Biologia I

I genomi eucariotici sono molto più complessi e di dimensioni maggiori rispetto ai genomi procarioti. Il genoma umano ha tre miliardi di coppie di basi per set aploide di cromosomi, e 6 miliardi di coppie di basi sono replicati durante la fase S del ciclo cellulare. Esistono molteplici origini di replicazione sul cromosoma eucariotico; gli esseri umani possono avere fino a 100.000 origini di replicazione. La velocità di replicazione è di circa 100 nucleotidi al secondo, molto più lenta della replicazione procariotica. Nel lievito, che è un eucariote, sequenze speciali note come sequenze replicanti autonomamente (ARS) si trovano sui cromosomi. Questi sono equivalenti all’origine della replicazione in E. coli.

Il numero di DNA polimerasi negli eucarioti è molto più che procarioti: 14 sono noti, di cui cinque sono noti per avere ruoli importanti durante la replicazione e sono stati ben studiati. Sono noti come pol α, pol β, pol γ, pol δ e pol ε.

I passaggi essenziali della replica sono gli stessi dei procarioti. Prima che la replica possa iniziare, il DNA deve essere reso disponibile come modello. Il DNA eucariotico è legato alle proteine di base note come istoni per formare strutture chiamate nucleosomi. 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, un complesso di pre-replicazione viene realizzato con altre proteine iniziatrici. Altre proteine vengono quindi reclutate per avviare il processo di replicazione (Tabella).

Un’elicasi che utilizza l’energia dell’idrolisi dell’ATP apre l’elica del DNA. Le forcelle di replicazione si formano ad ogni origine di replicazione mentre il DNA si svolge. L’apertura della doppia elica provoca sovra-avvolgimento, o supercooling, nel DNA davanti alla forcella di replicazione. Questi sono risolti con l’azione delle topoisomerasi. I primer sono formati dall’enzima primasi e, usando il primer, DNA pol può iniziare la sintesi. Mentre il filo principale è continuamente sintetizzato dall’enzima pol δ, il filo in ritardo è sintetizzato da pol ε. Una proteina a morsetto scorrevole nota come PCNA (Proliferating Cell Nuclear Antigen) tiene il DNA pol in posizione in modo che non scivoli via dal DNA. La RNasi H rimuove il primer RNA, che viene quindi sostituito con nucleotidi di DNA. I frammenti di Okazaki nel filamento in ritardo vengono uniti dopo la sostituzione dei primer RNA con il DNA. Le lacune che rimangono sono sigillate dalla DNA ligasi, che forma il legame fosfodiestere.

A differenza dei cromosomi procarioti, i cromosomi eucariotici sono lineari. Come hai imparato, l’enzima DNA pol può aggiungere nucleotidi solo nella direzione 5′ a 3′. Nel filo principale, la sintesi continua fino al raggiungimento della fine del cromosoma. Sul filo in ritardo, il DNA viene sintetizzato in brevi tratti, ognuno dei quali è avviato da un primer separato. Quando la forcella di replicazione raggiunge la fine del cromosoma lineare, non c’è posto per un primer da fare per il frammento di DNA da copiare alla fine del cromosoma. Queste estremità rimangono quindi spaiate e nel tempo queste estremità possono diventare progressivamente più corte man mano che le cellule continuano a dividersi.

Le estremità dei cromosomi lineari sono note come telomeri, che hanno sequenze ripetitive che codificano per nessun particolare gene. In un certo senso, questi telomeri proteggono i geni dall’eliminazione mentre le cellule continuano a dividersi. Negli esseri umani, una sequenza di sei coppie di basi, TTAGGG, viene ripetuta da 100 a 1000 volte. La scoperta dell’enzima telomerasi (Figura) ha aiutato nella comprensione di come vengono mantenute le estremità dei cromosomi. L’enzima telomerasi contiene una parte catalitica e un modello di RNA incorporato. Si attacca all’estremità del cromosoma e le basi complementari al modello del RNA sono aggiunte sull’estremità 3′ del filamento del DNA. Una volta che l’estremità 3′ del modello del filamento in ritardo è sufficientemente allungata, la DNA polimerasi può aggiungere i nucleotidi complementari alle estremità dei cromosomi. Quindi, le estremità dei cromosomi vengono replicate.

La telomerasi è tipicamente attiva nelle cellule germinali e nelle cellule staminali adulte. Non è attivo nelle cellule somatiche adulte. Per la sua scoperta della telomerasi e della sua azione, Elizabeth Blackburn (Figura) ha ricevuto il premio Nobel per la medicina e la fisiologia nel 2009.

Telomerasi e invecchiamento

Le cellule che subiscono la divisione cellulare continuano ad avere i loro telomeri accorciati perché la maggior parte delle cellule somatiche non produce telomerasi. Ciò 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 per le persone di sembrare più giovani e avere una migliore qualità della vita man mano che 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.1 Topi carenti di telomerasi sono stati utilizzati in questi studi; questi topi hanno atrofia tissutale, esaurimento delle cellule staminali, insufficienza del sistema di organi e risposte compromesse di lesioni tissutali. La riattivazione della telomerasi in questi topi ha causato l’estensione dei telomeri, ha ridotto il danno al DNA, ha invertito la neurodegenerazione e ha migliorato la funzione dei testicoli, della milza e dell’intestino. Pertanto, la riattivazione dei telomeri può avere un potenziale per il trattamento di 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 incontrollabile e possono migrare in diverse parti del corpo attraverso un processo chiamato metastasi. Gli scienziati hanno osservato che le cellule cancerose hanno notevolmente accorciato i telomeri e che la telomerasi è attiva in queste cellule. È interessante notare che solo dopo che i telomeri sono stati accorciati nelle cellule tumorali la telomerasi è diventata attiva. Se l’azione della telomerasi in queste cellule può essere inibita dai farmaci durante la terapia del cancro, le cellule cancerose potrebbero potenzialmente essere fermate da un’ulteriore divisione.

Difference between Prokaryotic and Eukaryotic Replication
Property	Prokaryotes	Eukaryotes
Origin of replication	Single	Multiple
Rate of replication	1000 nucleotides/s	50 to 100 nucleotides/s
DNA polymerase types	5	14
Telomerase	Not present	Present
RNA primer rimozione	DNA pol I	Rnasi H
Strand allungamento	DNA pol III	Pol δ, pol ε
morsetto di bloccaggio	morsetto di bloccaggio	PCNA

Sezione di Riepilogo

Replicazione negli eucarioti inizia a più origini di replicazione. Il meccanismo è abbastanza simile ai procarioti. È necessario un primer per avviare la sintesi, che viene poi esteso dalla DNA polimerasi in quanto aggiunge nucleotidi uno per uno alla catena di crescita. Il filo principale è sintetizzato continuamente, mentre il filo in ritardo è sintetizzato in brevi tratti chiamati frammenti di Okazaki. I primer RNA sono sostituiti con nucleotidi di DNA; il DNA rimane un filamento continuo collegando i frammenti di DNA con DNA ligasi. Le estremità dei cromosomi rappresentano un problema in quanto la polimerasi non è in grado di estenderle senza un primer. La telomerasi, un enzima con un modello di RNA integrato, estende le estremità copiando il modello di RNA ed estendendo un’estremità del cromosoma. La DNA polimerasi può quindi estendere il DNA usando il primer. In questo modo, le estremità dei cromosomi sono protette.

le Domande di Revisione

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