أصل التضاعف

منشأ التضاعف (أو أصل التضاعف ) هو تسلسل محدد في الجينوم يبدأ عنده التضاعف. ^{[ 1 ]} يتطلب انتشار المادة الوراثية بين الأجيال تضاعف الحمض النووي (DNA) بدقة وفي الوقت المناسب عن طريق التضاعف شبه المحافظ قبل انقسام الخلية لضمان حصول كل خلية ابنة على العدد الكامل من الكروموسومات . ^{[ 2 ]} قد يشمل ذلك تضاعف الحمض النووي (DNA) في الكائنات الحية مثل بدائيات النوى وحقيقيات النوى، أو تضاعف الحمض النووي (DNA) أو الحمض النووي الريبي (RNA) في الفيروسات، مثل فيروسات الحمض النووي الريبي ثنائي السلسلة . ^{[ 3 ]} يبدأ تخليق السلاسل الوليدة من مواقع محددة، تُسمى أصول التضاعف، ويستمر في اتجاهين حتى يتم تضاعف جميع الحمض النووي الجينومي. على الرغم من الطبيعة الأساسية لهذه العمليات، فقد طورت الكائنات الحية استراتيجيات متباينة بشكل مدهش للتحكم في بدء التضاعف. ^{[ 2 ]} على الرغم من أن بنية تنظيم منشأ التضاعف والتعرف عليه تختلف من نوع إلى آخر، إلا أن هناك بعض الخصائص المشتركة.

من الشروط الأساسية لتضاعف الحمض النووي (DNA) أن يحدث بدقة وكفاءة عاليتين، مرة واحدة فقط في كل دورة خلوية، وذلك لمنع تراكم التغيرات الجينية التي قد تُلحق أضرارًا بالغة ببقاء الخلية واستمرارية الكائن الحي. ^{[ 4 ]} قد تؤدي أحداث تضاعف الحمض النووي غير المكتملة أو الخاطئة أو غير المتزامنة إلى حدوث طفرات، أو تعدد الصيغ الصبغية، أو اختلال الصيغة الصبغية ، أو تغيرات في عدد نسخ الجينات، وكل منها بدوره قد يُسبب أمراضًا، بما في ذلك السرطان. ^{[ 5 ] [ 6 ]} ولضمان تضاعف كامل ودقيق للجينوم بأكمله، وتدفق المعلومات الوراثية بشكل صحيح إلى الخلايا الوليدة، لا تخضع جميع أحداث تضاعف الحمض النووي لتنظيم دقيق وفقًا لإشارات دورة الخلية فحسب، بل تُنسق أيضًا مع أحداث خلوية أخرى، مثل النسخ وإصلاح الحمض النووي . ^{[ 2 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} بالإضافة إلى ذلك، تحتوي تسلسلات الأصل عادةً على نسبة عالية من AT عبر جميع الممالك، نظرًا لأن تكرارات الأدينين والثايمين أسهل في الفصل لأن تفاعلات تكديس قواعدها ليست بقوة تفاعلات الجوانين والسيتوزين . ^{[ 10 ]}

تنقسم عملية تضاعف الحمض النووي إلى مراحل مختلفة. خلال مرحلة البدء، تتجمع آليات التضاعف - التي تُسمى بالريبليسومات - على الحمض النووي بطريقة ثنائية الاتجاه. تُشكل مواقع التجميع هذه مواقع بدء تضاعف الحمض النووي أو أصول التضاعف. في مرحلة الاستطالة، تتحرك الريبليسومات في اتجاهين متعاكسين مع شوكات التضاعف، فتفك لولب الحمض النووي وتُركّب خيوط الحمض النووي البنت المُكملة باستخدام كلا الخيطين الأبويين كقوالب. بمجرد اكتمال التضاعف، تؤدي أحداث إنهاء محددة إلى تفكك الريبليسومات. طالما أن الجينوم بأكمله يتضاعف قبل انقسام الخلية، قد يُفترض أن موقع مواقع بدء التضاعف لا يهم؛ ومع ذلك، فقد ثبت أن العديد من الكائنات الحية تستخدم مناطق جينومية مُفضلة كأصول. ^{[ 11 ] [ 12 ]} من المُرجح أن تنشأ ضرورة تنظيم موقع الأصل من الحاجة إلى تنسيق تضاعف الحمض النووي مع العمليات الأخرى التي تعمل على قالب الكروماتين المُشترك لتجنب انقطاع خيوط الحمض النووي وتلفه. ^{[ 2 ] [ 6 ] [ 9 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

في يناير 1963، اقترح جاكوب وبرينر وكوزين فرضية التضاعف لتفسير تنظيم تخليق الحمض النووي الصبغي في بكتيريا الإشريكية القولونية . ^{[ 18 ]} يفترض هذا النموذج أن عاملًا قابلًا للانتشار، يعمل عبر مواقع أخرى ، يُسمى المُبادر، يتفاعل مع عنصر من الحمض النووي يعمل في نفس الموقع ، وهو المُضاعِف، لتعزيز بدء التضاعف عند نقطة بدء قريبة. بمجرد ارتباط المُبادر بالمُضاعِف، يقوم (غالبًا بمساعدة بروتينات التحميل المُساعدة) بترسيب إنزيمات الهيليكاز التضاعفية على الحمض النووي، والتي بدورها تحفز استقطاب مكونات إضافية من مُركب التضاعف وتجميع جهاز التضاعف بأكمله. وبذلك، يُحدد المُضاعِف موقع أحداث بدء التضاعف، وتُعرف منطقة الكروموسوم التي يتم تضاعفها من نقطة بدء واحدة أو حدث بدء واحد باسم التضاعف. ^{[ 2 ]}

