شوكة التضاعف

آلية العمل

يُحفِّز نشاط إنزيمات الهيليكاز فك الازدواج بين شريطَي الدنا (لولب الدنا المزدوج/ DNA double helix) بطريقة تعتمد على مركب الطاقة الحيوية، الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (Adenosine triphosphate, ATP)، مما يشكل مناطقَ من الدنا أحادية السلسلة (Single-stranded DNA, ssDNA)، تُغلَّف بسرعة ببروتينات ربط الدنا أحادي السلسلة، بما في ذلك بروتين التضاعف أ (Replication protein A, RPA) في الأنظمة حقيقية النوى أو بروتينات الارتباط بسلاسل الدنا المفردة {{بروتينات الارتباط بسلاسل الدنا المفردة (Single-stranded DNA-binding proteins, SSBs): هي بروتينات ترتبط بالحمض النووي أحادي السلسلة، وتثبّته في أثناء تضاعف الدنا أو إصلاحه، مما يمنع إعادة تشكيل اللولب المزدوج، ويحميها من إنزيمات النيوكلياز التي تُحلّلها.}} في بدائيات النوى التي تُثبّت الخيوط المكشوفة وتمنع اقتران القواعد النيتروجينية داخل الجزيء، وتُحافظ على القوالب في تكوينٍ مناسبٍ لتحفيز تفاعل إنزيمبوليميراز الدنا (DNA polymerase)[1].

تتميّز شوكة التضاعف بالتخليق غير المتماثل، إذ تُصنَع السلسلة المتقدمة (Leading strand) باستمرار في الاتجاه من 5' إلى 3' (يشير رقم 5' إلى ارتباط ذرةالكربون بالموقع 5' في جزيء السكر الخماسي بمجموعة فوسفات؛ أما رقم 3'، فيشير إلى ارتباط ذرةالكربون بالموقع 3' في جزيء السكر بمجموعة هيدروكسيل (الشكل 2))، بوساطة إنزيمات بوليميراز الدنا من النوع الثالث {{إنزيم بوليميراز الحمض النووي من النوع الثالث (DNA polymerase III): المعقّد الإنزيمي الرئيس في تضاعف الحمض النووي البكتيري، وهو المسؤول عن تخليق سلاسل الحمض النووي الجديدة. يراجع هذا الإنزيم عملَه للتأكد من دقته، ويتميّز بكفاءة عالية، إذ يضيف النيوكليوتيدات بسرعة إلى السلسلة المتنامية.}}، في حين أن السلسلة المتأخرة (Lagging strand) للاتجاه ذاته من 3' إلى 5' تخضع لعملية تخليق متقطعة، مما يؤدي إلى توليد قطع صغيرة من الدنا تُعرَف باسم شظايا أوكازاكي {{شظايا أوكازاكي: (Okazaki fragments) هي أجزاء قصيرة ومتقطّعة من الحمض النووي، تتكوّنُ على السلسلة المتأخرة في أثناء التضاعف. تُربط لاحقًا بوساطة إنزيم ليغاز الدنا لتكوين سلسلة جديدة متّصلة وكاملة.}}، نسبةً إلى العالِمة اليابانية التي اكتشفت هذه العملية، تسونيكو أوكازاكي (Tsuneko Okazaki)[2].

حذف الصورة؟

سيؤدي هذا إلى نقل الصورة إلى سلة المهملات.

حذف إلغاء

يعتمد تشكيل شظايا أوكازاكي على استخدام بادئات (Primers) من الحمض النووي الريبي (الرنا، RNA)، تُضاف بوساطة إنزيم البريماز (Primase)، ذلك لأن إنزيمات البوليميراز لا تستطيع بدء التخليق أو إطالة سلاسل الدنا المفردة المتشكّلة في شوكة التضاعف بمفردها. كذلك يُوفّر هذا الارتباط مجموعات الهيدروكسيل عند النهاية 3' الضرورية لعمل إنزيماتبوليميراز الدنا. تُعالَج هذه الشظايا لاحقًا بإزالة بادئات الدنا، وملء الفجوات بتسلسُلٍ مُتناظِر من الدنا، وإغلاقها بوساطة إنزيم ربط الدنا (ليغاز الدنا/ DNA ligase) لإنتاج شريط متّصل (الشكل 3)[3].

يتطلّب تنسيق هذَيْن النمطَيْن من التخليق تنظيمًا ديناميكًا دقيقًا داخل الريبليزوم، وهو مركّبٌ متعدّد البروتينات، لا يشمل إنزيمات بوليميراز الدنا فحسب، بل يشمل المشابك المنزلقة {{المشابك المنزلقة: (sliding clamps)، هي معقّدات بروتينية حلقية الشكل، تُحيط بالحمض النووي مزدوج السلسلة، وتعمل بوصفها منصّة متحركة. ترتبط هذه المشابك ببوليميراز الحمض النووي، مما يثبته على قالب الدنا لزيادة سرعته وكفاءته بشكل كبير.}}، وبروتينات تحميل المشابك {{مُحمِّل المشبك: (Clamp loaders) هو مُركَّب بروتيني، غالبًا ما يكون خماسي السلاسل، يستخدم الأدينوسين ثلاثي الفوسفات لتحميل مشابك انزلاقية حلقية الشكل على الحمض النووي، وهي ضرورية لتضاعف الحمض النووي الفعّال وعالي السرعة. تُحيط هذه المشابك بالحمض النووي، وتربط بوليميراز الحمض النووي بشريط الدنا القالب، مما يزيد بشكل كبير من كفاءة البوليميراز.}}، وإنزيمات الهيليكاز، والبريماز، والتوبو أيزوميراز (Topoisomerases)، ويُسهم كُلٌّ منها في دقّة التضاعف وسرعته[4].

