Сохранение ДНК в ряду поколений

Независимо от того, содержит клетка только одну хромосому (как у прокариот) или много хромосом (как у эукариот) за период времени, соответствующий одному клеточному делению, весь геном должен быть реплицирован только один раз. Каким же образом акт репликации связан с клеточным циклом?Начало репликации неизбежно влечёт за собой дальнейшее деление любой клетки. Если репликация началась, то до её завершения последующее деление клетки не сможет произойти. Именно завершение репликации, по-видимому, служит сигналом для клеточного деления. Отдельные акты репликации происходят на единицах хромосом, называемых репликонами. Каждый репликон в каждом клеточном цикле активируется только один раз. В нём обязательно должны присутствовать необходимые для репликации контролирующие элементы: точка начала (ориджин), в которой инициируется репликация и точка окончания, в которой репликация завершается.                Событие репликации контролируется на стадии инициации, т.е. однажды начавшись, репликация продолжается до тех пор, пока весь репликон не будет реплицирован, т.е. удвоен. Частота инициации контролируется взаимодействием регуляторного белка (белков) с точкой репликации. Бактериальная хромосома представляет собой единый репликон. Наряду с хромосомой бактерии могут содержать плазмиды. Поскольку каждая плазмида является автономным образованием, постольку она является отдельным репликоном. Синтез ДНК является последовательным и полуконсервативным. Точка, в которой происходит репликация, называется точкой роста или репликационной вилкой. Она движется вдоль молекулы ДНК от её стартовой точки. Удвоение осуществляется либо в одном, либо в двух направлениях. Если скорость размножения бактерии достаточно велика, то в точке начала репликации могут появляться новые «глазки».Одним из важных вопросов является вопрос о том, как клетка узнаёт о том, когда именно следует начинать цикл репликации? На быстро растущих бактериях было установлено, что событие инициации происходит при постоянном соотношении клеточной массы и числа точек начала репликации. В отношении других клеток было установлено, что начало деления действительно определяется клеточной массой.

Для объяснения зависимости инициации удвоения ДНК от клеточной массы были предложены две модели. Одна предполагает непрерывный синтез белка-инициатора в течение клеточного цикла. Накопление критического количества такого белка может служить сигналом для инициации. Вторая модель предполагает, что в определённом периоде цикла в клетке синтезируется белок-ингибитор. При увеличении объёма клетки в процессе её роста уровень (концентрация, содержание) такого белка падает ниже эффективного. Однако, ни одной из моделей не отдаётся предпочтения.Показано, что между бактериальной ДНК и мембраной  существует физическая связь, о чём мы уже отчасти говорили. Вполне вероятно, что сайт (участок) роста – это структура на мембране, к которой прикреплена бактериальная хромосома своим участком с точкой начала репликации. Связь между ДНК и мембраной может объяснять и механизм разделения клетки на две дочерние. В таком случае, если дочерние хромосомы прикреплены к мембране, то они могут быть физически отделены друг от друга при росте мембраны между ними (рис.). Каждая хромосома эукариот делится на множество репликонов, каждый из которых реплицируется в автономном режиме. Они активируются не одновременно. В любой момент времени S-фазы только некоторые из них вступают в процесс репликации. Сигналом для вступления в S-фазу является активация первых репликонов. При этом хромосомные репликоны удваиваются в обоих направлениях.

Точки начала репликации (ориджины) удалены друг от друга на расстояние примерно в 100-200 тысяч пар нуклеотидов (т.н.п.). Следовательно, в гаплоидном геноме млекопитающих общее число репликонов составляет 20-30 тысяч. У человека в сперматогониях на одной хромосоме  насчитывается около 40 точек начала репликации, а продолжительность S-фазы составляет около 15 часов. В сперматоцитах, т.е. на более поздней стадии формирования половых клеток, таких точек обнаруживается только 5-6, и репликация занимает до 100 часов. Т.е. на разных стадиях образования гамет процесс удвоения хромосом может происходить по-разному.Кроме того, скорость перемещения репликационных вилок у высших животных и высших растений составляет 1-3 тыс.п.н. в минуту. У бактерий скорость достигает величины в 50 тыс.п.н. за одну минуту.Также следует отметить, что эухроматин и гетерохроматин реплицируются в разное время. Гетерохроматин удваивается позже, вероятно, из-за его более конденсированной структуры.

Исследование нуклеотидной последовательности точек начала репликации (ориджинов) показало, что они представляют собой определённые ars-последовательности (автономно реплицирующиеся последовательности), которые встречаются с определённой частотой, напр., у дрозофилы – через каждые 30-40 т.п.н. При этом минимальные последовательности с ars-функцией содержат каноническую (обязательную) последовательность из 11 п.н. в окружении  АТ-богатых областей ДНК.