Astuti trucchi del DNA – Ars Technica

Ogni persona inizia come un singolo uovo fecondato. All’età adulta, quella singola cellula si è trasformata in circa 37 trilioni di cellule, molte delle quali continuano a dividersi per produrre la stessa quantità di nuove cellule umane ogni pochi mesi.

Ma quelle cellule devono affrontare una sfida enorme. 3.2 media cella divisa dovrebbe essere copiata un miliardo paia di basi del DNA, circa una volta ogni 24 ore. Il meccanismo di replicazione della cellula svolge un lavoro straordinario, copiando materiale genetico a una velocità frammentata di circa 50 paia di basi al secondo.

Tuttavia, questo è molto lento da replicare a geni umani. Se il meccanismo di copiatura di una cellula inizia contemporaneamente alla testa di ciascuno dei suoi 46 cromosomi, finirà con il cromosoma più lungo, no. 1, a 249 milioni di paia di basi – in circa due mesi.

afferma James Berger, biologo strutturale presso la Johns Hopkins University School of Medicine di Baltimora e coautore Saggio sulla replicazione del DNA negli eucarioti In Biochemistry Annual Review 2021. Le cellule di lievito hanno centinaia di potenziali origini riproduttive, come vengono chiamate, e animali come topi e umani ne hanno decine di migliaia, sparse in tutto il loro genoma.

“Ma questo presenta la sua sfida, ovvero, come fai a sapere da dove iniziare e come cronometrare tutto?”, Dice Berger. Senza un attento controllo, parte del DNA può essere copiato due volte, causando frenesia cellulare.

Mantenere una stretta presa sul processo di replicazione del DNA è particolarmente importante per evitare questo trambusto. Oggi, i ricercatori stanno compiendo passi verso la piena comprensione dei controlli e degli equilibri molecolari che si sono evoluti per garantire che ogni genitore inizi a copiare il DNA solo una volta, per produrre con precisione un nuovo genoma completo.

Fallo bene, fallo velocemente

Possono verificarsi problemi se la replica non viene avviata correttamente. Affinché il DNA possa essere copiato, la doppia elica del DNA deve aprirsi e i singoli filamenti risultanti, ciascuno dei quali funge da modello per la costruzione di un nuovo secondo filamento, sono suscettibili di rottura. Oppure il processo potrebbe bloccarsi. “Vuoi davvero risolvere rapidamente la ridondanza”, afferma John Devley, biochimico del Francis Crick Institute di Londra. I problemi durante la replicazione del DNA possono causare la disorganizzazione del genoma, che è spesso un passo essenziale sulla strada del cancro.

Alcune malattie genetiche sono anche causate Problemi con la replicazione del DNA. Ad esempio, la sindrome di Meyer-Gorlin, che comporta bassa statura, orecchie piccole e rotule piccole o assenti, è causata da mutazioni in diversi geni che aiutano ad avviare il processo di replicazione del DNA.

Ci vuole una danza strettamente coordinata di dozzine di proteine ​​affinché il meccanismo di replicazione del DNA cominci a replicarsi nel punto corretto del ciclo di vita di una cellula. I ricercatori hanno un’idea abbastanza chiara di quali proteine ​​facciano cosa, perché sono stati in grado di far avvenire la replicazione del DNA in miscele biologiche prive di cellule in laboratorio. Simulano i primi passaggi critici nell’avvio della replica utilizzando le proteine ​​del lievito– lo stesso tipo usato per fare il pane e la birra – e hanno imitato molto l’intero processo di replica Utilizzo di copie umane di proteine ​​di replicazioneAnche.

La cellula controlla l’inizio della replicazione del DNA in un processo in due fasi. Il punto centrale di questo processo è controllare le azioni di un enzima cruciale, chiamato elicasi, che svolge la doppia elica del DNA in preparazione della sua trascrizione. Nella prima fase, le elicasi inattive vengono caricate sul DNA all’origine, dove viene avviata la replicazione. Durante la seconda fase, viene attivata l’elicasi, per decodificare il DNA.

Pronto (scarica helicase)…

Il processo inizia con un gruppo di sei proteine ​​che si trovano all’origine. Questo gruppo si chiama ORC A forma di anello a doppio strato Il team di Berger ha scoperto che aveva una pratica fessura che gli permetteva di scivolare nei filamenti di DNA.

Nel lievito di birra, uno dei preferiti dagli scienziati che studiano la replicazione del DNA, questi siti iniziali sono facili da individuare: contengono una specifica sequenza di DNA di base lunga da 11 a 17 lettere, ricca delle basi chimiche adenina e timina. Gli scienziati hanno visto un orco afferrare il DNA e poi scivolare avanti, Trova la sequenza di origine Finché non trova il posto giusto.

