La replicazione del DNA

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1 La replicazione del DNA

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3 Modelli proposti per la replicazione del DNA Alla fine degli anni 1950 erano stati proposti tre modelli per la replicazione del DNA Modello Conservativo Entrambe le eliche parentali rimangono unite insieme dopo la replicazione Modello Semiconservativo La doppia elica del DNA dopo la replicazione contiene una elica parentale ed una elica figlia (di nuova sintesi) Modello Dispersivo Le eliche parentali sono distribuite in maniera dispersa nelle doppie eliche del DNA dopo la replicazione

4 I tremodelliper la replicazionedel DNA

5 Esperienza di Meselsone Stahl (1958)

6 Interpretazionedeidati After ~ two generations, DNA is of two types: light and half-heavy After one generation, DNA is half-heavy This is consistent with only the semi-conservative model

7 La replicazionein E.coli(Cairns 1963)

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9 La replicazionedel DNA in vitro Studi pioneristici sulla replicazione in vitro del DNA Arthur Kornberg - premio nobel nel 1959 Kornberg osservò replicazione utilizzando Estratto proteico di E. coli DNA stampo Nucleotidi radiomarcati Incubazione per consentire la sintesi del DNA Aggiunta di acido per precipitare il DNA Centrifugazione per separare il DNA dai nucleotidi liberi

10 Arthur Kornberg nel isola la DNA polimerasi I

11 La sintesiavviene in direzione3 -> 5

12 L energia per la formazione del legame è portata dal nucleotide entrante e non dalla catena in crescita Importante per la correzione degli errori

13 La DNA polimerasi I

14 La DNA polimerasi I

15 Attività esonucleasichedella DNA poli Esonucleasi 3 ->5 proofreading o correttore di bozze

16 Attività esonucleasichedella DNA poli Esonucleasi 5 ->3 sintesi di riparo

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18 Struttura ai raggi X del frammeno di Klenow della DNA-polI di E.coli

19 La DNA polimerasi I

20 Lo stesso sito attivo per i 4 dntp

21 Gli ioni Mg stabilizzano la struttura dello stato di transizione pentacovalente

22 La DNA polimerasi I

23 La DNA polimerasi I Incorporazione di un nucleotide errato volte più lenta

24 La DNA polimerasi I

25 cambio conformazionale della DNA pol I prima della formazione del legame covalente attività esonucleasica per correggere l errore L energia per la formazione del legame è portata dal nucleotide entrante e non dalla catena in crescita

26 Meccanismo di proofreading Correzione della incorporazione errata di nucleotidi (forme tautomeriche dei nucleotidi)

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30 La DNA polimerasi richiede un innesco Estremità 3 -OH libera

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33 La replicazione del DNA

34 La Replicazione necessita di un apparato enzimatico complesso: -DNA Polimerasi -Proteine iniziatrici -Primasie Elicasi; -Proteine che stabilizzano il DNAsse lo proteggono dalla degradazione; -Proteine che stimolano le DNA polimerasi. -Topoisomerasi che eliminano i superavvolgimenti -Ligasi

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36 DNA elicasi DNA elicasi-proteine esameriche processive aprono la doppia elica

37 DNA elicasi

38 DNA topoisomerasi Topoisomerasirimuovono i superavvolgimenti introdotti dall azione delle elicasi

39 DNA topoisomerasi

40 Single stranddna bindingproteins(ssbp)

41 SSB Proteins DNA

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45 Filamento leader e filamento ritardato

46 Leading strand e lagging strand Frammenti di Okazaki

47 Processività

48 Processività

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50 Slidingclamp: proteine con stuttura esagonale conservate nell evoluzione (PCNA negli eucarioti)

51 Sliding clamp isolate da differenti organismi. Posizionate sul DNA utilizzando ATP

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53 Fasi della replicazione

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55 Eliminazione del primer procarioti eucarioti

56 Reazioni catalizzate dalla DNA ligasi in E.coli. Negli eucarioti NAD+ è rimpiazzato da ATP

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58 LA REPLICAZIONE DEL DNA Meccanismi comuni tra procarioti ed eucarioti DNA molecola a doppia elica Elica parentale Sintesi del DNA 5 3 Richiesta di inneschi o primer Forca di replicazione Elica parentale 3 5 (leading strand) Elica parentale 5 3 (lagging strand) Frammenti di Okazaki Ogni elica funziona da stampo Sintesi elica complementare DNA-polimerasi RNA-polimerasi Replicazione bidirezionale Replicazione continua Replicazione discontinua nt