تتمثل إحدى السمات الأساسية لفرضية الريبليكون في اعتمادها على التنظيم الإيجابي للتحكم في بدء تضاعف الحمض النووي، وهو ما يفسر العديد من الملاحظات التجريبية في الأنظمة البكتيرية والبلعمية. ^{[ 18 ]} فعلى سبيل المثال، تفسر هذه الفرضية فشل الحمض النووي خارج الكروموسومات، الذي لا يحتوي على مواقع بدء التضاعف، في التضاعف عند إدخاله إلى الخلايا المضيفة. كما أنها تفسر عدم توافق البلازميدات في بكتيريا الإشريكية القولونية، حيث تُزعزع بعض البلازميدات استقرار وراثة بعضها البعض نتيجة التنافس على نفس الآلية الجزيئية لبدء التضاعف. ^{[ 19 ]} في المقابل، يفشل نموذج التنظيم السلبي (المشابه لنموذج الريبليكون-المشغل في عملية النسخ) في تفسير النتائج المذكورة أعلاه. ^{[ 18 ]} ومع ذلك، فقد كشفت الأبحاث اللاحقة لاقتراح جاكوب وبرينر وكوزين لنموذج الريبليكون عن العديد من طبقات التحكم الإضافية في التضاعف في البكتيريا وحقيقيات النوى، والتي تشمل عناصر تنظيمية إيجابية وسلبية، مما يُبرز تعقيد وأهمية تقييد تضاعف الحمض النووي زمانيًا ومكانيًا. ^{[ 2 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}

أثبت مفهوم المُضاعِف ككيان جيني فائدته الكبيرة في تحديد تسلسلات الحمض النووي للمُضاعِف والبروتينات المُبادرة في بدائيات النوى ، وإلى حد ما في حقيقيات النوى أيضًا ، على الرغم من اختلاف تنظيم المُضاعِفات وتعقيدها اختلافًا كبيرًا بين نطاقات الحياة. ^{[ 23 ] [ 24 ]} في حين أن الجينومات البكتيرية تحتوي عادةً على مُضاعِف واحد مُحدد بواسطة عناصر تسلسل الحمض النووي المتفق عليها، والذي يتحكم في تضاعف الكروموسوم بأكمله، فإن معظم مُضاعِفات حقيقيات النوى - باستثناء الخميرة المتبرعمة - لا تُحدد على مستوى تسلسل الحمض النووي؛ بل يبدو أنها تُحدد بشكل تركيبي بواسطة إشارات بنيوية محلية للحمض النووي والكروماتين . ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]} تتميز كروموسومات حقيقيات النوى بحجمها الأكبر بكثير من نظيراتها البكتيرية، مما يستدعي بدء تخليق الحمض النووي من مواقع بدء متعددة في آنٍ واحد لضمان تضاعف الجينوم بأكمله في الوقت المناسب. إضافةً إلى ذلك، يتم تحميل عدد أكبر بكثير من إنزيمات الهيليكاز التضاعفية مقارنةً بالعدد المُفعّل لبدء التضاعف في دورة الخلية الواحدة. يشير تعريف المُضاعفات واختيار مواقع البدء، المُستند إلى السياق، إلى نموذج مُرن للتضاعف في أنظمة حقيقيات النوى، مما يسمح بمرونة في برنامج تضاعف الحمض النووي. ^{[ 23 ]} على الرغم من إمكانية وجود تباعد مكاني بين المُضاعفات ومواقع البدء على الكروموسومات، إلا أنها غالبًا ما تتواجد في نفس الموقع أو تكون متقاربة؛ ولتبسيط الأمر، سنشير إلى كلا العنصرين باسم "مواقع البدء" في هذه المراجعة. يمثل اكتشاف وعزل تسلسلات المنشأ في مختلف الكائنات الحية، مجتمعةً، إنجازًا هامًا نحو فهم آليات بدء التضاعف. إضافةً إلى ذلك، كان لهذه الإنجازات آثارٌ بالغة الأهمية في مجال التقنية الحيوية، لا سيما في تطوير نواقل مكوكية يمكن استنساخها في الخلايا البكتيرية والخميرة والثديية. ^{[ 2 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]}

معظم الكروموسومات البكتيرية دائرية الشكل وتحتوي على منشأ واحد لتضاعف الكروموسوم ( oriC ). تتميز مناطق oriC البكتيرية بتنوعها المذهل في الحجم (يتراوح من 250 زوجًا قاعديًا إلى 2 كيلو زوج قاعدي)، والتسلسل، والتنظيم؛ ^{[ 39 ] [ 40 ]} ومع ذلك، فإن قدرتها على بدء التضاعف تعتمد عادةً على قراءة تسلسلية محددة لعناصر الحمض النووي المتفق عليها بواسطة المُبادر البكتيري، وهو بروتين يُسمى DnaA. ^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]} تكون منشأ التضاعف في البكتيريا إما متصلة أو ثنائية الأجزاء، وتحتوي على ثلاثة عناصر وظيفية تتحكم في نشاط المنشأ: تكرارات الحمض النووي المحفوظة التي يتعرف عليها DnaA تحديدًا (تُسمى صناديق DnaA)، وعنصر فك الحمض النووي الغني بالأدينين والثايمين (DUE)، ومواقع ارتباط للبروتينات التي تساعد في تنظيم بدء التضاعف. ^{[ 11 ] [ 45 ] [ 46 ]} تُعد تفاعلات بروتين DnaA مع مناطق صندوق DnaA ثنائية السلسلة (ds) ومع الحمض النووي أحادي السلسلة (ss) في منطقة DUE مهمة لتنشيط منشأ التضاعف، وتتوسطها نطاقات مختلفة في البروتين البادئ: عنصر ربط الحمض النووي من نوع حلزون-انعطاف-حلزون (HTH) ونطاق ATPase المرتبط بأنشطة خلوية متنوعة ( AAA+ )، على التوالي. ^{[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]} على الرغم من اختلاف تسلسل وعدد وترتيب صناديق DnaA المرتبطة بمنشأ التضاعف في جميع أنحاء المملكة البكتيرية، إلا أن موقعها المحدد والمسافة بينها في نوع معين أمر بالغ الأهمية لوظيفة oriC ولتكوين معقد بدء التضاعف الفعال. ^{[ 2 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 54 ] [ 55 ] [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]}

