DNA Replication

1. DNA REPLICATION
B.Sc. (Botany)
Third Year
Fifth Sem
Dr. Thirunahari Ugandhar
Head & Assistant Professor in Botany
Govt. Degree College Mahabubabad

2. Dr. Thirunahari Ugandhar
Head & Assistant Professor in Botany

4. • Central Dogma: Genetic material is always nucleic
acid and it is always DNA except some viruses. DNA
is the storehouse of genetic information.
• This information is in the form of nucleotide
sequence called genetic code. This information is
copied and transcribed into RNA molecules. This
information (genetic code) is for specific sequence
of amino acids.
• The RNA then synthesizes proteins, which are
specific sequence of amino acids, by a process
called translation. In 1956 Francis Crick called this
pathway of flow of genetic information as the
Central Dogma

5. •
సెంట్రల్ డాగ్మా: జన్యు పదార్ధెం ఎల్లపపుడూ న్ూుక్లలయిక్
ఆమ్ల ెం మ్రియు క్ొన్ని వైర్స్యల తపు, ఎల్లపపుడూ DNA
అవపత ెంది. జన్యు స్మ్ాచార్ెం యొక్క DNA అనేది
DNA. ఈ స్మ్ాచార్ెం జన్యు స్ెంక్ేతెం అనే న్ూుక్లలయోట్ైడ్
క్రమ్ెం ర్ూపెంల్ో ఉెంది. ఈ స్మ్ాచార్ెం RNA
అణువపల్ుగ్మ క్మపీ చేయబడి, వమర యబడుత ెంది.
• ఈ స్మ్ాచార్ెం (జన్యు స్ెంక్ేతెం) అనేది అమైనో ఆమ్ాల ల్
యొక్క న్నరిిష్ట క్రమ్ాన్ని స్ూచిస్యత ెంది. ఆర్.ఎన్.ఎ.
అపపుడు ప్రర ట్ీన్యల స్ెంశ్లలష్ణ చేస్యత ెంది, ఇవి అమైనో
ఆమ్ాల ల్ పరత్ేుక్ క్రమ్మ్ు, అన్యవమదెం అన్న పిల్వబడే
పరక్లరయ దాారమ. 1956 ల్ో ఫ్మర న్నిస్ క్లరక్ సెంట్రల్ డాగ్మా
జన్యు స్మ్ాచార్ెం యొక్క ఈ మ్ారమా న్ని పిలిచచాడు

8. • Both transcription and translation are
unidirectional. Proteins never serve as
template for RNA synthesis. But
sometimes RNA acts as a template for
DNA synthesis (reverse transcription),
Example is RNA viruses (HIV virus).
• ట్రర న్నిరరపషన్ మ్రియు అన్యవమదెం రెండు
ఏక్దిశ్మతాక్మైన్వి. ప్రర ట్ీన్యల RNA స్ెంశ్లలష్ణ క్ోస్ెం
ట్ెంపలలట్ వల్ె ఎపపుడూ పన్నచేయవప.
• క్మనీ క్ొన్నిసమర్లల RNA DNA స్ెంశ్లలష్ణ (రివర్ి
ట్రర న్నిరరపషన్) క్ోస్ెం ట్ెంపలలట్రా పన్నచేస్యత ెంది, ఉదాహర్ణ
RNA వైర్స్యల (HIV వైర్స్).

9. • డబుల్ సమటర ెండెడ్ DNA అణువపల్ో ఉన్ి జన్యు
స్మ్ాచార్ెం ఒక్ క్ణెం న్యెండి మ్రొక్ క్ణెంల్ో మిట్ోసిస్
స్మ్యెంల్ో మ్రియు తలిచలదెండుర ల్
• DNA అణువపల్ యొక్క న్మ్ాక్మైన్ పరతిర్ూపణ దాారమ
తలిచలదెండుర ల్ న్యెండి ప్రర జ్యుజ్ వర్క్ు పరసమర్ెం
చేయబడుత ెంది.
• DNA అణువపన్య చయట్టబడి, వక్రరక్రిెంచి, అప్మర్మైన్
పరిమ్ాణెం క్లిచగ్ి ఉెంది.
• ఇది DNA రిపిలక్ేష్న్ మీద అనేక్ పరిమిత ల్న్య
విధిెంచిెంది. DNA పర్మ్ాణువప uncoiled ఉెండాలిచ
మ్రియు రెండు తెంత వపల్ు రపిలక్ేష్న్ పరక్లరయ క్ోస్ెం
వేర్ల చేయాలిచ