يؤدّي فكّ اللولب المزدوج بوساطة إنزيم الهيليكاز إلى توليد جهدٍ التوائِيٍّ أمام شوكة التضاعف، مما يؤدي إلى تراكم الالتفافات الفائقة (supercoils). تنشأ هذه الظاهرة بسبب حاجة جزيء الدنا إلى الدوران للسماح بانفصال السلسلتَيْن، ولكن البينة اللولبية والقيود الطوبولوجية للجزيء يحدّان من إمكانية الدوران. نتيجةً لذلك، تتراكم التفافات فائقة موجبة {{التفافات الحمض النووي الفائقة الموجبة: (Positive supercoils) هي مناطق ملتفّة ومشدودة من الحمض النووي تتشكّل أمام شوكة التضاعف أو معقد النسخ. تساعد إنزيمات التوبوأيزوميراز في تخفيف هذا الإجهاد الالتوائِيّ، لمنع تلف الحمض النووي والسماح باستمرار عملية التضاعف أو النسخ.}} أمام شوكات التضاعف، وتتكوّن مناطق سالبة الالتفاف (Negative supercoils) خلفها، مما يزيد من التوتر اللولبي ويُعيق تقدُّمَ الشوكات. تؤدي إنزيمات التوبوأيزوميراز دَوْرًا مهمًّا في حلِّ الإجهاد الالتوائي (Winding effect) الذي ينشأ قبل الشوكة المتقدّمة بسبب الانحلال اللولبي، ومن ثم منع تراكم اللفائف الفائقة وتشابكات لولب الدنا التي قد تُعيق تقدّم الشوكة[5].

سلامة شوكة التضاعف

ولضمان سلامة شوكة التضاعف، فإن كينازات نقاط المراقبة {{كينازات نقاط المراقبة: (Checkpoint kinases) هي بروتينات تشارك في تنظيم دورة حياة الخلية، ويوجد نوعان منها، هُما: تشك1 (Chk1) وتشك2 (Chk2). يُعَدّ تشك1 مكوّنًا أساسيًا في مسارات مراقبة الجينوم، ومنظمًا رئيسًا لدورة الخلية وبقاء الخلية.}}، بما في ذلك كيناز أتر (ATR) وتشك1 (Chk1)، في الخلايا حقيقية النواة، تفحص وتكشف عن الشوكات المتوقّفة أو البطيئة الناتجة من عوائق مثل آفات الدنا، أو مُركّبات البروتين النووي المُرتبطة بإحكام، أو هياكل الدنا الثانوية، وتُفعِّل مسارات إشارات تثبّت الشوكة، وتُثبّط تحفيز أصل التضاعف (Origin of replication)، وتستقطب عوامل الإصلاح، مما يمنع انهيار الشوكة ويحافظ على استقرار الجينوم[6]. في الواقع، يُعَدّ استقرار شوكة التضاعف أمرًا بالغ الأهمية، إذ إن التوقف أو الانهيار غير المتحكّم فيه، قد يؤديان إلى كسور في السلسلة المزدوجة، أو عمليات حذف أو انتقال، أو طفرات جينية، كُلُّها تسهم في التسرطن واضطرابات وراثية أخرى.

المراجع

Adolph, Madison B. & David Cortez. “Mechanisms and Regulation of Replication Fork Reversal.” DNA Repair. vol. 141 (2024). 103731. doi: 10.1016/j.dnarep.2024.103731

Duckworth, Alexander T. et al. “Replication Fork Binding Triggers Structural Changes in the PriA Helicase.” Nature Communications. vol. 14, no. 1 (2023). pp. 1–13. doi: 10.1038/s41467-023-38144-x

Hotchkiss, Rollin D. “Metabolism and Growth of Gene Substance.” Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology. vol. 33 (1968). pp. 857-70. doi: 10.1101/sqb.1968.033.01.097

Leman, Adam R., & Eishi Noguchi. “The Replication Fork: Understanding the Eukaryotic Replication Machinery and the Challenges to Genome Duplication.” Genes. vol. 4, no. 1 (2013). pp. 1–32. doi: 10.3390/genes4010001

Nelson, David L. & Michael Cox. Lehninger's Principles of Biochemistry. 8^th ed. New York: W. H. Freeman, 2021.

Saldanha, Joanne et al. “The Adaptive Mechanisms and Checkpoint Responses to a Replication Fork.” International Journal of Molecular Sciences. vol. 24, no. 13 (2023). doi: 10.3390/ijms241310488

[1] Madison B. Adolph & David Cortez, “Mechanisms and Regulation of Replication Fork Reversal,” DNA Repair, vol. 141 (2024), doi: 10.1016/j.dnarep.2024.103731

[2] Rollin D. Hotchkiss, “Metabolism and Growth of Gene Substance,” Cold Spring Harbor Symposia on Quantitative Biology, vol. 33 (1968), p. 857, doi: 10.1101/sqb.1968.033.01.097

[3] Alexander T. Duckworth et al., “Replication Fork Binding Triggers Structural Changes in the PriA Helicase,” Nature Communications, vol. 14, no. 1 (2023), p. 1, doi: 10.1038/s41467-023-38144-x

[4] David L. Nelson & Michael Cox, Lehninger's Principles of Biochemistry, 8^th ed. (New York: W. H. Freeman, 2021).

[5] Duckworth et al, op. cit.

[6] Joanne Saldanha et al., “The Adaptive Mechanisms and Checkpoint Responses to a Replication Fork,” International Journal of Molecular Sciences, vol. 24, no. 13 (2023), p. 1, doi: 10.3390/ijms241310488