تُعدّ بكتيريا الإشريكية القولونية (E. coli) نموذجًا حيويًا لدراسة تنظيم مواقع بدء التضاعف، وآلية التعرف عليها، وآلية تنشيطها. يتألف موقع بدء التضاعف (oriC) في الإشريكية القولونية من منطقة يبلغ طولها حوالي 260 زوجًا قاعديًا، تحتوي على أربعة أنواع من عناصر ربط المُبادر، تختلف في مدى انجذابها لبروتين DnaA واعتمادها على العامل المساعد ATP . تُشكّل صناديق DnaA، R1 وR2 وR4، مواقع عالية الانجذاب، ترتبط بها منطقة HTH لبروتين DnaA بغض النظر عن حالة ارتباط النيوكليوتيدات بالمُبادر. ^{[ 41 ] [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] [ 62 ] [ 63 ]} في المقابل، تُعدّ المواقع I وτ وC، المتناثرة بين المواقع R، صناديق DnaA منخفضة الانجذاب، وترتبط بشكل تفضيلي ببروتين DnaA المرتبط بـ ATP، على الرغم من إمكانية استبدال ATP-DnaA بـ ADP-DnaA في ظروف معينة. ^{[ 64 ] [ 65 ] [ 66 ] [ 57 ]} يعزز ارتباط نطاقات HTH بعناصر التعرف على DnaA ذات الألفة العالية والمنخفضة عملية تجميع وحدات AAA+ الخاصة بـ DnaA، المعتمدة على ATP، لتكوين خيط حلزوني يميني يلتف حول سطحه الخارجي، مما يُولد التواءً حلزونيًا فائقًا يُسهل انصهار منطقة DUE المجاورة الغنية بـ AT. ^{[ 47 ] [ 67 ] [ 68 ] [ 69 ]} كما يُساعد فصل خيوط الحمض النووي من خلال التفاعلات المباشرة لنطاق ATPase AAA+ الخاص بـ DnaA مع التكرارات الثلاثية، والتي تُسمى DnaA-trios، في منطقة DUE القريبة. ^{[ 70 ]} يؤدي ارتباط أجزاء ثلاثية النوكليوتيدات أحادية السلسلة بخيط البدء إلى شد الحمض النووي وتثبيت فقاعة البدء عن طريق منع إعادة الالتحام. ^{[ 51 ]} يُعد عنصر الأصل DnaA-trio محفوظًا في العديد من أنواع البكتيريا، مما يشير إلى أنه عنصر أساسي لوظيفة الأصل. ^{[ 70 ]} بعد الانصهار، يوفر DUE موقع دخول لإنزيم الهيليكاز التضاعفي DnaB في بكتيريا الإشريكية القولونية ، والذي يتم ترسيبه على كل من خيوط الحمض النووي المفردة بواسطة بروتين التحميل DnaC. ^{[ 2 ]}

على الرغم من أن أنشطة ارتباط DnaA المختلفة بالحمض النووي قد دُرست على نطاق واسع من الناحية البيوكيميائية، وتم تحديد العديد من البنى المرتبطة بالحمض النووي ( apo ، ssDNA، أو dsDNA)، ^{[ 50 ] [ 51 ] [ 52 ] [ 68 ]،} إلا أن البنية الدقيقة لتجميع بدء التضاعف DnaA- oriC ذي الرتبة الأعلى لا تزال غير واضحة. وقد اقتُرح نموذجان لتفسير تنظيم عناصر المنشأ الأساسية وانصهار oriC بوساطة DnaA . يفترض نموذج الحالتين وجود خيط DnaA متصل يتحول من نمط ارتباط dsDNA (المركب المنظم) إلى نمط ارتباط ssDNA في DUE (المركب المنصهر). ^{[ 68 ] [ 71 ]} في المقابل، في نموذج الحلقة الخلفية، ينحني الحمض النووي بشدة في oriC وينطوي عائدًا على خيط البادئ بحيث ترتبط وحدات DnaA الفرعية في آنٍ واحد بمناطق الحمض النووي المزدوجة والمفردة. ^{[ 72 ]} لذا، يظل توضيح كيفية تنظيم الحمض النووي oriC بواسطة DnaA مهمةً أساسيةً للدراسات المستقبلية. ستساعدنا معرفة بنية معقد البدء على فهم كيفية فك الحمض النووي من منطقة البدء، وكيفية تحميل إنزيم الهيليكاز التضاعفي بشكل موجه على كل من خيوط الحمض النووي المفردة المكشوفة في منطقة DUE غير الملتفة، وكيف تُسهّل هذه العمليات تفاعلات الهيليكاز مع البروتين البادئ وبروتينات التحميل المحددة. ^{[ 2 ]}

