DNS-kettőződés DNA replication a DNS egészének lemásolása a sejt osztódása előtt, azért, hogy a számtartó sejtosztódásban mindkét utódsejtbe teljes DNS állomány kerüljön. A kettőződés csupán néhány órát vesz igénybe, melynek végeztével – átmenetileg – egy olyan sejt keletkezik, amelyben kétszer annyi DNS van, mint a megkettőződést megelőzően (4n, azaz négykészletes sejt). A 4n DNS állomány fele adódik át az osztódásban keletkező két leánysejt mindegyikébe, így a szülő- és leánysejtek – elviekben – genetikailag azonosak lesznek. A DNS-kettőződés meglehetősen pontos: 10⁹ nukleotid lemásolására esik 1 hiba.

DNS-kettőződés és a kromatin átalakulása A DNS kettőződésének a kettőződési villákban szigorúan összhangban kell lennie a buborékban végbemenő kromatin átalakulásával. A DNS-szálak másolódásához a DNS-láncnak el kell válnia a magtestecs hisztonmagjától, ami a magtestecs felbomlásával következik be. A magtestecsek, illetve hisztonok kikerülnek a kettőződési villából, hogy ne akadályozzák a kettőződést. A kettőződést követően, tehát a villa záródásakor azonnal helyre kell állítódnia a kromatinnak. A szabaddá vált hisztonok beépülnek az új megtestecsekbe. Ugyanakkor új hisztonok sokasága is képződik; ezek szintén az új magtestecsek alkotói. Az új hisztonok szintén az S-szakaszban keletkeznek. Az új DNS-láncokhoz azonnal kapcsolódnak a hisztonok, létrehozva az új magtestecseket. Az újonnan képződött hisztonok a késlekedőszálat, az eredeti hisztonok a vezetőszálat tartalmazó DNS-lánchoz kötődnek.

Mint már tárgyaltuk, a magtestecseknek lényeges szerepe van a DNS-kettőződés folyamatának elindításában. A H4 hiszton 20-as lizinjének metilezése, valamint az 5-ös és 12-es lizinjének acetilezése lényeges az előkettőződési össztes kialakításában. Az újonnan képződött H3 és H4 is acetilezett állapotban van az új magtestecs kialakítása előtt.

DNS-kettőződés és a sejtkör A kettőződés az S-szakaszban megy végbe, 6–8 óra alatt. Előkészítése azonban már a sejtosztódás végén az M-szakaszban és a G₁-szakaszban elkezdődik a kettőződési előössztes kialakulásával.

DNS-kettőződés folyamata Magsejtűekben, a DNS sok tízezer pontján (kezdőpont) indul egyszerre, de soha nem az egyenes szálú DNS végéről. Ha a kettőződés egy ponton indulna, nem férne bele a másolódáshoz rendelkezésre álló 6–8 órába.

A másolódás kezdőpontjai a DNS-szál pontosan meghatározott helyei, jellemzően ismétlődő, rövid bázissorok, amelyek könnyen szétválnak, és képesek bizonyos fehérjék megkötésére. Tevékenységük pontosan ellenőrzött, a →kettőződési előössztes (prereplicative complex) által. A folyamat négy szakaszra bontható.

DNS-kettőződés folyamatának kezdeti lépései egyetlen kettőződési buborékban Ábra mutatja vázlatosan

a. Az eredeti DNS-szál, az egyszerűség kedvéért kiegyenesítve. A vastag vízszintes vonalak a dezoxiribózok foszfátészterekkel összekötött láncolatát, a cukor-foszfát-gerincet jelölik. A fekete és fehér karikák a bázisok jelei. A könnyebb azonosításért az egyik DNS-szálon elhelyezkedő bázisokat a ○ karikák, a másikon lévőket a ● karikák ábrázolják. A karikák tehát nem utalnak arra, hogy milyen fajta (adenin, timin, guanin vagy citozin) bázisról van szó. Látható, hogy a cukor-foszfát-gerinc ellentétes irányban – az egyik 5’–3’ a másik 3’–5’ helyzetben – a DNS-molekula külső felszínén helyezkedik el, a bázisok egymással hidrogénkötésekkel, a gerinchez pedig βN-glikozidkötéssel kapcsolódnak.

b. A DNS megkettőződése a kettőződési buborék (kerettel jelölve) kialakulásával kezdődik. A kezdőpontoknál (nyíllal jelölve) a két DNS-szál folyamatosan szétválik. Az átmenetileg egyesszálú DNS-szálakat az SSB fehérjék (single-strand-binding-proteins) rögzítik (vékony nyilakkal jelölve); az eredetileg kiegészült, egyesszálú DNS ugyanis, könnyen újra kettősszálú molekulává egyesülhet. A komplementer bázisok közötti hidrogénkötések felszakadásával a két minta DNS-szál eltávolodik egymástól, az így létrejövő szerkezetet nevezzük kettőződési buboréknak.

c. A hidrogénkötések felszakadását követően megindul az indító RNS-minta keletkezése, majd röviddel ezt követően az új DNS-szálak képződése. A folyamat az eredeti DNS-szálak mentén – azoktól védve –, a felnyílt, eredeti DNS-szálak bázissorrendének megfelelően halad. A folyamat egyszerre zajlik mindkét DNS-szálon. Ahol új DNS képződött, már nem kettő, hanem négy DNS-szál van jelen. Látható, hogy az egyik eredeti DNS-szálon képződő új DNS-szál bázissorrendje azonos a másik oldali eredeti minta DNS-szál bázissorrendjével (a ○-val jelölt eredeti DNS-szálon képződő, ●-val jelölt új DNS-szál teljesen azonos az alsó ●-val jelölt DNS-szállal). A kezdőponttól a DNS-szál szétválása és az új DNS-szálak képződése mindkét irányba halad (⇒ jelöli), aminek következtében két, egymással szemben elhelyezkedő, többé-kevésbé Y alakú képződmény, az úgynevezett kettőződési villák (replication forks) jönnek létre (vonalas téglalapokkal jelölve).

