Replicarea telomerilor
Deoarece cromozomii eucarioți sunt liniari, replicarea ADN-ului ajunge la capătul lor. Se știe că enzima ADN–pol poate adăuga nucleotide într-o singură direcție. Astfel, sinteza catenei principale continuă până când se ajunge la sfârșitul cromozomului. Catena întârziată, însă, nu are loc pentru realizarea unui primer de ARN care să fie folosit la sintetizarea fragmentului de ADN de la sfârșitul cromozomului. Aceasta este o problemă pentru celulă deoarece capetele cromozomilor nu sunt împerechiate corect și, în timp, prin diviziune celulară, ele devin din ce în ce mai scurte.
Capetele cromozomilor liniari care conțin secvențe repetitive ce nu codifică o anumită genă sunt cunoscute sub numele de telomeri. Astfel, în loc să fie scurtate genele, la fiecare rundă de replicare a ADN-ului sunt scurtați telomerii. De exemplu oamenii au o secvență de șase perechi de baze, TTAGGG, care se repetă de 100 până la 1000 de ori. Descoperirea enzimei telomerază (Figura 6.3) a contribuit la înțelegerea modului în care sunt menținute capetele unui cromozom. Telomeraza se atașează la capătul cromozomului iar bazele complementare șablonului de ARN sunt adăugate la capătul catenei de ADN. Odată ce șablonul de catenă întârziată este suficient de alungit, ADN–pol începe să adauge nucleotide complementare la capetele cromozomilor. Astfel se reproduc capetele cromozomilor.
Figura 6.3: Capetele cromozomilor liniari sunt menținute prin acțiunea enzimei telomerază.
Telomeraza este, de obicei, activă în celulele germinale, celulele stem adulte și unele celule canceroase. Telomeraza nu este activă în celulele somatice adulte. Telomerii celulelor somatice adulte care sunt supuse diviziunii celulare se reduc continuu. Aceasta înseamnă, în esență, că scurtarea telomerilor este asociată cu îmbătrânirea. În 2010, oamenii de știință au descoperit că telomeraza poate inversa unele boli legate de vârstă la șoareci. Această descoperire nu a întârziat să atragă atenția specialiștilor din domeniul medicinei regenerative. Au urmat studii în care au fost folosiți șoareci cu deficit de telomerază care sufereau de: atrofie tisulară, epuizarea celulelor stem, eșec al sistemului de organe și răspunsuri deficitare la leziuni tisulare. Reactivarea telomerazei acestor șoareci a dus la extinderea telomerilor, a redus deteriorarea ADN-ului, a inversat procesul de neurodegenerare și a îmbunătățit funcționarea testiculelor, splinei și intestinelor acestora. Aceste experimente le-au dat speranță specialiștilor că reactivarea telomerilor ar putea fi benefică pentru tratarea bolilor legate de vârstă la om.
Elizabeth Blackburn a primit premiul Nobel pentru medicină și fiziologie în 2009 pentru descoperirea telomerazei și a modului în care aceasta acționează.
Repararea ADN-ului
Replicarea ADN-ului este un proces extrem de precis dar ocazional poate face greșeli, cum este cazul în care o enzimă ADN–pol introduce o bază incorectă. Erorile necorectate pot duce la consecințe grave, cum este cancerul. Există mecanisme de reparație al căror rol este corectarea erorilor (Figura 6.4). În cazuri rare erorile nu sunt corectate, ceea ce duce la mutații; în alte cazuri, enzimele de reparație sunt ele însele mutante sau defecte.
Cele mai multe dintre greșelile produse în timpul replicării ADN-ului sunt corectate prompt prin mecanismul de editare sau autocorectare al enzimei ADN–pol (Figura 6.4a). Prin mecanismul de editare, înainte de a încorpora o bază, ADN–pol citește ultima bază adăugată și, dacă este nevoie, o corectează. Polimeraza verifică dacă baza nou adăugată s-a împerecheat corect cu baza din catena șablon. Dacă baza nou adăugată este cea potrivită, atunci ADN–pol trece la următoarea nucleotidă. Dacă a fost adăugată o bază incorectă, atunci enzima de reparație rupe legătura fosfodiester și eliberează nucleotida greșită; practic, ADN–pol execută o acțiune de exonuclează asupra capătului 3′ al nucleotidei. Odată ce nucleotida incorectă a fost îndepărtată, în locul ei va fi adăugată cea corectă.