تتشابه مواقع بدء تضاعف الحمض النووي في العتائق مع مواقع بدء التضاعف البكتيرية في بعض السمات التنظيمية، ولكن ليس جميعها ^. على عكس البكتيريا، غالبًا ما تبدأ العتائق عملية التضاعف من مواقع بدء متعددة لكل كروموسوم (تم الإبلاغ عن موقع بدء واحد إلى أربعة مواقع)؛ ^{[ 73 ] [ 74 ] [ 75 ] [ 76 ] [ 77 ] [ 78 ] [ 79 ] [ 80 ] [ 40 ]} ومع ذلك، تحمل مواقع بدء التضاعف في العتائق أيضًا مناطق تسلسل متخصصة تتحكم في وظيفة موقع البدء. ^{[ 81 ] [ 82 ] [ 83 ]} تشمل هذه العناصر كلاً من صناديق التعرف على مواقع بدء التضاعف الخاصة بتسلسل الحمض النووي (ORBs أو miniORBs) ومنطقة DUE غنية بالأدينين والثايمين محاطة بمنطقة أو عدة مناطق ORB. ^{[ 79 ] [ 84 ]} تُظهر عناصر ORB درجة كبيرة من التنوع من حيث عددها وترتيبها وتسلسلها، سواء بين أنواع العتائق المختلفة أو بين مواقع بدء التضاعف المختلفة في النوع الواحد. ^{[ 74 ] [ 79 ] [ 85 ]} يُضيف المُبادر Orc1/Cdc6 في العتائق درجةً إضافيةً من التعقيد، إذ يرتبط بمناطق ORB. عادةً ما تُشفّر جينومات العتائق العديد من نظائر Orc1/Cdc6 التي تختلف اختلافًا كبيرًا في تقاربها مع عناصر ORB المختلفة، وتُساهم بشكلٍ مُتباين في أنشطة المنشأ. ^{[ 79 ] [ 86 ] [ 87 ] [ 88 ]} في Sulfolobus solfataricus ، على سبيل المثال، تم تحديد ثلاثة مناشئ كروموسومية (oriC1 وoriC2 وoriC3)، وكشفت الدراسات البيوكيميائية عن أنماط ارتباط مُعقدة للمُبادرات في هذه المواقع. ^{[ 79 ] [ 80 ] [ 89 ] [ 90 ]} المُبادر المُناسب لـ oriC1 هو Orc1-1، الذي يرتبط بالعديد من ORBs في هذا المنشأ. ^{[ 79 ] [ 87 ]} يرتبط كل من Orc1-1 وOrc1-3 بموقعَي بدء التضاعف OriC2 وOriC3. ^{[ 79 ] [ 87 ] [ 90 ]} في المقابل، يرتبط نظير ثالث، Orc1-2، بجميع مواقع بدء التضاعف الثلاثة، ولكن يُفترض أنه يُثبّط بدء التضاعف. ^{[ 79 ][ 90 ]} بالإضافة إلى ذلك، فقد ثبت أن بروتين WhiP، وهو مُبادر لا يرتبط بـ Orc1/Cdc6، يرتبط بجميع مواقع بدء التضاعف، ويُحفز نشاط موقع بدء التضاعف oriC3 في بكتيرياSulfolobus islandicus. ^{[ 87 ] [ 89 ]} ولأن مواقع بدء التضاعف في العتائق غالبًا ما تحتوي على عدة عناصر ORB متجاورة، فإنه يُمكن استقطاب العديد من نظائر Orc1/Cdc6 في وقت واحد إلى موقع بدء التضاعف، وتكوين مُتعددات في بعض الحالات؛ ^{[ 88 ] [ 91 ]} ومع ذلك، وعلى عكس DnaA البكتيري، لا يبدو أن تكوين مُركب مُبادر عالي الرتبة شرطًا أساسيًا عامًا لوظيفة موقع بدء التضاعف في نطاق العتائق. ^{[ 2 ]}

قدمت الدراسات البنيوية رؤىً ثاقبة حول كيفية تعرف بروتين Orc1/Cdc6 في العتائق على عناصر ORB وإعادة تشكيل الحمض النووي الأصلي. ^{[ 91 ] [ 92 ]} تتكون نظائر Orc1/Cdc6 من بروتينات ثنائية النطاق، وتتألف من وحدة ATPase من نوع AAA+ ملتحمة ببنية حلزونية مجنحة في الطرف الكربوكسيلي. ^{[ 93 ] [ 94 ] [ 95 ]} كشفت البنى المعقدة لبروتين Orc1/Cdc6 مع الحمض النووي أن وحدات ORB ترتبط بوحدة Orc1/Cdc6 أحادية، على الرغم من وجود تسلسلات تكرارية معكوسة داخل عناصر ORB. ^{[ 91 ] [ 92 ]} يتفاعل كل من نطاق ATPase والبنية الحلزونية المجنحة مع الحمض النووي المزدوج، لكنهما يتصلان بتسلسل التكرار المتناظر لـ ORB بشكل غير متماثل، مما يوجه Orc1/Cdc6 في اتجاه محدد على التكرار. ^{[ 91 ] [ 92 ]} ومن المثير للاهتمام أن عناصر ORB أو miniORB المحيطة بـ DUE غالبًا ما تكون ذات قطبية متعاكسة، ^{[ 74 ] [ 79 ] [ 88 ] [ 96 ] [ 97 ]} مما يشير إلى أن النطاقات الفرعية للغطاء AAA+ ونطاقات الحلزون المجنح لـ Orc1/Cdc6 تقع على جانبي DUE بحيث تواجه بعضها البعض. ^{[ 91 ] [ 92 ]} وبما أن كلا منطقتي Orc1/Cdc6 ترتبطان بإنزيم حلزوني تضاعفي لصيانة الكروموسوم المصغر (MCM)، ^{[ 98 ] [ 99 ]} فمن المرجح أن يكون هذا الترتيب المحدد لعناصر ORB وOrc1/Cdc6 مهمًا لتحميل مُركبَي MCM بشكل متناظر على DUE. ^{[ 79 ]} من المثير للدهشة أنه بينما يحدد تسلسل الحمض النووي ORB اتجاه ارتباط Orc1/Cdc6، فإن المُبادر يُجري عددًا قليلًا نسبيًا من الاتصالات المُحددة للتسلسل مع الحمض النووي. ^{[ 91 ] [ 92 ]} ومع ذلك، يُقلل Orc1/Cdc6 من التفاف الحمض النووي ويُثنيه بشدة، مما يُشير إلى أنه يعتمد على مزيج من كلٍ من تسلسل الحمض النووي والخصائص البنيوية للحمض النووي المُعتمدة على السياق للتعرف على مواقع بدء التضاعف. ^{[ 91 ] [ 92 ] [ 100 ]} والجدير بالذكر أن اقتران القواعد يبقى محفوظًا في الحمض النووي المزدوج المشوه عند ارتباط Orc1/Cdc6 في البنى البلورية، ^{[ 91 ] [ 92 ]} في حين أن الدراسات البيوكيميائية قد أسفرت عن نتائج مُتناقضة حول ما إذا كانت المُبادرات الأثرية قادرة على إذابة الحمض النووي بشكل مُشابه لـ DnaA البكتيري. ^{[ 87][ 88 ] [ 101 ] على الرغم من أن القرابة التطورية بين مُبادرات التضاعف وإنزيمات فك} اللولب في العتائق وحقيقيات النوى تشير إلى أن إنزيم MCM في العتائق يُحتمل تحميله على الحمض النووي المزدوج (انظر القسم التالي)، إلا أن الترتيب الزمني لذوبان منطقة بدء التضاعف وتحميل إنزيم فك اللولب، بالإضافة إلى آلية ذوبان الحمض النووي في منطقة بدء التضاعف، في الأنظمة العتائقية لا يزال بحاجة إلى تحديد واضح. وبالمثل، فإن كيفية تحميل إنزيم فك اللولب MCM على الحمض النووي تحديدًا تحتاج إلى دراسة في المستقبل. ^{[ 2 ]}

