от точки начала репликации со скоростью 750–1250 нуклеотидов в секунду.

В противоположность единственной хромосоме E. coli (размером 410⁶ пар оснований) средние размеры хромосом человека составляют 15010⁶ пар оснований. Поскольку аппарат репликации млекопитающих движется со скоростью всего 20-100 нуклеотидов в секунду (вероятно в связи с нуклеосомной организацией ДНК в хроматине) потребовалось бы 2000 часов для удвоения ДНК такой длины при инициировании процесса в одной точке начала репликации. Для большинства клеток человека длительность S-фазы составляет приблизительно 8 час. Это означает, что для удвоения средней хромосомы в отпущенное время должно использоваться, по меньшей мере, от 25 до 125 точек начала репликации. В действительности точки начала репликации расположены намного более плотно, чем это вытекает из простых расчетов. Так было установлено, что у млекопитающих точки начала репликации расположены на расстоянии приблизительно 100.000 – 150.000 пар оснований друг от друга. Другими словами в удвоении полного генома человека принимает участие около 60.000 точек начала репликации.

В качестве наиболее удачного примера используется рассмотрение событий, происходящих в репликаторах Saccharomyces cerevisiae, поскольку репликация ДНК дрожжей изучена лучше, чем у любых других эукариот.