Replicação

SEMICONSERVATIVA: A partir da estrutura tridimensional do DNA proposta por Watson e Crick em 1953, várias implicações genéticas importantes estavam imediatamente aparentes. Especulava-se pelo menos três modos diferentes pelos quais a molécula de DNA parental poderia estar relacionada às moléculas filhas. Esses modos hipotéticos de replicação são chamados de semiconservativo, conservativo e dispersivo. Na replicação semiconservativa, a dupla hélice de cada molécula-filha de DNA contém um filamento da molécula original de DNA e um filamento recém-sintetizado. Entretanto, na replicação conservativa, a molécula de DNA parental é conservada, e uma única dupla hélice-filha é produzida, consistindo em dois filamentos recém-sintetizados. Na replicação dispersiva, as moléculas-filhas consistem em filamentos, cada um contendo segmentos de ambos, o DNA parental e o recém-sintetizado. Em 1958, dois jovens cientistas, Matthew Meselson e Franklin Stahl, descobriram qual dessas possibilidades descreve corretamente a replicação do DNA. A ideia deles era permitir que as moléculas de DNA parental contendo nucleotídeos de uma densidade fossem replicadas em um meio contendo nucleotídeos de densidades diferentes. Se o DNA fosse replicado de maneira semiconservativa, as moléculas-filhas deveriam ser metade velhas e metade novas, e, portanto, de densidade intermediária. Para fazer seu experimento, Meselson e Stahl cultivaram E. coli em um meio contendo o isótopo pesado de nitrogênio (15N) o DNA das células foi bem marcado com o isótopo pesado. As células foram, então, removidas do meio com 15N e colocadas em um meio com 14N. Após duas divisões celulares, as amostras foram colhidas e o DNA foi isolado de cada amostra. Meselson e Stahl foram capazes de distinguir o DNA de densidades diferentes por um procedimento chamado centrifugação em gradiente de cloreto de césio onde o DNA de densidades diferentes formará bandas em locais diferentes. Após duas gerações, ambos os DNA, intermediário e de baixa densidade, foram observados, exatamente como previsto pelo modelo de replicação semiconservativa de WatsonCrick. Existem, entretanto, muitas formas diferentes nas quais a replicação semiconservativa pode ocorrer, com diferença principalmente na natureza do DNA molde, ou seja, se ele é linear ou circular. As unidades de replicação são chamadas de REPLICONS, cada uma com uma origem de replicação. A replicação inicia na origem e continua até o replicon inteiro ser replicado. Os cromossomos bacterianos têm uma única origem de replicação, enquanto os cromossomos eucarióticos têm várias origens. Existem 3 tipos de replicações A replicação teta, a replicação por círculo rolante e a replicação linear apresentam diferenças com relação ao início e progresso da replicação, mas todas produzem novas moléculas de DNA por meio da replicação semiconservativa.

REPLICAÇÃO TETA: Um tipo comum de replicação que ocorre no DNA circular, ela gera uma estrutura que lembra a letra grega teta (θ).  Na replicação teta, o DNA de fita dupla começa a se desenrolar na origem da replicação, produzindo fitas de nucleotídios de fita única que servem como moldes nos quais o novo DNA pode ser sintetizado. O desenrolamento da dupla-hélice gera uma alça, chamada bolha de replicação. O desenrolamento pode ser em uma ou em ambas as extremidades da bolha, tornando-a progressivamente maior. A replicação do DNA em ambas as fitas molde é simultânea com o desenrolamento. O ponto de desenrolamento, onde as duas fitas únicas de nucleotídios se separam da hélice de fita dupla do DNA, é chamado de forquilha de replicação. Se existem duas forquilhas de replicação, uma em cada extremidade da bolha de replicação, as forquilhas continuam para fora nos dois sentidos em um processo chamado de replicação bidirecional, simultaneamente abrindo e replicando o DNA até elas se encontrarem. Se houver uma única forquilha de replicação, ela prossegue ao redor do círculo inteiro. Tanto a replicação bidirecional quanto a unidirecional produzem duas moléculas de DNA circulares completas, cada uma com uma fita antiga e uma fita nova de nucleotídios.