10. •DNA రెప్లికేషన్ యొక్క ప్రా ధమిక్ లక్షణాలు:
ఏదెైనా DNA అణువప యొక్క జన్యుపర్ెంగ్మ స్ెంబెంధిత
స్మ్ాచార్ెం రెండు తెంత ల్ ఆధారమల్ శ్లరణిల్ో ఉెంట్ ెంది.
అెందయవల్న్ పరతిర్ూపణ యొక్క పరధాన్ ప్మతర మ్ాతృ
DNA అణువప యొక్క మ్ూల్ క్రమ్ాన్ని న్క్లలీ చేయడెం.
రెండు తెంత వపల్ు బహు పపనాది జత.
వుతిరేక్ సమటర ెండ్ యొక్క థెైమిన్ మ్రియు సైట్ోసైనోత గ్మానైన్
జెంట్ల్త్ో ఒక్ సమటర ెండ్ జెంట్గ్మ ఉన్ి అడెనీన్. ఈ
న్నరిిష్టమైన్ పరిమ్ాణాతాక్ జత జతచేయడెం క్ోస్ెం
మక్మరిటజెంన్య అెందిస్యత ెంది

11. •రెండు తెంత వపల్ు ఒక్దాన్నక్ొక్ట్ి న్యెండి విడివిడిగ్మ
మ్రియు శ్మశ్ాతెంగ్మ వేర్లగ్మ ఉెంట్రయి.
పరతి సమటర ెండ్ విధయల్ు క్ొతత పరిపూర్క్ర్మైన్ క్ుమ్ారత తీర్
క్ోస్ెం ఒక్ ట్ెంపలలట్రా పన్నచేస్యత ెంది. పలరెంట్ ల్ేదా ఓల్్ సమటర ెండ్
యొక్క ఆధార్ సీక్ాన్ి క్ొతత ల్ేదా క్ుమ్ారత సమటర ెండ్ యొక్క
ఆధార్ క్రమ్ాన్ని న్నరేిశిస్యత ెంది.
పలరెంట్ ల్ేదా ప్మత సమటర ెండ్ ల్ో అడెనైన్ ఉెంట్ే,
పరిపూర్క్ర్మైన్ థెైమిన్ క్ొతత సమటర ెండుక చేర్చబడుత ెంది.
అదేవిధెంగ్మ, పలరెంట్ సమటర ెండలల సైట్ోషిన్ ఉెంట్ే,
పరిపూర్క్ర్మైన్ గ్ౌన్యన్ క్ొతత క్ూత ర్లల్ోక్ల క్మపీ
చేయబడుత ెంది. జన్యు స్మ్ాచార్ెం యొక్క స్మ్గ్రత
న్నర్ాహణ అనేది పరతిర్ూపణ యొక్క మ్ుఖ్ు ల్క్షణెంగ్మ
చెపువచయచ

13. • Mechanism of DNA Replication:
• Mechanism of DNA replication is the
direct result of DNA double helical
structure proposed by Watson and Crick.
It is a complex multistep process
involving many enzymes.
• 1. Initiation:
• It involves the origin of replication. Before
the DNA synthesis begins, both the
parental strands must unwind and
separate permanently into single stranded
state. The synthesis of new daughter
strands is initiated at the replication fork.
In fact, there are many start sites