يُعدّ تنظيم وتحديد وتفعيل مواقع بدء التضاعف في حقيقيات النوى أكثر تعقيدًا منه في البكتيريا أو العتائق، ويختلف اختلافًا كبيرًا عن النموذج المُعتمد لبدء تضاعف الحمض النووي في بدائيات النوى. يتطلب الحجم الكبير لجينوم خلايا حقيقيات النوى، والذي يتراوح من 12 مليون زوج قاعدي في الخميرة (Saccharomyces cerevisiae) إلى أكثر من 100 جيجا زوج قاعدي في بعض النباتات، أن يبدأ تضاعف الحمض النووي من مئات (في الخميرة المتبرعمة) إلى عشرات الآلاف (في البشر) من مواقع بدء التضاعف لإتمام تضاعف الحمض النووي لجميع الكروموسومات خلال كل دورة خلوية. ^{[ 21 ] [ 30 ]} باستثناء الخميرة (Saccharomyces cerevisiae) وأنواع Saccharomycotina ذات الصلة ، لا تحتوي مواقع بدء التضاعف في حقيقيات النوى على عناصر تسلسل الحمض النووي المتفق عليها، ولكن يتأثر موقعها بعوامل سياقية مثل بنية الحمض النووي المحلية، وخصائص بنية الحمض النووي، وبيئة الكروماتين. ^{[ 23 ] [ 29 ] [ 31 ]}

تعتمد وظيفة بدء التضاعف في حقيقيات النوى على مُركّب بروتيني مُحفّز مُحافَظ عليه لتحميل إنزيمات الهيليكاز التضاعفية على الحمض النووي خلال المرحلتين المتأخرتين M و G1 من دورة الخلية، وهي خطوة تُعرف بترخيص بدء التضاعف . ^{[ 104 ]} على عكس نظيراتها البكتيرية، تُحمَّل إنزيمات الهيليكاز التضاعفية في حقيقيات النوى على الحمض النووي المزدوج في شكل غير نشط، سداسي الوحدات، ولا يتم تنشيط سوى مجموعة فرعية منها (10-20% في خلايا الثدييات) خلال أي مرحلة S ، وهي أحداث تُعرف بتفعيل بدء التضاعف . ^{[ 105 ] [ 106 ] [ 107 ]}

لذا، يُحدد موقع مواقع بدء التضاعف النشطة في حقيقيات النوى على مستويين مختلفين على الأقل: ترخيص مواقع بدء التضاعف لتمييز جميع المواقع المحتملة، وتفعيل مواقع بدء التضاعف لاختيار مجموعة فرعية تسمح بتجميع آلية التضاعف وبدء تخليق الحمض النووي. تعمل مواقع بدء التضاعف الإضافية المرخصة كنسخة احتياطية، ولا تُفعّل إلا عند تباطؤ أو توقف شوكات التضاعف القريبة، مما يضمن إمكانية إكمال تضاعف الحمض النووي عندما تواجه الخلايا إجهادًا تضاعفيًا. ^{[ 108 ] [ 109 ]} في غياب الإجهاد، يُثبط تفعيل مواقع بدء التضاعف الإضافية بواسطة آلية إشارات مرتبطة بالتضاعف. ^{[ 110 ] [ 111 ]} معًا، يُمثل فائض مواقع بدء التضاعف المرخصة والتحكم الدقيق في دورة الخلية في ترخيص مواقع بدء التضاعف وتفعيلها استراتيجيتين مهمتين لمنع التضاعف الناقص والتضاعف الزائد، وللحفاظ على سلامة الجينومات حقيقية النوى. ^{[ 2 ]}

أشارت دراسات مبكرة على الخميرة S. cerevisiae إلى أن مواقع بدء التضاعف في حقيقيات النوى قد تُتعرف عليها بطريقة خاصة بتسلسل الحمض النووي، على غرار تلك الموجودة في بدائيات النوى. في الخميرة المتبرعمة، أدى البحث عن مُضاعِفات جينية إلى تحديد تسلسلات التضاعف الذاتي (ARS) التي تدعم بدء تضاعف الحمض النووي خارج الكروموسومات بكفاءة. ^{[ 112 ] [ 113 ] [ 114 ]} يبلغ طول مناطق ARS هذه ما يقارب 100-200 زوج قاعدي، وتتميز بتنظيم متعدد الأجزاء، إذ تحتوي على عناصر A وB1 وB2، وأحيانًا B3، والتي تُعد مجتمعةً ضرورية لوظيفة موقع بدء التضاعف. ^{[ 115 ] [ 116 ]} يشمل العنصر A تسلسل ARS المحفوظ المكون من 11 زوجًا قاعديًا (ACS)، ^{[ 117 ] [ 118 ]} والذي يشكل، بالاشتراك مع العنصر B1، موقع الارتباط الأساسي لمركب التعرف على الأصل غير المتجانس سداسي الوحدات (ORC)، وهو مُبادر تضاعف الحمض النووي في حقيقيات النوى. ^{[ 119 ] [ 120 ] [ 121 ] [ 122 ]} ضمن ORC، تستند خمس وحدات فرعية على طيات AAA+ ATPase المحفوظة واللولب المجنح، وتتجمع معًا لتكوين حلقة خماسية تحيط بالحمض النووي. ^{[ 122 ] [ 123 ] [ 124 ]} في مُركَّب التعرف على أصل الحمض النووي (ORC) في الخميرة المتبرعمة، تقع عناصر ربط الحمض النووي في نطاقي ATPase واللولب المجنح، بالإضافة إلى مناطق الرقعة القاعدية المجاورة في بعض وحدات ORC الفرعية، في المسام المركزي لحلقة ORC، بحيث تُساعد في التعرف على تسلسل الحمض النووي الخاص بـ ACS بطريقة تعتمد على ATP. ^{[ 122 ] [ 125 ]} في المقابل، فإن أدوار العنصرين B2 وB3 أقل وضوحًا. تُشابه منطقة B2 منطقة ACS في التسلسل، وقد اقتُرح أنها تعمل كموقع ربط ثانٍ لـ ORC في ظل ظروف معينة، أو كموقع ربط لنواة الهيليكاز التضاعفي. ^{[ 126 ] [ 127 ] [ 128 ] [ 129 ] [ 130 ]} في المقابل، يستقطب العنصر B3 عامل النسخ Abf1، مع العلم أن B3 غير موجود في مواقع بدء التبرعم في الخميرة، ولا يبدو أن ارتباط Abf1 ضروريٌّ تمامًا لوظيفة هذه المواقع. ^{[ 2 ] [ 115 ] [ 131 ] [ 132 ]}