REPLICAÇÃO POR CÍRCULO ROLANTE: Outro modo de replicação, chamado replicação por círculo rolante Esse modo de replicação é iniciado por uma ruptura em uma das fitas de nucleotídios que cria um grupo 3′-OH e um grupo 5′-fosfato. Novos nucleotídios são adicionados à extremidade 3′ da fita rompida, com a fita interna (não rompida) servindo como molde. À medida que novos nucleotídios são adicionados à extremidade 3′, a extremidade 5′ da fita rompida é deslocada do molde, rolando como um fio sendo retirado de um carretel. A extremidade 3′ cresce ao redor do círculo, originando o nome de círculo rolante.

REPLICAÇÃO EUCARIÓTICA LINEAR: As moléculas de DNA circulares que sofrem replicação teta ou por círculo rolante têm uma única origem de replicação. Por causa do tamanho limitado dessas moléculas de DNA, a replicação que inicia a partir da origem consegue atravessar o cromossomo inteiro em um tempo razoável. Os cromossomos lineares maiores nas células eucarióticas, entretanto, têm muito DNA para ser replicado rapidamente a partir de uma única origem. A replicação eucariótica prossegue em uma taxa de 500 a 5.000 nucleotídios por minuto em cada forquilha de replicação (consideravelmente mais lenta que a replicação bacteriana). Mesmo a 5.000 nucleotídios por minuto em cada forquilha, a síntese do DNA iniciando a partir de uma única origem levaria 7 dias para replicar um típico cromossomo humano com 100 milhões de pares de base de DNA. A replicação dos cromossomos eucarióticos ocorre em questão de minutos ou horas, e não dias. Essa velocidade é possível porque a replicação inicia em milhares de origens. Os replicons eucarióticos típicos têm de 20.000 a 300.000 pares de base de comprimento. Em cada origem de replicação, o DNA se desenrola e produz uma BOLHA de replicação. A replicação ocorre em ambas as fitas em cada extremidade da bolha, com as duas forquilhas de replicação se espalhando para fora. Por fim, as forquilhas de replicação dos replicons adjacentes correm na direção uma da outra, e os replicons se unem para formar longos trechos de DNA recém-sintetizado. A replicação e a fusão de todos os replicons geram duas moléculas idênticas de DNA.

Mesmo diferentes, em todos tres tipos o DNA É REPLICADO PELA DESELICOIDIZAÇÃO DOS DOIS FILAMENTOS DA DUPLA HÉLICE E PELA CONSTRUÇÃO DE NOVOS FILAMENTOS COMPLEMENTARES EM CADA UM DOS FILAMENTOS SEPARADOS DA DUPLA HÉLICE ORIGINAL. Embora o processo de replicação inclua muitos componentes, eles podem ser combinados em três grupos principais:

1.      Um molde de DNA de fita dupla.

2.      Matérias-primas (substratos) a serem montadas em uma nova fita de nucleotídios.

3.      Enzimas e outras proteínas que “leem” o molde e reúnem os substratos em uma molécula de DNA.

ORIGEM DE REPLICAÇÃO: Existem algumas sequências de DNA possibilitam a replicação quando transferidas de um cromossomo para pequenos pedaços circulares de DNA (plasmídios). Essas sequências de replicação autônoma (ARSs) possibilitam a replicação de qualquer DNA ao qual estejam ligadas. Posteriormente, foi demonstrado que elas são as origens da replicação nos cromossomos.  A replicação é iniciada em uma origem de replicação, onde uma proteína de iniciação se liga e faz com que um pequeno segmento do DNA se desenrole. A enzima DNA HELICASE rompe as pontes de hidrogênio em uma forquilha de replicação e as proteínas ligadoras de DNA de fita única estabilizam as fitas separadas. A DNA GIRASE reduz a tensão de torção que surge à medida que as duas fitas de DNA de dupla-hélice se desenrolam. As origens da replicação de diferentes organismos eucarióticos variam muito na sequência, embora elas tenham vários pares de base A-T devido estes pares serem mantidos juntos apenas por DUAS PONTES DE HIDROGÊNIO, enquanto os pares de bases GC são mantidos juntos por três. Assim, é mais fácil separar (dissociar) a dupla hélice em trechos do DNA ricos em bases A e T. Um complexo de multiproteínas, o complexo de reconhecimento da origem (ORC), liga-se às origens e desenrola o DNA nessa região. As células eucarióticas utilizam milhares de origens, de modo que o genoma inteiro possa ser replicado em tempo hábil. Entretanto, o uso de múltiplas origens cria um problema especial no cronograma da replicação: o genoma inteiro precisa ser replicado com precisão uma vez, e apenas uma vez, em cada ciclo celular de modo que nenhum gene seja esquecido e nenhum gene seja replicado mais de uma vez. A replicação precisa do DNA é possível ao separar a iniciação da replicação em duas etapas diferentes.

