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Introducción

Todas las células experimentan un ciclo de división durante su vida. Algunas células se están dividiendo continuamente (e.g. las células madre), otras se dividen un número específico de veces hasta que ocurre su muerte (apoptosis), y todavía otras se dividen unas pocas veces antes de entrar en un estado de diferenciación terminal o un estado de inactividad. La mayoría de las células del cuerpo caen en esta última categoría. Durante el proceso de la división celular todo dentro de la célula se debe duplicar para asegurar la supervivencia de las dos células hijas resultantes. De particular importancia para la supervivencia celular es la duplicación exacta, eficiente y rápida del genoma celular. Este proceso se denomina replicación del ADN.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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Genomas Eucarióticos

El tamaño de los genomas eucarióticos es sumamente grande comparado con el de los procariotas. Esto es en parte debido a la complejidad de los organismos eucarióticos comparados con los procariotas. Sin embargo, el tamaño de un genoma eucariótico particular no se correlaciona directamente a la complejidad de los organismos. Éste es el resultado de la presencia de una gran cantidad de ADN no codificado. Las funciones de estas secuencias de ácidos nucleicos no codificadas no se comprenden completamente. Algunas secuencias están implicadas en el control de la expresión del gen mientras que otras pueden simplemente estar presentes en el genoma para actuar como un buffer evolucionario capaz de soportar la mutación del nucleotido sin la interrupción de la integridad del organismo.

Una clase abundante de ADN es denominado ADN repetitivo. Hay 2 diferentes subclases de ADN repetitivo, los altamente repetitivos y los moderadamente repetitivos. El ADN altamente repetitivo consiste en secuencias cortas de 6-10 bp de largo reiterado desde 100.000–1.000.000 veces. El ADN del genoma que consiste en los genes (secuencias de codificación) se identifica como ADN no repetitivo, puesto que la mayoría de los genes ocurren una vez en un organismo de genoma aploide. Sin embargo, se debe precisar que varios genes existen como grupos secuenciales de múltiples copias del mismo gen que van desde 50 a 10.000 copias tal como es el caso de los genes de rRNA y los genes de histona.

Otra característica que distingue los genes eucarióticos de los procarióticos es la presencia de intrones. Los intrones son tramos de secuencias de acidos nucleícos que separan los exones de codificación de un gen. La existencia de intrones en los procariotas es extremadamente rara. Esencialmente todos los genes humanos contienen intrones. Una excepción notable son los genes de histona los cuales no tienen intrones. En muchos genes la presencia de intrones separa los exones en las regiones de codificación exhibiendo distintos dominios funcionales.

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Estructura de la Cromatina

La cromatina es un término que designa la estructura en la cual el ADN existe dentro de las células. La estructura de la cromatina es determinada y estabilizada con la interacción del ADN con las proteínas ligadoras del ADN. Hay 2 clases de proteínas ligadoras del ADN. Las histonas son la principal clase de proteínas ligadoras involucradas en mantener la estructura compacta de la cromatina. Hay 5 diferentes proteínas de histona identificadas como H1, H2A, H2B, H3 y H4.

La otra clase de proteínas ligadoras del ADN es un diverso grupo de proteínas llamadas simplemente, proteínas no histonas. Esta clase de proteínas incluyen los distintos factores de transcripción, polimerasas, receptores hormonales y otras enzimas nucleares. En cualquier célula dada hay más de 1000 diferentes tipos de proteínas no histonas unidas al ADN.

La unión del ADN por las histonas genera una estructura llamada nucleosoma. La parte central del nucleosoma contiene una estructura octamera de la proteína que consiste en 2 subunidades cada una de H2A, H2B, H3 y H4. La histona H1 ocupa el ADN internucleosomal y es identificado como la histona ligadora. La parte central del nucleosoma contiene aproximadamente 150 bp de ADN. El enlace de ADN entre cada nucleosoma puede variar de 20 a más de 200 bp. Estas estructuras de la parte central nucleosomal aparecen como "bolas en una cadena" si el ADN fuera extendido en una estructura lineal.