لا يتوافق التعرف على مواقع بدء التضاعف في حقيقيات النوى، باستثناء الخميرة S. cerevisiae أو أقاربها المقربة، مع القراءة التسلسلية المحددة لعناصر الحمض النووي المحفوظة في مواقع بدء التضاعف. وقد فشلت محاولات عزل تسلسلات مُضاعِف الكروموسومات المحددة بشكل عام في أنواع حقيقيات النوى، سواءً وراثيًا أو عن طريق رسم خرائط الجينوم الكامل لمواقع ارتباط المُبادر أو مواقع بدء التضاعف، في تحديد تسلسلات توافقية واضحة في مواقع بدء التضاعف. ^{[ 133 ] [ 134 ] [ 135 ] [ 136 ] [ 137 ] [ 138 ] [ 139 ] [ 140 ] [ 141 ] [ 142 ] [ 143 ] [ 144 ]} وبالتالي، فإن تفاعلات الحمض النووي-المُبادر المحددة بالتسلسل في الخميرة المتبرعمة تُشير إلى نمط متخصص للتعرف على مواقع بدء التضاعف في هذا النظام، وليس نمطًا نموذجيًا لتحديد مواقع بدء التضاعف عبر نطاق حقيقيات النوى. مع ذلك، يبدأ تضاعف الحمض النووي في مواقع محددة غير موزعة عشوائيًا عبر جينومات حقيقيات النوى، مما يشير إلى أن وسائل بديلة تحدد الموقع الكروموسومي لمواقع بدء التضاعف في هذه الأنظمة. تتضمن هذه الآليات تفاعلًا معقدًا بين سهولة الوصول إلى الحمض النووي، وانحراف تسلسل النيوكليوتيدات (حيث رُبط كل من غنى AT وجزر CpG بمواقع بدء التضاعف)، وموقع النيوكليوسومات ، والخصائص فوق الجينية ، وبنية الحمض النووي، وبعض السمات البنيوية للحمض ^النووي (مثل أنماط G4)، بالإضافة إلى البروتينات التنظيمية والتداخل النسخي. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 28 ] [ 29] [ 31 ] [ 145 ] [ 146 ] [ 138 ] [ 147 ] ومن المهم أن خصائص مواقع بدء التضاعف لا تختلف فقط بين مواقع بدء التضاعف المختلفة في الكائن الحي وبين الأنواع، بل يمكن أن} تتغير بعضها أيضًا أثناء النمو وتمايز الخلايا. يُعدّ موضع الكوريون في خلايا جريب ذبابة الفاكهة مثالًا راسخًا للتحكم المكاني والنمائي في أحداث بدء تكوين البويضات. تخضع هذه المنطقة لتضخيم جيني يعتمد على تضاعف الحمض النووي في مرحلة محددة أثناء تكوين البويضات، ويعتمد ذلك على التنشيط المُحدد وفي الوقت المناسب لمواقع بدء تكوين الكوريون، والذي بدوره يُنظّم بواسطة عناصر تنظيمية خاصة بموقع بدء التكوين، بالإضافة إلى العديد من العوامل البروتينية، بما في ذلك مُركّب Myb، وE2F1، وE2F2. ^{[ 148 ] [ 149 ] [ 150][ 151 ] [ 152 ] لقد أدى هذا التحديد التوافقي والتنظيم متعدد العوامل لأصول الكائنات متعددة الخلايا إلى} تعقيد تحديد السمات الموحدة التي تحدد موقع مواقع بدء التضاعف عبر حقيقيات النوى بشكل عام. ^{[ 2 ]}

