Процесс репликации, как и процессы транскрипции и трансляции, складываются из трех этапов: инициации, элонгации и терминации:
Основными особенностями процесса репликации ДНК являются его полуконсервативный механизм, прерывистость синтеза (с промежуточным образованием так называемых «фрагментов
Оказаки»), протекающего всегда в направлении 5 ---------- 3 ,
а также наличие РНК-затравки (оРНК, или «праймера») в каждом фрагменте. На конечных этапах репликации цепочки оРНК выщешшются, а фрагменты объединяются с помощью ДНК-лигазы. Возможно, что та из цепей ДНК, которая синтезируется сразу в направлении от 5 к 3 («лидирующая» цепь), растет непрерывно без формирования фрагментов.
Специфика системы репликации определяется ее ярко выраженным мультиферментным характером. В этом процессе принимают участие две ДНК-полимеразы (I и III) и ДНК-лигаза. Кроме того, для дестабилизации двойной спирали ДНК и «раскручивания» ее цепей необходимы специальные релаксирующие белки: хеликазы и топоизомеразы I (со-белок). Восстановление суперспирализации молекулы ДНК осуществляется АТФ-зависи-мой топоизомеразой II (ДНК-гиразой).
Расшифровка роли всех необходимых для репликации компонентов усложняется тем, что в клетке могут одновременно протекать репликации нескольких типов: кроме редупликации генома имеет место репарационный и рекомбииациониый синтез ДНК, а также репликация внехромосомных генетических детерминант — илазмид.
Всего к настоящему времени идентифицировано около 15 генетических локусов (dna), повреждение которых вызывает нарушение репликации ДНК. Каждый из них, по-видимому, кодирует один из полипептидов, необходимых для процесса репликации.
Роль отдельных продуктов в значительной степени расшифрована. Так, продукт локуса dnaA необходим для синтеза оРНК и играет роль положительного регулятора в этом процессе. В свою очередь, его образование подвержено авторегуляции. Некоторые белки оказались полифункциональными. Например, продукт локуса dnaC необходим для включения оРНК в цепь ДНК, после чего этот белок становится компонентом репликационного комплекса и участвует в процессе элонгации.
Наиболее жесткая регуляция, несомненно, осуществляется на стадии инициации репликации. Помимо перечисленных продуктов цистронов dnaA и dnaC, в инициации принимают также участие продукты ряда других цистронов: dnaB, dnal и dnaP.
Есть данные, что репликация ДНК находится как под положительным, так и под отрицательным контролем белков-регуляторов. В общем виде положительный контроль предполагает, что накопление активатора до порогового уровня, достаточного для инициации нового цикла репликации, должно быть координировано с удвоением массы клетки. Напротив, при отрицательном контроле ингибитор должен синтезироваться лишь в ограниченном количестве вскоре после начала предыдущего цикла репликации (такой ингибитор может быть продуктом гена, локализованного вблизи от начала репликации, транскрипция которого осуществляется только в период репликации этого участка ДНК). В процессе клеточного роста ингибитор разбавляется, а в момент удвоения массы клетки уровень его должен падать ниже критического.
Однако раскрытие механизмов регуляции репликации затрудняется сложным, многоэтапным характером этого процесса и его легкой повреждаемостью, препятствующей воспроизведению in vitro в полностью реконструированной системе. До сих пор большая часть работ по изучению репликации ДНК осуществляется в модельных фаговых системах (фаги G4, М13, ФХ174 Т-фаги и др.). Значительные успехи достигнуты также при использовании термочувствительных мутантов бактерий, у которых процесс репликации повреждается при температурах выше оптимальной (ts-мутанты).
В разделе, посвященном регуляции клеточного деления, мы несколько подробнее остановимся на взаимосвязи регуляции процессов репликации, роста и деления клеток.