RNS praimeri DNS replikācijā

DNS polimerāze pievieno nukleotīdus tikai vienā virzienā, ķēdes tā sauktajā trīs prim galā, un tai nepieciešama jau izveidota hidroksilgrupa, pie kuras veidot jauno ķīmisko saiti. Bez šāda gala fermentam vienkārši nav kur pieķerties.

Šis šķietamais trūkums patiesībā ir saistīts ar precizitāti. DNS polimerāze spēj pārbaudīt tikko pievienoto nukleotīdu un kļūdas gadījumā to izgriezt. Šāda pārbaude ir iespējama tikai tad, ja fermentam ir iepriekšējais nukleotīds, ar kuru salīdzināt. Ferments, kas ķēdi sāktu no nulles, šādu pārbaudi veikt nevarētu, un tieši tāpēc sākšanas uzdevums ir nodots citam, mazāk precīzam fermentam.

Primāze patiešām ir neprecīzāka un kļūdas nelabo. Tas šūnai nav problēma, jo viss primāzes izveidotais posms tik un tā tiks izgriezts. Precizitāti nodrošina darba sadalījums: neprecīzais ferments veido pagaidu daļu, precīzais ferments veido paliekošo.

Praimeru izveide un noņemšana ir strikti secīga, un katrā solī darbojas atsevišķs ferments. Zemāk aprakstīta šī secība vienā replikācijas dakšā.

1. Helikāze atdala abas DNS ķēdes, veidojot replikācijas dakšu.
2. Vienas ķēdes saistošās olbaltumvielas neļauj atdalītajām ķēdēm savienoties atpakaļ.
3. Primāze pie ķēdes izveido īsu RNS posmu, praimeri.
4. DNS polimerāze pieslēdzas praimera brīvajam galam un sāk veidot jauno DNS ķēdi.
5. Vadošajā ķēdē sintēze turpinās nepārtraukti, atpaliekošajā tā notiek atsevišķos fragmentos, katram ar savu praimeri.
6. Ferments, kas atpazīst RNS un DNS hibrīdu, kopā ar izgriešanas fermentu praimeri noņem.
7. Radušos robu aizpilda DNS polimerāze, veidojot DNS tās vietā, kur bija RNS.
8. DNS ligāze noslēdz pēdējo pārrāvumu, un ķēde kļūst nepārtraukta.

Abas DNS ķēdes ir pretēji vērstas, bet polimerāze spēj strādāt tikai vienā virzienā. Tāpēc vienā pusē sintēze rit vienmērīgi līdzi dakšas atvēršanai, bet otrā pusē tā ir spiesta notikt gabalos, virzienā pretēji dakšas kustībai. Tieši šī asimetrija nosaka, cik daudz praimeru ir nepieciešams.

Praimera noņemšana ir vismaz tikpat svarīga kā tā izveide. Ja RNS paliktu iebūvēta DNS molekulā, tā būtu vāja vieta, jo RNS ir ķīmiski nenoturīgāka un viegli pārtrūkst. Rezultātā rastos hromosomu pārrāvumi.

Noņemšanā piedalās ferments, kas atpazīst tieši RNS un DNS hibrīda posmu, un atsevišķs izgriešanas ferments, kas nogriež pārvirzīto galu. Pēc tam radušos robu ar DNS aizpilda tā pati polimerāze, kas veidoja pārējo ķēdi, jo tai tagad ir pieejams brīvs DNS gals.

Pēdējais solis ir ligāzes darbs. Tā izveido kovalento saiti starp diviem blakus esošiem nukleotīdiem un padara ķēdi nepārtrauktu. Ja ligāzes darbība ir traucēta, DNS paliek ar daudziem sīkiem pārrāvumiem, un tas šūnai ir bīstami.

• RNS un DNS hibrīdu atpazīstošais ferments: nogriež praimera lielāko daļu.
• Izgriešanas ferments: noņem atlikušo pārvirzīto galu, ko polimerāze ir atbīdījusi.
• DNS polimerāze: aizpilda radušos robu ar DNS nukleotīdiem.
• DNS ligāze: noslēdz pārrāvumu un padara ķēdi nepārtrauktu.
• Kontroles mehānismi: aizkavē šūnas dalīšanos, kamēr visi pārrāvumi nav noslēgti.

Šis ir tas jautājums, kuru īsi apraksti parasti izlaiž. Ja praimeris būtu no DNS, šūnai vēlāk nebūtu iespējas atšķirt pagaidu posmu no paliekošā. Pagaidu posms būtu izveidots ar neprecīzo fermentu, tajā būtu vairāk kļūdu, un šīs kļūdas paliktu ģenomā uz visiem laikiem.

Izmantojot RNS, šūna faktiski atzīmē pagaidu gabalu ar ķīmisku birku. Jebkurš RNS posms DNS ķēdē ir pazīme, ka šī vieta jāpārbūvē. Tas ir elegants risinājums: atšķirība materiālā kalpo kā informācija.