1.      Na primeira etapa, as origens são LICENCIADAS, aprovadas para replicação. Isso ocorre no início do ciclo celular, quando um fator de licenciamento de replicação se prende a uma origem.

2.      Na segunda etapa, o maquinário da replicação inicia o processo em cada origem licenciada.

A chave é que o maquinário de replicação atue apenas nas origens licenciadas. À medida que as forquilhas de replicação se afastam da origem, o fator de licenciamento é removido, deixando a origem em um estado de não licenciada, em que a replicação não pode ser iniciada novamente até a renovação do licenciamento. Para garantir que a replicação ocorra apenas uma vez por ciclo celular, o fator de licenciamento é ativado apenas depois de a célula ter completado a mitose e antes que a replicação seja iniciada. Um fator de licenciamento eucariótico é um complexo chamado MCM (para manutenção de minicromossomo), com uma DNA helicase que desenrola um segmento curto de DNA na iniciação da replicação. O MCM deve se ligar ao DNA para iniciar a replicação em uma origem. Após a replicação começar em uma origem, uma proteína chamada Geminina evita que o MCM se ligue ao DNA e reinicie a replicação naquela origem. No final da mitose, a Geminina é degradada, tornando possível que o MCM se ligue mais uma vez ao DNA e autorize novamente a origem. O MCM também funciona como DNA helicase durante o processo de replicação.

DESENROLAMENTO: Como a síntese do DNA requer um molde de fita única e o DNA de fita dupla tiver de ser desenrolado antes que ocorra a síntese de DNA, a célula depende de várias proteínas e enzimas para fazer a desenrolamento. A DNA helicase rompe as pontes de hidrogênio entre as bases de duas fitas de nucleotídios de uma molécula de DNA. A helicase não pode iniciar o desenrolamento do DNA de fita dupla; a proteína de iniciação separa primeiro as fitas de DNA na origem, fornecendo um curto segmento de DNA de fita dupla onde essa enzima se liga. A helicase liga-se ao molde da fita tardia em cada forquilha de replicação e move-se na direção 5′ →3′ ao longo dessa fita, também movendo a forquilha. A dupla hélice de DNA é desenrolada na forquilha de replicação, e os dois filamentos separados assim produzidos servem como moldes para a polimerização de nucleotídios livres. A replicação do DNA ocorre na forquilha de replicação, onde a dupla hélice está se desenrolando e os dois filamentos estão se separando. A replicação do DNA ocorre continuamente no sentido da forquilha de replicação em deselicoidização no filamento de replicação contínua. O DNA é sintetizado em segmentos curtos, afastando-se da forquilha de replicação, no filamento de replicação descontínua. A DNA polimerase demanda um primer, uma cadeia curta de nucleotídios, posicionado para começar a síntese. Após o DNA ser desenrolado pela helicase, as PROTEÍNAS LIGADORAS DE DNA DE FITA ÚNICA (SSBS) prendem-se firmemente ao DNA de fita única exposto. Essas proteínas protegem as cadeias de nucleotídios de fita única e evitam a formação de estruturas secundárias como os grampos que interferem na replicação. De forma diversa à de muitas proteínas ligadoras de DNA, as SSBs são indiferentes à sequência de base: elas se ligam a qualquer DNA de fita única. Essas proteínas formam tetrâmeros (grupos de quatro); cada tetrâmero abrange de 35 a 65 nucleotídios. Outra proteína essencial para o processo de desenrolamento é a enzima DNA girase, uma TOPOISOMERASE. As topoisomerases controlam o superenrolamento do DNA. Existem dois tipos principais dessa enzima: as topoisomerases tipo I alteram o superenrolamento ao fazer rupturas de fita única no DNA, enquanto as topoisomerases tipo II criam rupturas de fita dupla. A DNA girase é uma topoisomerase tipo II. Na replicação, ela reduz a tensão de torção (TORQUE) que surge à frente da forquilha de replicação como resultado do desenrolamento. Ela reduz o torque ao romper a fita dupla em um segmento da hélice de DNA, passando outro segmento da hélice através da ruptura e, então, liberando as extremidades rompidas do DNA. Essa ação, que requer ATP, remove uma deformação no DNA e REDUZ O SUPERENROLAMENTO.