Diagrama de una nucleosome

Representación de diagrama de un nucleosome

Los propios nucleosome núcleos en una bobina solenoide de forma que a su vez a más bobinas compacta el ADN. Estas bobinas final son más compactada en la característica cromatina visto en un metafase Cariotipador propagación. La proteína ADN-estructura de la cromatina está estabilizado por apego a un no-proteínas histonas andamio llamado matriz nuclear.

Jerarquía de estructura de la cromatina

Jerarquía de estructura de la cromatina

En una consideración amplia de la estructura de la cromatina hay dos formas: heterocromatina y euchromatin que originalmente fueron designados sobre la base de citológico observaciones de la forma oscura las dos regiones fueron teñidos. Heterocromatina es más densamente euchromatin y que se encuentra a menudo cerca de los centrómeros de los cromosomas. Heterocromatina es en general transcriptionally silencio. Euchromatin por otra parte, es poco más embalados y es que activa la transcripción de genes que se encuentran a estar tomando lugar.

Existen dos mecanismos primarios que operan en una forma dinámica para modificar la cromatina. Estos mecanismos de metilación de citidina residuos en el ADN que se encuentran en la dinucleótido,–CG–(la mayoría de las veces escrito como un dinucleótido CpG) y la histona modificación. Citidina metilación de los residuos como un después de la modificación de la replicación del ADN es que se mencionan a continuación y se examinarán aquí.

La hora de determinar que los residuos C en el ADN son objetivos de metilación se descubrió que más de un 90% de metil-C se encuentra en el dinucleótido, CpG. Esto no quiere decir que todos los CpG dinucleotides contener una metilado C de residuos. Al examinar la estructura de los genes eucariotas y la identificación de las regiones del CpG dinucleotides es el caso de que el promotor de las regiones contienen genes 10-20 como muchas veces CpGs en comparación con el resto del genoma. En un sentido general lo que se conoce acerca de metilación del ADN y la transcripción es la condición de que cuando regiones de un gen que puede ser metilado son, el gen se asocia transcriptionally en silencio y, cuando la región es bajo-metilado el gen es transcriptionally activa o se puede activar. Al someterse a la diferenciación de las células se ha observado que los genes que se activan transcriptionally exposición una reducción en la metilación estado en relación con el nivel previo a la activación y en virtud de que esta metilación-sigue siendo incluso después de la transcripción cesa. La metilación del ADN es la catalizada por las diferentes ADN methyltransferases (abreviado Dnmt). La función crítica de la metilación del ADN en controlar el desarrollo destinos se demostró en ratones ya sea por inactivar Dnmt3a o Dnmt3b. Pérdida de genes, ya sea causado la muerte poco después del nacimiento. Cuando las células dividen el ADN contiene un capítulo de los padres del ADN y un capítulo de el recién replicado el ADN (la hija del capítulo). Si contiene el ADN metilado cytidines CpG dinucleotides en el capítulo hija debe someterse a la metilación en para mantener el patrón de los padres de la metilación. Este "mantenimiento" metilación es la catalizada por Dnmt1 y, por lo tanto, esta enzima se llama el methylase mantenimiento.

La correlación entre la metilación del ADN y la estructura de la cromatina en lo que se refiere a la actividad transcripcional se demuestra por la observación de que hay varias proteínas que se unen a metilado CpGs pero no a unmethylated CpGs. Uno tales proteínas se MeCP2 (metacrilato de proteína de unión CP 2). Cuando se une a MeCP2 metilado CpG dinucleotides la toma de ADN en la cromatina una estructura cerrada y conduce a la represión transcripcional. La capacidad de MeCP2 de obligar a metilado CpGs a su vez es controlada por su estado de fosforilación. Cuando se MeCP2 fosforilados que se une con menos afinidad al ADN y adquiere una mayor apertura cromatina estado. La importancia de MeCP2 la cromatina en la regulación de la estructura y por consiguiente, la transcripción se demuestra por el hecho de que las deficiencias en este proteínas en el resultado síndrome de Rett. El síndrome de Rett es un desarrollo neurológico trastorno que se produce casi exclusivamente en las mujeres se manifiesta como mental retraso, convulsiones, microcefalia, detenido el desarrollo, y la pérdida de expresión.

