Ciclo cellulare, duplicazione dna e replicazione telomeri

Ciclo cellulare

Può durare circa 24 o 48 ore, nel primo caso la fase G1 dura 10-11 ore, la S 7-8 ore, G2 3-4 ore e

la mitosi 1h.

Se la fase G1 si protrae molto, si parla di una fase G0 di attesa, come per i linfociti, in attesa di uno

stimolo antigenico o attesa lunga tutta la vita come per le cellule muscolari e nervose.

**NB: La mitosi permette ad una cellula madre di generare due cellule figlie anch’esse con 46

cromosomi. 10^14 sono mitosi per la moltiplicazione delle cellule, cioè per la crescita dall’embrione

fino all’età adulta, quando termina la mitosi dura per tutta la vita. Le cellule epatiche entrano

direttamente in fase G0 dove rimangono per tutta la vita, ma in caso di necessità possono uscire

da quella fase e andare in mitosi. **

Quando avviene la mitosi si parla di:

Cariodieresi, divisione del materiale nucleare (entrambe le cellule figlie avranno 46 cromosomi,

ognuno formato da un singolo cromatidio con contenuto di DNA pari a 2c).

Citodieresi, entrambe le figlie avranno metà del citoplasma della madre.

• Fase G1 (trascrizione e traduzione): fase più lunga per l’intensa attività biosintetica della

cellula, che deve trascrivere tutti i tipi di RNA, tradurre tuttle le possibili proteine e

raggiungere il volume della madre (si devono formare tutti gli organuli cellulari). In sintesi,

dal citoplasma dimezzato -> sintesi di RNA, proteine e organuli.

• Fase S (duplicazione): sintesi di DNA e istoni. Da DNA 2c a 4c. Da cromosomi a singolo

cromatidio a cromosomi con due cromatidi.

• Fase G2: crescita con sintesi di tubulina (costituisce il fuso mitotico, nel citoplasma).

Passaggio da G0 a G1 e da G1 a S non spontaneo, ma richiede l’intervento di messaggi

extracellulari chiamati mitogeni o fattori di crescita, che stimolano la trascrizione di messaggeri

specifici per le proteine regolatrici, cicline e chinasi cilino-dipendenti (CdK). Esse agiscono su

punti di controllo o checkpoint attraverso cui la cellula può passare da una fase all’altra.

1° checkpoint (p. di controllo G1) o START: se viene superato la cellula non può più tornare

indietro. È posto alla fine della fase G1, valuta:

• Le dimensioni della cellula

• La presenza di sostanze nutrienti

• La presenza di fattori di crescita

• La presenza di danni al DNA

**NB: la fase S non ha checkpoint

2° checkpoint, alla fine di G2, controlla:

• Dimensioni della cellula

• Completamento replicazione del DNA

3° checkpoint (punto di controllo dell’assemblaggio del fuso) tra metafase e anafase della mitosi,

controlla il corretto attacco dei cromosomi alla piastra metafasica (al fuso).

Il passaggio attraverso questi chckpoint è dovuto a Cicline e CdK, le prime distinte in D1, D2, D3,

E, A, B, regolano il ciclo cellulare, mentre le CdK (inattive se non in presenza della rispettiva

ciclina) hanno attività chinasica (fosforilante) e sono Cdk1, Cdk2, Cdk4, Cdk6.

Fosforilazioni specifiche determineranno l’attivazione o l’inibizione della cellula che andrà in mitosi

o arresterà il ciclo cellulare.

L’attività catalitica del complesso è svolta dalla CdK.

Duplicazione del DNA

La doppia elica si apre formando le cosiddette bolle di replicazione ai cui lati ci sono due forcelle

di replicazione, che operano entrambe in direzione 5’-P e’OH, ma essendo su filamenti diversi

operano in modo bidirezionale.

Man mano che le forcelle avanzano si creano dei superavvolgimenti. Il DNA viene rilassato dalle

Topoisomerasi I e II.

Topoisomerasi I opera quando i filamenti sono superavvolti e taglia solo uno dei due filamenti, il

quale girerà intorno all’altro e verrà nuovamente “saldato” quando sarà abbastanza rilassato.

Topoisomerasi II taglia entrambi i filamenti. Opera quando si creano strutture ad uncino.

BATTERI (velocità di 500-1000 nucleotidi al secondo)

La replicazione comincia da un sito di origine detto oriC, ovvero una specifica sequenza che viene

ruconosciuta da una proteina d’inizio (dnaA). Questo riconoscimento determina l’apertura della

doppia elica, favorita dalle elicasi (enzima che rompe i legami idrogeno).

