Replicación del ADN II
Introducción
¡Hola!
Qué gusto poder encontrarte en esta nueva sesión, espero que sigas descubriendo esta UDA de
Biología Molecular y la encuentres fascinante, en esta ocasión abordaremos el tema: Replicación del ADN 2.
Como recordarás, en la clase anterior se abordó el proceso de replicación, conociste las características generales del proceso y cómo es que se lleva a cabo en los procariotas.
En esta ocasión la clase estará dedicada a la descripción de este proceso en eucariotas. Primero abordaremos el empaquetamiento del ADN, conociendo los diferentes niveles de organización que existen. Posteriormente, se describirán cada una de las etapas (iniciación, elongación y terminación) de la replicación mencionando a cada uno de los participantes. Para finalizar se hará una comparación entre procariotas y eucariotas con el objetivo de conocer las diferencias y similitudes que existen en el proceso en ambos sistemas.
En este contexto, espero que el desarrollo de esta clase te resulte interesante. ¡Comencemos!
Desarrollo del tema
Empaquetamiento del ADN
Como se abordó en la clase pasada, la replicación ocurre solo una vez cada ciclo de división celular. A diferencia de los procariotas, el genoma de los eucariotas se encuentra empaquetado y altamente compactado. Este empaquetamiento se lleva a cabo mediante la interacción del ADN con nucleoproteínas para formar lo que se conoce como cromatina, sustancia de la que están conformados los cromosomas. Existen dos tipos de cromatina, la eucromatina y la heterocromatina. La primera es una cromatina relajada, más abierta, la segunda es una cromatina más compacta y condensada. Se distinguen diferentes niveles de organización, el primero de ellos son los nucleosomas.
Los nucleosomas están formados por la interacción del ADN con proteínas básicas llamadas histonas. Son 5 tipos de histonas, H1,H3, H4, H2A y H2B. Cada nucleosoma esta conformado por dos dímeros de histonas H2A y H2B y un tetrámero de las histonas H3 y H4. Formando así un octámero de histonas (8 histonas unidas) en el cual se enrolla el ADN. La longitud del segmento de ADN que se enrolla en cada nucleosoma es de aproximadamente 146 pb. Entre cada nucleosoma queda un segmento de ADN de aproximadamente 55 pb, denominado ADN linker (Imagen 1).
Tomado de Lisker, R., Zentella, A.D., Grether, P.G. (2013).
La función del nucleosoma es la de condensar al ADN en una fibra de 11 nm de ancho. El segmento de ADN que queda entre dos nucleosomas se asocia con la histona H1 y ayuda al empaquetamiento, facilitando la formación de la estructura llamada solenoide. La cual es el segundo nivel de empaquetamiento (Figura 2).
El solenoide se genera debido al enrollamiento de los nucleosomas, cada 6 nucleosomas se enrollan para generar un polinucleosoma que va formando una hebra de 30 nm de diámetro (Imagen 2). En este nivel, el ADN se ha compactado unas 100 veces.
Tomado de Klug W.S., Cummings M.R., y Spencer Ch.A. S. (2016).
Una vez generado el solenoide, este se pliega y condensa aún más formando estructuras de asas amplias superenrolladas, las cuales se anclan a proteínas de andamio y dan lugar a lo que se conoce como asas cromatínicas o hebra de 300 nm (Imagen 2). Por último, las asas cromatínicas se compactan y forman un cromosoma condensado de 700 nm de espesor, el cual es visible durante la interfase. Los cromosomas en su estado más condensado se observan durante la metafase.
De aquí se puede concluir que la replicación en eucariotas sucede en un ambiente de cromatina, por lo que los nucleosomas y las histonas que los componen juegan un papel importante en el proceso. Esta situación se verá más adelante.
Replicación del ADN en Eucariotas
A diferencia de los procariotas, la replicación de la gran cantidad de ADN de los eucariotas se lleva a cabo al dividirlo en muchos replicones individuales. Cada replicón es activado en un momento específico durante la fase S. Es decir, se van a tener múltiples burbujas y horquillas de replicación.
Iniciación
Al igual que en los procariotas, en eucariotas vamos a tener lo que se conoce como origen de replicación, el cual se denomina ARS o secuencia de replicación autónoma. Este es el equivalente al OriC. La secuencia del ARS consiste en dos dominios, A y B respectivamente. El Dominio A se denomina región central y se ha determinado que si se altera su secuencia la función del origen de replicación se elimina. Por otro lado, el Dominio B presenta una mayor variabilidad en su secuencia y no tiene un efecto notorio sobre el inicio de la replicación.
La secuencia ARS sirve de sitio de reconocimiento para el complejo de reconocimiento del origen (ORC), el cual se encuentra conservado en todos los eucariotas. Este complejo se une al origen de replicación y su presencia sirve como señal para que las proteínas Cdc6 y Cdt1 se unan. Estas últimas ocasionan que se una el complejo denominado MCM (complejo de mantenimiento del microcromosoma) el cual posee actividad de helicasa y va a ser el encargado de separar las cadenas de ADN. De manera similar a DnaB, MCM se une de forma inactiva y requiere de la presencia de DDK para que sea activado. DDK es una quinasa que activa las helicasas. La fosforilación de MCM ocasiona el reclutamiento de los activadores Cdc45-Sld3 y el complejo GINS. Con esto se forma el complejo iniciador, lo que marca la transición del inicio de la replicación a la etapa de elongación (Imagen 3).