Ma negli esseri umani e in altre forme di vita complesse, i siti di iniziazione non sono chiaramente definiti, e non è del tutto chiaro cosa faccia scattare e trattenere un orco, dice Alessandro Costa, un biologo strutturale del Crick Institute che, con Devley, ha scritto Informazioni sull’inizio della replicazione del DNA Nell’Annual Review of Biochemistry del 2022, sembra probabile che la replicazione inizi in luoghi in cui il genoma, solitamente strettamente avvolto attorno a proteine ​​chiamate istoni, si è allentato.

Una volta che l’ORC poggia sul DNA, attrae un secondo complesso proteico: uno che include l’elica che alla fine svolgerà il DNA. Costa e colleghi hanno utilizzato la microscopia elettronica per vedere come vengono utilizzati gli orchi Attira prima un’elica, poi un’altra. Anche l’elicasi è a forma di anello e ognuna si dispiega per avvolgere il DNA a doppio filamento. Poi i due piani si chiudono di nuovo, uno di fronte all’altro sui filamenti di DNA, come due perline su un filo.

All’inizio se ne stanno lì seduti, come macchine senza benzina nel serbatoio. Non è ancora stato attivato e, al momento, la cellula svolge il suo normale lavoro.

Ottieni un set (Attivazione Helicase)…

Le cose iniziano molto rapidamente quando un’importante molecola chiamata CDK sventola la bandiera verde, innescando un salto nei passaggi chimici che attirano più proteine. Uno di questi è la DNA polimerasi, quella che Costa chiama la “macchina da scrivere” che costruirà nuovi filamenti di DNA, che si attacca a ciascuna elicasi. Altri attivano le elicasi, che ora possono bruciare energia per fluire lungo il DNA.

Quando ciò accade, cambia la forma delle eliche, spingendo un filamento di DNA e tirando l’altro. Questo crea stress sui deboli legami idrogeno che normalmente tengono insieme i due filamenti mediante le basi: As, Cs, Ts e Gs che costituiscono i pioli della scala del DNA. I ciuffi sono strappati. Costa ei suoi colleghi hanno osservato come erano questi due elicotteri decifrare il DNA tra di loroE hanno visto come gli aerei mantengono le basi libere stabili e lontane.

Lui va!

All’inizio, entrambi gli stati erano avvolti attorno a entrambi i filamenti di DNA, e non potevano arrivare così lontano, perché erano uno di fronte all’altro e si sarebbero scontrati. Ma poi entrambi subiscono un cambiamento di riposizionamento, sputando un filamento di DNA o l’altro fuori dal giro. Ora separati, possono affollarsi l’uno sull’altro e la replica continua rapidamente.

Ogni motore helicase si muove lungo il proprio singolo filo, nella direzione opposta all’altra. Lasciano l’origine alle spalle e si allontanano dalle coppie di basi legate all’idrogeno mentre viaggiano. La DNA polimerasi è proprio dietro di essa, trascrivendo le lettere del DNA quando vengono liberate dai loro partner.

Il secondo compito del CDK è impedire a qualsiasi altro velivolo di saltare sulle risorse. Pertanto, c’è un unico inizio di replicazione per ogni parentela, che garantisce una corretta trascrizione del genoma, anche se la trascrizione non inizia contemporaneamente in ogni sito. L’intero processo di replicazione del DNA nelle cellule umane dura circa otto ore.

C’è ancora molto da fare. Per prima cosa, il DNA che viene copiato non è una doppia elica nuda. È avvolto attorno agli istoni e attaccato a molte altre proteine ​​che sono coinvolte nell’attivazione o disattivazione dei geni Crea copie dei geni dell’RNA. In che modo queste proteine ​​di flusso si influenzano a vicenda ed evitano conflitti tra loro?

Oltre a questa affascinante biologia di base – un processo affascinante che è essenziale per tutta la vita sulla Terra – ci sono implicazioni per malattie come il cancro. Gli scienziati sanno già che la replicazione difettosa può destabilizzare il DNA e un genoma instabile soggetto a mutazioni può essere un segno distintivo precoce dello sviluppo del cancro. delusione Ulteriori indagini Legami tra proteine ​​di replicazione e cancro.

“Penso che ci siano opportunità per interventi terapeutici per questi sistemi”, afferma Berger, “una volta che avremo abbastanza informazioni su come funzionano e su come sono”.

danza d’ambra, uno scrittore scientifico nell’area di Los Angeles, ama anche suddividere grandi compiti in parti più piccole: Mi ci sono voluti cinque giorni per completare le fasi di stesura di questo articolo. Questo articolo è apparso originariamente in Famosa rivista, uno sforzo giornalistico indipendente da Annual Reviews. Iscrizione le notizie.