Objectivos de Aprendizagem
Ao final desta secção, você poderá fazer o seguinte:
- Discutir as semelhanças e diferenças entre a replicação de DNA em eucariotas e procariotas
- Dizer o papel da telomerase na replicação de DNA
Genomas eucariotas são muito mais complexos e maiores em tamanho do que os genomas procariotas. Os eucariotas também têm uma série de cromossomas lineares diferentes. O genoma humano tem 3 bilhões de pares de bases por conjunto haplóide de cromossomos, e 6 bilhões de pares de bases são replicados durante a fase S do ciclo celular. Há múltiplas origens de replicação em cada cromossoma eucariótico; os humanos podem ter até 100.000 origens de replicação em todo o genoma. A taxa de replicação é de aproximadamente 100 nucleotídeos por segundo, muito mais lenta do que a replicação procariótica. Na levedura, que é um eucariote, seqüências especiais conhecidas como sequências de replicação autônoma (ARS) são encontradas nos cromossomos. Estas são equivalentes à origem da replicação em E. coli.
O número de DNA polimerases em eucariotas é muito maior do que em procariotas: 14 são conhecidas, das quais cinco têm papéis importantes durante a replicação e foram bem estudadas. São conhecidas como pol α, pol β, pol γ, pol δ, e pol ε.
Os passos essenciais da replicação são os mesmos que nos procariotas. Antes que a replicação possa começar, o DNA tem de ser disponibilizado como um modelo. O DNA eucariótico é ligado a proteínas básicas conhecidas como histonas para formar estruturas chamadas nucleosomas. Os histones devem ser removidos e depois substituídos durante o processo de replicação, o que ajuda a explicar a menor taxa de replicação em eucariotas. A cromatina (o complexo entre o DNA e as proteínas) pode sofrer algumas modificações químicas, para que o DNA possa deslizar das proteínas ou ser acessível às enzimas do mecanismo de replicação do DNA. Na origem da replicação, um complexo pré-replicação é feito com outras proteínas iniciadoras. A Helicase e outras proteínas são então recrutadas para iniciar o processo de replicação ((Figura)).
| Diferença entre a replicação procariótica e eucariótica | ||
|---|---|---|
| Propriedade | Prokaryotes | Eukaryotes |
| Origem de replicação | Single | Múltiplos |
| Taxa de replicação | 1000 nucleotídeos/s | 50 a 100 nucleotídeos/s |
| DNA polimerase tipos | 5 | 14 |
| Telomerase | Não presente | Presente |
| RNA primer removal | DNA pol I | RNase H |
| Elongamento da estrola | DNA pol III | Pol α, pol δ, pol ε |
| Grampo deslizante | Grampo deslizante | PCNA |
Um helicóptero usando a energia da hidrólise ATP abre a hélice de ADN. Os garfos de replicação são formados em cada origem de replicação à medida que o ADN se desenrola. A abertura da hélice dupla provoca o enrolamento excessivo, ou superenrolamento, do ADN antes do garfo de replicação. Estes são resolvidos com a ação de topoisomerases. Os primers são formados pela enzima primase, e usando o primer, o DNA pol pode iniciar a síntese. Três grandes DNA polimerases estão então envolvidas: α, δ e ε. DNA pol α adiciona um pequeno fragmento de DNA (20 a 30 nucleotídeos) ao primer de RNA em ambos os filamentos e, em seguida, passa para uma segunda polimerase. Enquanto o fio condutor é continuamente sintetizado pela enzima pol δ, o fio retardatário é sintetizado pela pol ε. Uma proteína de grampo deslizante conhecida como PCNA (antígeno nuclear de células proliferantes) mantém o DNA pol no lugar para que ele não deslize do DNA. Como o pol δ corre para o RNA primário no cordão retardatário, ele o desloca do modelo de DNA. O RNA do iniciador deslocado é então removido pela RNase H (AKA flap endonuclease) e substituído por nucleotídeos de DNA. Os fragmentos de Okazaki no cordão retardado são unidos após a substituição dos primers de RNA por ADN. As lacunas que permanecem são seladas por ligase de DNA, que forma a ligação fosfodiéster.
Replicação telomérica
Cromossomos procarióticos não semelhantes, os cromossomos eucarióticos são lineares. Como você aprendeu, o DNA pol enzimático pode adicionar nucleotídeos apenas na direção 5′ para 3′. No fio condutor, a síntese continua até ao fim do cromossoma ser alcançado. No cordão retardatário, o ADN é sintetizado em pequenos trechos, cada um dos quais é iniciado por um primer separado. Quando o garfo de replicação atinge o final do cromossoma linear, não há como substituir o primer na extremidade de 5′ do cordão retardatário. O ADN nas extremidades do cromossoma permanece assim não reparado, e com o tempo estas extremidades, chamadas telómeros, podem ficar progressivamente mais curtas à medida que as células continuam a dividir-se.
