Replikasi DNA adalah proses di mana sel menggandakan genomnya sebelum pembelahan sel, memastikan setiap sel anak menerima salinan identik dari materi genetik. Proses ini semikonservatif, artinya setiap molekul DNA baru terdiri dari satu untai asli dan satu untai yang baru disintesis. Prinsip ini juga merupakan dasar untuk PCR, teknik yang digunakan untuk mengamplifikasi sekuens DNA spesifik.
Asal Replikasi
Replikasi dimulai pada sekuens spesifik yang disebut asal replikasi. Pada E. coli, asal tunggal disebut oriC, daerah 245-pasangan basa yang mengandung sekuens kotak DnaA dan pengulangan kaya AT. Protein inisiator DnaA mengikat sekuens ini, menyebabkan pelelehan lokal daerah kaya AT. Kromosom eukariot mengandung beberapa asal replikasi yang berjarak sekitar setiap 30 hingga 100 kilobasa. Sistem lisensi memastikan setiap asal menyala hanya sekali per siklus sel dengan memuat kompleks helikase Mcm selama fase G1.
Garpu Replikasi
Setelah DNA terbuka, mesin replikasi berkumpul di garpu replikasi. DNA helikase membuka gulungan heliks ganda, dengan DnaB pada bakteri dan kompleks CMG yang mengandung Mcm2-7 pada eukariot. Protein pengikat untai tunggal melapisi untai yang terbuka, mencegah anil ulang dan melindunginya dari nuklease. Topoisomerase menghilangkan stres torsional yang diciptakan oleh pembukaan gulungan di depan garpu.
DNA Polimerase
DNA polimerase mengkatalisis penambahan nukleotida ke ujung 3-prime untai DNA yang sedang tumbuh, membutuhkan templat dan primer dengan hidroksil 3-prime bebas. Mereka selalu mensintesis dalam arah 5-prime ke 3-prime dan tidak dapat memulai sintesis de novo. E. coli memiliki lima DNA polimerase, dengan Pol III sebagai enzim replikatif utama. Eukariot memiliki setidaknya 15, dengan Pol delta dan Pol epsilon masing-masing bertanggung jawab untuk sintesis untai lagging dan leading.
Sintesis Untai Leading dan Lagging
Karena DNA polimerase hanya dapat mensintesis dalam arah 5-prime ke 3-prime, kedua untai direplikasi secara berbeda. Untai leading disintesis secara kontinu dalam arah yang sama dengan pergerakan garpu, hanya membutuhkan satu primer. Untai lagging disintesis secara diskontinu dalam fragmen pendek yang disebut fragmen Okazaki, masing-masing membutuhkan primer baru. Pada eukariot, fragmen Okazaki panjangnya sekitar 100 hingga 200 nukleotida. Primase, RNA polimerase khusus, mensintesis primer RNA pendek sekitar 10 nukleotida.
Penghilangan Primer dan Ligasi
Primer RNA pada untai lagging harus dihilangkan dan diganti dengan DNA. Pada bakteri, DNA polimerase I menghilangkan primer RNA melalui aktivitas eksonuklease 5-prime ke 3-prime dan mengisi celah. Pada eukariot, RNase H menghilangkan sebagian besar primer, dan nuklease FEN1 menghilangkan ribonukleotida terakhir. DNA ligase menutup celah antara fragmen yang berdekatan, mengonsumsi NAD+ pada bakteri atau ATP pada eukariot dan archaea. Pencernaan enzim restriksi menghasilkan fragmen kompatibel yang dapat digabungkan oleh DNA ligase dalam kloning molekuler.
Ketelitian Replikasi
Replikasi DNA mencapai akurasi yang luar biasa, dengan tingkat kesalahan sekitar satu kesalahan per 10^10 nukleotida. Ketelitian ini dihasilkan dari tiga mekanisme. Pertama, DNA polimerase memiliki selektivitas geometris tinggi, membedakan terhadap pasangan basa yang salah selama inkorporasi. Kedua, aktivitas eksonuklease 3-prime ke 5-prime dari polimerase replikatif melakukan proofreading pada basa yang baru ditambahkan, segera menghilangkan ketidakcocokan. Ketiga, perbaikan ketidakcocokan pasca-replikasi memperbaiki kesalahan yang lolos dari proofreading. Cacat dalam perbaikan ketidakcocokan menyebabkan ketidakstabilan mikrosatelit dan mempredisposisi kanker kolorektal non-poliposis herediter.
Replikasi Telomer
Ujung kromosom linier eukariot menimbulkan masalah khusus karena DNA polimerase tidak dapat mereplikasi ujung paling akhir dari untai lagging. Telomer, sekuens DNA berulang di ujung kromosom, diperpanjang oleh telomerase, reverse transkriptase khusus yang membawa templat RNA sendiri. Telomerase menambahkan pengulangan TTAGGG pada manusia, mencegah pemendekan progresif. Telomerase aktif dalam sel germinal, sel induk, dan sebagian besar sel kanker, sementara sel somatik tidak memiliki telomerase dan mengalami pemendekan telomer dengan setiap pembelahan, berkontribusi pada penuaan seluler.
