Для осуществления комплементарного копирования цепей двухцепочечная ДНК должна постепенно раскручиваться. Раскручивание, или расплетание, спирали происходит только в локальном участке репликативной вилки. Расплетание - это не спонтанный процесс, в нем участвуют белки двух типов. Одни из них, называемые ДНК-гелика-зами, используют для разделения цепей энергию, высвобождающуюся при гидролизе АТР до ADP. Геликазы часто функционируют в составе комплекса, осуществляющего перемещение репликативной вилки и репликацию расплетенных цепей. Вообще говоря, для расплетания достаточно одного геликазного белка, но для того, чтобы максимизировать скорость раскручивания, несколько геликаз могут действовать совместно. Белки второго типа, дестабилизирующие спираль, - это белки, связывающиеся с одноцепочечными участками и тем самым стабилизирующие расплетенный дуплекс. Итак, геликазы вызывают локальное раскручивание двойной спирали, а другие специфические белки тотчас связываются с образовавшимися одноцепочечными участками, обеспечивая условия для комплементарного спаривания.

При репликации хроматиновой ДНК эукариотических организмов возникают дополнительные сложности. Чтобы расплести ДНК в составе хроматина, необходимо разрушить сильно конденсированный комплекс гистонов и ДНК, а по завершении репликации вновь упаковать две дочерние спирали в сложные хроматиновые структуры. Каким образом раскручиваются эукариотические хромосомы при подготовке к репликации? Об этом известно очень мало. Развернутые, предсуществующие и новые нуклеосомы должны ассоциировать с синтезированной дуплексной ДНК. Чтобы предотвратить образование слишком протяженных участков несвязанной ДНК в период репликации, сборка хроматина должна происходить параллельно образованию дуплексной ДНК. Связываются ли родительские гистоновые октамеры с одной или обеими дочерними спиралями - пока неизвестно.

Топологические проблемы раскручивания и репликации ДНК. Процесс раскручивания двойной спирали в репликативной вилке порождает механические и топологические проблемы. В принципе расплетание линейной дуплексной ДНК может происходить благодаря вращению родительской спирали вокруг собственной оси. Однако вращение очень длинных цепей ДНК вокруг длинных же осей во внутриклеточном пространстве механически затруднено. При репликации замкнутых кольцевых ДНК расплетание цепей в вилке создает дополнительные проблемы. По мере раскручивания цепей степень отрицательной сверхспиральности сегментов, находящихся перед вилкой репликации, постепенно уменьшается и в них возникает положительная сверхспирализация. Дальнейшее перемещение вилки вдоль кольца затрудняется и в конце концов блокируется. Это блокирование снимается путем внесения одноцепочечного разрыва. Тем самым образуется "шарнир", который дает возможность нереплицированному дуплексу, находящемуся перед вилкой, вращаться вместе с ней. Такие разрывы вносятся в ДНК с помощью ферментов, имеющих общее название ДНК-топоизомеразы.

ДНК-топоизомеразы. Эти ферменты изменяют степень сверхспиральности и тип сверхспирали. Они не только приводят к образованию шарнира, который создает условия для непрерывного движения репликативной вилки, но и обеспечивают разделение или образование катенанов - сцепленных кольцевых ДНК, а также устранение узлов и спутанных клубков из длинной линейной ДНК. Топоизомеразы являются также неотъемлемыми участниками некоторых рекомбинационных процессов.

В различных организмах идентифицированы топоизомеразы двух основных типов. Одни ферменты, называемые топоизомеразами типа I, уменьшают число сверхвитков в ДНК на единицу за один акт. Эти топоизомеразы надрезают одну из двух цепей, в результате чего фланкирующие дуплексные области могут повернуться вокруг интактной цепи, и затем воссоединяют концы разрезанной цепи. Эта реакция не требует энергии АТР, поскольку энергия фосфодиэфирной связи сохраняется благодаря тому, что тирозиновый остаток в молекуле фермента выступает то в роли акцептора, то в роли донора фосфорильного конца разрезанной цепи. Одиночная цепь спонтанно проходит через разрез. Отмечены два интересных, но, возможно, не связанных друг с другом различия между топоизомеразами типа I про - и эукариот:

1) топо-изомеразы типа I прокариот взаимодействуют с 5'-фосфорильным концом разорванной цепи, а эу-кариот - с 3'-фосфорильным концом;

2) топоизомеразы прокариот устраняют только отрицательные сверхвитки, а эукариотические - как отрицательные, так и положительные.

Топоизомеразы типа II устраняют как отрицательные, так и положительные сверхвитки. В отличие от ферментов типа I топоизомеразы типа II вносят временные разрывы в обе комплементарные цепи, пропускают двухцепочечный сегмент той же самой или другой молекулы ДНК через разрыв, а затем соединяют разорванные концы. Топоизомеразы типа II тоже используют тирозиновые остатки для связывания 5'-конца каждой разорванной цепи в то время, когда другой дуплекс проходит через место разрыва.