Elongación
La etapa de elongación es muy similar a como sucede en procariotas, la diferencia es que en eucariotas participan un mayor número de ADN polimerasas (Tabla 1).
| ADN polimerasa | Subunidades | 3′ – 5′ Exonucleasa | Función |
| α (alpha) | 4 | No | Cebadores de ARN / ADN, iniciación de la síntesis del AND |
| δ (delta) | 4 | Sí | Síntesis de la cadena retrasada, reparación del ADN, corrección de errores |
| ε (épsilon) | 4 | Sí | Síntesis de la cadena adelantada, corrección de errores |
| γ (gamma) | 2 | Sí | Replicación y reparación del ADN mitocondrial |
| β (beta) | 1 | No | Reparación del ADN por escisión de bases |
| η (eta) | 1 | No | Síntesis de ADN por translesión |
| ζ (dzēta) | 2 | No | Síntesis de ADN por translesión |
| κ (kappa) | 1 | No | Síntesis de ADN por translesión |
| ι (iota) | 1 | No | Síntesis de ADN por translesión |
| θ (thēta) | 1 | No | Reparación del ADN |
Tomado de Klug W.S., Cummings M.R., y Spencer Ch.A. S. (2016).
La replicación del ADN nuclear requiere la participación de las polimerasas α, δ y ε. Cada una de las 3 polimerasas tiene diferente función:
- Polimerasa α : Actúa como primasa, iniciando la síntesis de las nuevas cadenas. Es inusual porque posee la habilidad de iniciar una cadena desde cero y además, sintetiza ARN en lugar de ADN.
- Polimerasa δ: Se encarga de la síntesis de la cadena retardada.
- Polimerasa ε: Se encarga de la síntesis de la cadena líder.
Además de las polimerasas, también se encuentra la abrazadera, denominada PCNA (antígeno nuclear de proliferación celular) y el lanzador de la abrazadera denominado RFC. Con esto, se encuentra ensamblado el replisoma que se va a encargar de la síntesis de las nuevas cadenas de ADN.
Te invito a visualizar el siguiente video titulado Replication in Eukaryotes.
Las cadenas se van a ir elongando hasta llegar al final del cromosoma, dando por terminada la etapa de elongación e iniciando la etapa de terminación.
Terminación
A diferencia de los procariotas, los cromosomas eucariotas son lineales. Debido a esto se presenta un problema al llegar al extremo del cromosoma, sobre todo en la cadena retardada. Los cromosomas eucariotas terminan en unas secuencias denominadas telómeros. Estas sellan los extremos de los cromosomas evitando que se degraden y brindando estabilidad.
El problema que surge es en la cadena retardada. Al eliminar el primer de ARN del último fragmento de Okazaki, ya no queda ningún OH con el cual se pueda llevar a cabo la extensión para rellenar el hueco. Debido a que se alcanzó el extremo de la cadena (Imagen 6). De esta manera queda un hueco en la cadena retardada haciendo que esta se vaya recortando cada vez que el ADN se replica.
Tomado de Krebs J., Goldstein E.S., and Kilpatrick S.T. (2018)..
Para evitar esto, o minimizar el problema, existe una enzima denominada telomerasa. La estructura y función de la misma podrás conocerla en el siguiente video titulado Telomeres and Telomerase. El acortamiento de los telómeros se ha asociado al envejecimiento celular. Son considerados el reloj biológico.
Al replicarse los telómeros se da por terminada la replicación. El replisoma se desensambla y las dos cadenas recién sintetizadas se liberan.
A manera de resumen, con la finalidad de apreciar las diferencias entre los dos sistemas estudiados, se presenta la tabla 2, en la cual se incluyen los diferentes participantes en el proceso de replicación.
A manera de resumen se presenta la tabla 2, en la cual se incluyen los diferentes participantes en el proceso de replicación. Esto con la finalidad de apreciar las diferencias entre los dos sistemas estudiados.
| Function | E. coli | Eukaryote |
| Helicase Loading helicase/primase Single-strand maintenance Priming | DnaB DnaC SSB DnaG | MCM complex cdc6 RPA Polα / primase |
| Slinding clamp Clamp loading (ATPase) | β γει | PCNA RFC |
| Catalysis Holoenzyme dimerization | Pol III core Γ | Polδ + Polε ? |
| RNA removal Ligation | Pol I Ligase | FEN1 Ligase 1 |
Tomado de Krebs J., Goldstein E.S., and Kilpatrick S.T. (2018).
Conclusión
En esta clase se revisó el proceso de replicación en eucariotas, y pudiste darte cuenta de que este proceso es similar a como sucede en procariotas, lo que cambia son los diferentes participantes, así como el número de ellos que participa en cada una de las etapas. La diferencia más notoria es durante la etapa de terminación, ya que, al ser cromosomas lineales, en eucariotas se requiere la participación de la telomerasa para poder alargar los telómeros y evitar que estos se vayan acortando con cada ciclo de división.
Con esto terminamos la primera etapa del Dogma Central de la Biología Molecular. En la próxima clase abordaremos el proceso de transcripción, el paso de ADN a RNA.
Has llegado al final de la sesión y como puedes observar sigues abonando información valiosa a tu aprendizaje, te invito a continuar sumando información realizando la tarea asignada a esta clase. Recuerda que te espero en la próxima sesión.
Fuentes de información
- Blackburn, E. H. «Telomeres and telomerase: their mechanisms of action and the effects of altering their functions.» FEBS letters 579, no. 4 (2005): 859-862
- Alberts B. et al. (2015). Molecular Biology of the cell. Garland Science
- Krebs J., Goldstein E.S., and Kilpatrick S.T. Lewin’s. (2018). Genes XII. Editorial Jones and Bartlett
- Lisker, R., Zentella, A.D., Grether, P.G. (2013). Introducción a la Genética Humana. (3a ed.), UNAM, Facultad de Medicina: El Manual Moderno