Giriş

DNA replikasyonu, DNA’nın iki ipliğinin birbirinden ayrılarak her bir ipliğin karşısına yeni bir tamamlayıcı ipliğin sentezlenmesi ve bunun sonucunda, DNA molekülünün bir kopyasının elde edilmesi esasına dayanır.

DNA replikasyonu, esasları itibarıyla ökaryotik ve prokaryotik canlılarda benzer olmakla birlikte bazı farklılıklara sahiptir. Zira bu iki canlı grubunun DNA’sı şekil, uzunluk ve hücrede bulunduğu yer gibi bazı kriterler bakımından birbirinden farklılık arz etmektedir.

Bu yazıda, ökaryotik canlılarda gerçekleşen DNA replikasyonu anlatılacaktır.

Ökaryotlarda DNA Replikasyonu

Bölünerek yeni hücreler meydana getirecek olan bir hücre, mevcut DNA’sını kopyalayarak çoğaltmalı ve bu kopyaları yeni hücrelere aktarmalıdır. Bir hücrenin büyümesi, DNA’sını kopyalaması ve nihayetinde bölünerek yeni hücreler oluşturması aşamalarının tamamı, “hücre döngüsü” olarak adlandırılan kontrollü bir süreç dâhilinde gerçekleşir.

Ökaryotik bir hücrenin DNA’sı, “histon” adlı proteinler vasıtasıyla oluşturulan “nükleozom” adlı yapılarca paketlenmiş olarak “kromatin” hâlinde bulunur. Yoğun bir yapı olan kromatin, hücrenin çekirdeğinde yer alır ve replikasyon sırasında çözülerek DNA’nın kopyalanmasına olanak tanır.

DNA’nın iki ipliğinin açılarak replikasyonun başladığı noktalar olan “replikasyon orijini” adlı bölgeler, hücre döngüsünün G1 fazının erken safhalarında “ORC” (origin recognition complex: orijin tanıma kompleksi) adlı kompleks tarafından tanınarak etiketlenir ve G1 fazı boyunca bu komplekse katılan çeşitli proteinlerle birlikte “pre-RC” (pre-replication complex: ön replikasyon kompleksi) adlı kompleks meydana gelir (Klug vd., 2014/2020). Replikasyon proteinlerini fosforilleyerek aktive eden “kinaz” proteinleri ve DNA’nın iki ipliğini birbirinden ayırarak sarmalı açan “helikaz” enzimi, pre-RC ile bir araya gelir ve hücre döngüsünün S fazına gelindiğinde, replikasyon proteinlerinin kinazlar tarafından fosforillenerek aktif hâle getirilmesiyle birlikte replikasyon süreci başlamış olur (Klug vd., 2014/2020).

Replikasyon orijinlerinin açılıp sentezin başlamasıyla birlikte, “replikasyon kabarcığı” (replication bubble) adlı yapılar meydana gelir. Bu yapıların her iki ucunda bulunan “Y” şeklindeki bölgelere “replikasyon çatalı” (replication fork) adı verilir. DNA sentezi, sentezde görev alan tüm elemanların bir araya gelerek işlev gördüğü “replizom” adlı birimlerin faaliyeti doğrultusunda bu iki replikasyon çatalında ilerler.

Helikaz enzimi, replikasyon çatalında ikili sarmalı tersine döndürerek atasal iplikleri birbirinden ayırır; SSBP’ler (single-stranded DNA-binding protein: tek zincirli DNA bağlanıcı protein), yeni ipliklerin sentezi için kalıp olarak kullanılacak olan atasal ipliklerin tekrar bir araya gelerek sarmalı kapatmasını engeller; topoizomeraz enzimi, iplikleri kırıp döndürüp tekrar birleştirir ve bu sayede, sarmalın çözülmesiyle meydana gelen sıkı burulmaları hafifletir (Reece vd., 2010/2017).