В результате внесения двухцепочечного разрыва и прохождения через него другого дуплекса за один акт снимаются два отрицательных или положительных сверхвитка. В некоторых случаях дуплексом, проходящим через место разрыва, оказывается другая замкнутая молекула ДНК; это приводит к разделению сцепленных кольцевых ДНК или, напротив, к образованию таких сцепленных комплексов. Этот механизм может использоваться и для распутывания или запутывания клубков, а также для раскручивания или конденсации крупных дуплексных ДНК.

Топоизомеразы типов I и II снимают сверхвитки, образующиеся при репликации кольцевой ДНК.

Однако существует особая топоизомераза II, называемая гиразой и обнаруженная пока только у бактерий, которая индуцирует образование отрицательных сверхвитков в релаксированных кольцевых ДНК. Для этого гираза делает двухцепочечные надрезы и затем особым способом воссоединяет концы. Итак, гираза снимает положительные сверхвитки и вносит отрицательные в релаксированную ДНК. Сбалансированное действие топоизомеразы I и гиразы - по крайней мере у бактерий - по-видимому, регулирует степень сверхспиральности ДНК и таким образом влияет на скорость движения репликативной вилки.

Механизм, с помощью которого гираза катализирует образование отрицательных сверхвитков в кольцевой или другой ДНК с топологическими ограничениями, до конца не установлен. Гираза Е. coli представляет собой тетрамер, состоящий из субъединиц двух типов, при этом а-субъединицы содержат сайты ковалентного связывания концов молекулы ДНК. Гираза катализирует образование отрицательных сверхвитков, создавая сначала положительные сверхвитки в определенных областях ДНК, связанных с ферментом.

Ориентация двух спиральных сегментов в этих областях меняется на противоположную при протягивании одного сегмента через "ворота", образовавшиеся в результате двухцепочечного разрыва в другом.

В конце концов образуются два сверхвитка за один каталитический цикл. Для реализации всех этих процессов необходима энергия гидролиза АТР, поскольку релаксированная кольцевая ДНК должна быть переведена на более высокий энергетический уровень, характерный для сверхспиральной конформации.

ж. Инициация образования новых цепей ДНК и их рост в репликативных вилках

Инициация образования новых цепей ДНК. В отличие от РНК, синтез которой инициируется РНК-репликазами и РНК-полимеразами, для инициации синтеза ДНК требуется затравка. Сначала синтезируются короткие РНК-праймеры, которые затем наращиваются в виде цепей ДНК. При переводе кольцевой одно-цепочечной ДНК фага М13 в двухцепочечную репликативную форму для синтеза коротких сегментов РНК в точке начала репликации используется РНК-полимераза-холофермент. При репликации других одноцепочечных кольцевых фаговых ДНК РНК-праймер синтезируется специальной РНК-полимеразой, называемой праймазой. У другого фага с одноцепочечной кольцевой ДНК мультиферментный комплекс, содержащий от 15 до 20 полипептидных цепей, активирует матричную цепь, в результате чего праймаза синтезирует РНК-затравку. Праймосомопраймазный способ инициации применяется и для инициации синтеза ведущей цепи в точке начала репликации у Е. coli, а также при образовании фрагментов Оказаки при синтезе отстающей цепи.

По-видимому, синтез цепей ДНК инициируется сходным образом у про - и эукариот, в случае плазмид и вирусов. Различия могут касаться типов полимераз, синтезирующих РНК-затравки, вспомогательных белков, обеспечивающих инициацию РНК-транскриптов, и либо нуклеотидных последовательностей per se, либо структурных особенностей, определяющих положение точки начала транскрипции. Длина РНК-праймеров варьирует в зависимости от особенностей инициации. У бактериофага фХ174 и Е. coli праймаза катализирует синтез РНК-праймеров длиной от двух до пяти нуклеотидов, а при репликации ДНК эукариот праймерные РНК приблизительно в два раза длиннее. У бактериофагов М13 и G4 синтез РНК-затравок катализируют РНК-полимераза и G4-праймаза соответственно; длина этих затравок колеблется от 20 до 30 нуклеотидов, и они комплементарны сегментам фаговых ДНК, образующим петли. Точная природа сигналов, определяющих сайты синтеза праймерной РНК для инициации репликации или для синтеза отстающей цепи, неизвестна.

Репликация плазмидной ДНК Col E1 также начинается с транскрипции РНК. Однако в этом случае синтез праймерной РНК инициируется РНК-полимеразой в сайте, отстоящем на 555 пар оснований от точки начала репликации плазмидной ДНК. Транскрипция проходит точку начала репликации, при этом синтезируется цепь РНК длиной 500-600 нуклеотидов. Затем РНКаза-Н расщепляет большую часть цепи РНК. Остающийся 3'-конец РНК служит затравкой при синтезе цепи ДНК с помощью Pol I-полимеразы. Эта цепь становится ведущей при репликации всей плазмидной ДНК.

