DNA प्रतिकृति

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DNA प्रतिकृति वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा एक कोशिका अपने DNA की सटीक प्रतियां बनाती है।[1][2][3][4] यह प्रक्रिया सभी जीवों में होती है और जैविक वंशागति, कोशिका विभाजन, और क्षतिग्रस्त ऊतकों की मरम्मत के लिए आवश्यक है। DNA प्रतिकृति यह सुनिश्चित करती है कि प्रत्येक नव-विभाजित पुत्री कोशिका को प्रत्येक DNA अणु की अपनी प्रति प्राप्त हो।[5]

DNA सबसे आम तौर पर दोहरे-रज्जुकी (double-stranded) रूप में होता है, जो दो पूरक DNA रज्जुक (strands) से बना होता है जो प्रत्येक रज्जू को बनाने वाले न्यूक्लियोटाइड के बेस पेयरिंग द्वारा एक साथ जुड़े रहते हैं। दोहरे-रज्जुकी DNA अणु के दो रैखिक रज्जुक आमतौर पर एक डबल हेलिक्स के आकार में एक-दूसरे के साथ लिपटे होते हैं।[6] प्रतिकृति के दौरान, दोनों रज्जुक अलग हो जाते हैं, और मूल DNA अणु का प्रत्येक रज्जू तब एक पूरक समकक्ष रज्जू के उत्पादन के लिए एक टेम्पलेट के रूप में कार्य करता है, इस प्रक्रिया को अर्ध-संरक्षी प्रतिकृति कहा जाता है। परिणामस्वरूप, प्रत्येक प्रतिकृति DNA अणु एक मूल DNA रज्जू के साथ-साथ एक नए संश्लेषित रज्जू से बना होता है।[7] सेलुलर प्रूफरीडिंग और त्रुटि-जांच तंत्र DNA प्रतिकृति के लिए लगभग पूर्ण विश्वनीयता सुनिश्चित करते हैं।[8][9]

DNA प्रतिकृति आमतौर पर विशिष्ट स्थानों पर शुरू होती है जिन्हें प्रतिकृति के उद्गम (origins of replication)[10] के रूप में जाना जाता है जो जीनोम में फैले होते हैं।[11] उद्गम पर DNA का अनवाइंड होना हेलिकेस के रूप में जाने जाने वाले एंजाइमों द्वारा समायोजित किया जाता है और इसके परिणामस्वरूप प्रतिकृति कांटे (replication forks) उद्गम से द्वि-दिशात्मक रूप से बढ़ते हैं। DNA संश्लेषण की शुरुआत और निरंतरता में मदद करने के लिए कई प्रोटीन प्रतिकृति कांटे से जुड़े होते हैं। सबसे प्रमुख रूप से, DNA polymerase ऐसे न्यूक्लियोटाइड को शामिल करके नए रज्जुक को संश्लेषित करता है जो टेम्पलेट रज्जू के न्यूक्लियोटाइड के पूरक होते हैं। DNA प्रतिकृति अंतरावस्था (interphase) के S (संश्लेषण) चरण के दौरान होती है।[12]

DNA प्रतिकृति in vitro (कृत्रिम रूप से, एक कोशिका के बाहर) भी की जा सकती है।[13] कोशिकाओं से पृथक्कृत DNA पॉलीमरेज़ और कृत्रिम DNA प्राइमर का उपयोग टेम्पलेट DNA अणु में ज्ञात अनुक्रमों पर DNA संश्लेषण शुरू करने के लिए किया जा सकता है। पॉलीमरेज़ चेन रिएक्शन (PCR), लाइगेस चेन रिएक्शन (LCR), और ट्रांसक्रिप्शन-मध्यस्थता प्रवर्धन (TMA) इस तकनीक के सभी सामान्य उदाहरण हैं। मार्च 2021 में, शोधकर्ताओं ने ऐसे साक्ष्य प्रस्तुत किए जो यह सुझाव देते हैं कि ट्रांसफर RNA का एक प्रारंभिक रूप, जो अनुवाद (आदिम जीवन की शुरुआती अजीवात्पत्ति में आनुवंशिक कोड के अनुसार नए प्रोटीन का जैविक संश्लेषण) का एक आवश्यक घटक है, प्रारंभिक आदिम जीवन की अजीवात्पत्ति में स्वयं एक प्रतिकृति अणु (replicator molecule) हो सकता था।[14][15]

