Molecular Biology of The Cell – Hoofdstuk 5
Uit onderzoek met het groeien van de E. coli op lactose en vervolgens glucose bodem blijkt dat deze
bacterie soort een mutatie snelheid heeft van 3 nucleotiden op 10 10 nucleotiden per cel generatie. Bij
mensen kan dit iets nauwkeuriger door het complete genoom van de ouders en hun nakomelingen te
sequencen. Zo blijkt er één nucleotide per 10 8 nucleotiden te veranderen per humane generatie.
Een DNA-molecuul repliceert zich semi-conservatief, wat inhoudt dat elke dochtercel één originele
DNA streng en één nieuwe DNA streng ontvangt.
Replication fork: het actieve gebied waarbinnen de DNA-replicatie plaatsvindt.
DNA-polymerase in de replicatie vork kan enkel strengen synthetiseren in de 5’ naar 3’ richting.
Okazaki fragmenten zijn bij eukaryoten 100-200 nucleotiden lang, worden in de 5’ naar 3’ richting
gevormd en later aan elkaar gezet.
De replicatie vork is asymmetrisch, waarbij de leading strang in één keer wordt gevormd, en de
lagging strand in Okazaki fragmenten wordt gevormd.
Het DNA-polymerase molecuul voert een eerste ‘proofreading’ uit voor de nieuwe nucleotide
covalent wordt verbonden aan de groeiende streng. Dit wordt verklaard omdat een foute nucleotide
een lagere affiniteit heeft voor DNA-polymerase omdat het energetisch ongunstig is. Een dubbele
check vindt plaats als het enzym zich strakker rond de active site vouwt, dit strakker vouwen gebeurt
eerder als de juiste nucleotide aan de groeiende streng wordt gezet. Omdat incorrecte basenparen
moeilijker zijn aan de streng te zetten diffunderen deze weg voor een covalente binding wordt
gevormd.
Als een incorrecte base toch aan de streng gezet is vindt exonucleolytic proofreading plaats. DNA-
polymerase kan enkel elongeren bij een correcte 3’-OH einde van een primer strand. Mocht het 3’
uiteinde incorrect zijn, dan kipt een andere katalytische kern van het DNA-polymerase zo veel
nucleotiden weg tot een correcte 3’ uiteinde bereikt wordt. De 3’-to-5’ proofreading exonuclease
functioneert dus als een zelf corrigerend enzym.
- Vanwege dit enzym heeft een DNA-polymerase altijd een primer nodig. Omdat deze
enzymatische werking mist in een RNA-polymerase, heeft RNA-polymerase geen primer
nodig.
Als de DNA streng aan zou groeien aan de 5’ kant, zou er als er een verkeerde nucleotide is geplaatst
geen energie meer zijn om een nieuwe nucleotide aan te zetten omdat de energie uit de 5’ fosfaat
groep al gebruikt is. Dankzij de 5’ naar 3’ richting van DNA-polymerisatie is exonucleolytisch
proofreading mogelijk.
DNA primase produceert korte RNA-primers (10 nucleotiden) als begin voor DBA-polymerase. Aan de
lagging strand moeten er continu primers worden gemaakt, aan de leading strand gebeurt dit maar
één keer.
Aan het einde van een okazaki fragment loopt DNA-polymerase tegen de 5’ kant van de vorige RNA-
primer. De RNA-primer wordt verwijderd en vervangen voor DNA door DNA repair enzymen waarna
DNA ligase de twee uiteinden verbindt. Omdat een enzym wat zelf opnieuw een keten kan beginnen
vaak onnauwkeurig is, is het handig om eerst een RNA proef versie te maken, waarna deze
nauwkeurig vervangen wordt door echt DNA.
DNA helicases hydrolyseren ATP, waarna ze de vrijgekomen energie gebruiken om de
waterstofbruggen tussen de twee DNA strengen te verbreken.
