ДНК имеет поразительное свойство, не присущее другим известным сегодня молекулам — возможность самоудвоения.
Удвоением ДНК называется сложный процесс её самовоспроизведения. Благодаря свойству молекул ДНК самоудваиваться возможно размножение, а также передача наследственности организмом своему потомству, ведь полные данные о строении и функционировании находятся в закодированном виде в генной информации организмов. ДНК – является основой наследственных материалов большинства микро- и макроорганизмов. Правильное название процесса удвоения ДНК — репликация (редупликация).
Как передается генетическая информация?
При размножении клетки с использованием самоудвоения производят точную копию собственного генома, а при процессе деления клеток в каждую попадает одна копия. Это препятствует исчезновению генной информации, содержащейся в клетках родителей, что позволяет наследственным данным храниться и передаваться потомству.
У каждого организма есть свои особенности передачи наследственности. Многоклеточный организм передает свой геном половыми клетками, образующимися при мейозе. При их слиянии наблюдается соединение родительских геномов внутри зиготы, далее из которой происходит развитие организма, содержащего генетическую информацию от обоих родителей.
Стоит отметить, что для точной передачи наследственной информации нужно, чтобы она копировалась целиком, а также без ошибок. Это возможно благодаря специальным ферментам. Интересным является факт, что эти уникальные молекулы несут гены, позволяющие организму производить нужные для синтезирования ферменты, то есть содержат все, что необходимо для ее саморепликации.
Гипотезы самоудвоения
Вопрос о механизме репликации генома долго оставался открытым. Исследователями было предложено 3 гипотезы, предлагающие основные возможные пути удвоения генома – это полуконсервативная теория, консервативная гипотеза или дисперсный механизм.
Согласно консервативной гипотезе в процессе репликации наследственных данных родительская ниточка ДНК служит матрицей для новой ниточки, поэтому результат этого — одна ниточка будет целиком старой, вторая — новой. Согласно полуконсервативной гипотезе формируются гены, включающие одновременно родительские и дочерние нити. При дисперсном механизме предполагают, что гены содержат новые и старые фрагменты.
Эксперимент, проведенный в 1958 году учеными Мезельсоном со Сталем, показал, что удвоение днк генного материала предполагает наличие наряду с каждой старой (матричной) ниточкой также вновь синтезированной. Таким образом, результатами данного опыта доказана полуконсервативная гипотеза самоудвоения генетической информации.
Как происходит удвоение?
Процесс копирования генома основан на ферментативном синтезировании наследственной информации из молекулы по принципу матрицы.
Известным является факт, что спиральная ДНК выстроена из двух нуклеотидных нитей согласно теории комплементарности – при этом нуклеотидное основание цитозин является комплементарным гуанидину, а аденин — тимину. Тот же самый принцип соблюдается при самоудвоении.
Во-первых, при репликации наблюдается инициирование цепочек. Здесь действуют ДНК-полимеразы, ферменты, которые могут прибавлять новые нуклеотиды по направлению от 3′-конца цепочки. Заблаговременно синтезированная ниточка ДНК, к которой прибавляются нуклеотиды, названа затравкой. Синтез ее идет ферментом ДНК-праймазой, состоящей из рибонуклеотидов. Именно с затравки начинается удвоение генных данных. Когда процесс синтеза уже начат, затравка может удалиться, а ее на место полимераза встраивает новые нуклеотиды.
Следующим этапом является расплетение спиральной молекулы ДНК, сопровождающееся разрывом водородных связей, связывающих нити, ДНК-хеликазами. Хеликазы передвигаются по одинарной цепочке. При встрече двойного спиралевидного участка вновь происходит разрыв водородных связей между нуклеотидами, что позволяет продвигаться дальше репликационной вилке. Помимо этого, учеными были найдены особенные белки — ДНК-топоизомеразы, способные разрывать генные ниточки, позволяют им разделяться, а при необходимости — связывать сделанные ими ранее разрывы нитей.
Затем нити расходятся, образовывается репликационная вилка — область самоудвоения, способная к перемещению вдоль исходной цепи, которая выглядит, как ее раздвоение. Именно здесь полимеразы копируют генные цепочки. Реплицированные области, выглядят как глазки, расположенные в молекуле. Они образовываются там, где располагаются специальные точки начала репликации. Такие глазки могут включать одну или две репликационные вилки.
Следующим этапом является достройка полимеразами нуклеотидов к исходным родительским вторых (дочерних) ниточек согласно принципу комплементарности.
Все ниточки находятся антипаралельно друг по отношению к другу. Рост вновь синтезированных ниточек наблюдается по направлению от 5′ конца к 3′ (то есть при этом наблюдается удлинение 3′-конца), а считывание исходной матричной цепочки ДНК-полимеразой – по направлению к 5′-концу нити.