Telómeros compreendem sequências repetitivas que codificam para nenhum gene em particular. Em humanos, uma sequência de seis pares de bases, TTAGGG, é repetida 100 a 1000 vezes nas regiões dos telômeros. De certa forma, estes telómeros protegem os genes de serem eliminados à medida que as células continuam a dividir-se. Os telômeros são adicionados aos extremos dos cromossomos por uma enzima separada, a telomerase ((Figura)), cuja descoberta ajudou na compreensão de como esses extremos cromossômicos repetitivos são mantidos. A enzima telomerase contém uma parte catalítica e um modelo de RNA incorporado. Ela se liga à extremidade do cromossomo, e nucleotídeos de DNA complementares ao modelo de RNA são adicionados na extremidade 3′ do fio de DNA. Uma vez que a extremidade do modelo de fita 3′ é suficientemente alongada, a DNA polimerase pode adicionar os nucleotídeos complementares às extremidades dos cromossomos. Assim, as extremidades dos cromossomos são replicadas.
Figure 1. As extremidades dos cromossomos lineares são mantidas pela ação da enzima telomerase.
Telomerase é tipicamente ativa em células germinativas e células-tronco adultas. Ela não é ativa em células somáticas adultas. Por sua descoberta da telomerase e sua ação, Elizabeth Blackburn, Carol W. Greider e Jack W. Szostak ((Figura)) receberam o Prêmio Nobel de Medicina e Fisiologia em 2009.
Figure 2. Elizabeth Blackburn, ganhadora do Prêmio Nobel de 2009, é uma das cientistas que descobriram como funciona a telomerase. (crédito: Embaixada dos EUA na Suécia)
Telomerase e Envelhecimento
Células que sofrem divisão celular continuam a ter seus telómeros encurtados porque a maioria das células somáticas não fazem telomerase. Isto significa essencialmente que o encurtamento dos telômeros está associado ao envelhecimento. Com o advento da medicina moderna, cuidados de saúde preventivos e estilos de vida mais saudáveis, a esperança de vida humana aumentou, e há uma demanda crescente para que as pessoas pareçam mais jovens e tenham uma melhor qualidade de vida à medida que envelhecem.
Em 2010, os cientistas descobriram que a telomerase pode reverter algumas condições relacionadas com a idade em ratos. Isto pode ter potencial na medicina regenerativa. Ratos com telomerase foram utilizados nestes estudos; estes ratos têm atrofia dos tecidos, esgotamento das células estaminais, falha do sistema orgânico e respostas deficientes a lesões teciduais. A reativação da telomerase nestes ratos causou extensão dos telômeros, reduziu o dano do DNA, reverteu a neurodegeneração e melhorou a função dos testículos, baço e intestinos. Assim, a reativação dos telômeros pode ter potencial para tratar doenças relacionadas à idade em humanos.
Câncer é caracterizado pela divisão celular descontrolada de células anormais. As células acumulam mutações, proliferam incontrolavelmente e podem migrar para diferentes partes do corpo através de um processo chamado metástase. Os cientistas observaram que as células cancerosas encurtaram consideravelmente os telómeros e que a telomerase é activa nestas células. Curiosamente, só depois de os telómeros terem encurtado nas células cancerosas é que a telomerase se tornou activa. Se a ação da telomerase nestas células puder ser inibida por medicamentos durante a terapia do câncer, então as células cancerosas poderiam ser potencialmente interrompidas de uma divisão posterior.
Secção Resumo
Replicação em eucariotas começa em múltiplas origens de replicação. O mecanismo é bastante similar ao das procariotas. Um primer é necessário para iniciar a síntese, que é então estendida pela DNA polimerase à medida que adiciona nucleotídeos um por um à cadeia de crescimento. O fio condutor é sintetizado continuamente, enquanto o fio retardatário é sintetizado em pequenos trechos chamados fragmentos de Okazaki. Os primers de RNA são substituídos por nucleotídeos de DNA; os fragmentos de DNA Okazaki são ligados em uma fita contínua por ligase de DNA. As extremidades dos cromossomos representam um problema, pois o RNA primário nas extremidades de 5′ do DNA não pode ser substituído por DNA, e o cromossomo é progressivamente encurtado. A telomerase, uma enzima com um modelo de RNA embutido, estende as extremidades, copiando o modelo de RNA e estendendo uma faixa do cromossomo. A DNA polimerase pode então preencher a fita de DNA complementar usando as enzimas de replicação regulares. Desta forma, as extremidades dos cromossomas são protegidas.
Perguntas de revisão
As extremidades dos cromossomas lineares são mantidas por
- helicase
- primase
- DNA pol
- telomerase
Qual das seguintes afirmações não é uma afirmação verdadeira comparando a replicação de ADN procariótica e eucariótica?
- As polimerases de ADN eucarióticas e procarióticas são construídas a partir de iniciadores de RNA feitos pela primase.
- Replicação de DNA eucariótica requer garfos de replicação múltiplos, enquanto a replicação procariótica usa uma única origem para replicar rapidamente todo o genoma.
- Replicação de DNA eucariótica sempre ocorre no núcleo.
- Replicação de DNA eucariótica envolve mais polimerases do que a replicação procariótica.
Resposta livre
Como é que os cromossomas lineares em eucariotas garantem que as suas extremidades são replicadas completamente?
Glossary
telomerase
enzima que contém uma parte catalítica e um modelo de RNA embutido; funciona para manter os telômeros nas extremidades dos cromossomos
telômeros
DNA no final dos cromossomos lineares
- -Jaskelioff et al., “A reativação da telomerase reverte a degeneração dos tecidos em ratos idosos com deficiência de telomeras”, Nature 469 (2011): 102-7. ↵