Proteínas histonas están sujetos a una serie de modificaciones y esas modificaciones se sabe que afectan a la estructura de la cromatina. Acetilación de histonas es sabido que da lugar a una mayor apertura estructura de la cromatina y modificar estas histonas se encuentran en las regiones de la la cromatina que se transcriptionally activa. Por el contrario, de underacetylation histonas se asocia con el cierre de la cromatina y la inactividad transcripcional. Un correlación directa entre la acetilación de histonas y la actividad transcripcional demostrada cuando se descubrió que los complejos de proteínas, anteriormente conocido por transcripcional ser activadores, se determinó que la histona acetylase actividad. Y como era de esperar, represor transcripcional complejos eran contener la histona deacetilasa actividad.

Vínculo entre la metilación del ADN y silenciamiento transcripcional se ha demostrado que la observación de que las proteínas que se unen a metil CpG dinucleotides puede contratar a deacetylases histonas del ADN. Las proteínas se sabe que interactúan con acetilado histonas que juntos conducen a una más estructura de la cromatina abierta. Proteínas que se unen a acetilado lysines en histonas contienen un dominio llamado bromodomain. El bromodomain se compone de un conjunto de cuatro hélices α-y es un dominio de proteínas que participan en las interacciones proteína-en una número de sistemas celulares, además de la histona acetilado vinculante y estructura de la cromatina modificación.

Otra modificación de las histonas sabe que afectan a la estructura es la cromatina metilación. Sin embargo, con la metilación de histonas no hay una correlación directa entre la modificación y un efecto específico sobre la transcripción. La metilación de la histona H4 en R4 (arginina en la posición 4) promueve un abierto la cromatina estructura y, por lo tanto, conduce a la activación transcripcional. Metilación de histona H3 en K4 y K79 (lysines 4 y 79) se ha demostrado que actuar al igual que histona H4 R4 metilación. Sin embargo, la metilación de las histonas H3 en K9 y K27 es que están asociados con genes inactivos transcriptionally. La metilación de histonas proporciona un sitio para la unión de otras proteínas que a su vez conduce a alteración de la estructura de la cromatina a un estado más compactada. Proteínas que se unen metilado a histonas contienen un dominio llamado chromodomain. El chromodomain consta de un tramo conservado de 40-50 aminoácidos y se encuentra en muchos proteínas implicadas en la remodelación de la cromatina complejos. Además, chromodomain las proteínas se encuentran en el RNA-transcripcional inducidos por silenciar (RITS) complejo implica que los pequeños ARN de interferencia (siRNA) y microRNA (miRNA)-medicamentosos downregulation de transcripción. Para más detalles sobre los pequeños no codificante y RNAs regulación transcripcional ver el Control de la Expresión Génica Página .

Proteínas histonas también puede ser modificado por la adición de pequeñas proteínas ubiquitina. Ubiquitination se encuentra sólo en las histonas H2A y H2B y sólo un pequeño porcentaje de las histonas H2A se encuentra ubiquitinated. Sin embargo, cuando ubiquitinated, H2A está relacionado con la represión de la transcripción. El lugar exacto de efecto contrario se observa cuando la histona H2B es ubiquitinated, lo que lleva a una estimulación de la actividad de genes. La razón por la que ubiquitinated histonas H2B es relacionados con la actividad transcripcional es que esta modificación promueve la metilación de las histonas H3 en K4 y K79, que, como indicó anteriormente se asocia con estructura de la cromatina abierta.