59 DNA-POL NEI PROCARIOTI DNA-polimerasi I - Riparo, rimozione primer, solo su doppia elica (3 attività catalitiche) DNA-polimerasi Esonucleasi (3 5 ) Esonucleasi (5 3 ) Scissione proteolitica produce due frammenti Frammento piccolo (1-323) attività 5 3 Esonucleasi Frammento di Klenow ( ) attività polimerasi e 3 5 esonucleasi dominio esonucleasi dominio DNA-polimerasi (scissura profonda) DNA-polimerasi II Riparo (2 attività catalitiche) DNA-polimerasi Esonucleasi (3 5 ) DNA-polimerasi III Replicazione (2 attività catalitiche) DNA-polimerasi Esonucleasi (3 5 ) (proofreading) Cosituita da varie subunità ed un CORE catalitico composto da: Subunità α (Gene polc di E.Coli ) Attività polimerasi Subunità ε Attività 3 5 esonucleasi Subunità θ

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61 REPLICAZIONE IN E.Coli Inizio della replicazione nel locus OriC (~250bp AT-rich) La proteina DnaA si lega ad OriC (richiesto ATP) Si associa la proteien DnaB (elicasi) esamerica > unwinding (richiesto ATP) DNA-girasi (topoii) elimina supercoiling SSB proteins mantengono il DNA a singola elica Sintesi dei primers o inneschi Sintesi primer a RNA sulle leading e ladding strands Primosome (600 kda contiene DnaB-elicasi e DnaG-primasi) Sintesi del DNA La sintesi è catalizzata dalla DNApol-III Replisoma (2 DNA-pol-III una per lading ed una per lagging strand) 2 subunità β formano un anello che scorre lungo il DNA La leading strand viene duplicata in maniera continua (1000 nt/sec) La lagging strand forma un loop e richiede un nuovo primer ogni 1000 nt frammenti di Okazaki Rimozione dei primers DNA-pol-I rimuove i primers e sintetizza il DNA Unione dei frammenti DNA-ligasi unisce le interruzioni Termine della replicazione Regione terminatore, opposta a OriC (sequenze terminatrici TerE-F) Proteine Tus si legano ai siti Ter impedendo l apertura dell elica del DNA

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63 replicatore: sequenze agenti in cis ricche in AT verde:siti di legame dell iniziatore blu:elementi di apertura della doppia elica

64 l iniziatore di E.coli, la proteina DnaA,è regolata da ATP e da SeqA Iniziatore interagisce con il DNA e altri fattori

65 Inizio della replicazione in E.coli

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67 Oloenzima della DNA pol III

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69 REPLICAZIONE IN E.Coli

70 REPLICAZIONE IN E.Coli

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76 Rimozione dei primer e completamento delle interruzioni

77 Il problema della ri-replicazione

78 Controllo della ri-replicazione

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80 Termine della replicazione Il termine della replicazione avviene a livello della regioneter del cromosoma di E. coli La regioneter è ricca ing e T e segnalailtermine della replicazione La regione terminatore ter è specificamente legata dal fattore Tus Tus impedisce il passaggio della forca di replicazione inibendo l attività elicasica

81 Terminazione della replicazione in E.coli Proteina Tus-terminator utilization substance

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85 DNA-POL NEGLI EUCARIOTI DNA polimerasi α: NUCLEARE Attività primasi Attività esonucleasica assente (no proofreading) Processività moderata: 100 nt/sec Coinvolta nella replicazione -> Replicazione lagging strand DNA polimerasi β: NUCLEARE Partecipa al riparo del DNA DNA polimerasi γ: MITOCONDRIALE Simile nei cloroplasti -> Replicazione DNA non-nucleare DNA polimerasi δ: NUCLEARE Priva di attività primasi Solo attività 3 5 esonucleasi Processività elevata specie se associata a PCNA PROLIFERATING CELL NUCLEAR ANTIGEN (PCNA) 3 subunità a forma di anello Simile alla subunità β della DNApol-III Complesso PCNA-DNAPol δ -> Replicazione lagging/leading strand DNA polimerasi ε: NUCLEARE Elevata processività anche in assenza di PCNA Solo attività 3 5 esonucleasi Riparo danni da radiazioni UV (Replicazione lagging strand)

