Superenrollamiento de ADN

El superenrollamiento del ADN  es un fenómeno de torsión excesiva o insuficiente de cadenas de ADN topológicamente cerradas , como resultado del cual el eje de la doble hélice del ADN se tuerce en una espiral de orden superior. Por "topológicamente cerradas" nos referimos a moléculas cuyos extremos giran libremente (moléculas circulares de ADN o moléculas lineales, cuyos extremos están fijados por estructuras proteicas ) [1] . El ADN resultante del superenrollamiento a veces se denomina superenrollado .

El superenrollamiento es importante en una variedad de procesos biológicos, como la compactación del ADN , por ejemplo . Ciertas enzimas, en particular las topoisomerasas , tienen la capacidad de cambiar la topología del ADN, por ejemplo, para la replicación o transcripción del ADN [2] . El superenrollamiento se describe mediante expresiones matemáticas que comparan la hélice de ADN superenrollada con su forma "relajada".

El superenrollamiento del ADN puede ser positivo o negativo. Se entiende por superenrollamiento positivo aquel en el que el eje de la doble hélice se tuerce en el mismo sentido que las cadenas en el interior de la doble hélice (en el sentido de las agujas del reloj). En consecuencia, el superenrollamiento se considera negativo si el eje de la doble hélice se tuerce en el sentido contrario a las agujas del reloj [3] . El ADN de la mayoría de los organismos mesófilos está superenrollado negativamente. Al mismo tiempo, existe información sobre el papel biológico especial del superenrollamiento positivo del ADN tanto en organismos mesófilos como termófilos [4] .

Descripción matemática del superenrollamiento del ADN

En las moléculas de ADN topológicamente cerradas, dos cadenas están entrelazadas entre sí de tal manera que es imposible separarlas sin dañar una de ellas. Para una descripción cuantitativa de la conexión de dos cadenas, se usa una cantidad especial: el orden de enlace (Lk). El orden de enganche indica el número de veces que una de las cadenas se cruza con el plano imaginario delimitado por la segunda cadena. El orden de enlace siempre se expresa como un número entero, puede ser positivo o negativo. En general, se acepta que el orden de enlace para espirales cerradas a la derecha es positivo. El orden de enlace depende solo del estado topológico de las cadenas de ADN y, por lo tanto, permanece constante para cualquier cambio conformacional en la molécula. La misma molécula de ADN puede existir en estados con diferentes órdenes de enlace. Estas formas de ADN se denominan isómeros topológicos (topoisómeros) [5] [3] .

Es posible aliviar la tensión de una molécula de ADN cerrada introduciendo en ella una rotura monocatenaria y luego ligando esta rotura. Las moléculas obtenidas como resultado de tal procedimiento se caracterizarán por un cierto rango del orden de acoplamiento. El valor promedio de este rango se llama Lk o . Lk o se puede calcular aproximadamente mediante la fórmula:

,

donde N es el número de pares de bases en la molécula y γ es el número promedio de pares de bases por vuelta de la doble hélice en las condiciones dadas. Por lo general, el valor de γ está cerca de 10.5 [1] .

La diferencia entre Lk y Lk o es importante :

El valor de ΔLk, a diferencia de Lk, ya no es necesariamente un número entero y no está estrictamente ligado a la topología de la molécula. ΔLk caracteriza el estrés experimentado por una molécula de ADN cerrada. En ΔLk=0 el ADN está en un estado relajado, en ΔLk<0 está superenrollado negativamente, en ΔLk>0 es positivo [5] .

En 1969, White propuso una fórmula que relacionaba el orden de enlace y otras dos características geométricas del ADN cerrado: la torsión (Twist, Tw) y el número de superenrollamientos (ascendente) (Writhe, Wr):

El giro caracteriza la rotación de las cadenas de ADN alrededor del eje de la hélice y corresponde al número total de giros; para hélices dextrógiras, el giro se considera positivo. El aumento (el número de superenrollamientos) caracteriza la forma del eje de la doble hélice, es la suma algebraica de todas las intersecciones visibles del eje de la hélice consigo mismo, promediadas sobre todas las proyecciones. Para moléculas de ADN en un estado relajado, Wr=0, para superenrollado negativo Wr<0, para superenrollado positivo — Wr>0 [5] [6] .

Otra forma de describir el superenrollamiento del ADN es definir la densidad de superenrollamientos (σ):

El ADN circular aislado de organismos vivos suele tener una densidad de superenrollamiento que oscila entre −0,03 y −0,09 [5] .

Importancia biológica del superenrollamiento del ADN

El superenrollamiento es una propiedad importante del ADN, que determina el curso de casi todos los procesos dependientes del ADN en la célula, como la replicación , la transcripción y la recombinación del ADN . El ADN en las células de la mayoría de los organismos mesófilos estudiados está superenrollado negativamente [2] . El superenrollamiento negativo facilita la fusión local de la doble hélice, lo que permite el inicio normal de la transcripción y la replicación. Por el contrario, el superenrollamiento positivo puede interferir con el inicio de la transcripción y el avance de la horquilla de replicación [7] . Proteínas y enzimas especiales mantienen el ADN en un estado de superenrollamiento negativo. En las células eucariotas , el ADN se retuerce en superenrollamientos negativos alrededor de los complejos de histonas , la mayoría de las arqueas mesófilas tienen proteínas similares a las histonas que realizan la misma función, y en las bacterias , las proteínas asociadas a los nucleoides (por ejemplo, HU y HNS) son responsables de esto [2]. ] .

