A replicação do DNA é o processo pelo qual uma célula duplica seu genoma antes da divisão celular, garantindo que cada célula filha receba uma cópia idêntica do material genético. O processo é semiconservativo, significando que cada nova molécula de DNA consiste em uma fita original e uma fita recém-sintetizada. Este princípio também é a base para a PCR, uma técnica usada para amplificar sequências específicas de DNA.
Origens de Replicação
A replicação começa em sequências específicas chamadas origens de replicação. Em E. coli, a única origem é chamada oriC, uma região de 245 pares de base contendo sequências DnaA box e repetições ricas em AT. A proteína iniciadora DnaA liga-se a estas sequências, causando a fusão local da região rica em AT. Os cromossomos eucarióticos contêm múltiplas origens de replicação espaçadas aproximadamente a cada 30 a 100 quilobases. O sistema de licenciamento garante que cada origem dispare apenas uma vez por ciclo celular, carregando o complexo da helicase Mcm durante a fase G1.
A Forquilha de Replicação
Uma vez que o DNA é aberto, a maquinaria de replicação se monta na forquilha de replicação. A DNA helicase desenrola a dupla hélice, com DnaB em bactérias e o complexo CMG contendo Mcm2-7 em eucariotos. As proteínas de ligação a fita simples revestem as fitas expostas, prevenindo o reanelamento e protegendo-as de nucleases. A topoisomerase alivia o estresse torsional criado pelo desenrolamento à frente da forquilha.
DNA Polimerases
As DNA polimerases catalisam a adição de nucleotídeos à extremidade 3’ de uma fita crescente de DNA, exigindo um molde e um iniciador com uma hidroxila 3’ livre. Elas sempre sintetizam na direção 5’ para 3’ e não podem iniciar a síntese de novo. E. coli tem cinco DNA polimerases, com a Pol III sendo a principal enzima replicativa. Eucariotos têm pelo menos 15, com Pol delta e Pol epsilon responsáveis pela síntese da fita descontínua e contínua, respectivamente.
Síntese das Fitas Líder e Retardada
Como as DNA polimerases só podem sintetizar na direção 5’ para 3’, as duas fitas são replicadas diferentemente. A fita líder é sintetizada continuamente na mesma direção do movimento da forquilha, exigindo apenas um iniciador. A fita retardada é sintetizada descontinuamente em fragmentos curtos chamados fragmentos de Okazaki, cada um exigindo um novo iniciador. Em eucariotos, os fragmentos de Okazaki têm cerca de 100 a 200 nucleotídeos de comprimento. A primase, uma RNA polimerase especializada, sintetiza iniciadores de RNA curtos de cerca de 10 nucleotídeos.
Remoção do Iniciador e Ligação
Os iniciadores de RNA na fita retardada devem ser removidos e substituídos por DNA. Em bactérias, a DNA polimerase I remove o iniciador de RNA através de sua atividade exonuclease 5’ para 3’ e preenche a lacuna. Em eucariotos, a RNase H remove a maior parte do iniciador, e a nuclease FEN1 remove o último ribonucleotídeo. A DNA ligase sela a quebra entre fragmentos adjacentes, consumindo NAD+ em bactérias ou ATP em eucariotos e arqueias. A digestão com enzimas de restrição gera fragmentos compatíveis que podem ser unidos pela DNA ligase na clonagem molecular.
Fidelidade da Replicação
A replicação do DNA alcança notável precisão, com taxas de erro de cerca de um erro por 10^10 nucleotídeos. Esta fidelidade resulta de três mecanismos. Primeiro, as DNA polimerases têm alta seletividade geométrica, discriminando contra pareamento incorreto de bases durante a incorporação. Segundo, a atividade exonuclease 3’ para 5’ das polimerases replicativas revisa as bases recém-adicionadas, removendo incompatibilidades imediatamente. Terceiro, o reparo de incompatibilidade pós-replicação corrige erros que escapam da revisão. Defeitos no reparo de incompatibilidade causam instabilidade de microssatélites e predispõem ao câncer colorretal hereditário não poliposo.
Replicação dos Telômeros
As extremidades dos cromossomos lineares eucarióticos representam um problema especial porque a DNA polimerase não pode replicar a extremidade final da fita retardada. Os telômeros, sequências repetitivas de DNA nas extremidades dos cromossomos, são estendidos pela telomerase, uma transcriptase reversa especializada que carrega seu próprio modelo de RNA. A telomerase adiciona repetições TTAGGG em humanos, prevenindo o encurtamento progressivo. A telomerase é ativa em células germinativas, células-tronco e na maioria das células cancerosas, enquanto as células somáticas não têm telomerase e sofrem encurtamento dos telômeros a cada divisão, contribuindo para a senescência celular.