Fosforilación de las histonas se produce principalmente en respuesta a las señales de fuera de tales como la estimulación del factor de crecimiento o inductores de estrés, tales como golpes de calor. Fosforilados histonas están localizados a los genes que se convierten en transcriptionally activa como consecuencia de estas señales fuera. La importancia de la histona fosforilación en el control de la expresión génica puede ser demostrado en pacientes Coffin-Lowry, síndrome de. Esta enfermedad se debe a defectos en la RSK2 gen que codifica la histona phosphorylating enzima. Ataúd-el síndrome de Lowry es una rara forma de X-mental ligado se caracteriza por retraso malformaciones esqueléticas, retraso del crecimiento, la audición déficit, los trastornos del movimiento paroxístico, y el deterioro cognitivo en las zonas afectadas los hombres.

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Replicación del ADN

La replicación del ADN ocurre durante el normal ciclo de división celular. Debido a que el complemento genético de las células hijas resultantes debe ser igual que el de la célula madre, la replicación del ADN debe poseer un muy alto grado de fidelidad. El proceso entero de la replicación del ADN es complejo e implica múltiples actividades enzimáticas.

Los mecanismos de la replicación del ADN fueron originalmente caracterizados en la bacteria E. coli, la cuál contiene 3 distintas enzimas capaces de catalizar la replicación del ADN. Éstas han sido identificadas como ADN polimerasa (pol) I, II, y III. La pol I tiene la actividad de replicación más abundante en E. coli pero tiene como su papel primario asegurar la fidelidad de la replicación a través de la reparación del daño y la incompatibilidad del ADN. La replicación del genoma de E. coli es el trabajo de la pol III. Esta enzima es mucho menos abundante que pol I, sin embargo, su actividad es cerca de 100 veces mayor que la de pol I.

Hasta hace unos años el uso de letras griegas para designar a los seis ADN polimerasas eucarióticas conocidas era suficiente. Sin embargo, la evidencia reciente indica que varios miembros de la familia más ADN polimerasa eucariótica son presentar y función en distintos tipos de replicación del ADN. Estos ADN polimerasas se dividen en cuatro familias grandes designados A, B, X e Y. Además, existe una actividad de transcriptasa inversa asociado con la telomerasa como discuten a continuación. Los seis diferentes polimerasas de ADN eucariota se identifican como α, β, γ, δ, ε, y ζ. La identidad de estas enzimas individuales se refiere a su localización subcelular, su actividad replicativa primaria y al orden en el que se describió por primera vez. El ADN eucariótico conocido polimerasas y descripciones de sus actividades se indican en la Tabla a continuación.

ADN Polimerasas Eucariotas
Familia de la Polimerasa Nomenclatura Común del Función de la Enzima, Comentarios
A γ (gamma) la replicación del ADN mitocondrial; codificada por el gen POLG en 15q26.1 cromosoma
A θ (theta) Reparación del ADN; codificada por el gen POLQ en cromosoma 3q13.33
B α (alpha) iniciación de la replicación del ADN cromosómico, el cebado Okazaki fragmento, también involucrados en la doble cadena de reparación de ruptura; codificada por el gen POLA en cromosoma Xp22.1–21.3
B δ (delta) ADN cromosómico alargamiento de replicación, reparación por escisión de nucleótidos, de doble filamento romper la reparación, de reparación de genes, se compone de un complejo multisubunit que incluye el complejo de la subunidad de la polimerasa codificada por cuatro la POLD1, POLD2, POLD3, y POLD4 genes, así como la replicación multisubunit proteína del factor C (siglas en Inglés: RFC1) y antígeno de proliferación celular (siglas en Inglés: PCNA)
B ε (epsilon) ADN cromosómico alargamiento de replicación, reparación por escisión de nucleótidos, de doble filamento romper la reparación, de reparación de genes, se compone de un catalizador 261kDa subunidad codificada por el gen POLE en cromosoma 12q24.33 y un accesorio de 55kDa proteína codificada por el gen POLE2, proteínas adicionales en el complejo épsilon incluir dos histona plegada en las proteínas codificadas por los genes POLE3 y POLE4
B ζ (zeta) bypass (translesion) la síntesis de ADN; codificada por el gen POLZ en cromosoma 6q21, también conocida como REV3, enzima responsable de prácticamente todos los daños en el ADN inducidos por mutagénesis así como la mayoría de mutagénesis espontánea
X β (beta) base reparación por escisión, necesaria para la replicación del ADN y el mantenimiento, recombinación, y resistencia a los medicamentos; codificada por el gen POLB en cromosoma 8p11.21
X λ (lambda) base reparación por escisión; codificada por el gen POLL en cromosoma 10q24.32
X μ (mu) no unirse a fin homóloga (siglas en Inglés: NHEJ); codificada por el gen POLL
X σ (sigma) la cohesión de cromátidas hermanas, codificada por el gen POLS en cromosoma 5p15.31; también conocido como función de las proteínas relacionadas con la topoisomerasa 4 (siglas en Inglés: TRF4) y poli (A) polimerasa asociada al dominio que contienen proteínas 7 (siglas en Inglés: PAPD7)
Y η (eta) bypass (translesion) la síntesis de ADN; codificada por el gen POLH en cromosoma 6p21.1, necesaria para la replicación a través de pirimidina ciclobutano inducida por UV dímeros (CPD), las mutaciones en consecuencia, en POLH Xeroderma pigmentosa variante (XP-V)
Y ι (iota) bypass (translesion) la síntesis de ADN; codificada por el gen POLI en cromosoma 18q21.2; también conocido como RAD30B
Y κ (kappa) bypass (translesion) la síntesis de ADN; codificada por el gen POLK en cromosoma 5q13.3
Y Rev1L pasar por alto (translesion) la síntesis de ADN, codificada por el REV1, que interactúa con POLK y es esencial para la función POLK

