DNA REPLICATION AND TELOMERE MAINTENANCE

DNA replication simply involves the melting apart of the two strands of the double helix followed by the polymerization of new complementary strands on the resulting single-stranded templates. DNA replikasyonu, çift sarmalın iki ipliğinin erimesini ve ardından elde edilen tek iplikli şablonlar üzerinde yeni tamamlayıcı ipliklerin polimerizasyonunu içerir.

•Around 30 to 40 proteins are involved in the process of DNA replication in eukaryotes. •Ökaryotlarda DNA replikasyonu sürecinde yaklaşık 30 ila 40 protein rol oynar.

•Replication at telomeres (chromosomal ends) poses a special problem for linear chromosomes. • Telomerlerdeki (kromozomal uçlar) replikasyon, doğrusal kromozomlar için özel bir sorun oluşturur.

Replication Hypothesis

• Three possible modes of replication could be hypothesized based on Watson and Crick’s model for the structure of the DNA double helix: 1.semiconservative, 2.conservative, and 3.dispersive.

• In semiconservative replication each new DNA molecule is comprised of one original (template or parental) strand and one new (daughter) strand.• Yarı korunumlu replikasyonda her yeni DNA molekülü bir orijinal (şablon veya ebeveyn) iplikçik ve bir yeni (yavru) iplikçikten oluşur.

• In conservative replication, one daughter molecule would consist of the original parent and the other daughter would be totally new DNA. • Konservatif kopyalamada, bir yavru molekül orijinal ebeveynden oluşacak, diğer yavru molekül ise tamamen yeni DNA olacaktır.

• In dispersive replication, some parts of the original helix are conserved, and some parts are not. Daughter molecules would consist of part template and part newly synthesized DNA. • Dağıtıcı çoğaltmada, orijinal sarmalın bazı kısımları korunur, bazı kısımları korunmaz. Kız moleküller, kısmen şablondan ve kısmen yeni sentezlenen DNA'dan oluşacaktır.

Semi-conservative replication: Yarı konservatif çoğaltma:

One strand of duplex passed on unchanged to each of the daughter cells. This 'conserved' strand acts as a template for the synthesis of a new, complementary strand by the enzyme DNA polymerase. Dubleks zincirinin bir dizisi değişmeden yavru hücrelerin her birine aktarılır. Bu 'korunmuş' iplik, DNA polimeraz enzimi tarafından yeni, tamamlayıcı bir ipliğin sentezi için bir şablon görevi görür.

DNA Synthesis Occurs From 5′ To 3′

DNA polymerases are the enzymes that catalyze DNA synthesis.

• Enzymes that polymerize nucleotides into a growing strand of DNA are called DNA polymerases.

• Bacteria have 5 different DNA polymerases, whereas mammalian cells are now known to contain at least 14 distinct DNA polymerases.

• In eukaryotes, 4 different DNA polymerases are involved in chromosomal DNA replication:

1.       DNA polymerase α,

2.       DNA polymerase δ (delta),

3.       DNA polymerase ε (epsilon).

4.       DNA polymerase γ (gamma) is used strictly for mitochondrial DNA (mtDNA) replication.

• These four enzymes are referred to as the replicative polymerases.

• ALL THE KNOWN DNA POLYMERASES CAN ONLY ADD NUCLEOTIDES IN THE 5′ → 3′ DIRECTION.

• In other words, a DNA polymerase can catalyze the formation of a phosphodiester bond between the first 5′-phosphate group of a new dNTP and the 3′-hydroxyl group of the last nucleotide in the newly synthesized strand.

• But the DNA polymerases cannot act in the opposite orientation to create a phosphodiester bond with the 5′-phosphate of a nucleotide already in the DNA and the 3′-hydroxyl of a new dNTP. • Ancak DNA polimerazlar, halihazırda DNA'da bulunan bir nükleotidin 5'-fosfatı ve yeni bir dNTP'nin 3'-hidroksili ile fosfodiester bağı oluşturacak şekilde ters yönde hareket edemez.

DNA polymerases cannot initiate DNA synthesis from the beginning. DNA polimerazlar DNA sentezini baştan başlatamazlar.

• Except for DNA polymerase α (the polymerase involved in primer synthesis), they all require a “primer.”