POLIMERASE: Após o DNA ser desenrolado e um primer ser adicionado, as DNA polimerases prolongam a fita nova de polinucleotídios ao catalisar a polimerização do DNA. Algumas diferenças expressivas nos processos de replicação bacteriana e eucariótica são o número e as funções das DNA polimerases. Existem pelo menos cinco DNA polimerases conhecidas. Duas delas, a DNA polimerase I e a DNA polimerase III, sintetizam DNA na replicação; as outras três têm funções especializadas no reparo do DNA. A DNA polimerase I, ou pol I tem três atividades, que parecem estar localizadas em partes diferentes da molécula:

1. uma atividade de polimerase, que catalisa o crescimento da cadeia no sentido 5' para 3 ';

2. uma atividade de exonuclease 3' para 5', que remove as bases incorretamente pareadas; e

3. uma atividade de exonuclease 5' para 3', que degrada os filamentos simples de DNA ou RNA.

Embora a pol I participe na replicação do DNA  outra DNA polimerase, hoje chamada de pol III, catalisa a síntese de DNA na forquilha de replicação. A medida que a DNA pol III avança, a dupla hélice é continuamente desenrolada na frente da enzima, para expor mais os filamentos de DNA separados que atuarão como moldes. A DNA pol III atua na forquilha de replicação, a zona onde a dupla hélice está se desenrolando. A DNA polimerase III é um grande complexo de multiproteínas que atua como ferramenta principal da replicação. As células eucarióticas têm várias DNA polimerases diferentes que atuam na replicação, na recombinação e no reparo de DNA. Três DNA polimerases fazem a maior parte da síntese do DNA durante a replicação: DNA polimerase α, DNA polimerase δ e DNA polimerase ε. A DNA polimerase α tem atividade primase e inicia a síntese de DNA nuclear ao sintetizar um primer de RNA, seguida por uma sequência curta de nucleotídios de DNA. Após a DNA polimerase α ter se estabelecido entre 30 e 40 nucleotídios, a DNA polimerase δ completa a replicação na fita tardia. Semelhante em estrutura e função à DNA polimerase δ, a DNA polimerase ε replica a fita líder. Outras DNA polimerases participam da replicação e recombinação ou catalisam a replicação do DNA de organela. Algumas DNA polimerases, como a DNA polimerase δ e a DNA polimerase ε, são capazes de replicar o DNA em alta velocidade e com grande fidelidade (poucos erros) porque têm sítios ativos que acomodam de modo justo e exclusivo os quatro normais do DNA, os monofosfatos de adenosina, guanosina, citidina e timidina. Como resultado dessa especificidade, moldes destorcidos de DNA e bases anormais não são acomodados com facilidade dentro do sítio ativo da enzima. Quando esses erros são encontrados no molde de DNA, as DNA polimerases de alta fidelidade param e não conseguem contornar a lesão. Outras DNA polimerases têm menor fidelidade, mas são capazes de contornar as distorções no molde de DNA. Essas DNA polimerases translesão especializadas têm um sítio ativo mais aberto e são capazes de acomodar e copiar moldes com bases anormais, estruturas distorcidas e lesões volumosas. Assim, essas enzimas especializadas podem contornar tais erros, mas como seus sítios ativos são mais abertos e acomodados, elas tendem a produzir mais erros. Na replicação, as enzimas de alta velocidade e alta fidelidade são usadas até encontrarem um bloqueio da replicação. Nesse ponto, uma ou mais polimerases translesão assumem, contornam a lesão e continuam replicando uma seção curta de DNA, Então, as polimerases translesão se separam da forquilha de replicação e as enzimas de alta fidelidade encerram a replicação com alta velocidade e exatidão. As enzimas de reparo de DNA reparam os erros produzidos pelas polimerases translesão, embora alguns desses erros possam escapar da detecção e levem a mutações.

