DNA-replicatie

DNA-replicatie - Een beknopt overzicht
DNA-replicatie staat aan de basis van biologische overerving. Het is een fundamenteel proces dat in alle organismen plaatsvindt om DNA te kopiëren. Het is een "semi-conservatief" proces omdat elke streng van de oorspronkelijke dubbele spiraal van het DNA-molecuul als sjabloon dient voor de reproductie van de complementaire streng. Het proces van DNA-replicatie brengt zo twee identieke DNA-molecules voort uit een enkel molecuul met een dubbele streng. Celmechanismen voor proeflezing en foutencontrole staan borg voor een bijna perfecte betrouwbaarheid van de DNA-kopieën. DNA-replicatie begint op specifieke locaties in het genoom die "ori's" ("origins of replication") worden genoemd. Het DNA wikkelt zich bij zo'n ori af en vormt zo de "replicatievork".

DNA-replicatie kan slechts in één richting gebeuren, van de bovenzijde naar de onderzijde van de DNA-streng. Omdat de strengen die de dubbele spiraal van het DNA vormen zich op een antiparallelle manier ten opzichte van elkaar bewegen, waarbij de bovenzijde van de ene streng langs de onderzijde van de andere streng wordt gepositioneerd, heeft slechts één streng bij elke replicatievork de correcte oriëntatie (van beneden naar boven) om de bouw van een nieuwe streng te leiden (van boven naar beneden). Voor deze leidende streng zet de DNA-replicatie zich continu voort in de richting van de beweging van de replicatievork.

DNA-replicatie kan niet plaatsvinden langs de "volgende" streng, dat wil zeggen de streng die van boven naar beneden is georiënteerd, voordat er een aanzienlijk stuk DNA is blootgelegd. De DNA-replicatie beweegt zich dan van de replicatievork vandaan. De replicatie kan nu slechts over een korte afstand plaatsvinden, langs de streng die "van boven naar beneden" loopt, omdat het replicatieproces moet wachten tot er een groter gedeelte van de oorspronkelijke DNA-streng is afgewikkeld.

DNA-replicatie - Het replisoom
Het replisoom is de complexe moleculaire machine die de replicatie van DNA uitvoert. Het replisoom bestaat uit een aantal componenten, die tijdens het replicatieproces elk een specifieke functie uitvoeren. Helicase is een enzym dat de waterstofverbindingen tussen de twee DNA-strengen afbreekt en zo de strengen scheidt voordat de DNA-synthese plaatsvindt. Wanneer helicase de dubbele spiraal afwikkelt, geeft het de aanzet tot de vorming van superspiralen in andere delen van het DNA.

Gyrase zorgt voor de ontspanning en het uit elkaar ritsen van deze superspiralen door de DNA-strengen door te knippen. Dit zorgt er voor dat de superspiraal roteert en vrijkomt en zich vervolgens opnieuw met de strengen verbindt. Gyrase bevindt zich meestal voorbij de replicatievork, waar de superspiralen worden gevormd.

Primase voegt complementaire RNA-primers toe aan de DNA streng om zo Okazakifragmenten te beginnen. En omdat DNA-polymeren een streng alleen maar kunnen voortzetten (maar niet beginnen), kan primase ook de leidende streng starten.

DNA-polymerase III bestaat uit twee katalytische kernen; één voor de replicatie van de leidende streng en één voor de volgende streng. Maar DNA polymerase III kan niet lang genoeg op de DNA-streng blijven om op een efficiënte manier een dochterstreng te repliceren. Daarom wordt de DNA polymerase III op de strengen gehouden met een zogenaamde "beta-klem". Deze klem heeft drie componenten die de streng insluiten en er voor zorgen dat DNA polymerase III enkele duizenden (in plaats van honderden) nucleotiden lang op de streng zal blijven.

DNA polymerase I verwijdert de RNA-primers die door de primase werden toegevoegd en voltooit de Okazakifragmenten. Nadat DNA polymerase I de streng van Okazakifragmenten heeft voortgezet, blijft er een kleine opening over. Ligase is nodig om die opening te sluiten. De twee uiteinden van de Okazakifragmenten worden vervolgens met covalente verbindingen verbonden.

Speciale eiwitten, die zelf uit een enkele streng bestaan, verbinden de blootgelegde basen om chemische instabiliteit tegen te gaan en om te voorkomen dat enkele DNA-strengen zich via waterstofverbindingen met zichzelf verbinden, wat tot gevaarlijke haarspeldstructuren zou leiden.

DNA-polymerasen bevatten een proefleesmechanisme, dat vaak "exonuclease activiteit" wordt genoemd. Dit mechanisme verwijdert nucleotiden die abusievelijk werden toegevoegd.

DNA-replicatie - Een ontworpen proces
DNA-replicatie vormt een grote uitdaging voor mensen met een Darwinistische levensbeschouwing. DNA-replicatie is het proces waarmee biologische informatie wordt gekopieerd en aan volgende generaties wordt overgedragen. Het is daarom fundamenteel voor de zelfreplicatie van levende cellen. Maar een dergelijke zelfreplicatie is noodzakelijk voor de werking van selectieve processen zoals natuurlijke selectie. Pogingen om de enorm ingewikkelde complexiteit van dit mechanisme middels natuurlijke selectie te verklaren vereist dus de aanname van juist datgene wat verklaard moet worden. Vanwege de enorm ingewikkelde aard van het replicatiesysteem namen de meeste biochemici in het verleden aan dat het systeem slechts één keer tot ontstaan kwam, namelijk vóór de opkomst van de laatste gemeenschappelijke voorouder. Daarnaast werden de grote functionele overeenkomsten van het DNA-replicatiesysteem in al het leven als bewijs beschouwd voor die enkele oorsprong van het systeem. Maar in 1999 toonden onderzoekers van het National Institutes of Health in de Verenigde Staten aan dat de belangrijkste enzymen die nodig zijn voor de DNA-replicatie van bacteriën en van archaea/eukaryoten (de twee belangrijkste stammen van de evolutionaire levensboom) geen gemeenschappelijke evolutionaire oorsprong hebben. Twee identieke DNA-replicatiesystemen zijn dus onafhankelijk van elkaar ontstaan in bacteriën en archaea en wel nadat deze twee evolutionaire stamlijnen zich zouden hebben afgesplitst van de laatste gemeenschappelijke voorouder.

Het idee dat dit wonderbaarlijke ingenieurswerk een enkele keer zou kunnen evolueren is al onvoorstelbaar, laat staan dat dit twee keer zou gebeuren. Er bestaat geen enkele duidelijke reden waarom DNA-replicatie via een semi-conservatief, RNA primer-afhankelijk, tweerichtingsmechanisme zou moeten plaatsvinden dat leidt tot leidende en volgende strengen die vervolgens DNA dochtermolecules voortbrengen. Zelfs als DNA-replicatie al twee keer onafhankelijk zou kunnen zijn geëvolueerd, dan zouden we redelijkerwijs kunnen verwachten dat er twee verschillende systemen voor bacteriën en archaea/eukaryoten zouden zijn ontstaan, gezien de verschillen in karakteristieken. Maar dat is niet het geval.

Leer meer!