DNS-kettőződés folyamatának kezdeti lépései kiterjedten A fenti történések a DNS egészén egyszerre mennek végbe. Az ábra ezt mutatja, szintén vázlatosan.

a. A DNS-kettőződés egyszerre több kezdőpontról (nyilakkal jelölve) indul el, és – mint a vázlatos rajz mutatja – egyszerre több kettőződési buborék keletkezik, egymástól a DNS-szál eredeti szakaszaival elválasztva.

b. A DNS-másolódás folyamatosan halad előre, aminek következtében a kettőződési buborékok mindig nagyobbak lesznek, a köztük lévő eredeti DNS-szakaszok (vékony nyilakkal jelölve) hossza pedig rövidül. Az eredeti DNS-szál tehát egyszerre csak rövid DNS-szakaszok átmásolására alkalmas hosszúságon válik ketté, az új DNS-szálak pedig csak a szétnyílásoknak megfelelően képződhetnek

c. A DNS-kettőződés befejező állapota. Az új DNS-szálak kialakultak, a kettőződési buborékok eltűntek. Az Az eredeti DNS-szál és a rajta képződött új DNS-szál ellentétes (5’–3’, illetve 3’–5’) elhelyezkedésű, és az új DNS-szál bázissorrendje azonos azzal az eredeti DNS-szállal, amelyiken a másik új DNS-szál képződött. Két újonnan képződött kettősszálú DNS molekula keletkezett (szaggatott vonallal elválasztva), mindegyikben egy eredeti és egy új DNS-szál van. Az eredeti és a róla másolódott új DNS-szálat tartalmazó DNS-szálat nevezzük kromatidának, a keletkezett két kromatidát pedig testvérkromatidáknak.

A DNS-szálak másolódásával egyidejűleg új magtestecsek formálódnak, amelyekre az új DNS-szálak rögvest rátekercselődnek.

DNS-kettőződési ártmány (kettőződési ártmány)* DNA replication stress a DNS kettőződését nehezítő külső vagy belső károsító hatás. Ilyen ártóhatás a szabálytalan nukleotidbeépülés, a rendellenes DNS-szerkezet, a törékenyhely, a kromatineltérés, a daganatgéntúlzás, a kettőződési fehérjék zavara, valamint külső károsító hatások. A kettőződési ártmány kialakulásának egyik kulcsszereplője a FHIT gén, amelyik a FRA3b gyakori törékenyhelyen (CFS FRA3B) van. Működéskiesése önmagában megzavarja a kettőződési szálágazást.

A kettőződési ártmány olyan sejtállapotot hoz létre, amelyet a kettőződési szálágazás lassulása jellemez, aminek következtében megtorpanhat a DNS-szál kettéválása (fork pausing), egyenlőtlenné válhatnak a testvérágak (sister fork asymmetry), vagy ingataggá válhat a folyamat (increased fork instability). Ha a kettőződési ártmány kifejezett, avagy a DNS törékeny (törékenyhelyek), megállhat a szálágazás (fork stalling), és ha az ATM és ATR nem állítja helyre, a szálágazat összeesik (fork collapse), DNS-hiba keletkezik. A DNS-kettőződési ármány egyik legsúlyosabb következménye a DNS-ingatagság.

DNS-kettőződési hibák és javításuk A DNS-kettőződésbe hiba csúszhat: előfordulhat például, hogy nem kiegészítő bázis épül be, vagy kevesebb, avagy éppen több, aminek következtében hibás DNS keletkezik. Messze a leggyakoribb a nem megfelelő pár kapcsolódása.

A polimeráz rendkívül pontosan másol, nagyjából 100 000 másolásra esik 1 hiba, ami sejtosztódásonként 120 000.

A kettőződésben keletkező hibák egy részét a kettőződési DNS-polimerázok (replicative DNA polymerases) észlelik, az exonukleáz tevékenységgel azonnal kivágják, új nukleotid beépítésével javítják. A javításnak ezt a formáját hibaellenőrzésnek (proofreading) nevezik. A kettőződési hibák 99%-a így kijavítódik. A DNS-kettőződés tehát nagyon pontos. A még maradt 1–2%-nyi hibát, a sejt a párhibajavító enzimrendszer segítségével hozza helyre a kettőződést követően.

Ha a hibát a párhibajavító rendszer sem állítja helyre, másulásként marad meg és adódik tovább a következő sejtnemzedékeknek. Például az eredeti DNS-ben C társul G-vel, amely kettőződési hiba következtében C–A társulássá alakul. A következő kettőződésnél a C–A-t tartalmazó DNS lesz a mintaszál. A C bázis G-vel fog társulni, az eredeti DNS-szál keletkezik. Az A bázis viszont T-vel, egészen más bázispár kerül az eredeti (C–G) helyére.

replication (replikáció) →DNS-kettőződés