REPLICAÇÃO CONTÍNUA E DESCONTÍNUA: Na síntese do DNA, novos nucleotídios são unidos, um de cada vez, à extremidade 3′ da fita recém-sintetizada. As DNA polimerases, enzimas que sintetizam DNA, podem adicionar nucleotídios apenas na extremidade 3′ da fita crescente (não na extremidade 5′), e então novas fitas de DNA sempre alongam no mesmo sentido 5′ para 3′ (5′ → 3′). Como os dois moldes de DNA de fita única são antiparalelos e o prolongamento de fita é sempre 5′ → 3′, se a síntese em um molde segue, por exemplo, da direita para a esquerda, então a síntese do outro molde deve seguir no sentido oposto, da esquerda para a direita. À medida que o DNA se desenrola durante a replicação, a NATUREZA ANTIPARALELA das duas fitas de DNA significa que um molde é exposto no sentido 5′ → 3′ e o outro é exposto no sentido 3′ → 5′.  À medida que o DNA se desenrola, a fita molde exposta possibilita a síntese contínua da nova fita. Essa nova fita, que sofre REPLICAÇÃO CONTÍNUA, É DENOMINADA FITA LÍDER. Como apenas uma extensão curta de DNA precisa estar não enrolada antes de a síntese na sua fita começar, o maquinário de replicação logo fica sem molde. Nesse momento, mais DNA está desenrolando, fornecendo um novo molde na extremidade 5′ da nova fita. A síntese de DNA deve iniciar novamente na forquilha de replicação e seguir na direção oposta do movimento da forquilha até chegar ao segmento previamente replicado de DNA. Esse processo é repetido várias vezes, então a síntese dessa fita ocorre em explosões curtas, descontínuas. A fita recém-criada que SOFRE REPLICAÇÃO DESCONTÍNUA É CHAMADA DE FITA TARDIA. As extensões curtas de DNA produzidas pela replicação descontínua da fita tardia são chamadas de FRAGMENTOS DE OKAZAKI, descobertos por Reiji Okazaki. Nas células bacterianas, cada fragmento de Okazaki varia de 1.000 a 2.000 nucleotídios de extensão; nas células eucarióticas, varia de 100 a 200 nucleotídios. Esses fragmentos na fita tardia estão ligados para criar uma molécula de DNA contínua. Os vários eventos que têm de ocorrer com acurácia e rapidez na forquilha de replicação são efetuados pelo maquinário biológico denominado REPLISSOMO, um complexo proteico que inclui duas unidades de DNA polimerase: uma para agir no filamento contínuo e outra para agir no filamento descontínuo. Desse modo, a síntese demora mais tempo e a união dos fragmentos de Okazaki em um filamento contínuo pode ser temporariamente coordenada com a síntese menos complicada do filamento contínuo.

