La replicazione del DNA, conosciuta anche come replicazione semi-conservativa, è il processo attraverso il quale il DNA viene essenzialmente raddoppiato. È un processo importante che avviene all’interno della cellula che si divide.
In questo articolo, vedremo brevemente la struttura del DNA, i passi precisi coinvolti nella replicazione del DNA (iniziazione, allungamento e terminazione), e le conseguenze cliniche che possono verificarsi quando questo va male.
Struttura del DNA
Il DNA è composto da milioni di nucleotidi. Queste sono molecole composte da uno zucchero deossiribosio, con un fosfato e una base (o nucleobase) attaccati ad esso. Questi nucleotidi sono attaccati l’uno all’altro in filamenti tramite legami fosfodiesteri per formare una “spina dorsale di zucchero-fosfato”. Il legame formato è tra il terzo atomo di carbonio dello zucchero desossiribosio di un nucleotide (d’ora in poi conosciuto come 3′) e il quinto atomo di carbonio di un altro zucchero del nucleotide successivo (conosciuto come 5′).
N.B: 3′ si pronuncia ‘tre primi’ e 5′ si pronuncia ‘cinque primi’.
Ci sono due filamenti che corrono in direzioni opposte o antiparallele l’uno all’altro. Questi sono attaccati l’uno all’altro per tutta la lunghezza del filamento attraverso le basi su ogni nucleotide. Ci sono 4 basi diverse associate al DNA: citosina, guanina, adenina e timina. Nei normali filamenti di DNA, la citosina si lega alla guanina e l’adenina si lega alla timina. I due filamenti insieme formano una doppia elica.
Fig 1.0 – La struttura dell’RNA e del DNAFasi della replicazione del DNA
La replicazione del DNA può essere pensata in tre fasi: Inizio, Allungamento, Terminazione
Inizio
La sintesi del DNA inizia in punti particolari del filamento di DNA noti come “origini”, che sono specifiche regioni codificanti. Queste origini sono bersagliate da proteine iniziatrici, che vanno a reclutare altre proteine che aiutano il processo di replicazione, formando un complesso di replicazione intorno all’origine del DNA. Ci sono più siti di origine, e quando inizia la replicazione del DNA, questi siti sono chiamati forcelle di replicazione.
Nel complesso di replicazione c’è l’enzima DNA elicasi, che srotola la doppia elica ed espone ciascuno dei due filamenti, in modo che possano essere usati come modello per la replicazione. Lo fa idrolizzando l’ATP usato per formare i legami tra le nucleobasi, rompendo così il legame che tiene insieme i due filamenti.
La DNA Primasi è un altro enzima importante nella replicazione del DNA. Sintetizza un piccolo primer RNA, che agisce come un ‘kick-starter’ per la DNA polimerasi. La DNA polimerasi è l’enzima che è in definitiva responsabile della creazione e dell’espansione dei nuovi filamenti di DNA.
Allungamento
Una volta che la DNA polimerasi si è attaccata ai due filamenti di DNA originali e decompressi (cioè i filamenti modello), è in grado di iniziare a sintetizzare il nuovo DNA che corrisponde ai modelli. È essenziale notare che la DNA polimerasi è in grado di estendere il primer solo aggiungendo nucleotidi liberi all’estremità 3′.
Uno dei template viene letto in direzione 3′ a 5′, il che significa che il nuovo filamento sarà formato in direzione 5′ a 3′. Questo nuovo filamento formato viene chiamato filamento conduttore. Lungo questo filamento, la DNA Primasi ha bisogno di sintetizzare un primer RNA solo una volta, all’inizio, per avviare la DNA Polimerasi. Questo perché la DNA Polimerasi è in grado di estendere il nuovo filamento di DNA leggendo il template da 3′ a 5′, sintetizzando in una direzione da 5′ a 3′ come notato sopra.
Tuttavia, l’altro filamento template (il filamento ritardatario) è antiparallelo, e quindi viene letto in una direzione da 5′ a 3′. La sintesi continua del DNA, come nel filamento principale, dovrebbe avvenire in direzione da 3′ a 5′, il che è impossibile perché non possiamo aggiungere basi all’estremità 5′. Invece, mentre l’elica si srotola, i primer di RNA vengono aggiunti alle basi appena esposte sul filamento ritardatario e la sintesi del DNA avviene in frammenti, ma sempre nella direzione da 5′ a 3′ come prima. Questi frammenti sono conosciuti come frammenti di Okazaki.
Terminazione
Il processo di espansione dei nuovi filamenti di DNA continua fino a quando non c’è più alcun modello di DNA da replicare (cioè alla fine del cromosoma), o due forchette di replicazione si incontrano e successivamente terminano. L’incontro di due bivi di replicazione non è regolato e avviene casualmente lungo il corso del cromosoma.
Una volta terminata la sintesi del DNA, è importante che i filamenti appena sintetizzati siano legati e stabilizzati. Per quanto riguarda il filamento in ritardo, sono necessari due enzimi per raggiungere questo obiettivo; la RNAasi H rimuove il primer RNA che si trova all’inizio di ogni frammento Okazaki, e la DNA Ligasi unisce i frammenti per creare un filamento completo.
Fig 2.0 – Rappresentazione schematica della replicazione del DNA
Rilevanza clinica – Anemia falciforme
L’anemia falciforme è una condizione autosomica recessiva che è causata da una sostituzione di una singola base, in cui solo una base viene cambiata con un’altra. In alcuni casi questo può risultare in una “mutazione silenziosa” in cui l’intero gene non è interessato, tuttavia in malattie come l’anemia falciforme risulta nel filamento che codifica per una proteina diversa.
In questo caso una base di adenina è scambiata con una base di timina in uno dei geni che codificano l’emoglobina; questo risulta in acido glutammico sostituito da valina. Quando questo viene trascritto in una catena polipeptidica, le proprietà che possiede sono radicalmente cambiate perché l’acido glutammico è idrofilo, mentre la valina è idrofoba. Questa regione idrofobica fa sì che l’emoglobina abbia una struttura anormale che può causare il blocco dei capillari con conseguente ischemia e potenzialmente necrosi di tessuti e organi – questo è noto come una crisi vaso-occlusiva.
Queste crisi sono tipicamente gestite con una varietà di farmaci per il dolore, compresi oppioidi e FANS a seconda della gravità. Le trasfusioni di globuli rossi possono essere necessarie nelle emergenze, per esempio se il blocco si verifica nei polmoni.
Fig 3.0 – La differenza di struttura tra i globuli rossi normali e quelli affetti da falcemia.