L’elicasi Dna B, presente su entrambi i filamenti, opera la denaturazione del DNA e viene inibito

dalla proteina Dna C. Si posiziona ai lati della forca di duplicazione, permettendo il successivo

inserimento del primer (vedi dopo).

Le elicasi utilizzano una molecola di ATP per ogni giro d’elica svolto, perciò l’ oriC è sempre

adiacente ad un’invaginazione della membrana plasmatica detta mesosoma, dove avviene la

sintesi di ATP.

Poi intervengono le HDP (helix destabilizing proteins) o le SSB (single strandi binding proteins) per

impedire che il DNA si richiuda.

Niei batteri invece delle topoisomerasi intervengono le girasi (inibire le girasi significa inibire

fortemente la replicazione).

Successivamente si inseriscono gli enzimi polimerizzanti.

- Il primo enzima ad agire è la primasi, che fabbrica un primer (o innesco), esso è un piccolo

frammento di RNA che consente alle DNA polimerasi I, II e III di iniziare la duplicazione.

Il primer, lungo 5-10 nucleotidi permette alla DNA polimerasi III di legare al terminale 3’OH il primo

desossiribonucleotide.

Leading chain, avendo una duplicazione continua, necessiterà di un singolo innesco, mentre la

lagging chain necessita di inneschi tanti quanti sono i frammenti (frammenti di Okazaki) che si

formano. Gli inneschi verranno poi rimossi.

La DNA poli III verrà sostituita dalla I, la quale possiede un’attività esonucleasica in direzione 5’P

-> 3’OH, che rimuoverà quindi i primer a partire dall’estremità 5’ e sostituisce i ribonucleotidi con

desossiribonucleotidi.

I frammenti di Okazaki vengono sintetizzati all’interno delle anse del filamento lagging.

- Enzima ligasi congiunge tutti i tratti interrotti.

Le due forcelle di replicazione si incontrano in una regione del cromosoma batterico detta ter.

Errori nella duplicazione (appaiamenti errati) dovrebbero teoricamente avvenire circa ogni 10^6

nucleotidi, mentre avvengono circa ogni 10^9 nucleotidi (e più frequentemente sulla leading chain,

in rapporto 5:1 con la lagging) perché già durante la replicazione vi è un’attività enzimatica di

correzione, a cui si aggiunge quella dopo la duplicazione, ad opera dell’enzima DNA polimerasi III

e di enzimi come la metilasi. L’appaiamento errato non permette di continuare la polimerizzazione,

così la DNA poli si interrompe e ciò scatena l’attività esonucleatica.

EUCARIOTI

Dimensione dei cromosomi fino a 1000 volte superiore. Velocità di duplicazione circa 10 volte più

lenta. Fase S del ciclo cellulare: circa 6-8 ore.

Repliconi: punti di apertura della doppia elica.

In ogni replicone le forcelle di replicazione procedono in senso opposto, incontrando quelle del

replicone adiacente.

ACE (amplification controlling element), sequenze regolatrici distanti dal punto di apertura.

Questi elementi vengono detti replicatori per distinguerli dagli ori, siti di apertura contenuti nei

repliconi.

Negli eucarioti si distinguono diversi tipi di polimerasi, chiamati con le lettere dell’alfabeto greco. Di

queste la polimerasi gamma è mitocondriale, la beta ripara il DNA e non ha attività nucleasica,

mentre tutte le altre la hanno (in direzione 3’OH -> 5’P)

- Primasi e polimerasi alfa polimerizzano l’innesco e un piccolo tratto di DNA.

Questi due enzimi vengono poi eliminati, processo favorito da un fattore di replicazione RF-C

(caricatore di pinza) e un antigene nucleare di proliferazione cellulare (PCNA), processo ATP-

dipendente; viene inoltre favorito il legame con la polimerasi delta, polimerizzante, che corrisponde

alla polimerasi III batterica.

Polimerasi alfa: serve per la riparazione del DNA. RNasi H e FEN-1 rimuovono gli inneschi.

Ligasi, come nei procarioti, lega frammenti di Okazaki, mentre la SSB procariotica corrisponde alla

RPA eucariotica, che evita che i due filamenti si ricongiungano.

Cosa accade nei nucleosomi? Intanto la replicazione avviene prima nell’eucromatina e poi

nell’eterocromatina (nelle cellule femminili ci sarà un cromosoma X eterocromatico, detto Corpo di

Barr, che si formerà dopo quello eucromatico).

Ci sono 3 teorie riguardo gli istoni, di cui la prima è la più accreditata: