Obiective de învățare
Până la sfârșitul acestei secțiuni, veți fi capabili să faceți următoarele:
- Discuta asemănările și diferențele dintre replicarea ADN-ului la eucariote și procariote
- Spuneți rolul telomerazei în replicarea ADN-ului
Genomurile eucariote sunt mult mai complexe și de dimensiuni mai mari decât cele procariote. Eucariotele au, de asemenea, un număr de cromozomi liniari diferiți. Genomul uman are 3 miliarde de perechi de baze per set haploid de cromozomi, iar 6 miliarde de perechi de baze sunt replicate în timpul fazei S a ciclului celular. Există mai multe origini de replicare pe fiecare cromozom eucariot; oamenii pot avea până la 100.000 de origini de replicare în întregul genom. Rata de replicare este de aproximativ 100 de nucleotide pe secundă, mult mai lentă decât cea a replicării procariote. La drojdie, care este un eucariot, pe cromozomi se găsesc secvențe speciale cunoscute sub numele de secvențe cu replicare autonomă (ARS). Acestea sunt echivalente cu originea de replicare din E. coli.
Numărul de ADN polimeraze la eucariote este mult mai mare decât la procariote: Se cunosc 14, dintre care se știe că cinci au roluri majore în timpul replicării și au fost bine studiate. Ele sunt cunoscute sub numele de pol α, pol β, pol γ, pol δ și pol ε.
Etapele esențiale ale replicării sunt aceleași ca la procariote. Înainte ca replicarea să poată începe, ADN-ul trebuie să fie pus la dispoziție ca șablon. ADN-ul eucariot este legat de proteine de bază cunoscute sub numele de histone pentru a forma structuri numite nucleozomi. Histonele trebuie să fie îndepărtate și apoi înlocuite în timpul procesului de replicare, ceea ce ajută la explicarea ratei de replicare mai mici la eucariote. Cromatina (complexul dintre ADN și proteine) poate suferi unele modificări chimice, astfel încât ADN-ul să poată aluneca de pe proteine sau să fie accesibil enzimelor din mașinăria de replicare a ADN-ului. La originea replicării, se realizează un complex de pre-replicare cu alte proteine inițiatoare. Helicaza și alte proteine sunt apoi recrutate pentru a începe procesul de replicare ((Figura)).
| Diferența dintre replicarea procariotă și cea eucariotă | |||
|---|---|---|---|
| Proprietate | Procariote | Eucariote | Eucariote |
| Origine de replicare | Singură | Multiplă | |
| Rata de replicare | 1000 nucleotide/s | 50 până la 100 nucleotide/s | |
| Tipuri de ADN polimerază | 5 | 14 | |
| Telomeraza | Nu este prezentă | Prezent | |
| Îndepărtarea amorselor de ARN | ADN pol I | RNază H | |
| Alungirea catenei | ADN pol III | Pol α, pol δ, pol ε | |
| Planșa de alunecare | Planșa de alunecare | PCNA | |
O elicopază care utilizează energia rezultată din hidroliza ATP deschide elicea de ADN. La fiecare origine de replicare se formează furci de replicare pe măsură ce ADN-ul se derulează. Deschiderea dublei elice provoacă o supraînfășurare, sau supraînfășurare, în ADN în fața furcii de replicare. Acestea sunt rezolvate prin acțiunea topoizomerazelor. Amorsele sunt formate de către enzima primază, iar cu ajutorul amorsei, ADN pol poate începe sinteza. Trei ADN polimeraze majore sunt apoi implicate: α, δ și ε. ADN pol α adaugă un fragment scurt de ADN (20 până la 30 de nucleotide) la primerul de ARN pe ambele șiruri, iar apoi îl predă unei a doua polimeraze. În timp ce șirul conducător este sintetizat în mod continuu de către enzima pol δ, șirul întârziat este sintetizat de către pol ε. O proteină cu clemă glisantă cunoscută sub numele de PCNA (proliferating cell nuclear antigen) menține ADN pol pe loc, astfel încât să nu alunece de pe ADN. Pe măsură ce pol δ se întâlnește cu ARN-ul amorsă de pe șirul întârziat, îl deplasează de pe șablonul ADN. ARN-amorsă deplasat este apoi îndepărtat de RNază H (cunoscută și sub numele de endonucleaza de clapetă) și înlocuit cu nucleotide de ADN. Fragmentele Okazaki din șirul întârziat sunt unite după înlocuirea primilor ARN cu ADN. Lacunele rămase sunt sigilate de ADN ligază, care formează legătura fosfodiester.
Replicarea telomerilor
Spre deosebire de cromozomii procarioți, cromozomii eucarioți sunt liniari. După cum ați învățat, enzima ADN pol poate adăuga nucleotide numai în direcția 5′ la 3′. În șirul conducător, sinteza continuă până când se ajunge la capătul cromozomului. Pe filamentul întârziat, ADN-ul este sintetizat în porțiuni scurte, fiecare dintre acestea fiind inițiată de un primer separat. Atunci când furca de replicare ajunge la capătul cromozomului liniar, nu există nicio modalitate de a înlocui amorsa de la capătul 5′ al șirului întârziat. ADN-ul de la capetele cromozomului rămâne astfel neperecheat și, în timp, aceste capete, numite telomeri, se pot scurta progresiv pe măsură ce celulele continuă să se dividă.
