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Nelle cellule eucariotiche, la replicazione del DNA è altamente conservata e strettamente regolata. Più cromosomi lineari devono essere duplicati con alta fedeltà prima della divisione cellulare, quindi ci sono molte proteine che svolgono ruoli specializzati nel processo di replicazione. La replica avviene in tre fasi: inizio, allungamento e terminazione e finisce con due serie complete di cromosomi nel nucleo.
Molte proteine orchestrano la replicazione all’origine
La replicazione eucariotica segue molti degli stessi principi della replicazione del DNA procariotico ma, siccome il genoma è molto più grande e i cromosomi sono lineari anziché circolari, il processo richiede più proteine e presenta alcune differenze fondamentali. Innanzitutto, a differenza dei procarioti, la replicazione negli eucarioti avviene simultaneamente in più origini di replicazione lungo ciascun cromosoma. Le proteine iniziatrici riconoscono e si legano a queste origini e reclutano proteine elicasi per svolgere la doppia elica del DNA. In ogni punto di origine si formano due forcelle replicative. La primase aggiunge quindi brevi primer di RNA ai singoli filamenti di DNA, che servono come punto di partenza affinché la DNA polimerasi si leghi e inizi a copiare la sequenza. Il DNA può essere sintetizzato solo nella direzione da 5' a 3', quindi la replicazione di entrambi i filamenti da una singola forca di replicazione procede in due direzioni diverse. Il filamento principale viene sintetizzato in modo continuo, mentre il filamento ritardato viene sintetizzato in brevi tratti di 100-200 paia di basi di lunghezza, chiamati frammenti di Okazaki. Una volta completata la maggior parte della replicazione, gli enzimi RNasi rimuovono i primer dell'RNA, la DNA polimerasi riempie gli spazi vuoti e la DNA ligasi sigilla gli spazi vuoti nel nuovo filamento.
Divisione del lavoro di replica tra le polimerasi
Il carico di lavoro della copia del DNA negli eucarioti è suddiviso tra più tipi diversi di enzimi della DNA polimerasi. Le principali famiglie di DNA polimerasi in tutti gli organismi sono classificate in base alla somiglianza delle loro strutture proteiche e delle sequenze di amminoacidi. Le prime famiglie ad essere scoperte furono chiamate A, B, C e X, mentre le famiglie Y e D furono identificate successivamente. Le polimerasi della famiglia B negli eucarioti includono Pol α, che funziona anche come primasi sulla forca di replicazione, e Pol δ e ε, gli enzimi che svolgono la maggior parte del lavoro di replicazione del DNA rispettivamente sui filamenti principali e ritardati dello stampo. Altre DNA polimerasi sono responsabili di compiti come la riparazione del danno al DNA, la copia del DNA mitocondriale e plastidico e il riempimento delle lacune nella sequenza del DNA sul filamento in ritardo dopo la rimozione dei primer dell'RNA.
I telomeri proteggono le estremità dei cromosomi dalla degradazione
Siccome i cromosomi eucariotici sono lineari, sono suscettibili alla degradazione alle estremità. Per proteggere importanti informazioni genetiche dai danni, le estremità dei cromosomi contengono molte ripetizioni non codificanti di DNA ricco di G altamente conservato, i telomeri. Una breve sporgenza 3' a filamento singolo su ciascuna estremità del cromosoma interagisce con proteine specializzate, che stabilizzano il cromosoma all'interno del nucleo. A causa del modo in cui viene sintetizzato il filamento ritardato, una piccola quantità di DNA telomerico non può essere replicata ad ogni divisione cellulare. Di conseguenza, i telomeri si accorciano gradualmente nel corso di molti cicli cellulari e quindi possono essere misurati come un indicatore dell’invecchiamento cellulare. Alcune popolazioni di cellule, come le cellule germinali e le cellule staminali, esprimono la telomerasi, un enzima che allunga i telomeri, consentendo alla cellula di sottoporsi a più cicli cellulari prima che i telomeri si accorcino.