, Single-strand DNA-binding (SSB) proteins binden aan bloot enkel strengs DNA, maar houden hierbij
de basen vrij zodat deze kunnen dienen als template. Zp stabiliseren ze de ungebonden enkelstrengs
conformatie. Hiermee wordt voorkomen dat er hairpin helixes ontstaan.
PCN is een eiwit wat dient als sliding clamp om te voorkomen dat DNA-polymerase de
polymeriserende streng zomaar loslaat. Zodra de polymerase een stuk dubbel strengs DNA bereikt
laat het PCN de polymerase los, en valt deze van het DNA af. Om de clamp rond de polymerase te
krijgen is de clamp loader (eiwit) en energie uit ATP-hydrolyse nodig.
De energie voor DNA-polymerase wordt geleverd door nucleoside trifosfaat hydrolyse. Veel van de
replicatie eiwitten zijn met elkaar verbonden en vormen zo een grote eenheid.
Door mutaties in zogenaamde mutator genes neemt de snelheid van spontane mutaties enorm toe.
Denk hierbij aan een mutatie in de 3’-to-5’-proofreading exonuclease.
Als een mutatie toch langs de proofreading exonuclease is gekomen detecteert het strand-directed
mismatch repair system dit. Om een fout goed te kunnen herstellen moet het systeem de oude van
de nieuwe strand onderscheiden. Bij de E. coli worden aan alle A-residuen in een GATC-sequentie
een methyl groep gezet. Dit gebeurt echter niet direct naar de DNA-synthese. Het repair systeem
moet dus de strand vinden waar het ‘nieuwste’ deel nog geen A methylatie heeft.
1. Herkenning van de nieuwe strand aan de hand van GATC methylatie
2. Verwijderen van het stuk DNA met de mismatch
3. Synthetiseren van het verwijderde stuk met de oude strand als template
Bij eukaryoten bevat de nieuwe lagging strand nicks voordat deze worden hersteld door een ligase.
Deze nicks, ook wel single strand breaks, duiden aan dat de streng nieuw is. Hoe dit gebeurt bij de
leading strand (die geen single strand breaks heeft) is nog onduidelijk.
Een mutatie in een mismatch repair gene kan leiden tot een vergrootte kans op kanker, omdat
mutaties in de rest van de genen nu ook makkelijker accumuleren.
Door het DNA topoisomerase wordt het over-draaiing probleem van het DNA voor de replication vork
opgelost. Dit eiwit verbreekt een fosfodiester band in een DNA streng, dit is echter omkeerbaar als
het eiwit weer vertrekt. DNA topoisomerase I verbreekt de fosfodiester band in één van de DNA
backbones waardoor er een single strand break ontstaat. Het eiwit houdt de energie vast die
vrijkwam bij het breken van de band en als de strengen weer goed gedraaid zijn wordt deze energie
weer gebruikt om ze te verbinden. DNA topoisomerase II maakt een dubbelstrengsbreuk in het DNA.
Dit gebeurt alleen als er twee helixen door elkaar liggen en ze alleen vrij kunnen komen als een van
de helixen doorbroken wordt.
Hoewel de algemene mechanismen van eukaryote en prokaryote DNA-replicatie sterk op elkaar
lijken zijn er toch enkele verschillen. De meeste eukaryote replicatie machines bestaan uit meerdere
eiwitcomplexen, wat waarschijnlijk leidt tot nauwkeurigere controlemechanismen. Dit is essentieel
voor het onderhouden van verschillende celtypes en differentiatie.
Daarnaast moet de eularyote DNA-replicatie langs nucleosomen bewegen. Deze bevinden zich om de
200 nucleotiden paren (verklaart ook waarom Okazaki fragmenten bij eukaryoten 100-200 bp lang
zijn, in tegenstelling tot 1000-2000 bp bij prokaryoten). Daarnaast vertragen deze nucleosomen de
DNA-polymerase moleculen.
