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13.6: Replicação em Eucariotas
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Replication in Eukaryotes
 
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13.6: Replication in Eukaryotes

13.6: Replicação em Eucariotas

Overview

In eukaryotic cells, DNA replication is highly conserved and tightly regulated. Multiple linear chromosomes must be duplicated with high fidelity before cell division, so there are many proteins that fill specialized roles in the replication process. Replication occurs in three phases: initiation, elongation, and termination, and ends with two complete sets of chromosomes in the nucleus.

Many Proteins Orchestrate Replication at the Origin

Eukaryotic replication follows many of the same principles as prokaryotic DNA replication, but because the genome is much larger and the chromosomes are linear rather than circular, the process requires more proteins and has a few key differences. Replication occurs simultaneously at multiple origins of replication along each chromosome. Initiator proteins recognize and bind to the origin, recruiting helicase to unwind the DNA double helix. At each point of origin, two replication forks form. Primase then adds short RNA primers to the single strands of DNA, which serve as a starting point for DNA polymerase to bind and begin copying the sequence. DNA can only be synthesized in the 5’ to 3’ direction, so replication of both strands from a single replication fork proceeds in two different directions. The leading strand is synthesized continuously, while the lagging strand is synthesized in short stretches 100-200 base pairs in length, called Okazaki fragments. Once the bulk of replication is complete, RNase enzymes remove the RNA primers and DNA ligase joins any gaps in the new strand.

Dividing the Work of Replication among Polymerases

The workload of copying DNA in eukaryotes is divided among multiple different types of DNA polymerase enzymes. Major families of DNA polymerases across all organisms are categorized by the similarity of their protein structures and amino acid sequences. The first families to be discovered were termed A, B, C, and X, with families Y and D identified later. Family B polymerases in eukaryotes include Pol α, which also functions as a primase at the replication fork, and Pol δ and ε, the enzymes that do most of the work of DNA replication on the leading and lagging strands of the template, respectively. Other DNA polymerases are responsible for such tasks as repairing DNA damage,copying mitochondrial and plastid DNA, and filling in gaps in the DNA sequence on the lagging strand after the RNA primers are removed.

Telomeres Protect the Ends of the Chromosomes from Degradation

Because eukaryotic chromosomes are linear, they are susceptible to degradation at the ends. To protect important genetic information from damage, the ends of chromosomes contain many non-coding repeats of highly conserved G-rich DNA: the telomeres. A short single-stranded 3’ overhang at each end of the chromosome interacts with specialized proteins, which stabilizes the chromosome within the nucleus. Because of the manner in which the lagging strand is synthesized, a small amount of the telomeric DNA cannot be replicated with each cell division. As a result, the telomeres gradually get shorter over the course of many cell cycles and they can be measured as a marker of cellular aging. Certain populations of cells, such as germ cells and stem cells, express telomerase, an enzyme that lengthens the telomeres, allowing the cell to undergo more cell cycles before the telomeres shorten.

Visão Geral

Nas células eucarióticas, a replicação do DNA é altamente conservada e fortemente regulada. Múltiplos cromossomas lineares devem ser duplicados com alta fidelidade antes da divisão celular, por isso existem muitas proteínas que cumprem funções especializadas no processo de replicação. A replicação ocorre em três fases: iniciação, alongamento e término, e termina com dois conjuntos completos de cromossomas no núcleo.

Muitas Proteínas Orquestram a Replicação na Origem

A replicação eucariótica segue muitos dos mesmos princípios da replicação do DNA procariótico, mas como o genoma é muito maior e os cromossomas são lineares e não circulares, o processo requer mais proteínas e tem algumas diferenças fundamentais. A replicação ocorre simultaneamente em múltiplas origens de replicação ao longo de cada cromossoma. As proteínas iniciadoras reconhecem e ligam-se à origem, recrutando helicase para desenrolar a dupla hélice de DNA. Em cada ponto de origem, dois garfos de replicação são formados. A primase adiciona então primers de RNA curtos às cadeias simples de DNA, que servem como ponto de partida para a DNA polimerase se ligar e começar a copiar a sequência. O DNA só pode ser sintetizado na direção de 5’ a 3’, pelo que a replicação de ambas as cadeias de um único garfo de replicação prossegue em duas direções diferentes. A cadeia contínua é sintetizada continuamente, enquanto a cadeia descontínua é sintetizada em curtas porções de 100-200 pares de bases de comprimento, chamados fragmentos de Okazaki. Assim que a maior parte da replicação estiver completa, enzimas RNase removem os primers de RNA e a DNA ligase junta quaisquer lacunas na nova cadeia.

Dividindo o Trabalho de Replicação entre Polimerases

A carga do trabalho de copiar DNA em eucariotas é dividida entre vários tipos diferentes de enzimas de polimerase de DNA. As principais famílias de DNA polimerases em todos os organismos são categorizadas pela similaridade das suas estruturas proteicas e sequências de aminoácidos. As primeiras famílias a serem descobertas foram denominadas A, B, C e X, com as famílias Y e D identificadas posteriormente. As polimerases da família B em eucariotas incluem Pol α, que também funciona como primase no garfo de replicação, e Pol δ e ε, as enzimas que fazem a maior parte do trabalho de replicação de DNA nas cadeias contínua e descontínua do molde, respectivamente. Outras DNA polimerases são responsáveis por tarefas como reparar danos no DNA, copiar DNA mitocondrial e plastídeo, e preencher lacunas na sequência de DNA na cadeia descontínua após remoção dos primers de RNA.

Telómeros Protegem as Extremidades dos Cromossomas da Degradação

Como os cromossomas eucarióticos são lineares, eles são susceptíveis à degradação nas extremidades. Para proteger informações genéticas importantes contra danos, as extremidades dos cromossomas contêm muitas repetições não codificadas de DNA rico em G altamente conservado: os telómeros. Uma pequena saliência de 3’ de cadeia simples em cada extremidade do cromossoma interage com proteínas especializadas, que estabilizam o cromossoma dentro do núcleo. Devido à forma como a cadeia descontínua é sintetizada, uma pequena quantidade de DNA telomérico não pode ser replicada com cada divisão celular. Como resultado, os telómeros gradualmente ficam mais curtos ao longo de muitos ciclos celulares e podem ser usados como um marcador de envelhecimento celular. Certas populações de células, como células germinativas e células estaminais, expressam telomerase, uma enzima que alonga os telómeros, permitindo que a célula se submeta a mais ciclos celulares antes de os telómeros encurtarem.


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