ALONGAMENTO: Na fase de alongamento da replicação, o DNA de fita única é usado como um molde para a síntese de DNA. Esse processo requer várias enzimas. Todas as DNA polimerases precisam de um nucleotídio com um grupo 3′-OH ao qual um novo nucleotídio pode ser adicionado. Por causa dessa exigência, as DNA polimerases não podem iniciar a síntese de DNA em um molde vazio; elas precisam de um primer – um grupo 3′-OH – para iniciar. Uma enzima chamada PRIMASE sintetiza segmentos curtos (cerca de 10 a 12 nucleotídios) de nucleotídios de RNA, ou primers, que fornecem um grupo 3′-OH ao qual a DNA polimerase pode prender os nucleotídios de DNA. (Como a primase é uma RNA polimerase, ela não requer um grupo 3′-OH existente para iniciar a síntese de uma fita de nucleotídios.) Todas as moléculas de DNA inicialmente têm primers de RNA curtos incrustados dentro delas; esses primers são removidos e substituídos por nucleotídios de DNA. Na fita líder, onde a síntese de DNA é contínua, um primer é necessário apenas na extremidade 5′ da fita recém-sintetizada. Na fita tardia, onde a replicação é descontínua, um novo primer deve ser gerado no início de cada fragmento de Okazaki. A primase forma um complexo com a helicase na forquilha de replicação e se desloca ao longo do molde da fita tardia. É provável que o primer único na fita líder seja sintetizado pelo complexo primase-helicase no molde da fita tardia na outra forquilha de replicação, na extremidade oposta da bolha de replicação. Após a DNA polimerase III se ligar ao nucleotídio do grupo 3′-OH no último nucleotídio do primer de RNA, cada novo nucleotídio de DNA fornece o grupo 3′-OH necessário para que o próximo nucleotídio seja adicionado. Esse processo continua enquanto o molde estiver disponível. A DNA polimerase I segue a DNA polimerase III e, ao usar sua atividade exonuclease 5′ → 3′, ela remove o primer de RNA. Ela então usa a atividade polimerase 5′ → 3′ para substituir os nucleotídios de RNA por nucleotídios de DNA. A DNA polimerase I se fixa ao primeiro nucleotídio do grupo OH na extremidade 3′ do fragmento de Okazaki anterior e então continua no sentido 5′ → 3′ ao longo da fita de nucleotídios e substituindo, um por vez, os nucleotídios de DNA do primer. Após a polimerase I ter substituído o último nucleotídio do primer de RNA por um nucleotídio DNA, permanece uma ruptura na estrutura açúcar-fosfato da nova fita de DNA. O grupo 3′-OH do último nucleotídio a ser adicionado pela DNA polimerase I não está preso ao grupo 5′-fosfato do primeiro nucleotídio adicionado pela DNA polimerase III. Essa ruptura é fechada pela enzima DNA ligase, que catalisa a formação de uma ligação fosfodiéster sem adicionar outro nucleotídio à fita. Como a síntese de ambas as fitas ocorre simultaneamente, tem de haver duas unidades da DNA polimerase III na forquilha de replicação, uma para cada fita. Em um modelo do processo de replicação, as duas unidades de DNA polimerase III estão conectadas, o molde da fita tardia se fecha ao redor de modo que fica na posição para replicação 5′ → 3′. Dessa maneira, o complexo da DNA polimerase III é capaz de fazer a replicação 5′ → 3′ simultaneamente em ambos os moldes, mesmo que eles estejam em direções opostas. Após cerca de 1.000 pb de DNA novo terem sido sintetizados, a DNA polimerase III libera o molde da fita tardia e uma nova alça se forma. A primase sintetiza um novo primer na fita tardia, e a DNA polimerase III, então, sintetiza um novo fragmento de Okazaki.

TÉRMINO: Em algumas moléculas de DNA, a replicação é terminada sempre que duas forquilhas de replicação se encontram. Em outras, as sequências de término específicas (chamadas sítios Ter) bloqueiam a replicação. Uma proteína de término, chamada Tus na E. coli, liga-se a essas sequências, criando um complexo Tus-Ter que bloqueia o movimento da helicase, paralisando a forquilha de replicação e evitando a replicação de DNA. Cada complexo Tus-Ter bloqueia a forquilha de replicação de se deslocar em um sentido, mas não para o outro. O DNA eucariótico é complexado a proteínas histonas em estruturas chamadas nucleossomos, que contribuem para a estabilidade e o empacotamento da molécula de DNA. Na replicação, a estrutura da cromatina é rompida pela forquilha de replicação, mas os nucleossomos são rapidamente remontados em duas novas moléculas de DNA. Antes da replicação, uma molécula de DNA única está associada a proteínas histonas. Após a replicação e a montagem do nucleossomo, duas moléculas de DNA estão associadas às histonas.  A remontagem dos nucleossomos durante a replicação é facilitada por proteínas denominadas chaperonas de histona, associadas à enzima helicase que desenrola o DNA. As chaperonas de histonas aceitam as histonas antigas oriundas da molécula de DNA original e as depositam, junto com as histonas recém-sintetizadas, nas duas novas moléculas de DNA. A montagem de novos nucleossomos é facilitada por uma proteína chamada fator 1 de montagem de cromatina (CAF-1).