86 REPLICAZIONE NEGLI EUCARIOTI Inizio della replicazione Siti di origine multipli (ogni kb) Replicazione non simultanea in tutte le origini Unità di replicazione -> REPLICON con una origine Attivazione sequenziale di gruppi costituiti da replicons adiacenti Meccanismo non completamente noto Nel lievito: Inizio replicazione -> ARS (Autonomously replicating sequences) Sequenze di 11bp adiacenti a regioni di DNA facilmente denaturabili Richiesta attività elicasi (MCM) Problemi correlati alla replicazione del DNA eucariotico Sincronizzazione della replicazione Sincronizzazione con il ciclo cellulare Struttura cromatina DNA eucariotico organizzzato in livelli strutturali Primo livello -> nucleosomi Disassemblaggio nucleosomi prima dell apertura della doppia elica Riassemblaggio dei nucleosomi dopo la duplicazione Replicazione estremità 5 Incompleta duplicazione estremità 5 terminali Telomeri (sequenze ripetitive) Telomerasi -> duplicazione estremità terminali

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88 Origini di replicazione multiple negli eucarioti ogni nucleotidi ( ori nell uomo)

89 I repliconi dei genomi di vari organismi Organismo No. di repliconi Lunghezza media velocità della forca E.coli Lievito Drosophila Xenopus Topo Vicia faba kb 40 kb 40 kb 200 kb 150 kb 300 kb bp/min bp/min bp/min 500 bp/min bp/min

90 Origini multiple della replicazione negli eucarioti

91 ORC lega e idrolizza ATP

92 ORC lega e idrolizza ATP

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95 Sintesi del primer negli eucarioti switching della polimerasi

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97 Struttura ai raggi X dell antigene nucleare di proliferazione cellulare PCNA

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100 Allungamento

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105 I nucleosomidurante la replicazione

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108 ORC: origin recognition complex Cdc6, Cdt1: caricatori dell elicasi Cdk: chinasi ciclina dipendenti

109 Attivazione della CDK chinasi ciclina dipendente

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116 I TELOMERI Replicazione estremità 5 del lagging strand L ultimo primer utilizzato non può essere rimosso Accorciamento del DNA alle estremità TELOMERI: Estremità di ciscun cromosoma costituiti da 1000 ripetizioni di una piccola sequenza G-RICH (GGGGTTA) estensione a singola elica di nucleotidi all estremità 3 (G-tail) G-tail funziona da stampo per il primer che inizia l ultimo frammento di Okazaki della lagging strand

117 REPLICAZIONE TELOMERICA Mentre la forca di replicazione si muove verso l estremità del cromosoma la replicazione della lagging C-strand genera un DNA con una estremità 3 -sporgente a singolo filamento detta G- tail come risultato della eliminazione del primer di RNA dell ultimo frammento di Okazaki. La replicazione della leading G-strand può duplicare completamente il DNA lasciando una estremità piatta che però non è substrato della Telomersi. In questo caso l estremità 3- sporgente (G-tail) viene generata mediante degradazione esonucleasica della C-strand La telomerasi estende la G- strand mentre la DNApolimerasi completa la sua duplicazione (attraverso il meccanismo convenzionale) Le freccie indicano le estremita 3 Le linee azzurre indicano la replicazione della leading e lagging strands Le barre azzurre rappresentano i primers di RNA Le linee rosse indicano l'allungamento prodotto dalla telomerasi

118 LA TELOMERASI Sintetizza e mantiene il DNA telomerico È una ribonucleoproteina La molecola di RNA contiene una sequenza (UAACCCC nei mammiferi) complementare all unità ripetitica telomerica (GGGGTTA nei mammiferi) La subunita TERT ("TElomere Reverse Transcriptase") possiede l attività catalitica La telomerasi è una trascrittasi inversa (sintetizza DNA su stampo di RNA) Rif (Rap1 interacting factors) Rap1 (repressor/activator-site binding protein) in S. cerevisiae TRF1 (telomeric-repeat binding factor-1) in humans Mantenimento del DNA telomerico: G-rich strand Telomerasi C-rich strand DNA-polimerasi Cdc13 e Stn1 G-tail binding proteins RPA ssdna binding protein Rap1/TRF1 Sequence specific dsdna binding protein

