Czas replikacji
Czas replikacji odnosi się do kolejności, w jakiej segmenty DNA wzdłuż długości chromosomu są duplikowane.
replikacja DNA
W komórkach eukariotycznych (komórkach, które pakują swoje DNA w jądrze) chromosomy składają się z bardzo długich liniowych dwuniciowych cząsteczek DNA. Podczas fazy S każdego cyklu komórkowego ( ryc. 1 ) cały DNA w komórce jest powielany w celu dostarczenia jednej kopii każdej z komórek potomnych po następnym podziale komórkowym. Proces powielania DNA nazywa się replikacją DNA , i odbywa się to najpierw przez rozwinięcie podwójnej cząsteczki DNA, zaczynając od wielu miejsc zwanych miejscami startu replikacji DNA, po czym następuje proces rozpakowywania, który rozwija DNA podczas kopiowania. Jednak replikacja nie rozpoczyna się jednocześnie we wszystkich różnych źródłach. Istnieje raczej określony porządek czasowy, w którym te źródła zapalają się. Często kilka sąsiednich miejsc początkowych otwiera się, aby zduplikować segment chromosomu, a po pewnym czasie inna grupa miejsc początkowych otwiera się w sąsiednim segmencie. Replikacja niekoniecznie zaczyna się za każdym razem dokładnie w tych samych miejscach pochodzenia, ale wydaje się, że segmenty replikują się w tej samej sekwencji czasowej, niezależnie od tego, gdzie dokładnie w każdym segmencie rozpoczyna się replikacja. Ryc. 2 przedstawia kreskówkę przedstawiającą, jak to się ogólnie przewiduje, podczas gdy ryc. 3 przedstawia animację replikacji różnych segmentów w jednym typie komórki ludzkiej.
Profile czasu replikacji
Porządek czasowy replikacji wszystkich segmentów genomu, zwany jego programem synchronizacji czasu replikacji, można teraz łatwo zmierzyć na dwa różne sposoby. Jednym ze sposobów jest po prostu zmierzenie ilości różnych sekwencji DNA wzdłuż długości chromosomu na komórkę. Sekwencje, które powielają się jako pierwsze, na długo przed podziałem komórki, będą liczniejsze w każdej komórce niż sekwencje, które replikują się jako ostatnie tuż przed podziałem komórki. Innym sposobem jest znakowanie nowo zsyntetyzowanego DNA chemicznie znakowanymi nukleotydami, które zostają włączone do nici podczas ich syntezy, a następnie wyłapywanie komórek w różnych momentach procesu duplikacji i oczyszczanie DNA syntetyzowanego w każdym z tych momentów za pomocą znacznika chemicznego. W obu przypadkach możemy zmierzyć ilość różnych sekwencji DNA wzdłuż długości chromosomu albo bezpośrednio za pomocą maszyny, która odczytuje, ile każdej sekwencji jest obecnych, albo pośrednio, za pomocą procesu zwanego hybrydyzacją mikromacierzy. W każdym razie porządek czasowy replikacji wzdłuż długości każdego chromosomu można wykreślić w formie graficznej, aby utworzyć „profil czasowy replikacji”. Rycina 4 przedstawia przykład takiego profilu dla 70 000 000 par zasad ludzkiego chromosomu 2.
Czas replikacji i struktura chromosomów
Obecnie bardzo niewiele wiadomo na temat mechanizmów koordynujących program synchronizacji lub jego biologicznego znaczenia. Jest to jednak intrygujący mechanizm komórkowy z powiązaniami z wieloma słabo poznanymi cechami fałdowania chromosomów wewnątrz jądra komórkowego. Wszystkie eukarionty mają program czasowy, a ten program jest podobny u pokrewnych gatunków. Oznacza to, że albo sam jest ważny, albo coś ważnego wpływa na program. Jest mało prawdopodobne, aby replikacja DNA w określonym porządku czasowym była konieczna po prostu dla podstawowego celu, jakim jest powielenie cząsteczki DNA. Najprawdopodobniej jest to związane z jakąś inną właściwością lub funkcją chromosomu. Czas replikacji jest skorelowany z ekspresją genów, tak że informacja genetyczna wykorzystywana w komórce jest generalnie replikowana wcześniej niż informacja, która nie jest wykorzystywana. Wiemy również, że program czasu replikacji zmienia się podczas rozwoju, wraz ze zmianami w ekspresji genów.
Od wielu dziesięcioleci wiadomo, że czas replikacji jest skorelowany ze strukturą chromosomów. Na przykład samice ssaków mają dwa chromosomy X. Jeden z nich jest genetycznie aktywny, podczas gdy drugi jest inaktywowany na wczesnym etapie rozwoju. W 1960 roku JH Taylor wykazał, że aktywne i nieaktywne chromosomy X replikują się w inny sposób, przy czym aktywny X replikuje się wcześniej niż nieaktywny X, podczas gdy wszystkie pozostałe pary chromosomów replikują się w tym samym schemacie czasowym. Mary Lyon zauważyła również, że nieaktywne X przyjęło w jądrze skondensowaną strukturę zwaną ciałkiem Barra ( Rysunek 5 ) w tym samym czasie podczas rozwoju, co genetyczna inaktywacja chromosomu.
Nie może to być zbyt dużym zaskoczeniem, ponieważ upakowanie DNA wraz z białkami i RNA w chromatynę następuje natychmiast po zsyntetyzowaniu DNA. Dlatego czas replikacji dyktuje czas składania chromatyny. Mniej intuicyjny jest związek między czasem replikacji a trójwymiarowym pozycjonowaniem chromatyny w jądrze. Obecnie powszechnie przyjmuje się, że chromatyna nie jest zorganizowana losowo w jądrze komórkowym, ale położenie każdej domeny chromosomu względem sąsiednich domen jest charakterystyczne dla różnych typów komórek, a po ustaleniu tego położenia geograficznego w każdej nowo powstałej komórce, chromosom domeny nie poruszają się znacząco aż do następnego podziału komórki. We wszystkich organizmach wielokomórkowych, w których ją zmierzono, wczesna replikacja zachodzi we wnętrzu jądra, a chromatyna na obrzeżach jest replikowana później. Niedawno opracowane metody pomiaru punktów, w których różne części chromosomów stykają się ze sobą, są niemal idealnie dopasowane do replikacji. Innymi słowy, regiony replikowane wcześnie i późno są upakowane w taki sposób, aby były przestrzennie segregowane w jądrze, z interweniującym DNA zawierającym regiony o zmniejszonej aktywności pochodzenia. Jedną z możliwości jest to, że te różne przedziały w jądrze, ustanowione i utrzymywane bez pomocy błon lub barier fizycznych, ustalają progi inicjacji replikacji, tak że bardziej dostępne regiony są pierwszymi do replikacji. Inną możliwością jest to, że czas replikacji odcinka DNA przyczynia się do upakowania tego DNA. Wykazano, że białko Rif1 bierze udział w regulacji tego procesu.
Czas replikacji i choroba
Innym intrygującym aspektem czasu replikacji jest to, że czasowa kolejność replikacji jest zakłócona w przypadku większości nowotworów i wielu chorób. Nie rozumiemy jeszcze mechanizmów stojących za tym powiązaniem, ale sugeruje to, że dalsze badania mogą ujawnić zmiany w czasie replikacji jako przydatne biomarkery dla takich chorób. Fakt, że można go teraz stosunkowo łatwo zmierzyć, wskazuje, że wkrótce będziemy dysponować bogactwem informacji o tym, gdzie i kiedy zachodzą duże zmiany w fałdowaniu chromosomów podczas rozwoju iw różnych chorobach.