La capacidad de las ADN polimerasas para replicar el ADN requiere de un número de proteínas accesorias adicionales. La combinación de las polimerasas con varios de los accesorios de las proteínas produce una actividad identificada como holoenzima ADN polimerasa. Estas proteínas accesorias incluyen (no ordenado con respecto a importancia):

1. Primasa

2. Proteínas accesorias de procesamiento

3. Proteínas ligadas de un solo filamento

4. Helicasa

5. ADN ligasa

6. Topoisomerasas

7. Uracil-ADN N- glicosilasa

El proceso de replicación del ADN comienza en los sitios específicos en los cromosomas denominados orígenes de la replicación, requiere de un iniciador (primer) que tiene un 3'-OH libre, y procede específicamente en la dirección 5'—>3' en ambos filamentos del ADN concurrentemente y resulta en el copiado del patrón de filamentos de una manera semiconservativa. La naturaleza semiconservativa de la replicación del ADN significa que los nuevos filamentos hijos sintetizados, siguen siendo asociados con sus respectivos filamentos patrones.

El gran tamaño de los cromosomas eucarióticos y los límites de la incorporación del nucleotido durante la síntesis del ADN, hacen necesario de que existan múltiples orígenes de replicación para completar la replicación en un período de tiempo razonable. La naturaleza exacta de los orígenes de la replicación en organismos eucarióticos mayores no es clara. Sin embargo, está claro que un origen de replicación de los filamentos del ADN deben disociarse y desenrollarse para permitir el acceso a la polimerasa del ADN. El desenrollamiento de las dos cadenas del ADN en el origen así como también en los filamentos mientras el proceso de replicación procede se lleva a cabo por la acción de las helicasas. Las regiones resultantes de filamentos simples del ADN son estabilizadas por la unión de las proteínas ligadoras de un solo filamento. Las regiones estabilizadas de un solo filamento son entonces accesibles a las actividades enzimáticas requeridas para proceder a la replicación. El sitio de los filamentos patrón desenrollados se denomina bifurcación de la replicación.

Para que las polimerasas del ADN sinteticen ADN deben encontrar un 3'-OH libre que es el substrato para la anexión de los 5'-fosfato del nucleótido entrante. Durante la reparación del ADN dañado el 3'-OH puede presentarse de la hidrólisis del esqueleto de uno de los dos filamentos. Durante la replicación el 3'-OH es abastecido con el uso de un primer de RNA, sintetizado por la actividad de la primasa. La primasa utiliza los filamentos del ADN como patrones y sintetiza un corto trecho de RNA que genera un primer para la polimerasa del ADN.