لتسهيل بدء عملية التضاعف والتعرف على الأصل، طورت تجمعات ORC من مختلف الأنواع نطاقات مساعدة متخصصة يُعتقد أنها تُساعد في توجيه المُبادر إلى أصول الكروموسومات أو الكروموسومات بشكل عام. على سبيل المثال، تحتوي الوحدة الفرعية Orc4 في ORC الخاص بفطر S. pombe على العديد من خطافات AT التي ترتبط بشكل تفضيلي بالحمض النووي الغني بـ AT، ^{[ 153 ]} بينما في ORC الخاص بالحيوانات متعددة الخلايا، يُعتقد أن النطاق الشبيه بـ TFIIB في Orc6 يؤدي وظيفة مماثلة. ^{[ 154 ]} كما تحتوي بروتينات Orc1 في الحيوانات متعددة الخلايا على نطاق تماثل مجاور للبروم (BAH) يتفاعل مع النيوكليوسومات H4K20me2. ^{[ 103 ]} في خلايا الثدييات تحديدًا، أُفيد أن مثيلة H4K20 ضرورية لبدء التضاعف بكفاءة، وأن نطاق BAH الخاص بـ Orc1 يُسهّل ارتباط ORC بالكروموسومات وتضاعف فيروس إبشتاين-بار المعتمد على منشأ التضاعف. ^{[ 155 ] [ 156 ] [ 157 ] [ 158 ] [ 159 ]} لذلك، من المثير للاهتمام التكهن بأن هاتين الملاحظتين مرتبطتان آليًا، على الأقل في مجموعة فرعية من الحيوانات متعددة الخلايا، ولكن هذا الاحتمال يحتاج إلى مزيد من البحث في دراسات مستقبلية. بالإضافة إلى التعرف على بعض سمات الحمض النووي أو السمات فوق الجينية، يرتبط ORC أيضًا بشكل مباشر أو غير مباشر بالعديد من البروتينات الشريكة التي يمكن أن تساعد في استقطاب المُبادر، بما في ذلك LRWD1 وPHIP (أو DCAF14) وHMGA1a، من بين بروتينات أخرى. ^{[ 27 ] [ 160 ] [ 161 ] [ 162 ] [ 163 ] [ 164 ] [ 165 ] [ 166 ]} ومن المثير للاهتمام أن مُركَّب التعرف على أصل الحمض النووي (ORC) في ذبابة الفاكهة ، مثل نظيره في الخميرة المتبرعمة، يُثني الحمض النووي، وقد أُفيد أن الالتفاف الفائق السالب يُعزز ارتباط هذا المُركَّب بالحمض النووي، مما يُشير إلى أن شكل الحمض النووي ومرونته قد يؤثران على موقع مواقع ارتباط مُركَّب التعرف على أصل الحمض النووي عبر جينومات الحيوانات متعددة الخلايا. ^{[ 25 ] [ 122 ] [ 167 ] [ 168 ] [ 169 ]} إن الفهم الجزيئي لكيفية دعم مناطق ارتباط الحمض النووي في مُركَّب التعرف على أصل الحمض النووي لقراءة الخصائص الهيكلية للحمض النووي المزدوج في الحيوانات متعددة الخلايا، بدلاً من تسلسلات الحمض النووي المُحددة كما هو الحال في الخميرة Saccharomyces cerevisiae، يُعد أمرًا بالغ الأهمية.ينتظر البحث معلومات هيكلية عالية الدقة لتجمعات البادئات المرتبطة بالحمض النووي في الكائنات متعددة الخلايا. وبالمثل، فإن ما إذا كانت العوامل فوق الجينية المختلفة تساهم في استقطاب البادئات في أنظمة الكائنات متعددة الخلايا وكيفية ذلك، أمر غير واضح المعالم، وهو سؤال مهم يحتاج إلى مزيد من البحث والتفصيل. ^{[ 2 ]}

بمجرد تجنيدها إلى مواقع بدء التضاعف، تقوم مُركّبات ORC وعواملها المساعدة Cdc6 و Cdt1 بتحفيز ترسيب مُركّب صيانة الكروموسوم المصغر 2-7 (Mcm2-7) على الحمض النووي. ^{[ 104 ] [ 170 ]} ومثل النواة الحلزونية التضاعفية في العتائق، يتم تحميل Mcm2-7 على شكل سداسي مزدوج متقابل على الحمض النووي لتفعيل مواقع بدء التضاعف. ^{[ 105 ] [ 106 ] [ 107 ]} في طور S، يقوم كل من كيناز Dbf4 المعتمد (DDK) وكيناز السيكلين المعتمد (CDK) بفسفرة العديد من الوحدات الفرعية لـ Mcm2-7 وعوامل بدء إضافية لتعزيز تجنيد المُنشّطات المساعدة للحلزون Cdc45 وGINS، وفكّ الحمض النووي، وفي النهاية تجميع الريبليسوم ثنائي الاتجاه في مجموعة فرعية من مواقع بدء التضاعف المُفعّلة. ^{[ 22 ] [ 171 ]} في كل من الخميرة والحيوانات متعددة الخلايا، تكون مواقع بدء التضاعف خالية من النيوكليوسومات أو خالية منها، وهي خاصية بالغة الأهمية لتحميل Mcm2-7، مما يشير إلى أن حالة الكروماتين في مواقع بدء التضاعف لا تنظم فقط استقطاب المُبادر، بل تنظم أيضًا تحميل الهيليكاز. ^{[ 139 ] [ 172 ] [ 173 ] [ 174 ] [ 175 ] [ 176 ]} كما أن بيئة الكروماتين المُهيأة مهمة لتنشيط مواقع بدء التضاعف، وقد ثبت تورطها في تنظيم كل من كفاءة مواقع بدء التضاعف وتوقيت بدء التضاعف. تحتوي مواقع بدء التضاعف الحقيقية عادةً على علامات كروماتين نشطة، وتتضاعف مبكرًا، وتكون أكثر كفاءة من مواقع بدء التضاعف غير المتجانسة ، التي تتميز على العكس من ذلك بعلامات مثبطة. ^{[ 21 ] [ 174 ] [ 177 ]} ليس من المستغرب أن العديد من مُعدِّلات الكروماتين والإنزيمات المُعدِّلة للكروماتين قد وُجد أنها ترتبط بمواقع بدء التضاعف وبعض عوامل البدء، ^{[ 178 ] [ 179 ]} ولكن كيفية تأثير أنشطتها على أحداث بدء التضاعف المختلفة لا تزال غامضة إلى حد كبير. ومن اللافت للنظر أنه تم مؤخرًا تحديد "عناصر التحكم في التضاعف المبكر" (ECREs) التي تعمل في نفس الجزيء، والتي تساعد في تنظيم توقيت التضاعف وتؤثر على بنية الجينوم ثلاثية الأبعاد في خلايا الثدييات. ^{[ 180 ]}يُعد فهم الآليات الجزيئية والكيميائية الحيوية التي تُنسق هذا التفاعل المعقد بين تنظيم الجينوم ثلاثي الأبعاد، وبنية الكروماتين المحلية وذات الترتيب الأعلى، وبدء التضاعف، موضوعًا مثيرًا للاهتمام لمزيد من الدراسات. ^{[ 2 ]}