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120 LA TELOMERASI

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123 Struttura dell oligonucleotide telomerico detto quartetto G

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127 Discheratosi congenita: perdita della funzione della telomerasi

128 MALFUNZIONAMENTO NEI TELOMERI La degradazione delle estremità 5 non controllata provoca un aumento della estensione a singola elica in 3 coperta da ssdna binding proteins che può portare ad una esposizione delle sequenze telomeriche prima a doppia elica Una azione incontrollata della telomerasi può alterare le funzioni di capping a livello dei telomeri o sbilanciare la sintesi delle G.rich e C-rich strands, che possono portare all accumulo di DNA in 3

129 Controllo della lunghezza dei telomeri POT:proteine di protezione dei telomeri TRF: fattori che legano le ripetizioni telomeriche

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133 Farmaci antivirali Molti antivirali interferiscono con gli enzimi coinvolti nel processo virale Gli Inibitori della DNA polimerasi virale sono anche composti ad attività antitumorale. l'ara-a o vidarabina è prevalentemente un antivirale, il suo analogo Ara-C o citarabina è principalmente un farmaco antineoplastico; Anche la Timidilato Sintasi è bersaglio antivirale: questa può legare gli antimetaboliti, al posto dei metaboliti veri, incorporarli nel DNA e RNA virale con l'intervento di un apposito enzima provocando la sua distruzione, quindi eliminando l'infezione..

134 Nucleosidi purinici modificati allo zucchero (nucleosidi aciclici) I nucleosidi aciclici nascono dall esigenza di trovare inibitori della adenosina deaminasi da somministrare assieme a Ara-A, per migliorarne l effetto. Il composto 9-(2-idrossietossimetil)adenina si rivelò essere un substrato per l adenosina deaminasi. Il fatto che questo spezzone zuccherino potesse essere riconosciuto da un enzima fece ipotizzare che potesse essere riconosciuto anche da altri enzimi. Nacquero così gli aciclonucleosidi, il più importante dei quali è l aciclovir. Aciclovir : [9-(2'-idrossietossimetil)guanina], usato come tale o sottoforma di sale sodico. Agisce sulla DNA polimerasi virale. Struttura zuccherina profondamente modificata. L'aciclovir è un nucleoside ad ampio spettro e a grande selettività.

135 Formule di struttura di analoghi pirimidinici O O HN O N H F HN O O N HOH 2 C O HO F O H 3 C N O HN C O (CH 2 ) 4 CH 3 N OH OH Fluorouracile Floxuridina Capecitabina F NH 2 NH 2 N O N HOH 2 C O HO N O N HOH 2 C O F HO HO F Citarabina Gemcitabina

136 Nucleosidi derivati dall adenina NH 2 O N N HN N HO H N O OH N HO O P OH O H N O OH N HO H HO H VIDARABINA (AraA) Ara-Hx-MP Utilizzati contro Herpes simplex e varicella zoster Ara A agisce con diversi meccanismi d azione diminuisce resistenza ma aumenta tossicità. 1) Come trifosfato inibisce DNA polimerasi 2) Incorporata nel DNA (virus e ospite) 3) Inibisce reazioni transmetilazione (metil transferasi) 4) Inibisce dideossiadenosindifosfato da ADP ( ATP)

137 Nucleosidi pirimidinici modificati allo zucchero e alla base NH 2 N I HO H O O F N HO H FIAC (5-iodo-1(2 -deossi-2 -fluoroβd-arabinosofuranosil)citosina Attivo contro HSV-1; HSV-2; citomegalovirus; Epstein Barr virus. Inibisce DNA polimerasi

138 Nucleosidi pirimidinici modificati allo zucchero O HN CH 3 HO H O O F N HO H FMAU 1(2-deossi-2-fluoroβD-arabinofuranosil)timina Attivo contro HSV-1; HSV-2; citomegalovirus; Inibisce DNA polimerasi

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