DNA replikation: enzymer, leading strand og lagging strand forklaret

Når du skraber knæet, begynder hudcellerne omkring såret at dele sig. Hver eneste ny celle skal have en komplet kopi af dit arvemateriale, cirka 6 milliarder basepar, og det skal være klaret på få timer. DNA replikation er det molekylære kopiarbejde, der gør det muligt, og det foregår med en præcision, som ingen kopimaskine kan matche.

Det mærkelige er, at kopieringen ikke bare er hurtig, men også bygget op omkring et lille konstruktionsproblem: DNA's to strenge løber i hver sin retning, mens enzymet, der kopierer dem, kun kan arbejde i én. Løsningen er en af biologiens mest elegante omveje, og den forklarer ord som leading strand, lagging strand og Okazaki-fragmenter. Her får du hele historien fra start til slut.

Hvad er DNA replikation?

Tænk på en lynlås, der bliver åbnet. Hver side af lynlåsen kan nu fungere som skabelon for en ny modsat side, og når du er færdig, har du to hele lynlåse i stedet for én. Sådan fungerer replikationen også. De to strenge i dobbelthelixen adskilles, og hver streng bruges som skabelon, fordi baserne altid parrer på samme måde: A med T og C med G. Hvis du har brug for at genopfriske, hvordan DNA er opbygget, kan du starte med vores guide til hvad DNA er.

Kopieringen sker i cellecyklussens S-fase, hvor S står for syntese. Her bliver DNA'et fordoblet, så cellen bagefter kan dele sig med en fuld kopi til hver datter. Uden replikation ingen celledeling, og uden celledeling ingen vækst, ingen sårheling og ingen ny generation af blodceller. Arbejdet koster energi i form af ATP, som planter laver ved fotosyntese, og som dyr og svampe får fra respiration eller gæring. Selv kulstoffet i hver eneste nukleotid har været en tur rundt i kulstofkredsløbet.

Hvordan ved vi, at kopien er halv gammel og halv ny?

Der var tre tænkelige modeller. Enten kunne den gamle dobbelthelix forblive intakt og bare fungere som skabelon for en helt ny (konservativ replikation). Eller også kunne de gamle strenge blive hakket i stykker og blandet med nye stykker (dispersiv replikation). Eller også kunne hver ny helix få én gammel og én ny streng (semi-konservativ replikation). I 1958 afgjorde Matthew Meselson og Franklin Stahl sagen med et snedigt forsøg.

De dyrkede bakterier i en næringsopløsning med tungt kvælstof (N-15), så al bakteriernes DNA blev tungt. Derefter flyttede de bakterierne over i almindeligt, let kvælstof (N-14) og lod dem dele sig. Efter én generation havde alt DNA en mellemvægt. Efter to generationer var halvdelen mellemtungt og halvdelen let. Det resultat passer kun med den semi-konservative model: hver ny helix indeholder én tung og én let streng.

Enzymerne ved replikationsgaflen

Hvis du skulle kopiere en fem meter lang snor, der er snoet om sig selv, ville du få brug for hjælp: én, der åbner den, én, der holder den åben, én, der løsner knuderne, og én, der syr de nye stykker sammen. Cellen har præcis samme arbejdsfordeling. Området, hvor helixen bliver åbnet, ligner et Y og kaldes replikationsgaflen. Her arbejder en hel gruppe enzymer side om side, og Biology LibreTexts' gennemgang af DNA-replikation beskriver, hvordan de hver især løser et konkret problem.

Bemærk, at helicase og topoisomerase ofte forveksles. Helicase skiller de to strenge ad, mens topoisomerase fjerner den spænding, der opstår længere fremme i molekylet, når helixen bliver tvunget til at rotere. Det er to forskellige opgaver. Tilsammen kaldes enzymerne og hjælpeproteinerne ved gaflen for replisomet, og det bevæger sig langs DNA'et som et lille, ihærdigt fabriksanlæg.

DNA replikation trin for trin

Hvad sker der egentlig, når cellen trykker på startknappen? Forløbet kan opdeles i fem trin, selvom de i virkeligheden overlapper hinanden, så snart gaflen er i gang. Et godt overblik gør det meget nemmere at huske, hvilket enzym der kommer hvornår, og hvorfor rækkefølgen er logisk.

1. 1

   Start ved replikationsoriginen

   Specielle proteiner binder til et bestemt sted på DNA'et, kaldet replikationsorigin. Her bliver helixen åbnet først, og der dannes en replikationsboble med en gaffel i hver ende.

2. 2

   Helicase åbner helixen

   Helicase bryder hydrogenbindingerne mellem baserne og bevæger sig fremad. SSB-proteiner holder strengene adskilt, og topoisomerase løsner spændingen foran gaflen.

3. 3

   Primase lægger en primer

   Primase laver en kort RNA-primer, som giver DNA-polymerasen en fri 3'-ende at bygge videre på. Uden primeren kan polymerasen ikke starte.

