Қазіргі кездегі ДНҚ молекуласының репликациясы туралы мәліметтер Д. Уотсон және Ф. Крик ұсынған ДНҚ-ның репликациясы және құрылымының үлгісі ретінде, әртүрлі тәжірибелер арқылы жеткен түжырымдамалар болып табылады. ДНҚ молекуласының үлгісін құру үстінде Д. Уотсон және Ф. Крик ДНҚ молекуласының репликациясы бірнеше кезеңдерден тұрады деп болжады: а) екі полинуклеотидті тізбектер арасындағы сутектік байланыстардың бұзылып ажырауы; ә) полинуклеотидті тізбектердің тарқатылуы; б) әр полинуклеотидті тізбек жанынан сол тізбекке комплементарлы жаңа тізбектің синтезі. Олар полинуклеотидтік тізбектердің ажырауы мен тарқатылуы молекуланың бір ұшынан басталып, екінші ұшына қарай жүреді, жаңа полинуклеотидтік тізбектердің түзілуі де сол мезетте және сол бағытта жүріп отырады деген болжам жасады. Сонымен ДНҚ репликациясы барысында әрбір нуклеотидтік тізбек жаңадан түзілетін полинуклеотидтік тізбек үшін үлгі ретінде болады және нуклеотидтік тізбектердің белгілі бір ретпен құрылуын қамтамасыз етеді. Осының нәтижесінде, жаңадан түзілген әрбір ДНҚ молекуласы бір ескі тізбектен және соған комплементарлы бір жаңа (туынды) тізбектен тұрады. ДНҚ осындай жолмен репликациялануы жартылай консервативті репликациялану деп аталады. ДНҚ молекуласының жартылай консервативті жолмен репликациялануын 1958 жылы, М. Месельсон және Ф. Сталь Е. coll микроорганизміне қойылған тәжірибелер арқылы дәлелдеді. Бактериялардың бөлінуі басталғанда 15N («ауыр» изотоп) бар жасанды ортада өсіріп, кейіннен 14С («жеңіл» изотоп) бар жасанды ортада өсіре отырып, олар бактериялардағы ДНҚ тығыздығы бірінші ұрпақтан кейін «гибридті», яғни 15N/14C болып шыққандығын, ал екінші ұрпақтан кейін олардағы ДНҚ жартылай «гибридті», жартылай «жеңіл» (14С) болып шыққанын, яғни, «ауыр» және «жеңіл» полинуклеотидтік тізбектерден тұратындығын көрсетті.
Прокариоттардағы ДНҚ репликациясы шамамен, 300 нуклеотидтен құралған 0- репликация аймағынан басталып, екі бағытта жүреді, осылайша репликациялық «айырым» түзіледі. Прокариоттарда ДНҚ молекуласының репликациясы шамамен 300 нуклеотидтен тұратын 0-пункттан басталады және репликациялық айырым түзе отырып екі бақытта жалғасады. «Айырым» жылдамдығы, яғни полимеризация жылдамдығы бір секундта 500 нуклеотидке тең. ДНҚ молекуласының екі еселенуі шамамен, 40 минут аралығында іске асады. Онан басқа, прокариоттарда «айналмалы сақина» механизмі болады, яғни мұнда репликативті айырым комплементарлы тізбек түзе отырып, сақина бойымен жылжиды. ДНҚ молекуласының ферментативті синтезін in vitro жағдайында зерттеу, яғни олардың құрамындағы ДНҚ-полимераза ферменті, барлық төрт азоттық негіздердің дезоксирибонуклезид 5′-үшфосфаты, магний иондары және ДНҚ «затравкалар» клеткада болуы ДНҚ молекуласының өсетін тізбегіне мононуклеотидтерді жалғастырады. Олар 3′-гидроксильді соңына қосылады және тізбек 5′-жағынан 3′-соңына қарай өседі. Бұл жерде реакция ДНҚ-полимераза III ферменті арқылы іске асырылады. Қоспаға ДНҚ-«затравканы» қосқаннан кейін синтезделетін ДНҚ моекуласының саны артса да ДНҚ синтезі тоқтамайды. Егер де қоспада аталған компоненттердің бірі болмаса, онда полимеризация жиілігі бірнеше есеге төмендейді. Егер де ДНҚ-«затравки» болмаса, онда реакция толық тоқталады.
E. coli бактериясының in vitro жағдайында ДНҚ молекуласының репликациясына dna A, dna B, dna C, dna G гендері синтездейтін белоктар, ДНҚ-гираза ферменті, сонымен қатар біртізбекті ДНҚ молекуласы мен АҮФ арасындағы байланысты қамтамасыз ететін белок қажет екені анықталды. Репликативті ферменттер және белоктар комплексі ДНҚ-репликазды жүйе (реплисома) деп аталады.