• The primer is usually a short RNA chain which must be synthesized on the DNA template before DNA polymerase can start elongation of a new DNA chain. • Primer genellikle kısa bir RNA zinciridir ve DNA polimerazın yeni bir DNA zincirinin uzamasına başlayabilmesi için önce DNA şablonu üzerinde sentezlenmesi gerekir.

• DNA polymerases recognize and bind to the free 3′-hydroxyl group at the end of the primer.

• Once primed, polymerases can extend pre-existing chains rapidly and with high fidelity. • Polimerazlar bir kez hazırlandıktan sonra önceden var olan zincirleri hızla ve yüksek doğrulukla uzatabilir.

Replication is the Process of duplication of the entire genome prior to cell  division.

• In eukaryotes , replication only occurs during the S phase of the cell cycle.

• Replication rate in eukaryotes is slower resulting in a higher fidelity/accuracy of replication in eukaryotes.

• Initiator proteins identify specific base sequences on DNA called sites of  replication origin• Başlatıcı proteinler, replikasyon orijin bölgeleri adı verilen DNA üzerindeki spesifik baz dizilerini tanımlar

• Prokaryotes – single origin site E.g E.coli - oriC

• Eukaryotes – multiple sites of origin (replicator)

Semi-discontinuous replication Yarı süreksiz çoğaltma

Anti parallel strands replicated simultaneously. Anti paralel şeritler aynı anda çoğaltılır

Leading strand synthesis continuously in 5’– 3’5'-3'te sürekli olarak öncü iplikçik sentezi

Lagging strand synthesis in fragments in 5’-3’5'-3' parçalarda gecikmeli iplik sentezi

Core Proteins/Enzymes At The Replication Fork

Topoisomerases	- Prevents torsion by DNA breaks	- DNA kırılmaları nedeniyle bükülmeyi önler
Helicases	- Separates 2 strands	- 2 ipliği ayırır
Primase	- RNA primer synthesis	- RNA primer sentezi
Single strand binding proteins	- Prevent reannealing of single strands	- Tek tellerin yeniden tavlanmasını önleyin
DNA polymerase	- Synthesis of new strand	- Yeni ipliğin sentezi
DNA ligase	- Seals nick via phosphodiester linkage	- Fosfodiester bağlantısı yoluyla çentikleri kapatır
Exonuclease	- Remove primers	- Primerleri çıkarır

The Mechanism of Eukaryotic DNA Replication

1.       Histone removal

2.       Prereplication complex (pre-RC)

3.       Replication “licensing.”

4.       Duplex unwinding at replication forks and relaxing of positive supercoils. helicase Topoisomerase I and/or topoisomerase II

5.        

RNA priming of leading and lagging strand synthesis.

6.       

Polymerase switching. Either DNA pol δ or pol ε recognizes this primer and begins leadingl agging strand synthesis, respectively

7.       Elongation of leading strand and lagging strand.

8.       Continuous syntheses on the leading strand; polymerase switching on the lagging strand.

9.       Removal of RNA primers. RNA primers are degraded by the endonuclease activity.

10.   Fill-in of gaps left by primer removal is mediated by either DNA pol δ or pol ε.

11.   Joining of Okazaki fragments.

12.   

Histone deposition. 

Function Of Topoisomerase TOPOİZOMERAZIN FONKSİYONU

• As the strand is unfolded by the Helicase enzyme, the frequency of the helix increases in the parts of the DNA that have not yet been opened. • İplik Helikaz enzimi tarafından açıldıkça DNA'nın henüz açılmamış kısımlarında sarmalın frekansı artar.

•Overlapping folds are relaxed by DNA Topoisomerase enzymes. •Üst üste binen kıvrımlar DNA Topoizomeraz enzimleri tarafından gevşetilir.

•Gyrase, a topoisomerase, cuts single or double strands of DNA, straightening/flatten/linearise the bend and relaxing DNA. •Bir topoizomeraz olan giraz, DNA'nın tek veya çift sarmallarını keser, kıvrımı düzleştirir/ düzleştirir/doğrusallaştırır ve DNA'yı gevşetir.