DNA structure

DNA एक द्वि-रज्जुकीय (double-stranded) संरचना है, जिसमें दोनों रज्जुक (strands) एक साथ कुंडलित होकर विशिष्ट द्वि-कुंडली बनाते हैं। DNA का प्रत्येक एकल रज्जु चार प्रकार के न्यूक्लियोटाइड की एक श्रृंखला होता है। DNA के न्यूक्लियोटाइड में एक डीऑक्सीराइबोज़ शर्करा, एक फॉस्फेट, और एक न्यूक्लियोबेस (क्षार) होता है। न्यूक्लियोटाइड के चार प्रकार चार न्यूक्लियोबेस के अनुरूप होते हैं: एडेनिन, साइटोसिन, गवानिन, और थाइमिन, जिन्हें क्रमशः सामान्यतः A, C, G, और T के रूप में संक्षेपित किया जाता है। एडेनिन और गवानिन प्यूरिन[16] न्यूक्लियोबेस हैं, जबकि साइटोसिन और थाइमिन पिरिमिडिन हैं। ये न्यूक्लियोटाइड फास्फोडाईस्टर बंध बनाते हैं, जो DNA द्वि-कुंडली का फॉस्फेट-डीऑक्सीराइबोज़ बैकबोन (मेरुदंड) बनाते हैं और न्यूक्लियोबेस अंदर की ओर (अर्थात विपरीत रज्जु की ओर) इंगित करते हैं। पूरक न्यूक्लियोबेस हाइड्रोजन आबंधों के माध्यम से रज्जुक के बीच आपस में जुड़कर क्षार युग्म बनाते हैं। एडेनिन, थाइमिन के साथ युग्म बनाता है (दो हाइड्रोजन आबंध), और गवानिन, साइटोसिन के साथ युग्म बनाता है (तीन हाइड्रोजन आबंध)।[17]

DNA रज्जुक में एक दिशात्मकता (डाइरेक्शनैलिटी) होती है, और एक एकल रज्जु के विभिन्न सिरों को "3′ (थ्री-प्राइम) सिरा" और "5′ (फाइव-प्राइम) सिरा" कहा जाता है। परंपरा के अनुसार, यदि DNA के एक एकल रज्जु का क्षार अनुक्रम दिया गया है, तो अनुक्रम का बायां सिरा 5′ सिरा होता है, जबकि अनुक्रम का दायां सिरा 3′ सिरा होता है। द्वि-कुंडली के रज्जुक प्रति-समांतर (anti-parallel) होते हैं, जिसमें एक 5′ से 3′ होता है, और विपरीत रज्जु 3′ से 5′ होता है। ये शब्द डीऑक्सीराइबोज़ अणु को बनाने वाले कार्बन परमाणुओं को क्रमांकित करने की रासायनिक परंपरा को संदर्भित करते हैं और उस विशिष्ट कार्बन परमाणु को इंगित करते हैं जिससे श्रृंखला में अगला फॉस्फेट जुड़ता है। DNA संश्लेषण में दिशात्मकता के परिणाम होते हैं, क्योंकि DNA पोलीमरेज़ DNA रज्जु के 3′ सिरे पर न्यूक्लियोटाइड जोड़कर केवल एक ही दिशा में DNA का संश्लेषण कर सकता है।[18]

DNA में पूरक क्षारों की युग्मन (हाइड्रोजन आबंध के माध्यम से) का अर्थ है कि प्रत्येक रज्जु के भीतर निहित जानकारी अतिरिक्‍त (redundant) है। फॉस्फोडाईस्टर (रज्जु के भीतर) बंध, हाइड्रोजन (रज्जु के बीच) बंधों की तुलना में मजबूत होते हैं। फॉस्फोडाईस्टर बंधों का वास्तविक कार्य एक न्यूक्लियोटाइड के 5' कार्बन परमाणु को दूसरे न्यूक्लियोटाइड के 3' कार्बन परमाणु से जोड़ना है, जबकि हाइड्रोजन आबंध कुंडली अक्ष के पार DNA द्वि-कुंडली को स्थिर करते हैं लेकिन अनुदैर्ध्य (longitudinal) अक्ष की दिशा में नहीं।[19] इससे रज्जुक को एक-दूसरे से अलग करना संभव हो जाता है। इसलिए एकल रज्जु पर मौजूद न्यूक्लियोटाइड का उपयोग नए संश्लेषित साथी रज्जु पर न्यूक्लियोटाइड के पुनर्निर्माण के लिए किया जा सकता है।[20]

DNA पोलीमरेज़

মূল নিবন্ধ: DNA पोलीमरेज़ [21] DNA पोलीमरेज़ एंजाइमों का एक परिवार है जो DNA प्रतिकृति (replication) के सभी रूपों को अंजाम देता है।[22] सामान्य तौर पर DNA पोलीमरेज़ नए रज्जुक के संश्लेषण की शुरुआत नहीं कर सकते हैं, बल्कि यह केवल एक टेम्पलेट (साँचे) रज्जु के साथ युग्मित मौजूदा DNA या RNA रज्जु का विस्तार कर सकते हैं। संश्लेषण शुरू करने के लिए, RNA का एक छोटा टुकड़ा, जिसे प्राइमर कहा जाता है, बनाया जाना चाहिए और टेम्पलेट DNA रज्जु के साथ युग्मित होना चाहिए।