TELÔMEROS E TELOMERASE: Nos cromossomos lineares com múltiplas origens, o alongamento do DNA nos replicons adjacentes também fornece um grupo 3′-OH anterior a cada primer. Na extremidade de um cromossomo linear, entretanto, não existe trecho adjacente do DNA replicado para fornecer esse grupo 3′-OH importante. Quando o primer na extremidade do cromossomo for removido, ele não pode ser substituído pelos nucleotídios do DNA, criando uma lacuna na extremidade do cromossomo, sugerindo que o cromossomo deve ficar progressivamente menor em cada ciclo de replicação. O encurtamento do cromossomo significaria que, quando um organismo se reproduz, ele transmitiria os cromossomos mais curtos do que os que herdou. Os cromossomos ficariam mais curtos a cada nova geração e, consequentemente, perderiam a estabilidade. Essa questão é chamada de PROBLEMA DA REPLICAÇÃO DA EXTREMIDADE. Na verdade, o encurtamento do cromossomo ocorre em algumas células somáticas, mas nos organismos unicelulares, células germinativas e células embrionárias iniciais eles não são encurtados nem se autodestroem. O encurtamento dos telômeros contribui para o processo de envelhecimento. telômeros de camundongos modificados pela engenharia genética sem um gene da telomerase funcional Após várias gerações, esses camundongos apresentam alguns sinais de envelhecimento prematuro, Em 2012, cientistas do Reino Unido mediram o comprimento do telômero nas hemácias retiradas de 99 mandarins em vários períodos durante suas vidas. Os cientistas encontraram uma forte correlação entre o comprimento do telômero e a longevidade. As extremidades dos cromossomos – os telômeros – têm diversas características singulares, uma das quais é a variedade de cópias de uma sequência curta repetida. No protozoário Tetrahymena em que essas sequências repetidas foram descobertas pela primeira vez essa repetição telomérica é TTGGGG. A extremidade protrusa de fita única que se sobressai do telômero, conhecida como extremidade 3′ protuberante rica em G (overhang G), pode ser estendida pela telomerase,. A parte RNA da enzima tem de 15 a 22 nucleotídios que são complementares à sequência rica em G. Essa sequência pareia com a extremidade 3′ que sobressai do DNA e fornece um molde para a síntese de cópias adicionais de DNA das repetições. Os nucleotídios de DNA são adicionados à extremidade 3′ da fita um por vez  e, após vários nucleotídios serem adicionados, o molde de RNA desloca o DNA e mais nucleotídios são adicionados à extremidade 3′ . Em geral, são adicionados de 14 a 16 nucleotídios na extremidade 3′ da fita rica em G. Dessa forma, a TELOMERASE PODE EXPANDIR A EXTREMIDADE 3′ DO CROMOSSOMO SEM O USO DE UM MOLDE COMPLEMENTAR DE DNA. A telomerase é encontrada em organismos unicelulares, células germinativas, células embrionárias iniciais e algumas células somáticas proliferativas (como as da medula óssea e as que revestem o intestino); todas têm obrigatoriamente divisão celular contínua. A maioria das células somáticas tem pouca ou nenhuma atividade de telomerase, e seus cromossomos são progressivamente encurtados em cada divisão celular. Essas células podem sofrer um número limitado de divisões; quando os telômeros são encurtados além de um ponto crítico, o cromossomo torna-se instável, com tendência a sofrer rearranjos, e é degradado. Esses eventos levam à morte celular.

FIDELIDADE DA REPLICAÇÃO DO DNA: Em geral, a taxa de erro na replicação é menor que um erro por bilhão de nucleotídios. As DNA polimerases são muito peculiares no pareamento dos nucleotídios com seus complementos na fita molde. Surgem erros na seleção de nucleotídios pela DNA polimerase em uma proporção de apenas uma vez a cada 100.000 nucleotídios. A maioria dos erros que surgem na seleção dos nucleotídios é corrigida em um segundo processo, chamado revisão. Quando uma DNA polimerase insere um nucleotídio incorreto na fita crescente, o grupo 3′-OH do nucleotídio mal pareado não está corretamente posicionado no sítio ativo da DNA polimerase para aceitar o próximo nucleotídio. O posicionamento incorreto atrasa a reação de polimerização e a atividade exonuclease 3′ → 5′ da DNA polimerase remove o nucleotídio incorretamente pareado. A DNA polimerase, então, insere o nucleotídio correto. Juntos, a revisão e a seleção de nucleotídios resultam em uma taxa de erro de apenas um em 10 milhões de nucleotídios. Um terceiro processo, chamado de reparo de pareamento errado de DNA, corrige os erros após o término da replicação. Qualquer nucleotídio incorretamente pareado que permanece após a replicação produz uma deformação na estrutura secundária do DNA; a deformidade é identificada por enzimas que removem o nucleotídio incorreto e usam a fita original. O reparo do pareamento errado requer a capacidade de distinguir entre as fitas antiga e nova de DNA, porque as enzimas precisam de uma maneira para determinar qual das duas bases incorretamente pareadas deve ser removida. Na E. coli, grupos metila (–CH3) são adicionados às sequências específicas de nucleotídios, mas apenas depois da replicação. Assim, imediatamente após a síntese do DNA, apenas a fita de DNA antiga é metilada.