Polimerizasyon, bir nükleotidin deoksiribozunun 3’-OH grubu ile diğer nükleotidin 5’-PO4 grubu arasında kurulan fosfodiester bağıyla gerçekleşir ve nükleotitler bu şekilde alt alta dizilir. Bu işlem, DNA polimeraz enzimleri tarafından gerçekleştirilir. Söz konusu enzimler, ökaryotlarda ve prokaryotlarda farklı tip ve sayılarda bulunur. Ökaryotlardaki DNA replikasyonunda görev alan DNA polimeraz enzimleri şunlardır: DNA polimeraz 𝛼 (alfa), DNA polimeraz 𝛿 (delta), DNA polimeraz 𝜀 (epsilon).

DNA polimerazlar, ipliği daima 5’ ucundan 3’ ucuna doğru sentezleyecek şekilde çalışır. İplik 5’ ucundan 3’ ucuna doğru uzanır fakat nükleotitler, bir önceki nükleotidin deoksiribozunun 3’-OH eklenir. DNA polimerazların bu özelliği ve DNA’nın antiparalel yapıda olması, iki ipliğin sentezinde farklı stratejilerin izlenmesini gerektirir.

Bir replikasyon kabarcığındaki replikasyon çatallarından biri ele alınacak olursa, burada sentezlenmekte olan iki iplikten biri kesintisiz (leading), diğeri ise kesintili (lagging) olarak sentezlenir. Kesintisiz iplik, 3’ ucundan 5’ ucuna uzanan atasal ipliğin tamamlayıcısı olan ve antiparalellik özelliği nedeniyle 5’ ucundan 3’ ucuna uzanmakta olan yeni ipliktir. Bu iplik, başlangıçta yerleştirilen tek bir RNA primerinin sağladığı 3’-OH grubuna nükleotit eklenmesiyle, replikasyon çatalının açılma yönüne doğru kesintisiz bir şekilde sentezlenir zira DNA polimerazın çalışma yönüne uygundur. Buna karşın, kesintili iplik, 5’ ucundan 3’ ucuna uzanan diğer atasal ipliğin tamamlayıcısı olan ve antiparalellik özelliği nedeniyle 3’ ucundan 5’ ucuna uzanmakta olan diğer yeni ipliktir. Bu iplik, DNA polimerazın çalışma yönüne uygun olarak, replikasyon çatalının açılma yönünün tersi yönünde sentezlenir ve bu nedenle replikasyon çatalı ile arasındaki mesafe açılır. Bu durum, çatalın bulunduğu başlangıç bölgesine sürekli bir RNA primeri yerleştirilmesi ve ipliğin oradan itibaren çatalın aksi yönünde tekrar sentezlenmesini gerektirir. Bunun sonucunda, arada RNA primerlerinin bulunduğu kesintili bir iplik söz konusu olur. Bu kesintili ipliğin her bir fragmentine “Okazaki fragmenti” adı verilir. Buraya kadar anlatılanlar, replikasyon kabarcığının diğer çatalında da aynen gerçekleşir. Dolayısıyla, bir replikasyon kabarcığında, kesintili ve kesintisiz iplikten ikişer adet sentezlenmektedir. Bununla birlikte, bir replikasyon kabarcığında, atasal ipliklerden birinin tamamlayıcı ipliğinin bir yarısı kesintisiz iken diğer yarısı kesintilidir. Aynı durum diğer atasal ipliğin tamamlayıcı ipliğinde de geçerlidir fakat aradaki fark, yerlerinin diğer ipliktekinin tam tersi olmasıdır.