DNA पोलीमरेज़ फास्फोडाईस्टर बंधों के निर्माण के माध्यम से, टेम्पलेट रज्जु से मेल खाने वाले नए न्यूक्लियोटाइड को एक-एक करके जोड़ते हुए, मौजूदा न्यूक्लियोटाइड श्रृंखला के 3′ सिरे का विस्तार करके DNA का एक नया रज्जु जोड़ता है। DNA पोलीमराइजेशन की इस प्रक्रिया के लिए ऊर्जा, प्रत्येक असंयुक्त बेस से जुड़े तीन फॉस्फेट के बीच उच्च-ऊर्जा फॉस्फेट (फास्फोए anhydride) बंधों के हाइड्रोलिसिस (जलअपघटन) से आती है। एक जुड़े हुए शर्करा अणु (DNA के मामले में डीऑक्सीराइबोज़) वाले मुक्त बेस को न्यूक्लियोसाइड कहा जाता है, और एक या एक से अधिक जुड़े हुए फॉस्फेट समूहों वाले न्यूक्लियोसाइड को न्यूक्लियोटाइड कहा जाता है; विशेष रूप से, तीन जुड़े हुए फॉस्फेट समूहों वाले न्यूक्लियोसाइड को न्यूक्लियोसाइड ट्राइफॉस्फेट कहा जाता है। जब एक बढ़ते हुए DNA रज्जु में एक मुक्त न्यूक्लियोटाइड जोड़ा जा रहा होता है, तो मुक्त न्यूक्लियोटाइड के समीपस्थ (proximal) फॉस्फेट और बढ़ती श्रृंखला के भीतर दूसरे न्यूक्लियोटाइड के डीऑक्सीराइबोज़ के बीच एक फॉस्फोडाईस्टर बंध का निर्माण, मुक्त न्यूक्लियोटाइड के दो दूरस्थ (distal) फॉस्फेट समूहों के पाइरोफॉस्फेट के रूप में रिलीज के साथ एक उच्च-ऊर्जा फॉस्फेट बंध के हाइड्रोलिसिस के साथ होता है। परिणामी पाइरोफॉस्फेट का अकार्बनिक फॉस्फेट में एंजाइमी हाइड्रोलिसिस दूसरे उच्च-ऊर्जा फॉस्फेट बंध की खपत करता है और प्रतिक्रिया को प्रभावी रूप से अपरिवर्तनीय बना देता है।[Note 1]

सामान्य तौर पर, DNA पोलीमरेज़ अत्यधिक सटीक होते हैं, जिनमें जोड़े गए प्रत्येक 107 न्यूक्लियोटाइड पर एक से कम गलती की आंतरिक त्रुटि दर होती है।[23] कुछ DNA पोलीमरेज़ बेमेल बेस को ठीक करने के लिए विकसित हो रहे रज्जु के छोर से न्यूक्लियोटाइड को हटा भी सकते हैं। इसे प्रूफरीडिंग (शुद्धि-पत्र) के रूप में जाना जाता है। अंत में, प्रतिकृति-पश्चात (post-replication) बेमेल मरम्मत तंत्र त्रुटियों के लिए DNA की निगरानी करते हैं, जो नए संश्लेषित DNA रज्जु में बेमेल को मूल रज्जु अनुक्रम से अलग करने में सक्षम होते हैं। साथ में, ये तीन भेदभाव चरण जोड़े गए प्रत्येक 109 न्यूक्लियोटाइड पर एक से कम गलती की प्रतिकृति निष्ठा (fidelity) को सक्षम करते हैं।[23]

एक जीवित कोशिका में DNA प्रतिकृति की दर पहली बार phage-संक्रमित E. coli में phage T4 DNA बढ़ाव की दर के रूप में मापी गई थी।[24] 37 °C पर घातांकीय DNA वृद्धि की अवधि के दौरान, दर 749 न्यूक्लियोटाइड प्रति सेकंड थी। phage T4 DNA संश्लेषण के दौरान प्रति प्रतिकृति प्रति क्षार युग्म उत्परिवर्तन दर 1.7 प्रति 108 है।[25]

प्रतिकृति प्रक्रिया

মূল নিবন্ধ: प्रोकैरियोटिक DNA प्रतिकृति, यूकैरियोटिक DNA प्रतिकृति

DNA प्रतिकृति (रेप्लिकाशन), सभी जैविक बहुलकीकरण (पॉलीमराइजेशन) प्रक्रियाओं की तरह, तीन एंजाइमी रूप से उत्प्रेरित और समन्वित चरणों में आगे बढ़ती है: आरंभन (initiation), दीर्घीकरण (elongation) और समापन (termination)।[26]

आरंभन (Initiation)

किसी कोशिका के विभाजित होने के लिए, उसे पहले अपने DNA की प्रतिकृति बनानी होगी।[27] DNA प्रतिकृति एक 'सभी-या-कुछ नहीं' (all-or-none) प्रक्रिया है; एक बार प्रतिकृति शुरू होने के बाद, यह पूर्णता तक आगे बढ़ती है। एक बार प्रतिकृति पूरी हो जाने पर, यह उसी कोशिका चक्र में दोबारा नहीं होती है। यह प्री-रेप्लिकाशन कॉम्प्लेक्स के आरंभन के विभाजन द्वारा संभव होता है।

प्री-रेप्लिकाशन कॉम्प्लेक्स (Pre-replication complex)

মূল নিবন্ধ: Pre-replication complex

देर से होने वाले समसूत्री विभाजन (माइटोसिस) और शुरुआती G1 अवस्था में, आरंभक प्रोटीनों का एक बड़ा कॉम्प्लेक्स DNA में विशेष बिंदुओं पर प्री-रेप्लिकाशन कॉम्प्लेक्स बनाता है, जिन्हें "प्रतिकृति के उद्गम (ऑरिजिन्स)" के रूप में जाना जाता है।[11][10] E. coli में प्राथमिक आरंभक प्रोटीन Dna A है; यीस्ट में, यह ऑरिजिन रिकग्निशन कॉम्प्लेक्स है।[28] आरंभक प्रोटीनों द्वारा उपयोग किए जाने वाले अनुक्रम आमतौर पर "AT-समृद्ध" (एडेनिन और थाइमिन क्षारों से समृद्ध) होते हैं, क्योंकि A-T क्षार युग्मों में दो हाइड्रोजन आबंध होते हैं (C-G युग्म में बनने वाले तीन आबंधों के बजाय) और इस प्रकार उनके स्ट्रैंड को अलग करना आसान होता है।[29] यूकेरियोट्स में, ऑरिजिन रिकग्निशन कॉम्प्लेक्स (ORC) प्री-रेप्लिकाशन कॉम्प्लेक्स में आरंभक प्रोटीनों के संयोजन को उत्प्रेरित करता है। इसके अलावा, एक हालिया रिपोर्ट से पता चलता है कि बडिंग यीस्ट ORC लाइसेंसिंग को नियंत्रित करने के लिए कोशिका चक्र-निर्भर तरीके से डाइमराइज़ (द्वितयीकृत) होता है।[30][31] बदले में, ORC डाइमराइज़ेशन की प्रक्रिया इन विवो (in vivo) में कोशिका चक्र-निर्भर Noc3p डाइमराइज़ेशन चक्र द्वारा मध्यस्थ होती है, और Noc3p की यह भूमिका ribosome biogenesis (राइबोसोम जैवजनन) में इसकी भूमिका से अलग होती है। An essential Noc3p dimerization cycle mediates ORC double-hexamer formation in replication licensing और Noc3p पूरे कोशिका चक्र के दौरान लगातार क्रोमैटिन से जुड़े रहते हैं।[32] इसके बाद Cdc6 और Cdt1 ऑरिजिन पर बंधे हुए ऑरिजिन रिकग्निशन कॉम्प्लेक्स के साथ जुड़ते हैं ताकि एक बड़ा कॉम्प्लेक्स बनाया जा सके जो DNA पर Mcm कॉम्प्लेक्स को लोड करने के लिए आवश्यक होता है। यूकेरियोट्स में, Mcm कॉम्प्लेक्स वह हेलिकेज़ है जो प्रतिकृति फोर्क और ऑरिजिन पर DNA हेलिक्स को विभाजित करेगा। Mcm कॉम्प्लेक्स देर से G1 अवस्था में भर्ती होता है और ATP-निर्भर प्रोटीन रीमॉडेलिंग के माध्यम से ORC-Cdc6-Cdt1 कॉम्प्लेक्स द्वारा DNA पर लोड किया जाता है। ऑरिजिन DNA पर MCM कॉम्प्लेक्स का लोड होना प्री-रेप्लिकाशन कॉम्प्लेक्स के निर्माण को पूरा करता है।[33]

यदि देर से G1 अवस्था में पर्यावरणीय परिस्थितियां अनुकूल होती हैं, तो G1 और G1/S साइक्लिन-Cdk कॉम्प्लेक्स सक्रिय हो जाते हैं, जो DNA सिंथेटिक मशीनरी के घटकों को एनकोड करने वाले जीनों की अभिव्यक्ति को उत्तेजित करते हैं। G1/S-Cdk सक्रियण S-Cdk कॉम्प्लेक्स की अभिव्यक्ति और सक्रियण को भी बढ़ावा देता है, जो प्रजाति और कोशिका के प्रकार के आधार पर प्रतिकृति ऑरिजिन्स को सक्रिय करने में भूमिका निभा सकते हैं। इन Cdk का नियंत्रण कोशिका के प्रकार और विकास के चरण के आधार पर भिन्न होता है। इस नियमन को बडिंग यीस्ट में सबसे अच्छी तरह समझा गया है, जहाँ S साइक्लिन Clb5 और Clb6 मुख्य रूप से DNA प्रतिकृति के लिए जिम्मेदार होते हैं।[34] Clb5,6-Cdk1 कॉम्प्लेक्स सीधे तौर पर प्रतिकृति ऑरिजिन्स के सक्रियण को ट्रिगर करते हैं और इसलिए प्रत्येक ऑरिजिन को सीधे सक्रिय करने के लिए S अवस्था के दौरान आवश्यक होते हैं।[33]

इसी तरह, प्रतिकृति ऑरिजिन्स को सक्रिय करने के लिए S अवस्था के दौरान Cdc7 की भी आवश्यकता होती है। Cdc7 पूरे कोशिका चक्र के दौरान सक्रिय नहीं रहता है, और DNA प्रतिकृति के समय से पहले आरंभन से बचने के लिए इसका सक्रियण कड़ाई से समयबद्ध होता है। देर से G1 में, नियामक सबयूनिट DBF4 के साथ जुड़ाव के परिणामस्वरूप Cdc7 की गतिविधि अचानक बढ़ जाती है, जो सीधे Cdc7 से जुड़ती है और इसकी प्रोटीन काइनेज गतिविधि को बढ़ावा देती है। Cdc7 को ऑरिजिन गतिविधि का दर-सीमित (rate-limiting) नियामक पाया गया है। G1/S-Cdk और/या S-Cdk और Cdc7 मिलकर सीधे प्रतिकृति ऑरिजिन्स को सक्रिय करते हैं, जिससे DNA संश्लेषण का आरंभन होता है।[33]

प्री-आरंभन कॉम्प्लेक्स (Preinitiation complex)

शुरुआती S अवस्था में, S-Cdk और Cdc7 का सक्रियण प्री-आरंभन कॉम्प्लेक्स के संयोजन की ओर ले जाता है, जो ऑरिजिन पर बनने वाला एक विशाल प्रोटीन कॉम्प्लेक्स है। प्री-आरंभन कॉम्प्लेक्स का निर्माण Cdc6 और Cdt1 को ऑरिजिन प्रतिकृति कॉम्प्लेक्स से विस्थापित कर देता है, जिससे प्री-रेप्लिकाशन कॉम्प्लेक्स निष्क्रिय और विघटित हो जाता है। ऑरिजिन पर प्री-आरंभन कॉम्प्लेक्स को लोड करने से Mcm हेलिकेज़ सक्रिय हो जाता है, जिससे DNA हेलिक्स का अनवाइंडिंग (खुलना) होता है। प्री-आरंभन कॉम्प्लेक्स DNA पर α-प्रिमस और अन्य DNA पोलीमरेज़ को भी लोड करता है।[33]

α-प्रिमस द्वारा पहले प्राइमर को संश्लेषित करने के बाद, प्राइमर-टेम्पलेट जंक्शन क्लैंप लोडर के साथ इंटरैक्ट करते हैं, जो DNA संश्लेषण शुरू करने के लिए स्लाइडिंग क्लैंप को DNA पर लोड करता है। प्री-आरंभन कॉम्प्लेक्स के घटक प्रतिकृति फोर्क के साथ जुड़े रहते हैं क्योंकि वे ऑरिजिन से बाहर की ओर बढ़ते हैं।[33]

दीर्घीकरण (Elongation)

DNA पोलीमरेज़ की 5′–3′ गतिविधि होती है। संश्लेषण शुरू होने से पहले सभी ज्ञात DNA प्रतिकृति प्रणालियों को एक मुक्त 3′ हाइड्रॉक्सिल समूह की आवश्यकता होती है (नोट: DNA टेम्पलेट को 3′ से 5′ दिशा में पढ़ा जाता है जबकि एक नए स्ट्रैंड को 5′ से 3′ दिशा में संश्लेषित किया जाता है—इसमें अक्सर भ्रम होता है)। DNA संश्लेषण के लिए चार अलग-अलग तंत्र पहचाने गए हैं:

  1. जीवन के सभी कोशिकी रूप और कई DNA वाइरस, फेज और प्लास्मिड एक मुक्त 3′ OH समूह के साथ एक छोटे RNA प्राइमर को संश्लेषित करने के लिए एक प्रिमस का उपयोग करते हैं जिसे बाद में DNA पोलीमरेज़ द्वारा लम्बा किया जाता है।
  2. रेट्रोएलिमेंट्स (रेट्रोवाइरस सहित) एक ट्रांसफर RNA का उपयोग करते हैं जो एक मुक्त 3′ OH प्रदान करके DNA प्रतिकृति को प्रिम करता है जिसका उपयोग रिवर्स ट्रांसक्रिप्टेज द्वारा दीर्घीकरण के लिए किया जाता है।
  3. एडेनोवाइरस और φ29 परिवार के बैक्टीरियोफेज में, 3′ OH समूह जीनोम से जुड़े प्रोटीन (टर्मिनल प्रोटीन) के एक अमीनो एसिड की साइड चेन द्वारा प्रदान किया जाता है जिसमें नए स्ट्रैंड बनाने के लिए DNA पोलीमरेज़ द्वारा न्यूक्लियोटाइड्स जोड़े जाते हैं।
  4. सिंगल स्ट्रैंडेड DNA वाइरस में—एक ऐसा समूह जिसमें सर्कोवाइरस, जैमिनीवाइरस, पार्ववाइरस और अन्य शामिल हैं—और साथ ही कई फेज और प्लास्मिड जो रोलिंग सर्किल रेप्लिकाशन (RCR) तंत्र का उपयोग करते हैं, RCR एंडोन्यूक्लिएज जीनोम स्ट्रैंड (सिंगल स्ट्रैंडेड वाइरस) या DNA स्ट्रैंड्स में से एक (प्लास्मिड) में एक निक (nick) बनाता है। निक किए गए स्ट्रैंड के 5′ सिरे को न्यूक्लियस पर एक टाइरोसिन अवशेष पर स्थानांतरित किया जाता है और फिर नए स्ट्रैंड को संश्लेषित करने के लिए DNA पोलीमरेज़ द्वारा मुक्त 3′ OH समूह का उपयोग किया जाता है।

कोशिकीय जीव इनमें से पहले मार्ग का उपयोग करते हैं जिसके कारण यह सबसे अधिक प्रसिद्ध है। इस तंत्र में, एक बार जब दोनों स्ट्रैंड अलग हो जाते हैं, तो प्रिमेस टेम्पलेट स्ट्रैंड्स में RNA प्राइमर जोड़ता है। लीडिंग स्ट्रैंड को एक RNA प्राइमर मिलता है जबकि लैगिंग स्ट्रैंड को कई प्राइमर मिलते हैं। लीडिंग स्ट्रैंड को उच्च प्रोसिसिविटी वाले DNA पॉलीमरेज द्वारा प्राइमर से लगातार बढ़ाया जाता है, जबकि लैगिंग स्ट्रैंड को प्रत्येक प्राइमर से खंडित रूप से बढ़ाया जाता है जिससे ओकाजाकी खंड बनते हैं। RNase प्राइमर RNA खंडों को हटा देता है, और रिक्त स्थानों को भरने के लिए प्रतिकृति पॉलीमरेज से अलग कम प्रोसिसिविटी वाला एक DNA पॉलीमरेज प्रवेश करता है। जब यह पूरा हो जाता है, तो लीडिंग स्ट्रैंड पर एक सिंगल निक और लैगिंग स्ट्रैंड पर कई निक पाए जा सकते हैं। लाइगेस इन निक को भरने का काम करता है, इस प्रकार नए प्रतिकृतित DNA अणु को पूरा करता है।

इस प्रक्रिया में उपयोग किया जाने वाला प्रिमेस बैक्टीरिया और आर्किया/यूकैरियोट्स के बीच काफी भिन्न होता है। बैक्टीरिया DnaG प्रोटीन सुपरनेचर से संबंधित प्रिमेस का उपयोग करते हैं जिसमें TOPRIM फोल्ड प्रकार का एक उत्प्रेरक डोमेन होता है।[35] TOPRIM फोल्ड में रोसमैन-जैसी टोपोलॉजी में चार संरक्षित स्ट्रैंड के साथ एक α/β कोर होता है। यह संरचना टोपोइज़ोमेरेज़ Ia, टोपोइज़ोमेरेज़ II, OLD-परिवार के न्यूक्लिएज़ और RecR प्रोटीन से संबंधित DNA मरम्मत प्रोटीनों के उत्प्रेरक डोमेन में भी पाई जाती है।

इसके विपरीत, आर्किया और यूकेरियोट्स द्वारा उपयोग किए जाने वाले प्रिमेस में RNA पहचान मोटिफ (RRM) का अत्यधिक व्युत्पन्न संस्करण होता है। यह प्रिमेस संरचनात्मक रूप से कई वायरल RNA-निर्भर RNA पॉलीमरेज, रिवर्स ट्रांसक्रिप्टेस, चक्रीय न्यूक्लियोटाइड उत्पन्न करने वाले साइक्लेज़ और A/B/Y परिवारों के DNA पॉलीमरेज के समान है जो DNA प्रतिकृति और मरम्मत में शामिल हैं। यूकेरियोटिक प्रतिकृति में, प्रिमेस Pol α के साथ एक कॉम्प्लेक्स बनाता है।[36]