A recombinação homóloga ocorre por meio de rupturas nas fitas de nucleotídios, alinhamento de segmentos homólogos de DNA e reunião das fitas. Várias enzimas e proteínas são necessárias para a recombinação homóloga A conversão gênica é a troca genética não recíproca e produz razões anormais de gametas. Éimportante lembrar que nemtoda alteração noDNAocorrida na replicação resulta efetivamente em erro, porque algumas delas são variações genéticas geradas que se tornamimportantes para a sobrevivência da espécie.

ORIGEM DA VARIABILIDADE GENÉTICA: A origem da variabilidade genética é as mutações e corresponde a mudanças herdáveis que servem como matéria-prima aos processos de melhoramento genético e evolução. Como as mutações são herdáveis, elas devem ocorrer na sequência de nucleotídeos do gene, provocando alterações do mesmo e, consequentemente, produzindo novas formas alternativas, os alelos. Existem várias causas que podem provocar uma mutação gênica, mas que apresentam sempre uma característica em comum: todas elas afetam a sequência de bases nitrogenadas do DNA. Essa alteração gera um novo alelo e pode modificar a cadeia polipeptídica a ser sintetizada, dando origem na maioria das vezes, a um novo fenótipo. As causas que podem provocar alterações nas sequências de bases do DNA são:

• Substituição de bases - Podem ocorrer vários tipos de trocas, as quais recebem denominações especiais: transição e transversão. A troca de bases ocorre porque existem formas TAUTOMÉRICAS, isto é, formas alternativas das bases nitrogenadas e que, frequentemente, apresentam pareamento irregular durante a replicação do DNA. Por exemplo, adenina no seu estado normal amino forma pontes de hidrogênio com a timina, mas na forma tautomérica imino pode se parear coma citosina. As formas tautoméricas raramente estão presentes nas células, mas podemse tornar comuns, graças à ação de agentes mutagênicos naturais ou artificiais. A substituição de bases causa alteração em um único códon no DNA. O códon mutante pode ou não provocar mudança de um aminoácido ao longo da cadeia polipeptídica. Quando a substituição de uma base no DNA acarreta alteração em um aminoácido na cadeia polipeptídica, temos uma mutaçãode sentido errado. Em geral, essa mutação resulta na produção de uma proteína compropriedades diferentes, ocasionando a formação de umnovo fenótipo. Mas se a substituição de bases no DNA não altera a sequência de aminoácidosna cadeia polipeptídica tem-se Mutação silenciosa. Já a mutação sem sentido ocorre quando de uma troca de bases no DNA surge um dos códons de terminação no mRNA, impedindo a síntese completa da cadeia polipeptídica.

• Adição ou deleção de bases - A retirada ou a inclusão de uma única base provoca alterações na sequência de DNA a partir do ponto em que ocorreu a deleção ou adição. Isso também pode acontecer quando bases forem processadas erradamente durante a replicação do DNA. A adição de apenas uma base pode modificar completamente a sequência de aminoácidos na cadeia polipeptídica sintetizada, a partir do ponto emque ocorre a adição/deleção da base nitrogenada no DNA. A mutação do tipo adição ou deleção é bem mais drástica do que a substituição de bases. De fato, esse tipo de mutação pode ser letal se a proteína original for essencial para a sobrevivência do indivíduo, não sendo assim passada aos descendentes. Quando o alelo mutante não é letal, geralmente forma alelo não funcional que é denominado de recessivo.