La síntesis del ADN procede en la dirección 5'—>3' a través de la unión del 5'-fosfato de un dNTP entrante a los 3'-OH existentes en los filamentos del ADN que se esta elongando con la liberación concomitante de pirofosfato. La iniciación de la síntesis, en los orígenes de la replicación, ocurre simultáneamente en ambos filamentos del ADN. La síntesis entonces procede bidireccionalmente, con un filamento en cada dirección siendo copiado continuamente y un filamento en cada dirección siendo copiado discontinuamente. Durante el proceso las ADN polimerasas que están incorporando dNTPs al ADN en la dirección 5'—>3' estas se mueven en la dirección 3'—>5' en relación al filamento original. Para que la síntesis del ADN ocurra simultáneamente en ambos filamentos originales así como también en forma bidireccional, un filamento parece que esta siendo sintetizado en la dirección 3'—>5'. En realidad un filamento de ADN sintetizado de nuevo es producido discontinuamente.

El filamento de ADN sintetizado continuamente se denomina filamento principal y el filamento discontinuo se denomina filamento rezagado. El filamento rezagado del ADN se compone de tramos cortos del primer de RNA más ADN sintetizado de nuevo de aproximadamente 100-200 bases de largo (la distancia aproximada entre los nucleosomas adyacentes). Los filamentos rezagados del ADN también se llaman fragmentos Okazaki. El concepto de la síntesis continua del filamento es algo así como un nombre inapropiado puesto que las polimerasas del ADN no se mantieneb asociadas con un filamento patrón indefinidamente. La capacidad de una polimerasa particular para permanencer asociada con el filamento patrón se denomina procesividad. Mientras más tiempo está asociada más larga en la procesividad de la enzima. La procesividad de la polimerasa del ADN es realzada por las actividades proteicas adicionales del replisoma identificado como proteínas accesorias de procesividad.

ADN tenedor de replicación

Representación esquemática de un lado de un tenedor de replicación del ADN. Gran flecha representa la dirección general de replicación con la principal línea y líneas de retardo de la replicación muestran separados el uno del otro. en la actualidad el proceso consiste en un bucle de una de las dos líneas parentales con el fin de permitir la reproducción simultánea de ambos hebras de lo que parece ser la misma dirección. Este detalle se ilustra en la siguiente Figura.

¿Cómo es que la polimerasa del ADN puede copiar ambos filamentos del ADN en la dirección 5'—>3' simultáneamente? Un modelo ha sido propuesto donde las polimerasas del ADN existen como dimeros asociados con las otras proteínas necesarias en la replicación bifurcada e identificados como replisoma. El patrón para el filamento rezagado es colocado temporalmente a través del replisoma de tal manera que las polimerasas del ADN están moviendose a lo largo de ambos filamentos en la dirección 3'—>5' simultáneamente por distancias cortas, la distancia de un fragmento Okazaki. Mientras que las replicaciones bifurcadas progresan a lo largo del patrón de los filamentos los filamentos hijos recientemente sintetizados y los filamentos parentales del patrón reforman una doble hélice del ADN. Esto significa que solamente una pequeña porción del duplex de ADN tiene una sola hebra en un momento determinado.

detalles de la replicación del ADN

Los detalles del mecanismo por el cual ambas cadenas de ADN se replican de forma simultánea en la misma dirección. Una parte del filamento de revestimiento forma un lazo alrededor a través de la ADN polimerasa complejo de holoenzima de tal manera que los tramos cortos de 500–1000 pueden ser continuamente repetido en la misma dirección que el filamento principal. Finalmente tensión de torsión dará lugar a la disociación del complejo enzima y el proceso de bucle tendrá que empezar de nuevo. Esto es lo que da lugar a la media longitud de la Okazaki fragmentos generados a partir de la cadena retrasada. Sólo DNA helicasa, la unión de una sola hebra proteínas (siglas en Inglés: SSBP), y el complejo de ADN polimerasa son exhibidos.