14. • DNA పరతిక్ృతి యొక్క యెంత్ార ెంగ్ెం:
• DNA రపిలక్ేష్న్ యొక్క యెంత్ార ెంగ్ెం వమట్ిన్ మ్రియు
క్లరక్ పరతిప్మదిెంచిన్ DNA డబుల్ హెల్త న్నరమాణెం యొక్క
పరతుక్ష ఫలిచతెం. ఇది అనేక్ ఎెంజైమ్ుల్ు ప్మల్గా న్ి
స్ెంక్లలష్టమైన్ బహుళ విధాన్ పరక్లరయ.
• 1. దీక్షా: ఇది రపిలక్ేష్న్ యొక్క మ్ూల్ాన్ని క్లిచగ్ి
ఉెంట్ ెంది. DNA స్ెంశ్లలష్ణ మొదల్వపత ెంది మ్ుెందయ,
తలిచలదెండుర ల్ తెంత వపల్ు రెండు న్నలిచపివేయాలిచ మ్రియు
శ్మశ్ాతెంగ్మ విడిప్ర త్ాయి. క్ొతత క్ూత ర్ల యొక్క
స్ెంశ్లలష్ణ రేపిలక్ేష్న్ ఫ్ర ర్క వది ప్మర ర్ెంభెంచబడిెంది.
న్నజాన్నక్ల, అనేక్ ప్మర ర్ెంభ సైట్ల ఉనాియి

15. • 2. Elongation:
• The next step involves the addition of
new complementary strands. The choice
of nucleotides to be added in the new
strand is dictated by the sequence of
bases on the template strand.
• New nucleotides are added one by one to
the end of growing strand by an enzyme
called DNA polymerase.
• There are four nucleotides, deoxy ribrnu
cleotide triphosphates dGTP, dCTP,
dATP, dTTP present in the cytoplasm.

16. • 2 ప్ర డుగ్ు: తదయపరి దశ్ క్ొతత పరిపూర్క్ర్మైన్
తెంత వపల్ చేరిక్ ఉెంట్ ెంది.
• న్ూు సమటర ెండ్ ల్ో చేర్చడాన్నక్ల న్ూుక్లలయోట్ైడల ఎెంపిక్న్య
ట్ెంపలలట్ సమటర ెండెైు సమా వరమల్ క్రమ్ాన్ని న్నరేిశిసమత ర్ల.
• DNA ప్మలిచమ్రస్ అనే ఎెంజైమ్ దాారమ న్ూు
న్ూుక్లలయోట్ైడలన్య పర్లగ్ుత న్ి సమటర ెంగ్ చివర్ ఒక్దాన్నక్ల
ఒక్ట్ి క్ల్ుపపత్ార్ల.
• నాల్ుగ్ు న్ూుక్లలయోట్ైడుల , డియోక్లియిిబూిూక్లలయోట్ైడ్
ట్ైైఫ్మసలేట్ల dGTP, dCTP, dATP, సైట్ోప్మల జెంల్ో DTTP
ఉనాియి.

17. • 3. Termination:
• All the end termination reactions occur.
Duplicated DNA molecules are separated
from one another.
• The purpose of DNA replication is to
create two daughter DNA molecules
which are identical to the parent
molecule

18. • 3. మ్ుగ్ిెంపప: అన్ని మ్ుగ్ిెంపప ర్దయి పరతిచర్ుల్ు
జర్లగ్ుత్ాయి. Duplicated DNA అణువపల్ు
ఒక్దాన్నక్ొక్ట్ి వేర్లచేయబడత్ాయి.
• DNA రపిలక్ేష్న్ యొక్క ఉదేిశ్ుెం, మ్ాతృ క్ూడలిచక్ల
స్మ్ాన్మైన్ రెండు క్ుమ్ారత DNA అణువపల్న్య
స్ృషిటెంచడెం

19. • DNA Replication is Semi-Conservative:
• Watson and Crick model suggested that DNA
replication is semi-conservative. It implies that
half of the DNA is conserved. Only one new
strand is synthesized, the other strand is the
original DNA strand (template) that is retained.
Each parental DNA strand serves as a template
for one new complementary strand.
• The new strand is hydrogen bonded to its
parental template strand and forms double helix.
Each of these strands of the double helix
contains one original parental strand and one
newly formed strand

