Kuinka DNA jakautuu

DNA:ta kopioitaessa tarvitaan spesifisiä entsyymejä kuten DNA:n kaksoiskierteen avaavaa helikaasia, DNA:n avautuessa ja sitä kopioitaessa syntyviä jännitteitä laukaisevia topoisomeraaseja ja DNA-polymeraaseja.
DNA:n informaatiotiheys soluissa on korkea, tuhat teratavua/mm3. DNA:n kaksoiskierteen leveys on vain 2,5 nm (2,5 x 10-9 m), mutta sen pituus on valtava. Yhden ihmissolun sisältämä DNA on pituudeltaan 2 metriä! DNA on pakattu hyvin pieneen tilaan, joten se sotkeutuisi helposti kopioinnin aikana (ylikiertyminen), elleivät spesifiset entsyymit estäisi tätä.
Topoisomeraasien on työskenneltävä DNA:ta kopioitaessa sen juosteita kopioivan kahdentumishaarukan edellä, kun solu jakautuu. Entsyymit jaetaan tyyppeihin I ja II. Tyypin I topoisomeraasi katkaisee DNA:n toisen juosteen, sitoutuu väliaikaisesti katkaisukohdan molempiin päihin ja vetää toisen juosteen syntyneestä aukosta läpi, jolloin DNA:n jännite laukeaa kierre kerrallaan. Katkaistut päät liitetään lopuksi yhteen (ligaatio) ja entsyymi irtoaa. Tyypin II topoisomeraasi toimii muuten samoin mutta sen mekanismi on monimutkaisempi sisältäen molempien DNA-juosteiden katkaisun ja erillään pitämisen, DNA:n leikkaamattoman osan vetämisen aukosta läpi, juosteiden yhdistämisen ja entsyymin vapauttamisen DNA:sta. Topoisomeraasi II:n tehtävänä on myös pitää ”tytärjuosteet” erillään. Jos ne pyrkivät kiertymään toistensa ympärille (katenoituminen), topoisomeraasi II erottaa ne toisistaan (dekatenaatio).
Sekä tyypin I että tyypin II topoisomeraaseja tarvitaan myös transkriptiossa (DNA:n informaation siirto RNA:lle). Ilman toimivia topoisomeraaseja DNA sotkeutuisi. Tämä johtaisi solun kuolemaan, mikä tapahtuu myös silloin, jos jokin yhdiste (esim. eräät lääkkeet) estää yhden topoisomeraasien toiminnalle välttämättömistä vaiheista (juosteen katkaisu, toisen juosteen läpi vieminen, juosteiden takaisin liittäminen).
Topoisomeraasien valmistusohjeet ovat muiden proteiinien tavoin DNA:ssa. DNA:n kierteiden lukeminen ei kuitenkaan onnistu topoisomeraasejakaan valmistettaessa, ellei valmista entsyymiä ole. Yksinkertaisimmankin eliön topoisomeraasissa on noin 800 aminohappoa, joten sitä vastaavassa DNA:n osassa on noin 2400 nukleotidia (3-kertainen määrä). Tämä on liian pitkä luettavaksi ilman toimivia topoisomeraaseja.
Miten topoisomeraaseja voidaan siis valmistaa, kun niitä ei vielä ole? Pienin askelin etenevä evoluutio ei voi ratkaista asiaa. Solu täytyy luoda valmiina.
Kysymys voidaan esittää myös näin: kumpi oli ensin, DNA vai sen toiminnalle välttämättömät topoisomeraasit? Sama ongelma koskee myös muita DNA:n toimintaan keskeisesti liittyviä entsyymejä, kuten helikaaseja ja polymeraaseja.