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I passi essenziali della replicazione sono gli stessi dei procarioti. L’inizio della replicazione è più complesso negli eucarioti. All’origine della replicazione, un complesso di pre-replicazione è fatto con altre proteine iniziatrici. Altre proteine vengono poi reclutate per iniziare il processo di replicazione. Il processo generale è lo stesso, anche se enzimi dal nome diverso svolgono la stessa funzione. Per esempio, il DNA pol III è usato per la maggior parte della replicazione nei procarioti, mentre negli eucarioti il filamento principale è sintetizzato continuamente dall’enzima pol δ, il filamento in ritardo è sintetizzato da pol ε. Ci stiamo concentrando sugli enzimi usati nella replicazione procariotica, quindi non preoccupatevi di queste differenze di nome.

Ecco le differenze importanti tra replicazione procariotica ed eucariotica:

Tabella 1: Differenze tra la replicazione procariotica ed eucariotica

Proprietà	Prokaryotes	Eukaryotes
Origine della replicazione	Singolo	Multiplo
Rata di replicazione	1000 nucleotidi/s	da 50 a 100 nucleotidi/s
DNA tipi di polimerasi	5	14
Impacchettamento del DNA	supercoiling	intorno agli istoni
Telomerasi	Non presente	Presente

Origini e tasso di replicazione

I genomi leucarioti sono molto più complessi e di dimensioni maggiori rispetto ai genomi procarioti. Il genoma umano ha tre miliardi di coppie di basi per set di cromosomi aploidi, e 6 miliardi di coppie di basi vengono replicate durante la fase S del ciclo cellulare. Questo significa che ci devono essere più origini di replicazione sul cromosoma eucariotico affinché tutto il DNA sia replicato in modo tempestivo; 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.

Tipi di DNA polimerasi

Il numero di DNA polimerasi negli eucarioti è molto più alto che nei procarioti: Se ne conoscono 14, di cui cinque sono note per avere ruoli importanti durante la replicazione e sono state ben studiate. Sono conosciute come pol α, pol β, pol γ, pol δ, e pol ε. Non ti chiederò mai i nomi di queste polimerasi – impara i nomi delle polimerasi procariotiche.

Impacchettamento del DNA

Il DNA eucariotico è avvolto intorno a proteine note come istoni per formare strutture chiamate nucleosomi. Il DNA deve essere reso accessibile affinché la replicazione del DNA possa procedere. La cromatina (il complesso tra DNA e proteine) può subire alcune modifiche chimiche, in modo che il DNA possa scivolare via dagli istoni o essere altrimenti accessibile agli enzimi del macchinario di replicazione del DNA. I procarioti non impacchettano il loro DNA avvolgendolo intorno agli istoni.

Riplicazione dei telomeri

A differenza dei cromosomi procarioti, i cromosomi eucarioti sono lineari. Come avete imparato, l’enzima DNA pol può aggiungere nucleotidi solo in direzione 5′-3′. Nel filamento principale, la sintesi continua fino alla fine del cromosoma. Sul filamento ritardatario, il DNA viene sintetizzato in brevi tratti, ognuno dei quali è iniziato da un primer separato. Quando la forcella di replicazione raggiunge la fine del cromosoma lineare, non c’è posto per un primer per il frammento di DNA da copiare alla fine del cromosoma. Queste estremità rimangono quindi non accoppiate, e nel tempo queste estremità possono accorciarsi progressivamente man mano che le cellule continuano a dividersi.

Le estremità dei cromosomi lineari sono note come telomeri, che hanno sequenze ripetitive che non codificano per un gene particolare. Questi telomeri proteggono i geni che si trovano sul cromosoma dall’essere cancellati mentre le cellule continuano a dividersi. Negli esseri umani, una sequenza di sei coppie di basi, TTAGGG, è ripetuta da 100 a 1000 volte. La scoperta dell’enzima telomerasi (Figura 1) ha aiutato a capire 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 di RNA vengono aggiunte all’estremità 3′ del filamento di DNA. Una volta che l’estremità 3′ del template del filamento in ritardo è sufficientemente allungata, la DNA polimerasi può aggiungere i nucleotidi complementari alle estremità dei cromosomi. Così, le estremità dei cromosomi vengono replicate.

La telomerasi è tipicamente attiva nelle cellule germinali e nelle cellule staminali adulte. Non è attiva nelle cellule somatiche adulte. Per la sua scoperta della telomerasi e della sua azione, Elizabeth Blackburn (Figura 2) 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 telomeri accorciati perché la maggior parte delle cellule somatiche non produce telomerasi. Questo 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 di persone che abbiano un aspetto più giovane e una migliore qualità di vita quando 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 (Jaskelioff, 2011). In questi studi sono stati utilizzati topi con deficit di telomerasi; questi topi presentano atrofia dei tessuti, esaurimento delle cellule staminali, insufficienza del sistema degli organi e risposte alterate alle lesioni dei tessuti. La riattivazione della telomerasi in questi topi ha causato l’estensione dei telomeri, ha ridotto i danni al DNA, ha invertito la neurodegenerazione e ha migliorato la funzione dei testicoli, della milza e dell’intestino. Quindi, la riattivazione dei telomeri può avere un potenziale per il trattamento delle 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 incontrollato e possono migrare in diverse parti del corpo attraverso un processo chiamato metastasi. Gli scienziati hanno osservato che le cellule cancerose hanno telomeri notevolmente accorciati e che la telomerasi è attiva in queste cellule. È interessante notare che solo dopo che i telomeri sono stati accorciati nelle cellule cancerose, la telomerasi è diventata attiva. Se l’azione della telomerasi in queste cellule può essere inibita da farmaci durante la terapia del cancro, allora le cellule cancerose potrebbero potenzialmente essere fermate da ulteriori divisioni.