DNA प्रतिकृति प्रक्रिया में कई DNA पॉलीमरेज अलग-अलग भूमिकाएँ निभाते हैं। E. coli में, DNA Pol III वह पॉलीमरेज एंजाइम है जो मुख्य रूप से DNA प्रतिकृति के लिए जिम्मेदार है। यह प्रतिकृति कांटे (replication fork) पर एक प्रतिकृति कॉम्प्लेक्स में एकत्रित होता है जो अत्यधिक उच्च प्रोसिसिविटी प्रदर्शित करता है, जो संपूर्ण प्रतिकृति चक्र के लिए बरकरार रहता है। इसके विपरीत, DNA Pol I वह एंजाइम है जो RNA प्राइमर को DNA से बदलने के लिए जिम्मेदार है। DNA Pol I में इसकी पॉलीमरेज गतिविधि के अलावा 5′ से 3′ एक्सोन्यूक्लियस गतिविधि होती है, और यह अपने पीछे DNA स्ट्रैंड को बढ़ाते हुए अपने आगे के RNA प्राइमर को ख़राब (degrade) करने के लिए अपनी एक्सोन्यूक्लियस गतिविधि का उपयोग करता है, इस प्रक्रिया को निक ट्रांसलेशन कहा जाता है। Pol I, Pol III की तुलना में बहुत कम प्रोसिसिव होता है क्योंकि DNA प्रतिकृति में इसका प्राथमिक कार्य कुछ बहुत लंबे क्षेत्रों के बजाय कई छोटे DNA क्षेत्रों को बनाना है।

यूकैरियोट्स में, कम-प्रोसिसिविटी एंजाइम, Pol α, प्रतिकृति को शुरू करने में मदद करता है क्योंकि यह प्रिमेस के साथ एक कॉम्प्लेक्स बनाता है।[37] यूकेरियोट्स में, ऐसा माना जाता है कि लीडिंग स्ट्रैंड का संश्लेषण Pol ε द्वारा किया जाता है; हालांकि, इस विचार को हाल ही में चुनौती दी गई है, जो Pol δ की भूमिका का सुझाव देता है।[38] प्राइमर को हटाना Pol δ द्वारा पूरा किया जाता है[39] जबकि प्रतिकृति के दौरान DNA की मरम्मत Pol ε द्वारा पूरी की जाती है।

जैसे-जैसे DNA संश्लेषण जारी रहता है, मूल DNA स्ट्रैंड बुलबुले के प्रत्येक तरफ अनवाइंड (खुलना) जारी रखते हैं, जिससे दो प्रोंग्स के साथ एक प्रतिकृति कांटा बनता है। बैक्टीरिया में, जिनके गोलाकार गुणसूत्र पर प्रतिकृति का एक ही मूल होता है, यह प्रक्रिया एक "थीटा संरचना" (ग्रीक अक्षर थीटा: θ जैसी) बनाती है। इसके विपरीत, यूकेरियोट्स में लंबे रैखिक गुणसूत्र होते हैं और वे इनके भीतर कई मूल स्थानों पर प्रतिकृति शुरू करते हैं।[40]

प्रतिकृति कांटा (Replication fork)

प्रतिकृति कांटा एक ऐसी संरचना है जो DNA प्रतिकृति के दौरान लंबी कुंडलित (helical) DNA के भीतर बनती है। यह हेलीकेज नामक एंजाइमों द्वारा निर्मित होता है जो हाइड्रोजन बांड को तोड़ते हैं जो DNA स्ट्रैंड्स को एक हेलिक्स में एक साथ रखते हैं। परिणामी संरचना में दो शाखाओं वाले "प्रोंग" होते हैं, जिनमें से प्रत्येक DNA के एक सिंगल स्ट्रैंड से बनता है। ये दोनों स्ट्रैंड लीडिंग और लैगिंग स्ट्रैंड्स के लिए टेम्पलेट के रूप में कार्य करते हैं, जो तब बनाए जाएंगे जब DNA पॉलीमरेज टेम्पलेट्स से पूरक न्यूक्लियोटाइड का मिलान करेगा; टेम्पलेट्स को उचित रूप से लीडिंग स्ट्रैंड टेम्पलेट और लैगिंग स्ट्रैंड टेम्पलेट कहा जा सकता है।[41]