Telomerii cuprind secvențe repetitive care nu codifică pentru nicio genă anume. La om, o secvență de șase perechi de baze, TTAGGG, se repetă de 100 până la 1000 de ori în regiunile telomerice. Într-un fel, acești telomeri protejează genele de a fi șterse pe măsură ce celulele continuă să se dividă. Telomerii sunt adăugați la capetele cromozomilor de către o enzimă separată, telomeraza ((Figura)), a cărei descoperire a ajutat la înțelegerea modului în care sunt menținute aceste capete cromozomiale repetitive. Enzima telomerază conține o parte catalitică și un șablon ARN încorporat. Aceasta se atașează la capătul cromozomului, iar nucleotidele de ADN complementare șablonului de ARN sunt adăugate la capătul 3′ al șirului de ADN. Odată ce capătul 3′ al șablonului șablonului întârziat este suficient de alungit, ADN polimeraza poate adăuga nucleotidele complementare la capetele cromozomilor. Astfel, capetele cromozomilor sunt replicate.
Figura 1. Capetele cromozomilor liniari sunt menținute prin acțiunea enzimei telomeraza.
Telomeraza este de obicei activă în celulele germinale și în celulele stem adulte. Ea nu este activă în celulele somatice adulte. Pentru descoperirea telomerazei și a acțiunii acesteia, Elizabeth Blackburn, Carol W. Greider și Jack W. Szostak ((Figura)) au primit Premiul Nobel pentru Medicină și Fiziologie în 2009.
Figura 2. Elizabeth Blackburn, laureată a Premiului Nobel în 2009, este unul dintre oamenii de știință care au descoperit modul de funcționare a telomerazei. (credit: Ambasada SUA în Suedia)
Telomeraza și îmbătrânirea
Celulelor care se supun diviziunii celulare continuă să le fie scurtați telomerii, deoarece majoritatea celulelor somatice nu produc telomeraza. Acest lucru înseamnă, în esență, că scurtarea telomerilor este asociată cu îmbătrânirea. Odată cu apariția medicinei moderne, a îngrijirii medicale preventive și a unor stiluri de viață mai sănătoase, durata de viață umană a crescut și există o cerere tot mai mare pentru ca oamenii să arate mai tineri și să aibă o calitate mai bună a vieții pe măsură ce îmbătrânesc.
În 2010, oamenii de știință au descoperit că telomeraza poate inversa unele afecțiuni legate de vârstă la șoareci. Acest lucru ar putea avea potențial în medicina regenerativă. În aceste studii au fost folosiți șoareci cu deficit de telomerază; acești șoareci prezintă atrofie tisulară, epuizare a celulelor stem, insuficiență a sistemului de organe și răspunsuri deficitare la leziuni tisulare. Reactivarea telomerazei la acești șoareci a provocat extinderea telomerilor, a redus deteriorarea ADN-ului, a inversat neurodegenerarea și a îmbunătățit funcția testiculelor, a splinei și a intestinelor. Astfel, reactivarea telomerilor poate avea potențial pentru tratarea bolilor legate de vârstă la om.
Cancerul se caracterizează prin diviziunea celulară necontrolată a celulelor anormale. Celulele acumulează mutații, proliferează necontrolat și pot migra în diferite părți ale corpului printr-un proces numit metastază. Oamenii de știință au observat că celulele canceroase au telomerii considerabil scurtați și că telomeraza este activă în aceste celule. Interesant este faptul că numai după ce telomerii au fost scurtați în celulele canceroase, telomeraza a devenit activă. Dacă acțiunea telomerazei în aceste celule poate fi inhibată de medicamente în timpul terapiei împotriva cancerului, atunci celulele canceroase ar putea fi potențial oprite de la continuarea diviziunii.
Sinteza secțiunii
Replicarea la eucariote începe la mai multe origini de replicare. Mecanismul este destul de asemănător cu cel de la procariote. Pentru a iniția sinteza este necesar un primer, care este apoi prelungit de ADN polimeraza pe măsură ce adaugă nucleotide una câte una la lanțul în creștere. Lanțul conducător este sintetizat continuu, în timp ce lanțul întârziat este sintetizat în porțiuni scurte numite fragmente Okazaki. Amorsele de ARN sunt înlocuite cu nucleotide de ADN; fragmentele Okazaki de ADN sunt legate într-un singur lanț continuu de către ADN ligază. Extremitățile cromozomilor reprezintă o problemă, deoarece primii ARN de la capetele 5′ ale ADN-ului nu pot fi înlocuiți cu ADN, iar cromozomul se scurtează progresiv. Telomeraza, o enzimă cu un șablon de ARN încorporat, prelungește capetele prin copierea șablonului de ARN și prelungirea unui catenar al cromozomului. ADN polimeraza poate apoi să completeze șirul de ADN complementar cu ajutorul enzimelor obișnuite de replicare. În acest fel, capetele cromozomilor sunt protejate.
Întrebări de recapitulare
Extremitățile cromozomilor liniari sunt menținute de către
- helicaza
- primarea
- ADN pol
- telomeraza
.
Care dintre următoarele nu este o afirmație adevărată care compară replicarea ADN-ului procariot și eucariot?
- Atât polimerazele ADN eucariote cât și cele procariote construiesc pornind de la amorse de ARN realizate de către primază.
- Replicarea ADN-ului eucariot necesită mai multe furci de replicare, în timp ce replicarea procariotă utilizează o singură origine pentru replicarea rapidă a întregului genom.
- Replicarea ADN-ului are loc întotdeauna în nucleu.
- Replicarea ADN-ului eucariot implică mai multe polimeraze decât replicarea procariotă.
Răspuns liber
Cum se asigură cromozomii liniari de la eucariote că capetele sale sunt replicate complet?
Glosar
telomeraza
enzima care conține o parte catalitică și un șablon ARN încorporat; are rolul de a menține telomerii la capetele cromozomilor
telomeri
ADN la capătul cromozomilor liniari
- -Jaskelioff et al., „Reactivarea telomerazei inversează degenerarea țesuturilor la șoarecii îmbătrâniți cu deficit de telomerază”, Nature 469 (2011): 102-7. ↵