Yukarıda anlatılan sentez işlemi, farklı tipteki DNA polimerazların farklı işlevler yürütmesiyle gerçekleşir. DNA polimeraz 𝛼 enzimi, kesintili ve kesintisiz ipliklerin sentezi için gereken RNA primerlerini yerleştirip buna 10 ila 20 kadar deoksiribonükleotit ilave ederek ipliği bir miktar uzatır; DNA polimeraz 𝛿 enzimi kesintili iplikteki, DNA polimeraz 𝜀 enzimi ise kesintisiz iplikteki DNA polimeraz 𝛼 enziminin yerini alarak yeni ipliği sentezler (Klug vd., 2014/2020). Polimeraz enzimleri arasındaki bu yer değişimine “polimeraz değişimi” (polymerase switching) denir. Daha sonra, RNA primerleri ribonükleazlar tarafından kaldırılıp DNA polimeraz 𝛿 enzimi tarafından deoksiribonükleotitler yerleştirilir ve DNA ligaz tarafından fosfodiester bağlarının yeniden kurulmasıyla birlikte yeni ipliklerin sentezi tamamlanmış olur (Lodish vd., 2007/2020). DNA replikasyonu, “yarı korunumlu” (semiconservative) olarak gerçekleşir. Yani, oluşturulan yeni DNA moleküllerinin iki ipliğinden biri atasal iken diğeri ise yeni sentezlenmiş olan ipliktir.

DNA replikasyonu devam ederken, bir taraftan da nükleozomlar yeniden oluşturulur. Mevcut nükleozomların histon proteinleri yeni DNA moleküllerine rastgele dağıtılırken, yeni histon proteinleri ise “PCNA” (proliferating cell nuclear antigen: proliferatif hücre çekirdek antijeni) adlı antijene bağlanmış hâlde bulunan “CAF1” (chromatin assembly factor 1: kromatin kurulma faktörü 1) adlı faktör vasıtasıyla replikasyon çatalına taşınır (Griffiths vd., 2010/2014).

DNA replikasyonunda ortaya çıkan önemli bir sorun ise kesintili ipliklerin 5’ ucunun kısalmasıdır. Kesintili ipliklerin uzatılması için gereken RNA primerlerinin daha sonra kaldırılıp yerlerine deoksiribonükleotitlerin yerleştirilmesine rağmen, kesintili ipliklerin 5’ ucundan kaldırılan primerlerin yerleri doldurulamaz zira deoksiribonükleotitlerin eklenmesi için gereken 3’-OH grubu artık bulunmamaktadır. DNA’nın “telomer” olarak adlandırılan uç noktalarında meydana gelen bu olayın sonucunda, oluşan her iki DNA molekülünün atasal olmayan yeni ipliklerinin 5’ ucunda kısalma meydana gelir. Her bir replikasyonun ardından telomerler kısalır ve bu durum, hücrelerin replikasyona bağlı olarak yaşlanmasını ifade eden “replikatif yaşlanma” sürecini doğurur. Replikatif yaşlanmanın son safhasında, hücreler artık DNA’larını replike edemez ve bunun sonucunda, hücreler bölünme yeteneklerini kaybeder.

Telomerler, söz konusu nükleotit kaybına karşı tampon vazifesi görerek genetik bilginin kaybına karşı koruma sağlar. İnsanlarda ve diğer bazı canlı gruplarında “TTAGGG” dizisinin tekrarlarından oluşan telomerler, bazı hücrelerde kısalmadan kalabilmektedir. Bunlar eşey hücreleri, kök hücreler, kanser hücreleri ve embriyonik evredeki bir canlının hücreleridir.

Kaynaklar

Griffiths, A. J. F., Wessler, S. R., Carroll, S. B. ve Doebley, J. (2014). Genetik Analize Giriş (E. D. Özsoy, Çev. Ed.). Palme Yayıncılık. (Orijinal eserin basım tarihi 2010)

Klug, W. S., Cumming, M. R., Spencer, C. A. ve Palladino, M. A. (2020). Genetik Kavramlar (S. Sümer, L. Açık ve M. Tuncer, Çev. Ed.). Palme Yayıncılık. (Orijinal eserin basım tarihi 2014)

Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C. A., Krieger, M., Scott, M. P., Bretscher, A., Ploegh ve H., Matsudaira, P. (2020). Moleküler Hücre Biyolojisi (H. Geçkil, M. Özmen ve Ö. Yeşilada, Çev. Ed.). Palme Yayıncılık. (Orijinal eserin basım tarihi 2007)

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V. ve Jackson, R. B. (2017). Campbell Biyoloji (E. Gündüz ve İ. Türkan, Çev. Ed.). Palme Yayıncılık. (Orijinal eserin basım tarihi 2010)