Obiettivi di apprendimento
Alla fine di questa sezione, sarai in grado di fare quanto segue:
- Discutere le somiglianze e le differenze tra la replicazione del DNA negli eucarioti e nei procarioti
- Dichiarare il ruolo della telomerasi nella replicazione del DNA
I genomi eucarioti sono molto più complessi e di dimensioni maggiori dei genomi procarioti. Gli eucarioti hanno anche un certo numero di diversi cromosomi lineari. Il genoma umano ha 3 miliardi di coppie di basi per set di cromosomi aploidi, e 6 miliardi di coppie di basi sono replicate durante la fase S del ciclo cellulare. Ci sono più origini di replicazione su ogni cromosoma eucariotico; gli esseri umani possono avere fino a 100.000 origini di replicazione in tutto il genoma. Il tasso di replicazione è di circa 100 nucleotidi al secondo, molto più lento della replicazione procariotica. Nel lievito, che è un eucariote, sui cromosomi si trovano sequenze speciali note come sequenze a replicazione autonoma (ARS). Queste sono equivalenti all’origine della replicazione in E. coli.
Il numero di DNA polimerasi negli eucarioti è molto maggiore che nei procarioti: Se ne conoscono 14, di cui cinque sono note per avere ruoli importanti durante la replicazione e sono state ben studiate. Sono conosciute come pol α, pol β, pol γ, pol δ e pol ε.
I passi essenziali della replicazione sono gli stessi dei procarioti. Prima che la replicazione possa iniziare, il DNA deve essere reso disponibile come modello. Il DNA eucariotico è legato a proteine di base note come istoni per formare strutture chiamate nucleosomi. Gli istoni devono essere rimossi e poi sostituiti durante il processo di replicazione, il che contribuisce a spiegare la minore velocità di replicazione negli eucarioti. La cromatina (il complesso tra DNA e proteine) può subire alcune modifiche chimiche, in modo che il DNA possa scivolare via dalle proteine o essere accessibile agli enzimi del macchinario di replicazione del DNA. All’origine della replicazione, si forma un complesso pre-replicazione con altre proteine iniziatrici. L’elicasi e altre proteine sono poi reclutate per iniziare il processo di replicazione ((Figura)).
| Differenza tra replicazione procariotica ed eucariotica | ||
|---|---|---|
| Proprietà | procarioti | eucarioti |
| Origine della replicazione | Singolo | Multiplo |
| Rata di replicazione | 1000 nucleotidi/s | da 50 a 100 nucleotidi/s |
| Tipi di polimerasi del DNA | 5 | 14 |
| Telomerasi | Non presente | Presente |
| Rimozione primer RNA | DNA pol I | RNasi H |
| Elongazione del filamento | DNA pol III | Pol α, pol δ, pol ε |
| Morsetto scorrevole | Morsetto scorrevole | PCNA |
Un’elicasi che utilizza l’energia dell’idrolisi dell’ATP apre l’elica del DNA. I bivi di replicazione si formano ad ogni origine di replicazione mentre il DNA si srotola. L’apertura della doppia elica causa un eccessivo avvolgimento, o superavvolgimento, nel DNA davanti alla forcella di replicazione. Questi vengono risolti con l’azione delle topoisomerasi. I primer sono formati dall’enzima primasi, e usando il primer, il DNA pol può iniziare la sintesi. Sono poi coinvolte tre grandi DNA polimerasi: α, δ e ε. DNA pol α aggiunge un breve (20-30 nucleotidi) frammento di DNA al primer RNA su entrambi i filamenti, e poi passa la mano a una seconda polimerasi. Mentre il filamento principale viene sintetizzato continuamente dall’enzima pol δ, il filamento in ritardo viene sintetizzato da pol ε. Una proteina a pinza scorrevole nota come PCNA (antigene nucleare delle cellule proliferanti) tiene il DNA pol in posizione in modo che non scivoli via dal DNA. Quando la pol δ incontra il primer RNA sul filamento ritardatario, lo sposta dal modello di DNA. Il primer RNA spostato viene poi rimosso dalla RNasi H (endonucleasi AKA) e sostituito con nucleotidi di DNA. I frammenti Okazaki nel filamento in ritardo sono uniti dopo la sostituzione dei primer RNA con il DNA. Le lacune che rimangono sono sigillate dalla DNA ligasi, che forma il legame fosfodiestere.
Riplicazione dei telomeri
A differenza dei cromosomi procarioti, i cromosomi eucarioti sono lineari. Come avete imparato, l’enzima DNA pol può aggiungere nucleotidi solo in direzione da 5′ a 3′. Nel filamento principale, la sintesi continua fino alla fine del cromosoma. Sul filamento ritardatario, il DNA viene sintetizzato in brevi tratti, ognuno dei quali è iniziato da un primer separato. Quando la forcella di replicazione raggiunge la fine del cromosoma lineare, non c’è modo di sostituire il primer all’estremità 5′ del filamento in ritardo. Il DNA alle estremità del cromosoma rimane quindi spaiato, e nel tempo queste estremità, chiamate telomeri, possono accorciarsi progressivamente man mano che le cellule continuano a dividersi.