Además, existen enzimas especiales de la clase de las isomerasas que pueden cambiar el estado topológico del ADN. Se llaman topoisomerasas , o topoisomerasas de ADN, y se han encontrado en procariotas , eucariotas y algunos virus . Las topoisomerasas pueden introducir superenrollamientos positivos y negativos en el ADN cerrado, así como garantizar su relajación. De acuerdo con el mecanismo de acción, las topoisomerasas se dividen en dos clases: las topoisomerasas de tipo I introducen una rotura temporal de cadena sencilla en el ADN y no requieren fuentes de energía para su trabajo, mientras que las topoisomerasas de tipo II introducen una rotura temporal de doble cadena y son ATP . -enzimas dependientes [4] . Las topoisomerasas juegan un papel importante en el curso de los procesos dependientes del ADN en la célula, por ejemplo, son responsables de eliminar las superespiras positivas y aliviar la tensión en la región del ADN frente a la horquilla de replicación, lo que asegura su movimiento normal [2] .

Para 2012, se habían acumulado datos experimentales que nos permitieron dar una nueva mirada al papel del superenrollamiento de ADN positivo para los organismos vivos. Anteriormente, se pensaba que el superenrollamiento positivo era característico solo del ADN de arqueas termófilas, donde evita la desnaturalización térmica del ADN. Sin embargo, un creciente cuerpo de evidencia sugiere que las regiones de ADN superenrolladas positiva y negativamente pueden coexistir en células de organismos termófilos y mesófilos, y que el superenrollamiento positivo puede desempeñar un papel especial en la regulación de la expresión génica , la replicación de los telómeros y otros procesos [2]. ] .

Los antimicrobianos del grupo de las fluoroquinolonas inhiben la ADN girasa y la topoisomerasa-4, interrumpiendo el superenrollamiento del ADN, lo que conduce a la muerte de las bacterias [8] [9] .

Notas

  1. ↑ 1 2 Takashi Ohyama. Capítulo 1. ADN: Conformaciones alternativas y biología // Conformación y transcripción del ADN. — Georgetown, Texas. : Landas Bioscience; Nueva York, NY : Springer Science Business Media, 2005. - ISBN 0387255796 .
  2. ↑ 1 2 3 4 5 Valenti A., Perugino G., Rossi M., Ciaramella M. Superenrollamiento positivo en termófilos y mesófilos: del bien y del mal   // Biochem . soc. Trans. : diario. - 2011. - vol. 39 , núm. 1 . - Pág. 58-63 . — PMID 21265747 .
  3. ↑ 1 2 Benjamín Lewin. Capítulo 15: Recombinación y Reparación // Genes VIII . - Upper Saddle River, Nueva Jersey: Pearson Prentice Hall, 2004. - ISBN 0131439812 .
  4. ↑ 1 2 D. V. Bugreev, G. A. Nevinsky. Estructura y mecanismo de acción de las topoisomerasas de ADN de tipo IA  // Avances en química biológica: revista. - 2009. - T. 49 . - S. 129-158 . Archivado desde el original el 21 de marzo de 2014.
  5. ↑ 1 2 3 4 Vologodskii AV, Cozzarelli NR Propiedades termodinámicas y conformacionales del ADN superenrollado  // Annu Rev Biophys Biomol Struct  :  journal. - 1994. - vol. 23 . - Pág. 609-643 . -doi : 10.1146 / annurev.bb.23.060194.003141 . —PMID 7919794 .
  6. ↑ Witz G., Stasiak A. El superenrollamiento del ADN y su papel en la decatenación y el desanudamiento del ADN   // Nucleic Acids Res. : diario. - 2010. - Vol. 38 , núm. 7 . - Pág. 2119-2133 . doi : 10.1093 / nar/gkp1161 . —PMID 20026582 . Archivado desde el original el 5 de junio de 2020.
  7. ↑ Koster DA, Crut A., Shuman S., Bjornsti MA, Dekker NH Estrategias celulares para regular el superenrollamiento del ADN: una perspectiva de molécula única   // ​​Cell . - Prensa celular , 2010. - Vol. 142 , núm. 4 . - Pág. 519-530 . -doi : 10.1016 / j.cell.2010.08.001 . —PMID 20723754 . Archivado desde el original el 24 de septiembre de 2015.
  8. ↑ Lysenko N. V. Evaluación comparativa de fluoroquinolonas. Lugar de las nuevas fluoroquinolonas en la práctica clínica . Medicamentos esenciales . Medicus Amicus® . Consultado el 27 de febrero de 2012. Archivado desde el original el 6 de marzo de 2016.
  9. ↑ Mashkovsky M.D. Medicinas. - 15ª edición. - M. : Nueva Ola, 2005. - S. 842. - 1200 p. — ISBN 5-7864-0203-7 .

Enlaces

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