De positie waar de DNA-helix voor het eerste wordt geopend is de replication origin. In simpele
cellen (denk aan bacteria) bestaan deze origins uit korte DNA-sequenties die inittiator eiwitten
Uit onderzoek met het groeien van de E. coli op lactose en vervolgens glucose bodem blijkt dat deze
bacterie soort een mutatie snelheid heeft van 3 nucleotiden op 10 10 nucleotiden per cel generatie. Bij
mensen kan dit iets nauwkeuriger door het complete genoom van de ouders en hun nakomelingen te
sequencen. Zo blijkt er één nucleotide per 10 8 nucleotiden te veranderen per humane generatie.
Een DNA-molecuul repliceert zich semi-conservatief, wat inhoudt dat elke dochtercel één originele
DNA streng en één nieuwe DNA streng ontvangt.
Replication fork: het actieve gebied waarbinnen de DNA-replicatie plaatsvindt.
DNA-polymerase in de replicatie vork kan enkel strengen synthetiseren in de 5’ naar 3’ richting.
Okazaki fragmenten zijn bij eukaryoten 100-200 nucleotiden lang, worden in de 5’ naar 3’ richting
gevormd en later aan elkaar gezet.
De replicatie vork is asymmetrisch, waarbij de leading strang in één keer wordt gevormd, en de
lagging strand in Okazaki fragmenten wordt gevormd.
Het DNA-polymerase molecuul voert een eerste ‘proofreading’ uit voor de nieuwe nucleotide
covalent wordt verbonden aan de groeiende streng. Dit wordt verklaard omdat een foute nucleotide
een lagere affiniteit heeft voor DNA-polymerase omdat het energetisch ongunstig is. Een dubbele
check vindt plaats als het enzym zich strakker rond de active site vouwt, dit strakker vouwen gebeurt
eerder als de juiste nucleotide aan de groeiende streng wordt gezet. Omdat incorrecte basenparen
moeilijker zijn aan de streng te zetten diffunderen deze weg voor een covalente binding wordt
gevormd.
Als een incorrecte base toch aan de streng gezet is vindt exonucleolytic proofreading plaats. DNA-
polymerase kan enkel elongeren bij een correcte 3’-OH einde van een primer strand. Mocht het 3’
uiteinde incorrect zijn, dan kipt een andere katalytische kern van het DNA-polymerase zo veel
nucleotiden weg tot een correcte 3’ uiteinde bereikt wordt. De 3’-to-5’ proofreading exonuclease
functioneert dus als een zelf corrigerend enzym.
- Vanwege dit enzym heeft een DNA-polymerase altijd een primer nodig. Omdat deze
enzymatische werking mist in een RNA-polymerase, heeft RNA-polymerase geen primer
nodig.
Als de DNA streng aan zou groeien aan de 5’ kant, zou er als er een verkeerde nucleotide is geplaatst
geen energie meer zijn om een nieuwe nucleotide aan te zetten omdat de energie uit de 5’ fosfaat
groep al gebruikt is. Dankzij de 5’ naar 3’ richting van DNA-polymerisatie is exonucleolytisch
proofreading mogelijk.
DNA primase produceert korte RNA-primers (10 nucleotiden) als begin voor DBA-polymerase. Aan de
lagging strand moeten er continu primers worden gemaakt, aan de leading strand gebeurt dit maar
één keer.
Aan het einde van een okazaki fragment loopt DNA-polymerase tegen de 5’ kant van de vorige RNA-
primer. De RNA-primer wordt verwijderd en vervangen voor DNA door DNA repair enzymen waarna
DNA ligase de twee uiteinden verbindt. Omdat een enzym wat zelf opnieuw een keten kan beginnen
vaak onnauwkeurig is, is het handig om eerst een RNA proef versie te maken, waarna deze
nauwkeurig vervangen wordt door echt DNA.
DNA helicases hydrolyseren ATP, waarna ze de vrijgekomen energie gebruiken om de
waterstofbruggen tussen de twee DNA strengen te verbreken.
