Duplicazione del DNA

Processi di riparazione del DNA nei procarioti

Nei procarioti, l'attività di riparazione del DNA è svolta dalla DNA polimerasi III. Per questo motivo, l'evoluzione non ha permesso l'esistenza di una polimerasi 3' → 5', per garantire questa funzione di proofreading.

Mismatch repair

Il mismatch repair è un meccanismo deputato alla correzione di danni e errori che vengono commessi durante la replicazione e che sono sfuggiti ai meccanismi di riparazione precedentemente citati. Questi errori possono essere indotti proprio dalla polimerasi durante la duplicazione o subito dopo il passaggio della polimerasi per deaminazione delle basi, ovvero per cambiamenti conformazionali delle basi.

Il meccanismo si basa sull'azione di due proteine, MutS e MutL, che scandagliano il double strand e cercano eventuali conformazioni sbagliate. Queste non riconoscono una base sbagliata, ma semplicemente riconoscono appaiamenti sbagliati, che producono delle bolle e quindi delle conformazioni sbagliate della molecola. Una volta riconosciute le bolle, si...

legano a queste.Poi MutL interagisce con MutS ed è in grado di tagliare i legami fosfodiesterici, rimuovendo un tratto difilamento (non solo il nucleotide sbagliato) di modo che in quel punto rimarrà un 3' OH libero. In questomodo interverrà di nuovo la DNA polimerasi, che aggiungerà il nucleotide mancante, e la ligasi, chechiuderà il double strand.Il meccanismo per riconoscere il filamento vecchio è diverso a seconda degli organismi:- nei procarioti, come E.Coli, alcune delle adenine presenti tra le sequenze GATC sono metilate enella molecola iniziale le adenine sono metilate sia su un filamento, che su quello opposto. Dopoche è passata la DNA polimerasi e ha sintetizzato il nuovo filamento si avrà un momento in cuiancora non sono passate le metilasi di mantenimento, e per questo si potranno distinguere, inquanto il filamento vecchio presenterà metilazione e quello nuovo NO.- negli eucarioti vengono metilate le citosine,

ma per distinguere il filamento nuovo da quello vecchio viene utilizzata la presenza dei frammenti di Okazaki. Si tratta sempre di quella finestra temporale molto stretta dove la DNA polimerasi è appena passata, ma non è ancora finito il processo, quindi il filamento nuovo in alcuni tratti è marcato dalla presenza dei frammenti di Okazaki. Telomerasi La fase di terminazione riguarda tutte quelle attività che permettono di ottenere due cromosomi completi e indipendenti. Se da una parte si arriva a copiare in modo continuo l'ultimo nucleotide e a completare del tutto il nuovo filamento, nell'altra parte, duplicata in modo discontinuo, le basi terminali non verranno mai replicate, perché il complesso della DNA polimerasi per copiare le ultime basi non sa dove appoggiarsi, non sa dove sintetizzare il primer. Anche se volesse copiare dal primo nucleotide, sarebbe il nucleotide del primer, quindi a RNA, e quindi dovrebbe essere eliminato, e se non fosse

eliminato si degraderebbefacilmente, quindi ad ogni replicazione uno dei due filamenti perderebbe un pezzettino.Tutto questo quindi comporta un accorciamento del cromosoma, che diventerebbe un problemaincompatibile con la vita, soprattutto durante lo sviluppo dell’individuo durante la fase embrionale, in quantosi hanno tantissime divisioni mitotiche.Questo problema è risolto grazie ad un’attività enzimatica nelle cellule, che è in grado di allungare icromosomi alle loro estremità.I telomeri sono delle regioni eterocromatiche deputate alla difesa del DNA contro qualsiasi agente esterno,creando un cappuccio che difende le estremità. Nonostante ciò i telomeri rimangono delle strutture fragili edi conseguenza durante la vita dell’individuo casualmente si potrebbero avere delle perdite di tratti dicromosomi. La lunghezza dei telomeri è stata correlata con l’età dell’organismo dell’individuo.

problema non è risolvibile, in quanto l'enzima telomerasi è attivo soltanto nelle cellule staminali e ancora non differenziate, ecco perché durante la nostra vita si invecchia. La telomerasi è un ribozima, che ha una parte proteica, la TERT e un'attività di reverse trascrittasi, ovvero è in grado di sintetizzare DNA partendo da un primer a RNA, leggendo sequenze a RNA. Così cade il dogma centrale della biologia, si legge l'RNA per costruire DNA. All'interno di questa proteina si trova anche una parte a RNA, la TERC, che è un filamento stampo, che viene letto per costruire tratti di DNA. I telomeri sono costituiti da una sequenza di 6 basi che si ripete. Grazie alla componente a RNA, specie-specifica, si appoggia al filamento stampo, che ha quindi la stessa sequenza presente sul terminale dei cromosomi, e si appaia al filamento vecchio, lasciando un 3'OH libero sul filamento vecchio stesso. In questo modo

l'attività polimerasica inversa può allungare il filamento vecchio. Questo ciclo viene fatto unaserie di volte, ottenendo un filamento vecchio allungato rispetto a quella che è la sua costituzionefisiologica, e garantisce lo spazio affinché si possa appoggiare il complesso della polimerasi.

La polimerasi quindi sintetizza copiando il filamento vecchio e fornendo il tratto di filamento nuovo, cheverrà legato al pezzo che era già stato sintetizzato. Il finale mancante era stato aggiunto precedentemente,così si mantiene in questo modo la stessa lunghezza.