In vitro жағдайында ДНҚ молекуласының ферментативті синтезін зерттеу ДНҚ молекуласының екі тізбегінің де көшірілетінін көрсетті, яғни ДНҚ тізбектері антипараллелді, сондықтан да бір тізбекте синтез 5 — 3′-бағытында, ал екінші тізбекте 3′ — 5′-бағытында жүреді. Тізбектің 5′ — 3′-бағытындағы синтезі үздіксіз, ал 3′ — 5′-бағытындағы синтез үзікті түрде жүреді. Өйткені ондағы синтез де 5′ — 3′-бағытында қысқа бөліктер синтезделеді де, соңынан ДНҚ-лигаза ферменті арқылы тігіледі. Мұндағы 1000-2000 нуклеотидтерден тұратын қысқа бөліктер Оказаки фрагменттері деп аталады (осы бөліктерді алғаш байқаған Р. Оказаки ғалымның құрметіне). ДНҚ репликациясында екі тізбектің өсуін бір фермент атқарады. Мұндағы репликация айырымы асимметриялы болады. Үздіксіз синтезделетін тізбек бастаушы деп, ал үзікті синтезделетін тізбек қалып жүруші тізбек деп аталады. «Қалып жүруші» тізбектің синтезі эр түзілген Оказаки фрагменттеріне жэне бастаушы тізбектің синтезіне байланысты болады.
Бактерияларда ДНҚ-полимераза I, II және III ферменттері ашылған. Оның ішіндегі негізгісі ДНҚ молекуласы тізбегінің элонгациясына жауапты ДНҚ-полимераза III болып табылады. ДНҚ-полимераза I ферменті қалып жүретін тізбектегі «брешті» толтырады, ал ДНҚ-полимераза II ферментінің қызметі әлі белгісіз. Бастаушы тізбектің синтезі кезінде ДНҚ-полимераза ферментінде қосарланған 3′-соңы болады, ол келесі жаңа тізбекті синтездеуге көмектеседі. Бірақ-та «қалып жүретін» тізбекті синтездейтін ДНҚ-полимераза ферментіне 3′-соңымен қосарланған (3-гидроксилді тобы) «затравка» керек. Бұл затравканы қысқа РНҚ молекуласы ретінде рибонуклеотидүшфосфаттан ДНҚ-примаза ферменті синтездейді. Бұл процесс кезінде әр қысқа бөліктер ДНҚ молекуласының жаңа синтезін бастайды. Сонан соң 5′-фосфатдезоксирибонуклеотид қалдықтарын 3′-гидроксилді соңдарымен байланыстыратын ДНҚ-полимераза ферменті іске қосылады да ДНҚ тізбегінің қалыпты синтезі басталады. Келесі ретте синтезді бастаған «затравка» бөлініп кетеді де, бос кеңістік ДНҚ-мен толады. Сонымен Оказаки фрагменттері синтезінде «затравка» рөлін қысқа РНҚ молекулалары атқарады.
Эукариот клеткаларындағы ДНҚ молекуласының репликациясы механизмі де прокариоттарға ұқсас жүреді. Тек эукариоттарда тізбектердің полимеризациялану жылдамдығы төмендеу болады (сүтқоректілерде шамамен, бір секундта 50 нуклеотид). Эукариоттар ДНҚ-сы репликациясында да прокариоттардағы ферменттер қатысады. Мұнда Оказаки фрагменттері көлемі 100-200 нуклеотидті құрайды.
ДНҚ молекуласының қос тізбегінің тарқататылуы үш түрлі белоктың көмегімен жүреді: а) ДНҚ спиралін үстап тұратын белоктар (SS-белоктар). Олар біртізбекті ДНҚ молекуласымен байланысады да, тізбектің қайта спиралданып кетуіне жол бермейді және ДНҚ-геликаза ферментіне спиралді тарқатуға көмектеседі; ә) ДНҚ-геликаза, ДНҚ молекуласын тарқататын фермент. Олар ДНҚ молекуласында тікелей жұмыс атқарады; б) ДНҚ-гираза, ДНҚ молекуласында кездесетін асқын айналымдарды тарқатады.