لماذا تباينت مواقع بدء تضاعف الحمض النووي في الحيوانات متعددة الخلايا عن نموذج التعرف على تسلسل الحمض النووي المحدد الذي يحدد مواقع بدء التضاعف في بدائيات النوى والخميرة المتبرعمة؟ تشير الملاحظات إلى أن مواقع بدء التضاعف في الحيوانات متعددة الخلايا غالبًا ما تتواجد مع مناطق المحفز في ذبابة الفاكهة وخلايا الثدييات، وأن تعارضات التضاعف والنسخ الناتجة عن تصادم الآليات الجزيئية الأساسية قد تؤدي إلى تلف الحمض النووي، مما يوحي بأن التنسيق السليم بين النسخ والتضاعف مهم للحفاظ على استقرار الجينوم. ^{[ 134 ] [ 136 ] [ 138 ] [ 141 ] [ 181 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 182 ]} كما تشير النتائج الحديثة إلى دور أكثر مباشرة للنسخ في التأثير على موقع مواقع بدء التضاعف، إما عن طريق تثبيط تحميل Mcm2-7 أو عن طريق إعادة تموضع Mcm2-7 المحمل على الكروموسومات. ^{[ 183 ] ​​[ 147 ]} يسمح ارتباط المُبادر بالحمض النووي، بغض النظر عن التسلسل (ولكن ليس بالضرورة عشوائيًا)، بمرونة في تحديد مواقع تحميل الهيليكاز، ومن المرجح أن يُحدد، إلى جانب التداخل النسخي والتباين في كفاءة تنشيط الأصول المرخصة، موقع الأصل، ويساهم في التنظيم المشترك لتضاعف الحمض النووي وبرامج النسخ أثناء النمو وتحولات مصير الخلية. ويتفق النمذجة الحاسوبية لأحداث البدء في فطر الانشطار ( S. pombe) ، بالإضافة إلى تحديد الأصول الخاصة بنوع الخلية والمنظمة نمائيًا في الحيوانات متعددة الخلايا، مع هذه الفكرة. ^{[ 135 ] [ 143 ] [ 184 ] [ 185 ] [ 186 ] [ 187 ] [ 188 ] [ 147 ]} ومع ذلك، توجد درجة كبيرة من المرونة في اختيار مواقع بدء التضاعف بين الخلايا المختلفة ضمن مجموعة واحدة، ^{[ 138 ] [ 144 ] [ 185 ]} على الرغم من أن الآليات الجزيئية التي تؤدي إلى عدم تجانس استخدام مواقع بدء التضاعف لا تزال غير واضحة. سيكون تحديد مواقع بدء التضاعف في الخلايا المفردة في أنظمة الحيوانات متعددة الخلايا وربط أحداث بدء التضاعف هذه بتعبير الجينات في الخلية المفردة وحالة الكروماتين أمرًا مهمًا لتوضيح ما إذا كان اختيار موقع بدء التضاعف عشوائيًا تمامًا أم أنه يخضع لسيطرة محددة. ^{[ 2 ]}

غالباً ما تمتلك الفيروسات نقطة انطلاق واحدة للتكاثر.

وُصفت مجموعة متنوعة من البروتينات بأنها تشارك في تضاعف الفيروسات. على سبيل المثال، تستخدم فيروسات البوليوما بوليميرازات الحمض النووي للخلايا المضيفة ، والتي ترتبط بأصل التضاعف الفيروسي إذا كان مستضد T موجودًا.

على الرغم من أن تضاعف الحمض النووي ضروري للتوارث الجيني، فإن مواقع بدء التضاعف المحددة ليست شرطًا أساسيًا لتضاعف الجينوم، طالما يتم نسخ جميع الكروموسومات بالكامل للحفاظ على عدد نسخ الجينات. على سبيل المثال، يمكن لبعض العاثيات والفيروسات بدء تضاعف الحمض النووي عن طريق إعادة التركيب المتماثل بشكل مستقل عن مواقع بدء التضاعف المخصصة. ^{[ 189 ]} وبالمثل، تستخدم البكتيريا القديمة Haloferax volcanii بدء التضاعف المعتمد على إعادة التركيب لتضاعف جينومها عند حذف مواقع بدء التضاعف الداخلية. ^{[ 75 ]} وقد تم الإبلاغ عن أحداث بدء تضاعف غير تقليدية مماثلة من خلال التضاعف الناتج عن انقطاع الحمض النووي أو التضاعف الناتج عن النسخ في بكتيريا الإشريكية القولونية والخميرة Saccharomyces cerevisiae . ^{[ 190 ] [ 191 ] [ 192 ] [ 193 ] [ 194 ]} ومع ذلك، على الرغم من قدرة الخلايا على الحفاظ على حيويتها في ظل هذه الظروف الاستثنائية، فإن بدء التضاعف المعتمد على الأصل هو استراتيجية شائعة تُعتمد عالميًا عبر مختلف مجالات الحياة. ^{[ 2 ]}

بالإضافة إلى ذلك، ركزت الدراسات التفصيلية لبدء التضاعف على عدد محدود من الأنظمة النموذجية. تُعد الفطريات والحيوانات متعددة الخلايا، التي خضعت لدراسات مكثفة، أعضاءً في المجموعة الفائقة أوبيسثوكونت، ولا تمثل سوى جزء صغير من المشهد التطوري في نطاق حقيقيات النوى. ^{[ 195 ]} وقد وُجهت جهود قليلة نسبيًا نحو أنظمة نموذجية أخرى من حقيقيات النوى، مثل الكينيتوبلاستيدات أو التتراهيمينا . ^{[ 196 ] [ 197 ] [ 198 ] [ 199 ] [ 200 ] [ 201 ] [ 202 ]} ومن المثير للدهشة أن هذه الدراسات كشفت عن اختلافات مثيرة للاهتمام في كل من خصائص المنشأ وتكوين المُبادر مقارنةً بالخميرة والحيوانات متعددة الخلايا ^{. [ 2 ]}

• قاعدة بيانات أصول تضاعف الحمض النووي (OriDB)
• أصل التحويل

هذه المقالة مقتبسة من المصدر التالي بموجب ترخيص CC BY 4.0 ( 2019 ) (بحسب تقارير المراجعين ): باباتوندي إيكوندايو؛ فرانزيسكا بليشرت (12 سبتمبر 2019). " أصول تضاعف الحمض النووي" . PLOS Genetics . 15 (9) e1008320. doi : 10.1371/JOURNAL.PGEN.1008320 . ISSN 1553-7390 . PMC 6742236. PMID 31513569. Wikidata Q86320168 .