La telomerasi è attiva nelle cellule staminali e nelle cellule germinali. In questo modo mantiene laddove èfortemente necessario la struttura completa del cromosoma. Nelle cellule somatiche differenziate latelomerasi non è attiva, quindi il DNA nelle cellule somatiche ad ogni divisione cellulare subisce unaccorciamento. Grazie alle sequenze ripetute non

Codificanti per proteine, la cellula per un po' tollera l'accorciamento dei cromosomi, fino a che non si arriva ad un limite, il limite di Hayflick, che impedisce ulteriori divisioni. A questo punto la cellula sarà destinata ad andare in senescenza ed eventualmente ad andare incontro ad apoptosi.

Nella specie umana il limite di Hayflick è compreso tra le 40 e le 60 divisioni, superato si ha la senescenza. Specie più longeve hanno un limite più elevato, specie meno longeve hanno un limite inferiore.

L'attività della cellula può, per errore, riattivarsi in momenti sbagliati. Se l'attivazione di oncogeni fa riprendere la fase replicativa, ma non la telomerasi, la cellula comincerebbe a proliferare, ma arriverebbe comunque alla senescenza. Per il fatto che la replicazione della cellula non sarà invasiva, questa situazione può essere definita tumore benigno.

Se l'attivazione di oncogeni fa riprendere la fase...

La replicazione del DNA è un processo fondamentale per la divisione cellulare. Durante questo processo, il DNA viene duplicato in modo che ogni cellula figlia abbia una copia identica del materiale genetico. Tuttavia, a causa di vari fattori, come l'azione della telomerasi, la cellula può diventare in qualche modo "immortale" e trasformarsi in una cellula tumorale, cancerogena.

Le mutazioni che si verificano su geni coinvolti nel meccanismo di allungamento del cromosoma, come la telomerasi, sono spesso associate a malattie che si manifestano in età molto precoce, come le sindromi progeroidi, caratterizzate da un invecchiamento precoce, la fibrosi polmonare idiopatica, l'anemia aplastica e la deficienza cerebellare infantile.

Per evitare l'attacco di proteine con attività non appropriate in quel momento, il DNA si disfa dai nucleosomi in direzione 5'-3', viene duplicato e poi si condensa di nuovo immediatamente sui nucleosomi. Di conseguenza, non è possibile distinguere il filamento nudo, poiché è coperto dalle attività di duplicazione. Anche i meccanismi di riparazione devono intervenire in questa breve finestra di tempo.

temporale. Finita la duplicazione si avranno due molecole di DNA, per cui le proteine presenti sul filamento vecchio, che erano state disassemblate, vengono riutilizzate per entrambi. Invece le proteine istoniche vengono sintetizzate ex novo, perché ne servono il doppio e alcune di quelle che erano state tolte si sono perse. Questo è il motivo per cui all'inizio della fase S si ha un picco di sintesi proteica, e parte della trascrizione avviene durante la sintesi di DNA. Il codice epigenetico è un codice informazionale fondamentale, ancorato alla sequenza del DNA, senza modificarla. Questo è utile, perché è riconosciuto dai complessi proteici (enzimatici), che passano dopo la duplicazione e riciclano gli istoni vecchi. Questi complessi proteici si chiamano readers e writers. Una sequenza replicata molto precocemente non viene mai duplicata una seconda volta. Infatti questo avrebbe conseguenze estremamente patologiche per la cellula e per

L'organismo. Nei procarioti questo è garantito, grazie allo stato di emimetilazione, in cui il filamento vecchio metilato e il nuovo, appena dopo la duplicazione, nudo, vengono riconosciuti da una proteina, chiamata SEC A, che mantiene l'emimetilazone, impedendo che si leghi di nuovo un DNA A, fino alla fine del processo. Negli eucarioti questo è garantito, grazie al riconoscimento dell'origine di replicazione. Questo processo avviene in due fasi:

1. Inizia in G1, dove avviene l'individuazione delle sequenze di origine, da parte dell'ORC, e il completamento delle proteine C1, C6 e CTD1. Queste proteine subiscono un accumulo nel nucleo, si legano assieme ad ORC all'origine di replicazione e reclutano un'altra proteina, chiamata NCN, il caricatore dell'elicasi. Così si forma un complesso, che prende il nome di complesso prereplicativo.
2. Il complesso viene attivato dopo la fase G1 da due proteine chinasi ciclina dipendenti (CDK).

E DDK),la cui concentrazione aumenta notevolmente quando la cellula entra in fase S. Questo meccanismo è un doppio controllo, perché la bassa attività di CDK in G1 non permette l'attivazione del complesso replicativo, ma consente la formazione dei complessi pre replicativi. Al contrario, l'alta attività di CDK causa l'attivazione dei complessi e l'inibizione della formazione dei nuovi complessi.

Mutazioni

Inevitabilmente nel corso della sua vita una molecola di DNA accumula errori a causa di mutazioni spontanee o indotte. Tutto questo nel long term causerà tumori, invecchiamento e patologie associate. La mutazione casuale bersaglia più facilmente grandi genomi, per questo solo organismi piccoli hanno un genoma a RNA, il doppio filamento, infatti, è una tutela.

Sugli organismi unicellulari e sulla linea germinale degli organismi pluricellulari:

1. conseguenze funzionali incompatibili con la vita
2. conseguenze funzionali peggiorative

assenza di conseguenze funzionalmente rilevanti (mutazioni neutre)

1. conseguenze funzionali dannose
2. conseguenze funzionali migliorative

I punti 2. e 4. sono l'oggetto della selezione naturale darwiniana, il 3. è