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8.4:

The Replisome

JoVE Core
Cell Biology
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The Replisome

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La replicazione del DNA viene eseguita da un gruppo multiproteico altamente coordinato noto come definito come macchinario di replicazione del DNA, o il replisoma, che aumenta l’efficienza della duplicazione del DNA. I componenti principali di questo meccanismo sono le elicasi, proteine leganti DNA a singolo filamento, DNA primasi, sliding clamps, un clamp loader, e multiple DNA polimerasi, che sono tutte associate una all’altra vicino alla forcella di replicazione. Le DNA polimerasi replicative hanno una processività di circa 10 nucleotidi, ossia il numero di nucleotidi che si può aggiungere al filamento figlio prima di dissociarsi dal filamento di stampo.Il numero risulta inefficiente per copiare interi genomi in un ragionevole lasso di tempo;problema risolto con l’aiuto di proteine sliding clamp Quando l’ATP si associa alla proteina clamp loader si legheranno e apriranno le sliding clamp, in modo che la sua struttura ad anello possa circondare il complesso DNA del primer-template. Una volta legato, il clamp loader idrolizza l’ATP ad ADP, causando la disassociazione del clamp loader e la chiusura del clamp intorno al DNA, la DNA polimerasi si lega quindi alle proteine clamp, e insieme, scorrono lungo il DNA teplate o stampo, che unisce la DNA polimerasi al filamento e ne aumenta la processività fino a 1, 000 nucleotidi. Questa maggiore processività consente alla DNA polimerasi di eseguire la replicazione continua del DNA sul filamento principale.Tuttavia, sul modello di filamento ritardo, un’altra DNA polimerasi esegue la replicazione discontinua del DNA in modo da consentire alla molecole DNA polimerasi di sintetizzare simultaneamente i filamenti di DNA principale e ritardo;questo processo è a volte descritto come il modello del trombone. Il filamento in ritardo e il suo stampo formano un anello quando la DNA polimerasi inizia la sintesi del frammento di Okazaki a partire dall’RNA primer. L’anello del DNA cresce da entrambe le direzioni mentre l’elicasi disavvolge il DNA e il filamento in ritardo viene sintetizzato.Quando la DNA polimerasi incontra il successivo RNA primer, si stacca dal filamento del template. Nel frattempo, il primase aggiunge un altro primer al filamento in ritardo, e l’anello di DNA crescente è rilasciato. Le proteine clamp e clamp loader, permettono alla DNA polimerasi di riassociarsi rapidamente allo stampo di DNA primer.La formazione e il successivo collasso del loop del DNA si ripete con la sintesi di ogni nuovo frammento di Okazaki.

8.4:

The Replisome

DNA replication is carried out by a large complex of proteins that act in a coordinated matter to achieve high-fidelity DNA replication. Together this complex is known as the DNA replication machinery or the replisome.

The synthesis of the leading and lagging strands is a highly coordinated process. To explain this, the “Trombone model” was proposed by Bruce Alberts in 1980. The DNA loop formation starts when a primer is synthesized on the parent lagging strand. The loop grows with the synthesis of an Okazaki fragment and finally dissolves when synthesis of the fragment ends. The DNA polymerase then attaches to another primer and the whole cycle, from loop formation to collapse, is repeated. The replisome allows all of the activities to be coordinated as a replication machinery complex.

Replisome components

Helicases unwind and separate double-stranded DNA  These enzymes are present as a single hexamer ring in prokaryotes and as a double hexamer ring in eukaryotes. Eukaryotic helicases depend on additional proteins, Cdc45 and GINS, to function.  Single-stranded DNA binding (SSB) proteins keep the DNA strands from reannealing.  In prokaryotes, SSBs consist of a single subunit, whereas in eukaryotes, they are a heterotrimeric protein known as replication protein A (RPA).

Primase adds an RNA primer to where DNA synthesis will originate.  In prokaryotes, primase is present as a single subunit enzyme called DnaG, which synthesizes an RNA primer of around 12 nucleotides.  In eukaryotes, a multisubunit enzyme, DNA polymerase-α primase, synthesizes an RNA-DNA hybrid primer of around 25 nucleotides. In addition to polymerase-α, replicative polymerase will extend the newly synthesized DNA. While a single type of replicative polymerase, DNA polymerase III, is present in prokaryotes, two different types of replicative polymerases, Pol ε and Pol δ, are present in eukaryotes, for leading strand and lagging strand synthesis, respectively. 

Sliding Clamp proteins keep the polymerases attached to the DNA template.  β-clamp, a homodimeric protein, acts as the clamp in prokaryotes. In eukaryotes, the same task is performed by proliferating cell nuclear antigen (PCNA), a homotrimeric protein. The central pore of the sliding clamp is positively charged, which enables it to have electrostatic interactions with the negatively charged phosphate backbone of the DNA. The clamp is attached to the DNA by a Clamp Loader. These pentameric proteins belong to the AAA+ class of ATPases. The eukaryotic clamp loader is known as replication factor C, while the prokaryotic E. coli clamp loader is known as the γ complex; however, the clamp proteins and clamp loaders are thought to be evolutionary homologs unlike many other components of the replisome.

Suggested Reading

  1. O’Donnell, Michael, Lance Langston, and Bruce Stillman. "Principles and concepts of DNA replication in bacteria, archaea, and eukarya." Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 5, no. 7 (2013): a010108.
  2. Alberts, Bruce. "DNA replication and recombination." Nature 421, no. 6921 (2003): 431.
  3. Kelch, Brian A., Debora L. Makino, Mike O'Donnell, and John Kuriyan. "Clamp loader ATPases and the evolution of DNA replication machinery." BMC Biology 10, no. 1 (2012): 34.
  4. Hedglin, Mark, Ravindra Kumar, and Stephen J. Benkovic. "Replication clamps and clamp loaders." Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 5, no. 4 (2013): a010165.
  5. Gardner, Andrew F., and Zvi Kelman. "The DNA Replication Machinery as Therapeutic Targets." Frontiers in Molecular Biosciences 6 (2019): 35.

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