4. 4

   DNA-polymerase bygger den nye streng

   Polymerasen sætter komplementære nukleotider på, altid fra 5' mod 3'. På den ene skabelon bygges strengen i ét stræk (leading strand). På den anden bygges den i korte stykker (lagging strand).

5. 5

   Primerne fjernes og hullerne lukkes

   RNA-primerne bliver skiftet ud med DNA, og DNA-ligase lukker de sidste brud i rygraden. Resultatet er to færdige dobbeltstrenge.

Leading strand og lagging strand

Her kommer det lille konstruktionsproblem. DNA-polymerasen kan kun bygge i én retning: den sætter altid nye nukleotider på 3'-enden af en voksende streng, så en ny streng vokser fra 5' mod 3'. Samtidig løber de to skabelonstrenge antiparallelt. Når helixen åbner sig, passer retningen derfor til polymerasen på den ene skabelon, men er modsat på den anden. Som en gennemgang af Okazaki-fragmenters metabolisme i PubMed Central forklarer, kan den ene streng forlænges kontinuerligt i samme retning, som helixen åbner, mens den anden skal forlænges periodisk væk fra den åbnende helix.

Leading strand er den streng, der passer til polymerasens retning. Den bliver bygget i ét kontinuerligt stræk efter den første primer, mens helicasen åbner helixen foran den. Lagging strand er en helt anden historie. Polymerasen må arbejde væk fra gaflen, så hver gang helicasen har åbnet et nyt stykke, skal primase lægge en ny primer, og polymerasen bygger et kort fragment bagud mod det forrige. Disse fragmenter kaldes Okazaki-fragmenter efter Reiji og Tsuneko Okazaki. I bakterier danner lagging-strengen ofte en løkke, så de to polymeraser kan sidde sammen og følges ad ved gaflen.

Størrelsen varierer mellem organismer. I bakterier er et typisk Okazaki-fragment omkring 1 til 2 kilobaser langt, og ifølge en artikel i tidsskriftet PNAS om Okazaki-fragmentproblemet tager det kun få sekunder at lave ét. Hos eukaryote celler er fragmenterne meget kortere, omkring 150 til 200 basepar, som det fremgår af Wikipedias opslag om Okazaki-fragmenter. Til sidst fjerner et enzym RNA-primerne, polymerasen fylder hullerne med DNA, og DNA-ligase samler stumperne til én sammenhængende streng.

Replikation hos bakterier og eukaryote celler

Er der forskel på at kopiere en bakteries DNA og dit eget? Princippet er det samme, men skalaen er vidt forskellig. En bakterie har ét lille, ringformet kromosom. Dine celler har lange, lineære kromosomer, hvor det ville tage alt for lang tid at starte ét sted. Derfor har eukaryote celler mange replikationsorigins pr. kromosom, og de mange gafler arbejder samtidig.

Navnene på enzymerne er forskellige, men jobbene er de samme: åbne, starte, bygge, rydde op og samle. Hvis du kan beskrive bakteriernes system, kan du i det store hele også beskrive dit eget.

Korrekturlæsning og fejl i kopien

Forestil dig, at du skriver en roman på 3 milliarder bogstaver af i hånden. Selv med en fejl pr. million bogstaver ville du ende med tusindvis af tastefejl. Cellen klarer det meget bedre, fordi DNA-polymerasen læser korrektur, mens den arbejder. Hvis den sætter en forkert base på, bakker den et skridt og fjerner den med sin 3' til 5'-exonukleaseaktivitet, før den fortsætter. Bagefter gennemgår reparationssystemer kopien og retter de fejl, der slap igennem.

Alligevel sker det, at en fejl slipper igennem. Den bliver så en del af DNA-sekvensen og kopieres videre til alle efterfølgende celler. Det er sådan, mange mutationer opstår. Langt de fleste er harmløse, nogle få er skadelige, og en meget lille del giver en fordel, som evolutionen kan arbejde videre med.

Principperne bruges også uden for cellerne. Når forskere vil lave mange kopier af et lille stykke DNA, kan de gøre det i et reagensglas med en DNA-polymerase og kunstige primere. Metoden hedder PCR, og den nævnes i Wikipedias oversigt over DNA replikation som et eksempel på replikation uden for den levende celle.

Replikation, transkription og translation

Tre ord, der ligner hinanden, og som alle kan få dig til at tøve til eksamen. Tag et gen som insulin. Replikation kopierer hele genomet, inklusive insulingenet, før cellen deler sig. Transkription laver en RNA-kopi af netop dette gen, og translation oversætter RNA'et til selve insulinproteinet. Du kan læse hele historien om de to sidste trin i vores artikel om proteinsyntese.

Replikation kopierer altså hele manualen, mens transkription og translation kun slår op i ét kapitel ad gangen. Samme DNA bruges i alle tre processer, men formålet er forskelligt.

Typiske fejl i DNA replikation

Vores certificerede biologitutors kan gennemgå replikationsgaflen sammen med dig, helt i dit tempo, og din første prøvetime koster 99 kr. uden binding. Flere forklaringer til biologi finder du under lektiehjælp i biologi.