La progresión de la bifurcación de replicación requiere que el ADN por delante de la bifurcación sea continuamente desenrollado. Debido al hecho que el ADN cromosómico eucariótico está unido a una estructura proteíca, el movimiento progresivo de la bifurcación de replicación introduce un estrés de torsión severo en el duplex que esta delante de la bifurcación. Este estrés de torsión es disminuido por las topoisomerasas de ADN. Las topoisomerasas alivian el estrés de torsión en los duplex de ADN al introducir rupturas dobles (topoisomerasea II) o de un filamento (topoisomerasas I) en el esqueleto del ADN. Estas rupturas permiten el desenrollamiento del duplex y la remoción del estrés de torción inducido por la replicación. Las rupturas son entonces reparadas por las topoisomerasas.

Los primers de RNA de los filamentos principales y de los fragmentos Okazaki son removidos por las ADN polimerasas de reparación y simultáneamente reemplazan los ribonucleótidos con los desoxiribonucleótidos. Los vacios existentes entre el 3'-OH de un filamento principal y el 5'-fosfato de otro as,í como entre un fragmento Okazaki y otro son reparados por las ligasas de ADN, completando así el proceso de la replicación.

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Actividades Adicionales de la ADN Polimerasa

La actividad enzimática principal de las ADN polimerasas es la actividad sintética 5'—>3'. Sin embargo, las ADN polimerasas poseen dos actividades adicionales de importancia tanto para replicación y reparación. Estas actividades adicionales incluyen una función de exonucleasa 5'—>3' y una función de exonucleasa 3'—>5'. La actividad de exonucleasa 5'—>3' permite la remoción de los ribonucleotidos del primer de RNA, utilizados para iniciar la síntesis del ADN, junto con su reemplazo simultáneo con los desoxiribonucleotidos mediante la actividad de la polimerasa 5'—>3'. La actividad de la exonuleasa 5'—>3' también es utilizada durante la reparación del ADN dañado. La función de la exonucleasa 3'—>5' es utilizada durante la replicación para permitir que la ADN polimerasa remueva las bases mal unidas. Es posible (pero raro) que las ADN polimerasas incorporen una base incorrecta durante la replicación. Estas bases mal unidas son reconocidas por la polimerasa inmediatamente debido a la carencia de la base de pareamiento de Watson-Crick. La base mal unida es entonces removida por la actividad de la exonucleasa 3'—>5' y la base correcta es insertada antes de la progresión de la replicación.

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Replicación de los Telómeros: Implicaciones para el Envejecimiento y la Enfermedad

Los telómeros son estructuras de ADN especializados en los extremos de los cromosomas que consisten en secuencias repetitivas de ADN y nucleoproteínas, la estructura general de que se conoce como una gorra de la nucleoproteína. La secuencia de los telómeros en el capítulo menos está compuesto por la repetición de 5'–TTAGGG–3'. La secuencia de repetición telomérica se extiende hasta varias kilobases y está involucrado en la protección de la extremos de los cromosomas de la actividad exonucleolytic.

Los extremos de los telómeros de la hebra retardada de cada cromosoma requiere un método único de replicación que implica la actividad de la enzima telomerasa complejo llamado. Esto se debe al hecho de que incluso si la actividad primasa incorporado un primer secuencia de ADN polimerasa δ en la extremo extremo 3' de la hebra retardada, al final de ese capítulo no sería del todo replicarse y por lo tanto, sería susceptible a la degradación. La telomerasa es complejo formado por varias proteínas, ARN con una secuencia de cortesía a las repeticiones teloméricas, y una transcriptasa inversa actividad que se extiende al extremo 3' de las hebras de retraso con el ARN telomerasa como la plantilla. La actividad de la transcriptasa inversa de la telomerasa es codificada por el gen TERT (en Inglés: telomerase reverse t ranscriptase) y el componente ARN es codificada por el gen TERC (en Inglés: telomerase RNA component). El ARN TERC contiene una secuencia hexanucleotide repetir, 3'–AAUCCC–5', que se extiende entre 3 y 20 kilobases. Esta secuencia en el ARN TERC forma un dúplex con la cadena de ADN retraso en la extremos de los cromosomas. El extremo 3' de la hebra retardada se sirve de la manual para la actividad de la transcriptasa inversa (TERT), que se extiende el extremo 3' de el cromosoma con el ARN TERC como plantilla. Para una imagen de gran tamaño: Haga clic aquí.