Unele erori nu sunt corectate în timpul procesului de replicare, ci după terminarea lui. Acest mecanism de reparație este cunoscut sub numele de reparația nepotrivirilor (Figura 6.4b). Enzimele de reparație recunosc nucleotida împerecheată greșit și extirpă o parte a catenei care o conține, după care resintetizează regiunea extirpată. Dacă o nepotrivire rămâne necorectată, ea poate duce la daune permanente odată cu replicarea ADN-ului cu acest defect.
Următoarea întrebare ne vine imediat în minte: cum știu enzimele de reparație să recunoască baza incorectă? De exemplu, prin replicare, baza azotată adenină din E. coli trebuie sa capete o grupare metil; dacă aceasta nu se întamplă, atunci catena de ADN parental are grupări metil iar catena nou sintetizată nu are. ADN–pol este capabilă să îndepărteze bazele încorporate greșit din catena nou sintetizată nemetilată. La eucariote, mecanismul acesta nu este foarte bine înțeles, dar se crede că el se bazează pe două aspecte: recunoașterea tăieturilor nesigilate din noua catenă și o asociere continuă de scurtă durată, după încheierea replicării, a unor proteine de replicare cu catena fiică.
Un alt mecanism de reparație, reparația nucleotidelor extirpate (Figura 6.4c), este similar cu reparația nepotrivirilor, cu excepția faptului că este folosit pentru a îndepărta bazele deteriorate și nu pe cele nepotrivite. Pentru a înlocui o bază anormală (deteriorată), enzimele de reparație fac o tăietură la ambele capete – 3′ și 5′ – ale acesteia. Apoi, segmentul de ADN este îndepărtat și înlocuit cu nucleotide împerecheate corect prin acțiunea ADN–pol. Odată ce bazele deteriorate sunt fixate, golul rămas este sigilat cu o legătură fosfodiester catalizată de ADN–ligază. Acest mecanism de reparație este adesea folosit atunci când expunerea la lumină ultravioletă duce la formarea unor dimeri de pirimidină.
Un exemplu bine cunoscut de erori necorectate de această natură se întâlnește la persoanele care suferă de xeroderma pigmentosa. Pielea persoanelor afectate de această boală este foarte sensibilă la razele ultraviolete de la soare. Expunerea acestor persoane la lumina ultravioletă duce la formarea unor dimeri de pirimidină, în special de timină. Dimerii de timină distorsionează structura elicei duble de ADN și acest lucru poate cauza probleme în timpul replicării ADN-ului. La indivizii fără xeroderma pigmentosa dimerii de timină sunt excizați și defectul este corectat. La persoanele cu xeroderma pigmentosa aceste erori nu pot fi corectate din cauza defectelor din enzimele de reparare a exciziei nucleotidice. Persoanele care suferă de această afecțiune au un risc mai ridicat de a contracta cancer de piele decât cele care nu sunt afectate.
Figura 6.4: (a) Editarea prin ADN-pol corectează erorile din timpul replicării. (b) Pentru a repara o nepotrivire baza adăugată incorect este detectată după replicare. Proteinele de reparație a nepotrivirii detectează această bază și o îndepărtează din catena nou sintetizată prin acțiunea de nuclează. Golul produs este apoi umplut cu baza asociată corect. (c) Excizia nucleotidică repară dimerii timinei. Când sunt expuse la UV, timinele adiacente pe o catenă pot forma dimeri de timină. În celulele normale, aceștia sunt excizați (extirpați) și înlocuiți.
Erorile din timpul replicării ADN-ului nu sunt singurul motiv pentru care apar mutații în ADN. Mutațiile, variații ale secvenței de nucleotide a unui genom, pot apărea și din cauza deteriorării ADN-ului. Astfel deosebim două tipuri de mutații: induse și spontane. Mutațiile induse sunt cele care rezultă din expunerea la substanțe chimice, raze ultraviolete, raze X sau alți agenți de mediu. Mutațiile spontane apar fără nicio expunere la vreun agent de mediu; ele sunt rezultatul unor reacții naturale care au loc în organism.
