Реплика́ция по при́нципу катя́щегося кольца́, механизм репликации РНК или ДНК. Открыт итало-американскими микробиологами Сальвадором Лурией и Джузеппе Бертани. Процесс состоит из инициации, синтеза лидирующей цепи, синтеза второй цепи (в случае организмов с дцДНК), разрезания получившегося конкатемера и образования кольцевых молекул. Особенностью этого типа репликации является его асимметричный характер, проявляющийся в разделении синтеза лидирующей и отстающей цепи. К преимуществам принципа катящегося кольца относятся скорость, производительность, а также адаптивность процесса к различным средам, а к недостаткам – частота ошибок и невыгодность при синтезе единичной копии генома.

История открытия

Репликация по принципу катящегося кольца была впервые открыта и описана итало-американскими микробиологами Сальвадором Лурией (1912–1991) и Джузеппе Бертани (1923–2015) в 1954 г. Лурия и Бертани работали с вирусами бактерий (бактериофагами), в частности с ΦX174. В ходе своих экспериментов учёные увидели уникальный механизм репликации ДНК, который отличался от более известного полуконсервативного механизма репликации эукариот. Новая цепь образовывалась на кольцевой матрице ДНК; казалось, что матрица катится по дочерней цепи; так и появилось название этой модели репликации.

С тех пор были идентифицированы многие другие генетические элементы, реплицирующиеся по механизму катящегося кольца, в том числе бактериофаги, плазмиды грамположительных и грамотрицательных бактерий, архейные плазмиды и эукариотические вирусы.

Этапы репликации

Репликация по типу катящегося кольца представляет собой однонаправленную репликацию нуклеиновой кислоты, которая может быстро синтезировать несколько копий кольцевых молекул ДНК или РНК. Процесс состоит из инициации, синтеза лидирующей цепи, синтеза второй цепи (в случае организмов с дцДНК), разрезания получившегося конкатемера и образования кольцевых молекул.

Начинается процесс с одноцепочечного разрыва одной цепи ДНК нуклеазой в точке инициации dso (double-strand origin) размером около 100 пар нуклеотидов. Разрушение фосфодиэфирных связей происходит либо ферментами, включающими в свой состав тирозин, либо путём гидролиза.

К образовавшемуся в результате надреза 3’-OH-концу с участием ДНК-полимеразы присоединяются дезоксинуклеотиды. В качестве матрицы используется неповреждённая цепь, репликация происходит вокруг кольцевой молекулы ДНК, замещая разорванную цепь одноцепочечной ДНК. Круг заканчивается при достижении изначальной точки dso лидирующей цепи. Вследствие того, что матрицей служит интактная замкнутая цепь ДНК, в вилке синтезируется только лидирующая цепь. По мере синтеза лидирующей цепи происходит вытеснение 5’-конца исходной надрезанной родительской цепи. Вновь синтезируемый материал ковалентно связан с исходным материалом, вытесняемая нить достигает больших размеров и содержит любое число единиц геномов, синтезируемых путём непрерывного вращения матрицы.

Постоянно отделяющиеся в результате репликации одиночные цепи ДНК приводят к образованию серии геномов, называемых конкатемерами (отдельные цепи могут включать от двух до пяти фаговых геномов). В случае дцДНК после образования свободного конца лидирующей цепи на её матрице образуется комплиментарная цепь.

Одно- или двуцепочечные конкатемеры впоследствии расщепляются эндонуклеазами на линейные отрезки и могут быть преобразованы в кольцевые молекулы с помощью ДНК-лигазы, которая соединяет концы, образуя молекулы кольцевых ДНК.

Организмы, использующие репликацию по типу катящегося кольца

Наиболее исследованными организмами, использующими репликацию по типу катящегося кольца, являются бактериофаги и бактериальные плазмиды. Хотя репликация и имеет схожие принципы, некоторые детали этого процесса у разных организмов могут отличаться. Например, на терминальной стадии фаг кишечной палочки ФХ174 после репликации автоматически начинает синтез следующей копии генома, т. к. цель фага – производство наибольшего количества вирионов. С другой стороны, репликация плазмиды pT181, выделенной из золотистого стафилококка, которая также происходит по типу катящегося кольца, строго контролируется, поэтому после одного круга репликации белок-инициатор инактивируется и не может начать следующий раунд репликации.

К другим примерам бактериофагов, которые используют репликацию по катящемуся кругу, относятся фаги кишечной палочки, например T4, T7, M13 и лямбда, фаг кишечной сальмонеллы (Salmonella enterica) P22, фаг сенной палочки Phi29 и фаг стрептомицетов вида Streptomyces coelicolor ΦC31.

Кроме бактериофагов репликацией по типу катящегося кольца пользуются, к примеру, вирус гепатита D, который содержит вироидоподобную кольцевую РНК, папилломавирус человека 16-го типа (семейство Papillomaviridae), несущий двухцепочечную ДНК, и геминивирусы (семейство Geminiviridae), которые несут кольцевую одноцепочечную ДНК, но реплицируют промежуточные двухцепочечные ДНК по типу катящегося кольца.

Репликация по типу катящегося кольца в основном охарактеризована в плазмидах грамположительных бактерий, хотя также упоминается в плазмидах грамотрицательных бактерий или архей. К первому типу относятся Clostridium perfringens, сенная палочка и золотистый стафилококк, а ко вторым – синегнойная палочка, холерный вибрион и бактерии рода Caulobacter (Caulobacter crescentus).

Недавние исследования также доказывают, что репликация по принципу катящегося кольца играет важную роль в горизонтальном переносе генов у бактерий, являясь начальным этапом переноса плазмид и интегративных и конъюгативных элементов между бактериальными организмами, и лежит в основе переноса от Agrobacterium tumefaciens Ti-плазмиды в растительные клетки и последующего их заражения, а также в репликации митохондрий растений и грибов.

Преимущества и недостатки репликации

Преимущества этого типа репликации ДНК заключается в его простоте, скорости и производительности в случае, когда требуется синтезировать большое количество геномов с одной матрицы. Поскольку этот механизм позволяет быстро и непрерывно создавать множество копий генома в результате одного инициирующего события, он особенно выгоден для вирусов. Однонаправленный характер репликации по катящемуся кругу позволяет синтезировать одну непрерывную цепь, уменьшая необходимость повторных событий инициации.

Некоторые организмы, такие как бактерии, несущие плазмиды, использующие репликацию по катящемуся кругу, могут найти этот механизм выгодным для адаптации к изменяющейся среде. Способность быстро воспроизводить и передавать генетический материал может быть ценной чертой в определённых экологических нишах.

К недостаткам относится ограниченный механизм проверки ДНК по сравнению с другими методами репликации ДНК. Это может привести к увеличению частоты ошибок. При использовании этого метода для синтеза одной копии генома процесс может занять больше времени и энергии, чем, например, использование репликации по тета-механизму.