, Single-strand DNA-binding (SSB) proteins binden aan bloot enkel strengs DNA, maar houden hierbij
de basen vrij zodat deze kunnen dienen als template. Zp stabiliseren ze de ungebonden enkelstrengs
conformatie. Hiermee wordt voorkomen dat er hairpin helixes ontstaan.
PCN is een eiwit wat dient als sliding clamp om te voorkomen dat DNA-polymerase de
polymeriserende streng zomaar loslaat. Zodra de polymerase een stuk dubbel strengs DNA bereikt
laat het PCN de polymerase los, en valt deze van het DNA af. Om de clamp rond de polymerase te
krijgen is de clamp loader (eiwit) en energie uit ATP-hydrolyse nodig.
De energie voor DNA-polymerase wordt geleverd door nucleoside trifosfaat hydrolyse. Veel van de
replicatie eiwitten zijn met elkaar verbonden en vormen zo een grote eenheid.
Door mutaties in zogenaamde mutator genes neemt de snelheid van spontane mutaties enorm toe.
Denk hierbij aan een mutatie in de 3’-to-5’-proofreading exonuclease.
Als een mutatie toch langs de proofreading exonuclease is gekomen detecteert het strand-directed
mismatch repair system dit. Om een fout goed te kunnen herstellen moet het systeem de oude van
de nieuwe strand onderscheiden. Bij de E. coli worden aan alle A-residuen in een GATC-sequentie
een methyl groep gezet. Dit gebeurt echter niet direct naar de DNA-synthese. Het repair systeem
moet dus de strand vinden waar het ‘nieuwste’ deel nog geen A methylatie heeft.
1. Herkenning van de nieuwe strand aan de hand van GATC methylatie
2. Verwijderen van het stuk DNA met de mismatch
3. Synthetiseren van het verwijderde stuk met de oude strand als template
Bij eukaryoten bevat de nieuwe lagging strand nicks voordat deze worden hersteld door een ligase.
Deze nicks, ook wel single strand breaks, duiden aan dat de streng nieuw is. Hoe dit gebeurt bij de
leading strand (die geen single strand breaks heeft) is nog onduidelijk.
Een mutatie in een mismatch repair gene kan leiden tot een vergrootte kans op kanker, omdat
mutaties in de rest van de genen nu ook makkelijker accumuleren.
Door het DNA topoisomerase wordt het over-draaiing probleem van het DNA voor de replication vork
opgelost. Dit eiwit verbreekt een fosfodiester band in een DNA streng, dit is echter omkeerbaar als
het eiwit weer vertrekt. DNA topoisomerase I verbreekt de fosfodiester band in één van de DNA
backbones waardoor er een single strand break ontstaat. Het eiwit houdt de energie vast die
vrijkwam bij het breken van de band en als de strengen weer goed gedraaid zijn wordt deze energie
weer gebruikt om ze te verbinden. DNA topoisomerase II maakt een dubbelstrengsbreuk in het DNA.
Dit gebeurt alleen als er twee helixen door elkaar liggen en ze alleen vrij kunnen komen als een van
de helixen doorbroken wordt.
Hoewel de algemene mechanismen van eukaryote en prokaryote DNA-replicatie sterk op elkaar
lijken zijn er toch enkele verschillen. De meeste eukaryote replicatie machines bestaan uit meerdere
eiwitcomplexen, wat waarschijnlijk leidt tot nauwkeurigere controlemechanismen. Dit is essentieel
voor het onderhouden van verschillende celtypes en differentiatie.
Daarnaast moet de eularyote DNA-replicatie langs nucleosomen bewegen. Deze bevinden zich om de
200 nucleotiden paren (verklaart ook waarom Okazaki fragmenten bij eukaryoten 100-200 bp lang
zijn, in tegenstelling tot 1000-2000 bp bij prokaryoten). Daarnaast vertragen deze nucleosomen de
DNA-polymerase moleculen.
De positie waar de DNA-helix voor het eerste wordt geopend is de replication origin. In simpele
cellen (denk aan bacteria) bestaan deze origins uit korte DNA-sequenties die inittiator eiwitten