Efectul unei mutații asupra unei secvențe proteice depinde în parte de locul în care acea secvență apare în genom, în special dacă se află într-o regiune codificată sau necodificată. Mutațiile din secvențele de reglare necodificate ale unei gene, cum sunt promotorii, amplificatorii și amortizoarele, pot modifica nivelul de exprimare a genei, dar este puțin probabil să modifice secvența proteică. În general, mutațiile din introni și din regiunile fără funcție biologică cunoscută sunt neutre, neavând niciun efect asupra fenotipului. Totuși, produsul proteic poate fi alterat dacă mutațiile unui intron afectează o zonă cu împletire alternativă de ARNm.
Mutațiile care apar în regiunile codificate ale genomului au o probabilitate ridicată de a altera produsul proteic. În funcție de efectul lor asupra secvenței de aminoacizi, ele se clasifică în mutații punctuale (în engleză punctual mutations) și mutații de cadru (în engleză frameshift mutations). Aceste tipuri de mutații sunt prezentate în Figura 6.5.
Mutațiile punctuale sunt mutațiile care afectează o singură pereche de baze. Cele mai frecvente mutații punctuale sunt substituțiile, în care o bază este înlocuită cu alta. Aceste substituții pot fi de două tipuri: tranziții și transversiuni. Substituția de tranziție se referă la înlocuirea unei purine sau pirimidine cu o bază de același fel; de exemplu, purina adenină este înlocuită cu purina guanină. Substituția de transversie se referă la înlocuirea unei purine cu o pirimidină și reciproc; de exemplu, pirimidina citozină este înlocuită cu purina adenină.
Unele mutații punctuale nu sunt exprimate; acestea sunt cunoscute sub numele de mutații silențioase. Mutațiile silențioase se datorează de obicei unei substituții în baza a treia a unui codon, care reprezintă adesea același aminoacid ca și codonul original. Alte mutații punctuale pot duce la înlocuirea unui aminoacid cu altul, ceea ce poate altera funcția proteinei. Mutațiile punctuale care generează un codon stop pot termina o proteină mai devreme.
Unele mutații pot duce la un număr crescut de copii ale aceluiași codon. Acestea se numesc expansiuni repetate trinucleotidice și au ca rezultat regiuni repetate ale aceluiași aminoacid.
Mutațiile pot fi, de asemenea, rezultatul adăugării unei baze, cunoscută sub numele de inserție, sau al îndepărtarii unei baze, cunoscută sub numele de ștergere. Dacă o inserare sau o ștergere are ca rezultat alterarea cadrului de citire translațional (o mutație de deplasare a cadrului), proteina rezultată este de obicei nefuncțională.
Uneori, o bucată de ADN dintr-un cromozom poate fi translocată într-un alt cromozom sau într-o altă regiune a aceluiași cromozom. Această mutație este cunoscută și sub numele de translocare.
Figura 6.5: Mutațiile pot duce la modificări ale secvenței proteice codificate de ADN.
Se știe că mutațiile produse în genele de reparație cauzează cancer. Numeroase gene de reparație mutante sunt implicate în forme de cancer pancreatic, de colon și colorectal. Mutațiile pot afecta atât celulele somatice, cât și celulele germinale. Dacă într-o celulă somatică se acumulează mai multe mutații, acestea pot crea probleme precum diviziunea celulară necontrolată, care este observată în cancer. Dacă o mutație se produce într-o celulă germinală, mutația va fi transmisă generației următoare, cum este cazul bolilor hemophilia și xeroderma pigmentosa.
1. Meioza este tipul de diviziune celulară care permite formarea celulelor reproducătoare. Meioza se desfășoară în două faze. În urma meiozei, dintr-o celulă diploidă se obțin patru celule haploide numite gameți. La speciile cu reproducere sexuată, un spermatozoid (gamet masculin) va fuziona cu un ovul (gamet feminin) pentru a forma un zigot, restaurând garnitura diploidă specifică a speciei.
Referințe:
- Fowler, Samantha, et al. Concepts of Biology. OpenStax College, Rice University, 2013. Download for free at: https://openstax.org/details/books/concepts-biology.
- Clark, Mary, Jung Choi, and Matthew Douglas. Biology 2E. 2018. Access for free at https://openstax.org/details/books/biology-2e.