| Fas | Verkande enzym | Riktning | Detaljer om skeende |
|---|---|---|---|
| Initiering | Helikas | Separerar DNA-strängar | Använder ATP för att öppna dubbelhelixen vid A-T-rika områden |
| SSBP | Ingen riktning | Stabiliserar enkelsträngat DNA och skyddar mot nukleas | |
| Topoisomeras | Ingen specifik riktning | Lindrar superlindning genom att klippa, rotera och återligera DNA | |
| Elongering | Primas | 5' → 3' | Lägger primer så att DNA-polymeras har en startpunkt |
| DNA-polymeras III | 5' → 3' (syntes), 3' → 5' (korrektur) | Bildar ledande tråd och Okazaki-fragment på laggande sträng | |
| DNA-polymeras I | 5' → 3' (ersättning), 3' → 5' (korrektur) | Tar bort RNA-primer och ersätter med DNA | |
| Ligas | Ingen specifik riktning | Förseglar glipor mellan Okazaki-fragment på laggande sträng | |
| Terminering | Telomeras | Förlänger 3' ände | Förhindrar förkortning av telomerer genom att förlänga DNA med repetitiv sekvens |
DNA-replikation är en grundläggande process som är nödvändig för celldelning och sker under S-fasen av cellcykeln. Under denna fas fördubblas cellens genetiska material så att varje dottercell får en komplett uppsättning DNA. Replikationen är semi-konservativ, vilket innebär att varje ny dubbelspiral innehåller en ursprunglig och en nysyntetiserad sträng.
Replikationen sker i 5' till 3'-riktning, vilket betyder att nukleotider adderas från en fri fosfatgrupp (5') mot en hydroxylgrupp (3'). Eftersom DNA-strängarna är antiparallella, syntetiseras de på olika sätt: en kontinuerligt (leading strand) och en i fragment (lagging strand). Replikationen sker från specifika startpunkter i båda riktningarna, vilket bildar replikationsgafflar.
Initieringsfasen startar vid specifika replikationsursprungsområden i genomet, ofta rika på adenin (A) och tymin (T) eftersom dessa baser hålls samman av endast två vätebindningar, vilket gör dem lättare att separera. Det finns flera sådana områden i eukaryota celler för att möjliggöra snabb och effektiv replikation. Ett prereplikeringsproteinkomplex samlas på plats och bildar en så kallad replikeringsbubbla där DNA-strängarna separeras.
Helikas är ett enzym som med hjälp av ATP bryter vätebindningarna mellan DNA-strängarna och separerar dem, vilket skapar spänningar och superlindningar i DNA:t. För att lindra denna spänning används enzymet topoisomeras. Det finns flera typer, såsom typ I, II och IV, som har olika funktioner beroende på om cellen är prokaryot eller eukaryot. Topoisomeraser fungerar genom att tillfälligt klippa i DNA-strängarna (nukleasaktivitet) och sedan återfoga dem (ligasaktivitet) för att förhindra att DNA:t bryts sönder. Enkelsträngsbindande proteiner (SSBP) stabiliserar och skyddar de separerade DNA-strängarna från nedbrytning av nukleaser.
I elongeringsfasen påbörjas den faktiska syntesen av nytt DNA. Enzymet primas lägger först en kort RNA-primer, vilket är nödvändigt eftersom DNA-polymeras typ III inte kan starta syntes utan en existerande 3'-OH-grupp. DNA-polymeraset läser den gamla DNA-strängen i riktning 3' till 5' och syntetiserar den nya strängen i riktning 5' till 3'. På den ledande strängen sker syntesen kontinuerligt fram mot replikationsgaffeln.
På den laggande strängen, som är antiparallell, syntetiseras DNA också från 5' till 3', men här krävs att nya RNA-primers läggs upprepade gånger eftersom DNA-polymeraset annars skulle behöva arbeta bakåt. Resultatet blir så kallade Okazaki-fragment, där korta DNA-bitar är separerade av RNA-primers. DNA-polymeras III syntetiserar dessa fragment och korrekturläser samtidigt i riktning 3' till 5' med sin exonukleasaktivitet. Därefter ersätter DNA-polymeras I RNA-primrarna med DNA. Det sker genom att polymeraset avlägsnar RNA i riktning 5' till 3', läser av DNA i riktning 3' till 5' och fyller på med korrekt DNA i riktning 5' till 3'. Kvarstående glipor mellan Okazaki-fragmenten sluts slutligen av enzymet ligas. När detta är klart finns endast DNA i de nysyntetiserade strängarna.
I termineringsfasen avslutas DNA-replikationen när två replikationsgafflar möts, vilket innebär att hela DNA-molekylen har duplicerats. De olika helikaserna som har öppnat DNA-spiralen konvergerar och deras respektive replikationsbubblor förenas. Hos eukaryoter uppstår ett särskilt problem på den laggande strängen: när den sista RNA-primern tas bort finns ingen 3'-OH-grupp att binda ett nytt DNA-fragment till. Detta gör att en liten del av DNA-strängen inte kan replikeras, vilket leder till att de nysyntetiserade DNA-molekylerna förkortas vid varje celldelning.
För att förhindra att viktiga gener går förlorade i denna process finns så kallade telomerer i ändarna av kromosomerna. Telomerer består av upprepade, icke-kodande sekvenser med mönstret TTAGGG. De fungerar som skyddande buffertar som gradvis kan förkortas utan att viktiga gener skadas. I vissa celler som behöver dela sig många gånger, till exempel stamceller, finns enzymet telomeras. Detta enzym bär på en RNA-mall som är komplementär till telomersekvensen och gör det möjligt att förlänga telomererna så att genomet bevaras. Den naturliga gränsen för hur många gånger en cell kan dela sig innan telomererna blir för korta kallas för Hayflick-gränsen.