20. • DNA రపిలక్ేష్న్ అనేది సమీ క్న్జరేాట్ివ్:
• వమట్ిన్ మ్రియు క్లరక్ మోడల్ DNA రపిలక్ేష్న్ అనేది
ప్మక్షిక్ స్ెంపరదాయవమదమ్న్న స్ూచిెంచిెంది.
• ఇది స్గ్ెం DNA ల్ో స్ెంర్క్షిెంచబడుత ెంది అన్న
స్ూచిస్యత ెంది. ఒక్ే ఒక్క క్ొతత సమటర ెండ్ మ్ాతరమే
తయార్వపత ెంది, ఇతర్ సమటర ెండ్ అనేది అస్ల్ు DNA
సమటర ెండ్ (ట్ెంపలలట్) న్న క్లిచగ్ి ఉెంట్ ెంది. పరతి తలిచలదెండుర ల్
DNA సమటర ెండ్ ఒక్ క్ొతత బహుమ్ాన్ సమటర ెండ్ క్ోస్ెం ఒక్
ట్ెంపలలట్ వల్ె పన్నచేస్యత ెంది

22. DNA replication
Understand the basic rules governing
DNA replication
Introduce proteins that are typically
involved in generalised replication
Reference: Any of the recommended texts
Optional
Nature (2003) vol 421,pp431-435
http://www.bath.ac.uk/bio-sci/cbt/
http://www.dnai.org/lesson/go/2166/1973

23. `It has not escaped our notice that the
specific pairing we have postulated
immediately suggests a possible
copying mechanism for the genetic
material’
Watson & Crick
Nature (1953)
Original drawing by Francis Crick

24. Four requirements for DNA to be
genetic material
Must carry information
– Cracking the genetic code
Must replicate
– DNA replication
Must allow for information to change
– Mutation
Must govern the expression of the phenotype
– Gene function

25. Much of DNA’s sequence-specific information is
accessible only when the double helix is unwound
Proteins read the DNA sequence of nucleotides as the
DNA helix unwinds.
Proteins can either bind to a DNA sequence, or initiate
the copying of it.
• Some genetic information is accessible even in intact,
double-stranded DNA molecules
• Some proteins recognize the base sequence of DNA
without unwinding it (One example is a restriction
enzyme).
DNA stores information in the sequence of
its bases

26. DNA replication occurs with great fidelity
Somatic cell DNA stability and reproductive-cell DNA
stability are essential. Why?
Pan troglodytes
99% sequence identity
Identity
Genetic diseases
Homo sapiens sapiens
99.9% sequence identity

27. DNA Replication
Process of duplication of the entire genome prior to cell
division
Biological significance
• extreme accuracy of DNA replication is necessary in
order to preserve the integrity of the genome in
successive generations
• In eukaryotes , replication only occurs during the S
phase of the cell cycle.
• Replication rate in eukaryotes is slower resulting in a
higher fidelity/accuracy of replication in eukaryotes

28. Basic rules of replication
A. Semi-conservative
B. Starts at the ‘origin’
C. Synthesis always in the 5-3’ direction
D. Can be uni or bidirectional
E. Semi-discontinuous
F. RNA primers required

29. DNA replication
3 possible
models

33. Semi-conservative
replication:
One strand of
duplex passed on
unchanged to each
of the daughter
cells. This
'conserved' strand
acts as a template
for the synthesis of
a new,
complementary
strand by the
enzyme DNA
polymerase

36. How do we know that DNA replication is semiconservative?
Meselson-Stahl experiments

37. B) Starts at origin
Initiator proteins identify specific base sequences on
DNA called sites of origin
Prokaryotes – single origin site E.g E.coli - oriC
Eukaryotes – multiple sites of origin (replicator)
E.g. yeast - ARS (autonomously replicating sequences)
Prokaryotes Eukaryotes

38. In what direction does DNA replication occur?
Where does energy for addition
of nucleotide come from?
What happens if a base
mismatch occurs?
C) Synthesis is ALWAYS in the 5’-3’ direction