I telomeri comprendono sequenze ripetitive che non codificano per nessun gene particolare. Negli esseri umani, una sequenza di sei paia di basi, TTAGGG, è ripetuta da 100 a 1000 volte nelle regioni telomeriche. In un certo senso, questi telomeri proteggono i geni dall’essere cancellati mentre le cellule continuano a dividersi. I telomeri sono aggiunti alle estremità dei cromosomi da un enzima separato, la telomerasi ((Figura)), la cui scoperta ha aiutato a capire come vengono mantenute queste estremità ripetitive dei cromosomi. L’enzima telomerasi contiene una parte catalitica e un modello di RNA incorporato. Si attacca all’estremità del cromosoma, e i nucleotidi di DNA complementari al modello di RNA vengono aggiunti all’estremità 3′ del filamento di DNA. Una volta che l’estremità 3′ del template del filamento in ritardo è sufficientemente allungata, la DNA polimerasi può aggiungere i nucleotidi complementari alle estremità dei cromosomi. Così, le estremità dei cromosomi vengono replicate.
Figura 1. Le estremità dei cromosomi lineari sono mantenute dall’azione dell’enzima telomerasi.
La telomerasi è tipicamente attiva nelle cellule germinali e nelle cellule staminali adulte. Non è attiva nelle cellule somatiche adulte. Per la loro scoperta della telomerasi e della sua azione, Elizabeth Blackburn, Carol W. Greider, e Jack W. Szostak ((Figura)) hanno ricevuto il premio Nobel per la medicina e la fisiologia nel 2009.
Figura 2. Elizabeth Blackburn, premio Nobel 2009, è uno degli scienziati che ha scoperto il funzionamento della telomerasi. (credit: US Embassy Sweden)
Telomerasi e invecchiamento
Le cellule che subiscono la divisione cellulare continuano ad avere i telomeri accorciati perché la maggior parte delle cellule somatiche non produce telomerasi. Questo significa essenzialmente che l’accorciamento dei telomeri è associato all’invecchiamento. Con l’avvento della medicina moderna, dell’assistenza sanitaria preventiva e di stili di vita più sani, la durata della vita umana è aumentata e c’è una crescente domanda di persone che abbiano un aspetto più giovane e una migliore qualità di vita quando invecchiano.
Nel 2010, gli scienziati hanno scoperto che la telomerasi può invertire alcune condizioni legate all’età nei topi. Questo può avere un potenziale nella medicina rigenerativa. In questi studi sono stati utilizzati topi con deficit di telomerasi; questi topi hanno atrofia dei tessuti, esaurimento delle cellule staminali, insufficienza del sistema degli organi e risposte alterate alle lesioni dei tessuti. La riattivazione della telomerasi in questi topi ha causato l’estensione dei telomeri, ridotto i danni al DNA, invertito la neurodegenerazione e migliorato la funzione dei testicoli, della milza e dell’intestino. Quindi, la riattivazione dei telomeri può avere un potenziale per il trattamento delle malattie legate all’età negli esseri umani.
Il cancro è caratterizzato dalla divisione cellulare incontrollata di cellule anormali. Le cellule accumulano mutazioni, proliferano in modo incontrollato e possono migrare in diverse parti del corpo attraverso un processo chiamato metastasi. Gli scienziati hanno osservato che le cellule cancerose hanno telomeri notevolmente accorciati e che la telomerasi è attiva in queste cellule. È interessante notare che solo dopo che i telomeri sono stati accorciati nelle cellule cancerose, la telomerasi è diventata attiva. Se l’azione della telomerasi in queste cellule può essere inibita da farmaci durante la terapia del cancro, allora le cellule cancerose potrebbero potenzialmente essere fermate da ulteriori divisioni.
Riassunto della sezione
La replicazione negli eucarioti inizia in più origini di replicazione. Il meccanismo è abbastanza simile a quello dei procarioti. Un primer è necessario per iniziare la sintesi, che viene poi esteso dalla DNA polimerasi mentre aggiunge nucleotidi uno ad uno alla catena in crescita. Il filamento principale viene sintetizzato continuamente, mentre il filamento in ritardo viene sintetizzato in brevi tratti chiamati frammenti Okazaki. I primer dell’RNA sono sostituiti da nucleotidi di DNA; i frammenti di DNA Okazaki sono collegati in un filamento continuo dalla DNA ligasi. Le estremità dei cromosomi pongono un problema in quanto il primer RNA alle estremità 5′ del DNA non può essere sostituito con il DNA, e il cromosoma si accorcia progressivamente. La telomerasi, un enzima con un modello di RNA incorporato, estende le estremità copiando il modello di RNA ed estendendo un filamento del cromosoma. La DNA polimerasi può poi riempire il filamento di DNA complementare usando i normali enzimi di replicazione. In questo modo, le estremità dei cromosomi sono protette.
Domande di ripasso
Le estremità dei cromosomi lineari sono mantenute da
- elicasi
- primasi
- DNA pol
- telomerasi
Quale delle seguenti non è un’affermazione vera che compara la replicazione del DNA procariotico ed eucariotico?
- Sia le polimerasi del DNA eucariotiche che quelle procariotiche si basano sui primer dell’RNA prodotti dalla primasi.
- La replicazione del DNA eucariotico richiede forchette di replicazione multiple, mentre la replicazione procariotica usa una singola origine per replicare rapidamente l’intero genoma.
- La replicazione del DNA avviene sempre nel nucleo.
- La replicazione del DNA eucariotico coinvolge più polimerasi di quella procariotica.
Risposta libera
Come fanno i cromosomi lineari negli eucarioti a garantire che le sue estremità siano replicate completamente?
Glossario
telomerasi
enzima che contiene una parte catalitica e un template RNA incorporato; funziona per mantenere i telomeri alle estremità dei cromosomi
telomero
DNA alla fine dei cromosomi lineari
- -Jaskelioff et al., “La riattivazione della telomerasi inverte la degenerazione dei tessuti in topi anziani con deficit di telomerasi”, Nature 469 (2011): 102-7. ↵