Эукариоттарда бес ДНҚ-полимераза ферменттері белгілі (а, р, Ү, 5 және с), оның ішінде синтез кезінде негізгі рөлді а және 5 полимераза ферменттері атқарады. a — полимераза ферменті бастаушы және қалып жүретін тізбектерде синтезді бастайды, өйткені тек осы ферментте ғана «затравканы» танитын қасиет болады. Әрі қарай элонгация процесінде тізбектің өсуін р — ферменті қамтамасыз етеді, ал «қалып жүретін» тізбекте s — немесе 5 — ферменттері негізгі рөлді атқарады. Митохондриялы Т — фермент болса, бактериядағы poll ферменті сияқты «қалып жүретін» тізбектің репликациясын аяқтайды.
Сондай-ақ ДНҚ молекуласының репликациясына қажетті және клетка циклінің S-фазасында синтезделетін циклин белогы да анықталған. Репликация процесінен кейін ДНҚ молекуласының спиралдануын ДНҚ-топоизомераза ферменті атқарады. ДНҚ молекуласының репликациясы өте дәл жүруімен сипатталады. Жоғарыда айтылғандай, ДНҚ молекуласында пайда болған Оказаки фрагменттері эукариот клеткаларында 100-200 нуклеотид тізбектерінен тұрады. Бұл эукариоттарда репликация процесінің (бір минутта 1 молекула) прокариоттармен салыстырғанда (бір минутта 30 молекула) жай жүруіне байланысты болуы мүмкін.
Эукариот клеткаларында хромосомалардың еселенуі де күрделі процесс болып табылады. Мұнда тек үлкен молекулалы хромосомалар ғана еселенбейді, сонымен бірге гистонды және гистонды емес хромосомалық белок молекулалары да синтезделеді. Бұл процестің соңғы кезеңі ДНҚ молекуласының және гистондардың нуклеосомаларға қатталуы болып табылады. Хромосомалардың еселенуі де жартылай консервативті сипатқа ие деп есептеледі.
Хромосомалардың еселенуі негізінен: репликация процесі, клетка бөлінуінде және ДНҚ молекуласының репликациясында хромосомалардың сегрегациясы, хромосомалардың соңдарының репликациясы және қорғалуы сияқты үш іргелі қасиетке сүйенеді. Эукариотты организмдер хромосомаларындағы репликацияда да 0-пункт болады (репликацияның басталу сайты) және олар мұнда өте көп кездеседі. Бүл пункттар өздігінен (автономды) репликацияланатын тізбектер деп аталады (ars-элементтер). Репликация айырымының санына байланысты олар бір-бірінен 30 000-300 000 жүп азоттың негіздер арақашықтығында болады. Нэтижесінде әр хромосомада бір-біріне тәуелсіз бір мезетте бірнеше репликация айырымы түзіледі. ДНҚ молекуласындағы репликацияны 0-пунктқа тәуелді белоктар және киназа ферменттері бастайды. Киназа ферменттері ДНҚ молекуласының репликациядан шығуына жауапты. Бірақ-та бұл механизмнің қалай жүзеге асатыны әлі белгісіз.
Жаңа клеткадағы хромосоманың сегрегациясына центромерлер жауапты болады. Хромосомалардың репликациясына және соңдарының қорғалуына құрылымы 5-10 азоттық негіздерден тұратын ДНҚ тізбегімен сипатталатын теломерлер деп аталатын құрылым үлкен маңызға ие. Олар ДНҚ-полимераза ферментін ДНҚ тізбегінің соңына жетуіне мүмкіндік тудырады. Жаңадан түзілген хромосомаларда ескі гистондармен бірге жаңа гистондар да болады және сүтқоректілерде ол әрқайсысы 5 гистондың гендермен сипатталатын 20 гендік болктармен жүзеге асырылады.
Эукариоттардағы ДНҚ молекуласының репликациясы прокариоттар репликациясынан айтарлықтай айырмашылықтары бар. Эукариоттар ДНҚ-ын тимидинмен белгілеп, сонан соң хромосмадан бөліп алып әрі қарай радиография әдісімен зерттегенде онда радиоактивті тандемді қатар көрінген. Бұл ДНҚ молекуласында репликативті нүктелердің көптеп болуымен түсіндіріледі. Мысалы, сүтқоректілер ДНҚ молекуласы тізбегінде 0-пункт әр 40 000 — 200 000 жұп негіздерден кейін кездесіп отырады. Эукариот хромосомаларындағы репликация екі бағытта жүретінін тэжірибелік мәліметтер көрсетіп отыр, яғни репликациялық айырым 0-пункттен екі бағытта репликацияның бітетін жеріне (терминус) қарай жылжиды. Қандай да болмасын 0-пункттың және екі терминустың бақылауында болатын репликация бөлігі репликация бірлігі болып табылады және оны репликон деп атайды. Эукариот клеткаларындағы репликондардың мөлшері организм түріне байланысты болады, яғни жалпы алғанда шамамен, 10-100 нм құрайды.