39. Why does DNA replication only occur in the 5’ to 3’ direction?
Should be PPP here

40. D) Uni or bidirectional
Replication forks move in one or opposite directions

41. E) Semi-discontinuous replication
Anti parallel strands replicated simultaneously
 Leading strand synthesis continuously in 5’– 3’
 Lagging strand synthesis in fragments in 5’-3’

42. Semi-discontinuous replication
New strand synthesis always in the 5’-3’ direction

43. F) RNA primers required

44. Core proteins at the replication fork
Topoisomerases
Helicases
Primase
Single strand
binding proteins
DNA polymerase
Tethering protein
DNA ligase
- Prevents torsion by DNA breaks
- separates 2 strands
- RNA primer synthesis
- prevent reannealing
of single strands
- synthesis of new strand
- stabilises polymerase
- seals nick via phosphodiester
linkage

45. The mechanism of DNA replication
Arthur Kornberg, a Nobel prize winner and
other biochemists deduced steps of
replication
– Initiation
• Proteins bind to DNA and open up double helix
• Prepare DNA for complementary base pairing
– Elongation
• Proteins connect the correct sequences of
nucleotides into a continuous new strand of DNA
– Termination
• Proteins release the replication complex

46. The mechanism of DNA replication
http://www.thelifewire.com
Life: 7th ed - Chapter 11

47. Core proteins at the replication fork
Nature (2003) vol 421,pp431-435 Figure in ‘Big’ Alberts too

48. What kind of enzyme synthesizes the
new DNA strand?
1) RNA polymerase
2) DNA Polymerase
3) Primase
4) Helicase
5) Topoisomerase

49. Eukaryotic chromosomes have multiple
origins of replication
1. True
2. False

50. In what direction is the newly synthesized
DNA produced?
1. 5'-3'
2. 3'-5'
3. In the direction of the major groove
4. Both 5'-3' and 3'-5' depending on which
strand is being replicated

51. Nucleotides are always added to the growing DNA strand at
the 3’ end, at which the DNA has a free ______ on the 3’
carbon of its terminal deoxyribose.
1. Phosphate group
2. Hydroxyl group
3. Nitrogen base
4. Methyl group

52. The E. coli chromosome has 4.7x106 bp; a
bi-directional replication fork progresses at
about 1000 nucleotides/sec. Therefore, the
minimum time required to complete
replication is
1) 12 min.
2) 24 min.
3) 39 min
4) 78 min
5) 120 min

53. What is the sequence (1 to 6) in which these
proteins function during DNA replication
• ____ RNA primase
• ____ DNA ligase
• ____ DNA polymerase
• ____ Topoisomerase
• ____ DNA helicase
• ____ tethering proteins

54. Why is an RNA primer necessary for DNA
replication?
A. The RNA primer is necessary for the activity of DNA
ligase.
B. The RNA primer creates the 5’ and 3’ ends of the
strand.
C. DNA polymerase can only add nucleotides to RNA
molecules.
D. DNA polymerase can only add nucleotides to an
existing strand

56. • Karyotype Concept of Chromosome:
• Karyotype concept was developed by
S. Navashin based on the observations
that the number of chromosomes and
morphology of each chromosome pair
is normally constant and
characteristic for a species.
• The term ‘karyotype’ is used for a
group of characteristics that allow the
identification of a particular chromo
somal set

57. • క్రయుమోమ్ యొక్క క్మురయట్ోప్ క్మనిప్ట: పరతి క్ోర మోజోమ్
జెంట్ యొక్క క్ోర మోజోమ్ుల్ు మ్రియు పదన్నరమాణ
శ్మస్తైెం సమధార్ణెంగ్మ సిార్ెంగ్మ మ్రియు ఒక్ జాతిక్ల
స్ెంబెంధిెంచిన్ ల్క్షణెం యొక్క పరిశీల్న్ల్ ఆధార్ెంగ్మ S.
Navashin దాారమ క్మురయట్ైప్ భరవన్ అభవృదిధ
చేయబడిెంది.
• ఒక్ న్నరిిష్ట క్ోర మో సర మ్ల్ సట్ యొక్క గ్ురితెంపపన్య
అన్యమ్తిెంచే ల్క్షణాల్ స్మ్ుదాయెం క్ోస్ెం
'క్మయోయోట్ైప్' అనే పదాన్ని ఉపయోగ్ిసమత ర్ల