•If the folds increase in the synthesized DNA, topoisomerase also cuts the folds and relaxes the DNA and reassembles the segments• Sentezlenen DNA'da kıvrımlar artarsa topoizomeraz da kıvrımları keserek DNA'yı gevşetir ve bölümleri yeniden birleştirir

• After unwinding, DNA polymerase enzymes step in and initiate replication. • Çözüldükten sonra DNA polimeraz enzimleri devreye girerek replikasyonu başlatır.

Telomere Maintenance:

The role of telomerase in DNA replication, aging, and cancer

replication at chromosome ends poses a special problem for linear chromosomes. Kromozom uçlarındaki replikasyon, doğrusal kromozomlar için özel bir sorun teşkil etmektedir.

• DNA polymerase requires a short RNA primer for replication and proceeds only 5′ to 3′ direction.

• WHEN THE FINAL PRIMER IS REMOVED FROM THE LAGGING STRAND AT THE END OF A CHROMOSOME, THIS 8–12 NT REGION IS LEFT UNREPLICATED. • BİR KROMOZOMUN SONUNDAKİ SON PRIMER GERİ KALDIĞINDA, BU 8-12 NT BÖLGESİ TEKRARLANMADAN KALIR.

• There is no upstream strand onto which DNA polymerase ε (or δ) can build to fill the gap. • Boşluğu doldurmak için DNA polimeraz ε (veya δ)'nın oluşturulabileceği yukarı yönde bir iplikçik yoktur. 

• Strict application of these rules to linear chromosomes predicts that chromosomes would get shorter with each round of replication. • Bu kuralların doğrusal kromozomlara sıkı bir şekilde uygulanması, kromozomların her replikasyon turunda kısalacağını öngörmektedir.

Telomeres

• Telomeres are comprised of tandem repeats of a simple guanine (G) rich sequence.

• Telomeres seal the ends of chromosomes and confer stability by keeping the chromosomes from ligating together. They are essential for cell survival. • Telomerler kromozomların uçlarını kapatır ve kromozomların birbirine bağlanmasını engelleyerek stabilite sağlar. Hücrenin hayatta kalması için gereklidirler.

• Loss of telomeres leads to end-to-end chromosome fusions, triggers cell death through apoptosis. • Telomer kaybı uçtan uca kromozom füzyonlarına neden olur, apoptoz yoluyla hücre ölümünü tetikler.

• Telomerase is now known to be a ribonucleoprotein (RNP) complex. • Telomerazın artık bir ribonükleoprotein (RNP) kompleksi olduğu bilinmektedir.

• The first telomerase component purified was the telomerase RNA or telomerase RNA component (TERC) from Tetrahymena in 1989. • Saflaştırılan ilk telomeraz bileşeni, 1989 yılında Tetrahymena'dan elde edilen telomeraz RNA veya telomeraz RNA bileşenidir (TERC).

• The RNA provides the template for telomere repeat synthesis. • RNA, telomer tekrar sentezi için şablon sağlar.

Telomerase, Aging, And Cancer Telomeraz, yaşlanma ve kanser

•In most unicellular organisms, telomerase has a “housekeeping” function, meaning that its core components are always expressed. • Çoğu tek hücreli organizmada telomerazın bir "HOUSEKEEPİNG" işlevi vardır, bu da onun temel bileşenlerinin her zaman ifade edildiği anlamına gelir.

•In contrast, most human somatic cells do not express enough telomerase to maintain a constant telomere length during cycles of chromosomal replication. • Buna karşılık, çoğu insan somatik hücresi, kromozomal replikasyon döngüleri sırasında sabit bir telomer uzunluğunu korumaya yetecek kadar telomeraz eksprese etmez.

•High levels of telomerase activity are restricted to ovaries, testes, some proliferating epithelial cells and lymphocytes. •Yüksek düzeyde telomeraz aktivitesi yumurtalıklar, testisler, çoğalan bazı epitel hücreleri ve lenfositlerle sınırlıdır.

In the absence of a telomere maintenance system lose terminal sequences. Telomer bakım sisteminin yokluğunda terminal dizileri kaybolur.

Telomere shortening: a molecular clock for aging?

“Molecular clock” that triggers aging

• In most human cancer cells, telomerase has been reactivated. Telomerase may thus be a more attractive target for anticancer therapy rather than anti-aging therapy.