Наряду с тем, что удвоение генов возможно лишь с 3′-конца, синтезирование может идти одновременно лишь на одной из цепочек репликационной вилки. Синтезирование генного материала происходит на родительской нити. На антипараллельной цепочке синтезирование идет короткими (длина которых составляет не больше 200 нуклеотидов) фрагментами (Оказаки). Вновь синтезированная цепочка, полученная непрерывным способом, является ведущей, а собираемая фрагментами Оказаки — отстающей. Синтезирование фрагментов Оказаки начинается со специальной РНК-затравки, удаляющиеся после использования через некоторое время, а пустые места заполняет с помощью нуклеотидов полимераза. Это способствует образованию из фрагментов одной целой непрерывной нити.
Такое копирование наблюдается с помощью информации из особенного белка-фермента праймазы при участии хеликазы, которые образуют комплексную праймосому, которая движется по направлению к раскрытию репликационной вилки и РНК-затравки, необходимой для синтеза фрагментов Оказаки. Всего же здесь при самоудвоении участвуют и одновременно работают практически двадцать различных белков.
Результатом ферментационных процессов синтеза является образовывание новых генных цепочек, которые являются комплементарными каждой из разошедшихся цепочек.
Из этого следует, что при самоудвоении генетического материала наблюдается создание двух новых двойных спиралевидных дочерних молекул, которые включают в свой состав информацию из одной вновь синтезированной нити и второй нити от исходной молекулы.
Особенности удвоения генного материала у разных организмов
У бактерий в процессе самоудвоения генного материала происходит синтезирование генома целиком.
Вирусы и фаги, которые включают в свой состав наследственный материал из одноцепочечной молекулы, процессы самоудвоения значительно отличаются. В момент их попадания в клетки хозяйского организма, из одноцепочечной молекулы образуется двуцепочечная, которая достраивается согласно принципу комплементарности.
На вновь образованной молекуле (так называемой специальной ее репликативной форме) наблюдается синтезирование новых цепочек, уже одноцепочечных, которые входят в состав новых вирусных клеток.
Аналогично проходят процессы самоудвоения у РНК-содержащих клеток вирусов или фагов.
Эукариоты — высшие организмы имеют процессы реплицирования генов, происходящие при интерфазе, предшествующей делению клеток. Затем наблюдается дальнейшее разъединение копированных генетических элементов – хромосом, а также их равномерное деление между собственным потомством в генах, в неизменном виде сохраняться и передаваться потомству и новым поколениям.
Точность копии генной молекулы
Стоит отметить, что снова синтезированные цепочки генного материала не имеют отличий от матричной. Поэтому при процессах 
деления клетки каждая дочерняя сможет получить точную копию материнской генетической информации, что и способствует сохранению наследственности через поколения.
Все клетки у сложноорганизованных многоклеточных организмов происходят из единственной клетки зародыша посредством множественных делений. Именно поэтому все они от одного организма включают одинаковый состав генов. Это означает, что в случае возникновения ошибки при синтезировании молекул отразится на всех последующих поколениях.
Подобные примеры широко известны в медицине. Ведь именно поэтому полностью все эритроциты людей, страдающих серповидноклеточной анемией, содержат одинаковый «испорченный» гемоглобин. Из-за этого дети получают состав генов с отклонениями от своих родителей посредством передачи через их половые клетки.
Однако сегодня еще практически не представляется возможным по последовательности гена определить правильно ли и без ошибок ли прошло удвоение генома. На практике, качество наследственной информации, полученной по наследству, можно узнать лишь при развитии целого организма.
Скорость репликации генетической информации
Ученые показали, что генетическая информация удвоения ДНК происходит с высокой скоростью. У бактериальных клеток скорость удвоения молекул составляет 30 мкм за одну минуту. За этот небольшой промежуток времени к нити матрицы способно присоединиться почти 500 нуклеотидов, у вирусов – около 900 нуклеотидов. У эукариотов процесс удвоения генома протекает медленнее — всего 1,5 — 2,5 мкм в минуту. Однако, учитывая, что каждая хромосома имеет несколько точек начала их репликации, а от каждой из которых образуется по 2 вилки синтеза генов, то полная репликация генов происходит не более часа.
Практическое применение
Какова же практическая значимость процесса репликации? Ответ на этот вопрос прост – без него жизнь была бы невозможна.
После разгадки механизма репликации учеными сделано множество открытий, наиболее значимое из которых было отмечено Нобелевской премией – открытие метода полимеразной цепной реакции (ПЦР). Он был открыт в 1983 г. американцем Кэри Муллисом, основной задачей и целью которого было создание методики, позволяющей многократно и последовательно реплицировать необходимый в исследовании фрагмент генома при помощи специального энзима — ДНК-полимеразы.
ПЦР позволяет реплицировать генный материал в лабораторных условиях и нужен для синтеза большого количества копий ДНК из малого их количества в биологической пробе. Такое увеличенное в лабораторных условиях количество генетического образца делает возможным её изучение, что так необходимо при исследовании причин, методов диагностики и способов лечения сложных заболеваний (в числе которых — наследственные и инфекционные).
Также ПЦР нашел применение в установлении отцовства, в клонировании генов, создании новых организмов.