58. • It is the phenotypic appearance of the entire
chromosome complement of the species repre-
senting all the chromosome types based on their
morphology.
• Karyotype study helps to represent the origin
and evolutionary relationship among the
different taxa.
• Depending on the differences between smallest
and largest chromosome of the set, the
karyotype may be symmetric (less difference) or
asymmetric (large difference). Increased
karyotype asymmetry is associated with
advanced group of plants.

59. • ఇది వమరి స్ార్ూప శ్మస్తైెం ఆధార్ెంగ్మ అన్ని క్ోర మోజోమ్
ర్క్మల్న్య స్ూచిెంచే జాత ల్ మొతతెం క్ోర మోజోమ్ పూర్క్
యొక్క స్మ్ల్క్షణ పరదర్శన్.
• వివిధ ర్క్మల్ ట్రక్రిల్ల్ో మ్ూల్ెం మ్రియు
పరిణామ్ాతాక్ స్ెంబెంధాన్ని స్ూచిెంచడాన్నక్ల క్మురయట్ైప్
అధుయన్ెం స్హాయపడుత ెంది.
• సట్ యొక్క అతిచిన్ి మ్రియు అతిపది క్ోర మోజోమ్ల
మ్ధు వుత్ాుసమల్పై ఆధార్పడి, క్మరియోట్ైప్ అనేది
సౌష్టవ (తక్ుకవ వుత్ాుస్ెం) ల్ేదా అసిిమట్ిరక్ (పది
వుత్ాుస్ెం) క్మవచయచ. పరిగ్ిన్ క్మురయట్ైప్ అస్మ్ర్ాత
మొక్కల్ యొక్క ఆధయన్నక్ గ్ుెంపపత్ో స్ెంబెంధెం క్లిచగ్ి
ఉెంట్ ెంది.

60. • Parameters: The parameters used in karyotype
preparation are:
• (i) The number of chromosomes,
• (ii) The length of each chromosome,
• (iii) The length of chromosome arms (both short
and long arms),
• (iv) The position of centromere,
• (v) The existence and localization of secondary
constriction,
• (vi) The position and size of the satellites,

61. • ప్మరమమిత ల్ు: క్మురయట్ైప్ తయారీల్ో ఉపయోగ్ిెంచే
ప్మరమమిత ల్ు:
• (i) క్ోర మోజోమ్ుల్ స్ెంఖ్ు,
• (ii) పరతి క్ోర మోజోమ్ యొక్క ప్ర డవప,
• (iii) క్ోర మోజోమ్ ఆయుధాల్ ప్ర డవప (చిన్ి మ్రియు
ప్ర డవమట్ి ఆయుధాల్ు)
• (iv) సెంట్ోర మర్ యొక్క సమా న్ెం,
• (v) దిాతీయ న్నరమాణెం యొక్క ఉన్నక్ల మ్రియు
సమా న్నక్రక్ర్ణ,
• (vi) ఉపగ్రహాల్ యొక్క సమా న్ెం మ్రియు పరిమ్ాణెం

62. • (vii) Absolute and relative chromosomal size,
• (viii) Basic chromosome number,
• (ix) The degree and distribution of heteromatic
regions,
• (x) Amount and location of repeated sequence
• (vii) స్ెంపూర్ణ మ్రియు స్ెంబెంధిత క్ోర మోజోమ్
పరిమ్ాణెం,
• (viii) ప్మర థమిక్ క్ోర మోజోమ్ స్ెంఖ్ు,
• (ix) heteromatic ప్మర ెంత్ాల్ు డిగ్ీర మ్రియు పెంపిణ,
• (x) పపన్రమవృత క్రమ్ెంల్ో మొతతెం మ్రియు సమా న్ెం