DNA को DNA पॉलीमरेज द्वारा 3′ से 5′ दिशा में पढ़ा जाता है, जिसका अर्थ है कि नए स्ट्रैंड को 5' से 3' दिशा में संश्लेषित किया जाता है। चूँकि लीडिंग और लैगिंग स्ट्रैंड टेम्पलेट प्रतिकृति कांटे पर विपरीत दिशाओं में उन्मुख (oriented) होते हैं, इसलिए एक मुख्य समस्या यह है कि नए लैगिंग स्ट्रैंड DNA का संश्लेषण कैसे प्राप्त किया जाए, जिसकी संश्लेषण की दिशा बढ़ती हुई प्रतिकृति कांटे की दिशा के विपरीत होती है।

लीडिंग स्ट्रैंड

लीडिंग स्ट्रैंड नए DNA का वह स्ट्रैंड है जिसे बढ़ती हुई प्रतिकृति कांटे की समान दिशा में संश्लेषित किया जाता है। इस प्रकार की DNA प्रतिकृति निरंतर होती है।[42]

लैगिंग स्ट्रैंड

लैगिंग स्ट्रैंड नए DNA का वह स्ट्रैंड है जिसकी संश्लेषण की दिशा बढ़ती हुई प्रतिकृति कांटे की दिशा के विपरीत होती है, हालांकि रासायनिक प्रतिक्रिया बिल्कुल समान होती है। इसके अभिविन्यास (orientation) के कारण, लीडिंग स्ट्रैंड की तुलना में लैगिंग स्ट्रैंड की प्रतिकृति अधिक जटिल होती है। परिणामस्वरूप, इस स्ट्रैंड पर DNA पॉलीमरेज दूसरे स्ट्रैंड से "पीछे छूट" जाता है।[43]

लैगिंग स्ट्रैंड को छोटे खंडों में संश्लेषित किया जाता है। लैगिंग स्ट्रैंड टेम्पलेट पर, एक प्रिमेस टेम्पलेट DNA को "पढ़ता है" और एक छोटे पूरक RNA प्राइमर के संश्लेषण की शुरुआत करता है। एक DNA पॉलीमरेज प्राइमीकृत खंडों को बढ़ाता है, जिससे ओकाजाकी खंड बनते हैं। इसके बाद RNA प्राइमर को दूसरे DNA पॉलीमरेज द्वारा हटा दिया जाता है और DNA से बदल दिया जाता है, और DNA के खंडों को DNA लाइगेस द्वारा जोड़ा जाता है।[43]

प्रतिकृति कांटे पर गतिकी (Dynamics)

सभी मामलों में हेलीकेज छह पॉलीपेप्टाइड्स से बना होता है जो प्रतिकृतित हो रहे DNA के केवल एक स्ट्रैंड के चारों ओर लिपटा होता है। दोनों पॉलीमरेज हेलीकेज हेक्साडेम से जुड़े होते हैं। यूकेरियोट्स में हेलीकेज लीडिंग स्ट्रैंड के चारों ओर लिपटा होता है, और प्रोकैरियोट्स में यह लैगिंग स्ट्रैंड के चारों ओर लिपटा होता है।[44]

जैसे ही हेलिकैसे (helicase) प्रतिकृति फोर्क (replication fork) पर डीएनए को खोलता है, आगे का डीएनए घूमने के लिए बाध्य होता है। इस प्रक्रिया के परिणामस्वरूप आगे के डीएनए में ऐंठन (twists) जमा होने लगती हैं।[45] यह जमाव एक मरोड़ी भार (torsional load) पैदा करता है जो अंततः प्रतिकृति फोर्क को रोक देगा। टोपोइज़ोमेरेज़ (Topoisomerases) ऐसे एंजाइम हैं जो डीएनए के स्ट्रैंड्स को अस्थायी रूप से तोड़ते हैं, और डीएनए हेलिक्स के दो स्ट्रैंड्स को खोलने के कारण उत्पन्न तनाव को कम करते हैं; टोपोइज़ोमेरेज़ (डीएनए गाइरेस सहित) डीएनए हेलिक्स में ऋणात्मक सुपरकॉइल जोड़कर ऐसा करते हैं।[46]

नग्न एकल-स्ट्रैंडेड डीएनए (Bare single-stranded DNA) स्वयं पर मुड़ने की प्रवृत्ति रखता है जिससे द्वितीयक संरचनाएं (secondary structures) बनती हैं; ये संरचनाएं डीएनए पोलीमरेज़ की गति में बाधा डाल सकती हैं। इसे रोकने के लिए, सिंगल-स्ट्रैंड बाइंडिंग प्रोटीन डीएनए से तब तक जुड़े रहते हैं जब तक कि दूसरा स्ट्रैंड संश्लेषित नहीं हो जाता, जिससे द्वितीयक संरचना के निर्माण को रोका जा सके।[47]

स्रोत: अंग्रेज़ी विकिपीडिया के “DNA replication” लेख का अनुवाद। मूल लेख: https://en.wikipedia.org/wiki/DNA_replication यह अनुवाद स्वचालित रूप से तैयार किया गया है।

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