Ir vēl viens iemesls, kas saistīts ar dzīvības izcelsmi. Pastāv plaši atbalstīta hipotēze, ka agrīnajā dzīvības attīstībā RNS bija gan informācijas nesēja, gan fermentu funkciju veicēja, un DNS parādījās vēlāk kā noturīgāks glabāšanas veids. Tas, ka DNS kopēšana joprojām sākas ar RNS gabaliņu, tiek uzskatīts par vienu no šīs senās kārtības pēdām.

Praimeru izmantošana rada vienu neatrisināmu grūtību. Kad pašā hromosomas galā tiek noņemts pēdējais praimeris, aizpildīt radušos robu nav iespējams, jo nav pieejama iepriekšējā ķēdes daļa, pie kuras polimerāze varētu pieslēgties. Tādējādi ar katru dalīšanos hromosoma kļūst mazliet īsāka.

Risinājums ir telomēras, atkārtojošas nukleotīdu virknes hromosomu galos, kurās nav svarīgas informācijas. Tās darbojas kā buferis: saīsinās tās, nevis gēni. Telomēru pakāpeniska saīsināšanās tiek uzskatīta par vienu no šūnu novecošanas mehānismiem, jo pēc noteikta saīsinājuma šūna pārstāj dalīties.

Dažas šūnas, tostarp dzimumšūnas, cilmes šūnas un liela daļa audzēja šūnu, ražo telomerāzi, fermentu, kas telomēras pagarina. Tieši tāpēc audzēja šūnas spēj dalīties praktiski bez ierobežojuma, un telomerāze ir viens no pētītajiem pretaudzēju terapijas mērķiem.

Vārds praimeris laboratorijā parasti apzīmē ko citu: mākslīgi sintezētu īsu DNS posmu, ko izmanto polimerāzes ķēdes reakcijā (PCR). Princips ir tas pats, proti, dot polimerāzei sākuma punktu, bet mākslīgais praimeris ir no DNS un to izvēlas cilvēks, lai norādītu, kura ģenoma daļa jāpavairo. Tieši šī tehnoloģija ir pamatā gan infekciju noteikšanai, gan ģenētiskajai diagnostikai.

Otra praktiskā joma ir zāles. Vairāki pretvīrusu un pretaudzēju līdzekļi darbojas kā viltus nukleotīdi: polimerāze tos iebūvē ķēdē, bet turpināt sintēzi pēc tam vairs nevar. Tāpēc šo zāļu darbība ir cieši saistīta ar to, cik atšķirīgi ir cilvēka un vīrusa fermenti.

Trešā joma ir slimības, kurās bojāti praimeru apstrādes fermenti. Ja RNS un DNS hibrīdus noārdošā fermenta kompleksa darbība ir traucēta, šūnās uzkrājas nukleīnskābju fragmenti, ko imūnsistēma kļūdaini uztver kā vīrusu materiālu. Rezultāts ir iedzimta slimību grupa ar smagu iekaisumu nervu sistēmā. Šādi stāvokļi ir reti, tos diagnosticē ģenētiķis sadarbībā ar bērnu neirologu.

• PCR un tā atvasinājumi: mākslīgi DNS praimeri ļauj mērķtiecīgi pavairot izvēlētu ģenoma posmu.
• Sekvencēšana: arī tā sākas ar praimeri, kas norāda nolasīšanas sākuma vietu.
• Pretvīrusu līdzekļi: daudzi darbojas kā ķēdes sintēzi pārtraucoši nukleotīdu analogi.
• Pretaudzēju līdzekļi: daļa traucē replikāciju tieši strauji dalošajās šūnās.
• Iedzimtas slimības: praimeru noņemšanas un DNS remonta fermentu defekti rada retus, bet smagus sindromus.

Visbiežāk tos sajauc ar informatīvo RNS. Informatīvā RNS ir gēna kopija, kas nes informāciju olbaltumvielas veidošanai, un tā rodas pavisam citā procesā, transkripcijā. Praimeris informāciju nenes un nekad netiek tulkots olbaltumvielā; tā vienīgais uzdevums ir dot polimerāzei sākuma punktu.

Otra neskaidrība ir starp praimeri un primāzi. Primāze ir ferments, tas ir, darbīgā olbaltumviela; praimeris ir tās izveidotais produkts. Šo divu jēdzienu jaukšana ir viena no biežākajām kļūdām eksāmenos.

Trešā neskaidrība rodas, salīdzinot šūnas praimeri ar PCR praimeri. Šūnā praimeris ir no RNS, to veido pati šūna, un tas vēlāk tiek izņemts. PCR reakcijā praimeris ir no DNS, to sintezē laboratorijā, un tas paliek gatavajā produktā. Vienīgā kopīgā iezīme ir loma: abi norāda polimerāzei, kur sākt.