Реплика́ция по те́та-механи́зму (θ-репликация), механизм репликации в кольцевых молекулах ДНК. Модель Theta названа в честь характерной формы промежуточного продукта репликации, напоминающей греческую букву «тета». Репликация по тета-механизму состоит из инициации, элонгации и терминации и встречается среди бактерий, например у кишечной палочки и золотистого стафилококка. У тета-репликации есть свои преимущества и недостатки относительно других механизмов репликации. К преимуществам относятся эффективность, сохранение ресурсов, генетическая стабильность и облегчение горизонтального переноса генов. К недостаткам – чувствительность к клеточному стрессу, ограниченные гибкость и генетическое разнообразие, а также зависимость от репликативных белков.

История открытия

Тета-репликация была открыта Дж. Кэрнсом (1922–2018), британским врачом и молекулярным биологом, исследовавшим кишечную палочку. Во время экспериментов с помощью метода авторадиографии он обнаружил уникальную закономерность в репликации кишечной палочки: кольцевая молекула ДНК раскручивалась в виде структуры, напоминавшей греческую букву «тета». Его работа заложила основу для изучения репликации ДНК у прокариот.

Этапы тета-репликации

Процесс тета-репликации состоит из трёх этапов – инициации, элонгации и терминации.

Инициация репликации происходит в определённом месте кольцевой молекулы ДНК, называемом началом репликации (ori). Ori содержат повторяющиеся участки нуклеотидов, куда присоединяются репликативные белки. Они регулируют процесс репликации и гарантируют, что он происходит только 1 раз за клеточный цикл. 

Далее ферменты хеликазы распознают ori и связываются с ними, инициируя отделение одной нити ДНК от другой и создание одноцепочечных регионов. В ходе действия хеликаз образуется Y-образная структура, известная как репликационная вилка. Одноцепочечные нити затем служат матрицей для ДНК-полимеразы и других белков, участвующих в синтезе комплементарной цепи.

Во время элонгации фермент ДНК-полимераза добавляет комплементарные нуклеотиды к открытым хеликазой регионам. Тета-репликация отличается тем, что процесс элонгации может происходить в одном или двух направлениях. При этом одна цепь является лидирующей, другая – отстающей. Ведущая цепь синтезируется непрерывно в направлении продвигающейся репликационной вилки, при этом нуклеотиды присоединяются к 3'-концу растущей ведущей цепи. Отстающая цепь, которая также синтезируется в направлении от 5’ к 3’, синтезируется прерывисто. Короткие праймеры, синтезируемые ферментом праймазой, являются депо для ДНК-полимераз, которые синтезируют короткие фрагменты Оказаки на отстающей цепи.

Каждый фрагмент Окадзаки на отстающей цепи обычно имеет длину от 100 до 200 нуклеотидов. После синтеза фрагмента Оказаки ДНК-полимераза удаляет праймер РНК и заменяет его нуклеотидами ДНК. Затем фермент ДНК-лигаза катализирует образование фосфодиэфирных связей между соседними фрагментами ДНК, объединяя фрагменты Оказаки в непрерывную отстающую цепь.

Именно во время элонгации из-за работы ДНК-полимераз кольцевая молекула ДНК принимает тета-образную структуру.

Процесс репликации продолжается до тех пор, пока не будет продублирована вся кольцевая молекула ДНК. Терминация репликации происходит благодаря белкам-терминаторам, которые находятся напротив ori на кольцевых хромосомах, в терминальной области. Ферментный комплекс ДНК-полимеразы расформировывается, синтезированные кольцевые молекулы ДНК разделяются, образуя 2 идентичные копии.

Организмы, использующие тета-репликацию

Тета-репликация характерна для прокариотических организмов, таких как бактерии. Бактерии могут иметь не только хромосомы, но и плазмиды, при этом оба носителя информации реплицируются отдельно и могут использовать разные механизмы репликации. Таким образом, есть бактерии, у которых тета-репликация происходит только в хромосоме, только в плазмиде или сразу в обеих нуклеопротеидных структурах. 

К последним относятся кишечная палочка, сенная палочка, золотистый стафилококк, холерный вибрион и синегнойная палочка.

Преимущества тета-репликации

К эволюционным преимуществам тета-репликации относятся её эффективность, сохранение ресурсов, генетическая стабильность, облегчение горизонтального переноса генов и вклад в общую приспособленность и выживание бактериальных популяций.

Эффективность тета-репликации состоит в том, что она обеспечивает одновременный и двунаправленный синтез ДНК, и это гарантирует быстрое дублирование генетического материала. Эффективность имеет решающее значение для бактерий, подвергающихся частому клеточному делению, которое способствует быстрому росту их популяции.

Единовременный синтез ведущих и отстающих цепей сводит к минимуму энергию и ресурсы, необходимые для репликации ДНК.

Тета-репликация способствует точности и достоверности дублирования ДНК, помогает поддерживать генетическую стабильность бактериального генома, снижая вероятность ошибок в реплицируемой ДНК.

Тета-репликация облегчает горизонтальный перенос генов, позволяя бактериям приобретать новый генетический материал из окружающей среды или других бактерий. Этот механизм обеспечивает генетическое разнообразие, способствуя эволюции популяций бактерий и их способности адаптироваться к разнообразным экологическим нишам.

Недостатки тета-репликации

Кроме явных преимуществ, тета-репликация имеет и недостатки: чувствительность к клеточному стрессу, ограниченные гибкость и генетическое разнообразие, а также зависимость от репликативных белков. 

Тета-репликация чувствительна к различным стрессам, таким как изменения температуры или доступности питательных веществ, которые могут нарушить процесс. В неблагоприятных условиях механизм репликации может быть более склонен к ошибкам, приводящим к мутациям или неполной репликации.

Также тета-репликация может менее гибко реагировать на динамические потребности клетки. Напротив, другие механизмы репликации, такие как рекомбинационно-зависимая репликация, предлагают бо́льшую гибкость в адаптации к различным клеточным состояниям.

Консервативная природа тета-репликации может ограничивать создание генетического разнообразия внутри популяции. Это может быть недостатком в быстро меняющихся условиях, где генетическое разнообразие обеспечивает решающее преимущество для адаптации.

Тета-репликация зависит от белков-инициаторов. Их мутации или вариации этих белков-инициаторов могут привести к ошибкам или сбоям репликации.