У аденовирусов человека синтез новых цепей ДНК инициируется неким белком, а не РНК. Аденовирус типа 2 содержит белок с мол. массой 55 кДа, ковалентно связанный с 5'-фос-фатом каждой цепи ДНК. Первый этап инициации синтеза новых цепей состоит в том, что кодируемый вирусом белок мол. массой 80 кДа связывается с дезоксинуклеозидтрифосфатом, соответствующим первому дезоксинуклеотидному остатку в ДНК, с образованием комплекса белок-dCMP. 3'-гидроксильная группа связанного с белком дезоксицитидинового остатка служит праймером для удлинения цепей ДНК с использованием комплементарной цепи ДНК в качестве матрицы. В конечном счете вирусный 80 кДа-белок отщепляется и с новосинтезированной вирусной ДНК остается связанным только терминальный белок мол. массой 55 кДа. Аналогичный механизм инициации синтеза ДНК используется и другими аденовирусами и некоторыми бактериофагами.

Одновременная репликация обеих цепей в репликативной вилке. Изучение механизма репликации фаговой ДНК с использованием очищенных ферментов из Е. coli позволило построить усовершенствованную модель полуконсервативной прерывистой репликации ДНК в репликативной вилке. Для расплетания спирали при образовании вилки необходимо, чтобы в ДНК образовались отрицательные сверхвитки. Расплетание осуществляется АТР-зависимой геликазой и облегчается в присутствии белка, связывающегося с одно-цепочечной ДНК. После инициации репликации

Pol III-холофермент удлиняет лидирующую цепь ДНК до размеров, равных длине хромосомы, путем последовательного присоединения к 3'-гидроксиль-ному концу дезоксинуклеотидильных единиц.

Синтез отстающей цепи инициируется праймо-сомо-праймазным комплексом. Праймо-сома, обладающая геликазной активностью, расплетает спираль и, возможно, способствует формированию подходящих структур, позволяющих ассоциированной праймазе синтезировать праймер. Праймосомо-праймазный комплекс движется в том же направлении, что и вилка, останавливаясь только для того, чтобы расплести дуплекс и синтезировать РНК-праймеры. Эти короткие фрагменты РНК достраиваются затем Pol III-холоферментом путем добавления дезоксинуклеотидтрифосфатов с образованием фрагментов Оказаки длиной от 1000 до 2000 нуклеотидов. Удаление сегментов РНК с 5'-конца каждого фрагмента Оказаки и заполнение пробелов между ними катализируется Pol I, способной удлинять цепи и осуществлять ник-трансляцию. Когда растущий 3'-гидроксильный конец каждого фрагмента Оказаки доходит до 5'-дезоксинуклео-тидного конца соседнего фрагмента, вступает в действие ДНК-лигаза и образуется непрерывная отстающая цепь. Более сложная, но все же гипотетическая модель движения репликативной вилки предполагает формирование реплисомы - мультиферментного комплекса более высокого уровня организации, состоящего из функционального праймосомо-праймазного комплекса, геликазы, Pol III-холофермента и, возможно, гиразы. Такой комплекс может обеспечивать удлинение лидирующей цепи и одновременно инициацию праймерной РНК, а также достраивание ДНК при синтезе отстающей цепи. Две реплисомы, работающие согласованно в двух вилках репликации, которые движутся в противоположных направлениях вдоль кольцевой хромосомы, сделали бы эту модель еще более изящной.

ДНК. Субстратной матрицей в этом случае является двухцепочечная кольцевая ДНК, которая была реплицирована после превращения на ранних этапах инфекции линейной вирусной ДНК в кольцевую репликативную форму. Для того чтобы образовалась линейная ДНК потомства, двухцепочечные кольца надрезаются и асимметрично реплицируются, как это происходит в случае ДНК фагов М13 и фХ174. Однако отделяющиеся одиночные цепи превращаются в двухцепочечные структуры. Сначала во множестве сайтов вдоль одиночной цепи праймаза синтезирует короткие сегменты РНК. Затем эти сегменты достраиваются Pol III-холоферментом, пробелы заполняются, РНК удаляется с помощью Pol I и наконец короткие фрагменты ДНК соединяются ДНК-лигазой. При упаковке ДНК в фаговые частицы в специальных участках, называемых cos-сайтами и отстоящих друг от друга на длину вирусного генома, образуются надрезы. В результате длинные дуплексы многократно повторенной ДНК фага X расчленяются на фрагменты, соответствующие по размерам зрелой ДНК, обнаруживаемой в вирионах.

Поочередная репликация цепей. Репликация ДНК аденовируса происходит без синтеза отстающей цепи и поэтому без образования множественных сайтов инициации и фрагментов Оказаки. Вместо этого цепи линейного дуплексного генома реплицируются попеременно. Сначала через образование белкового праймера происходит инициация одной цепи, которая непрерывно удлиняется вплоть до завершения репликации. Вытесненная новосинтезированной цепью, вторая цепь дуплекса служит матрицей при синтезе таким же способом следующего дуплекса. С какого конца родительского дуплекса начнется процесс, по-видимому, неважно. Репликация ДНК аденовируса необычна в двух отношениях:

1) использование белка для запуска синтеза цепи ДНК с конца линейного дуплекса;

2) отсутствие прерывистой репликации, опосредуемой РНК-транскриптами.