telomerasa actividad

Pasos en la función de la elongación de los telómeros por la telomerasa

El proceso de la telomerasa se ​​extiende al final de la cadena retrasada que puede ser replicada por la ADN polimerasa normal, por lo tanto, la preservación de la longitud de la cromosoma. Numerosas líneas de evidencia implican fuertemente acortamiento de los telómeros con la activación de la muerte celular programada (apoptosis), la pérdida de las células madre de tejido, progresión de la enfermedad, y los procesos generales del envejecimiento. La importancia de la longitud de los telómeros y la actividad de la telomerasa funcional se definió inicialmente en cultivos de fibroblastos humanos ya en la década de 1960. Hayflick y compañeros de trabajo demostraron que los fibroblastos fue a través de ciclos celulares progresiva en la cultura de sus telómeros se acorta progresivamente y inducido un estado de arresto proliferativa. Los fibroblastos mostraron un número finito de divisiones celulares que condujeron a la detención y la barrera a la proliferación de este se llama el límite de Hayflick. División forzada de células más allá del límite dado lugar a más pérdida de los telómeros que culminó en la inestabilidad cromosómica sin control y activación de la de la apoptosis. En el extremo opuesto del espectro, obligó a la expresión de la telomerasa, específicamente el gen TERT, en los resultados de los cultivos de fibroblastos en la preservación de longitud de los telómeros y las células adquieren la capacidad de dividirse indefinidamente sin cualquiera de las propiedades malignas.

Numerosos estudios han demostrado una correlación entre el acortamiento de los telómeros y el envejecimiento y las enfermedades humanas. Disminución del tiempo los telómeros en leucocitos de sangre periférica se ha demostrado que se correlaciona con las tasas de mortalidad más alta en mayores (más de 60 años de edad) los individuos. Esto contrasta con los estudios en centenarios y sus descendientes que han mostrado una relación positiva entre los telómeros la longitud y la longevidad. Estos últimos estudios también demostraron que las personas con telómeros más largos tenían un perfil más saludable en relación con las personas de edad similar con los telómeros de menor longitud. También hay una correlación interesante entre la longitud del telómero y el estrés psicológico y el riesgo para el desarrollo de la enfermedad psiquiátrica. Los estudios realizados en mujeres de 20–50 años han demostrado que aquellos individuos con los niveles más altos de violencia psicológica la tensión había el menor telómeros. Además, el nivel de actividad de la telomerasa en leucocitos de sangre periférica fue menor en aquellos individuos con mayor los niveles de estrés que también coincidió con los niveles más altos de oxidación el estrés. Esta correlación entre el estrés y la actividad de la telomerasa y los telómeros longitud es bastante intrigante, ya que se sabe que los individuos sujetos a estrés psicológico crónico muestran una menor esperanza de vida y la aparición más rápida de las enfermedades que son más típicas de una población envejecida como las enfermedades cardiovasculares.

Mantenimiento de los telómeros relacionada a una vida saludable se infiere también de Los estudios de varios trastornos hereditarios degenerativos. A modo de ejemplo, los individuos portadores de una mutación en el TERT o Genes TERC desarrollar disqueratosis congénita autosómica dominante, DKS (caracterizada por una tríada de uñas anormales, pigmentación de la piel reticular, y la leucoplasia oral, también llamado Zinsser-Cole-Engman síndrome de Down). DKS pacientes se han acortado los telómeros, una reducción de esperanza de vida, y muestran signos de envejecimiento acelerado. No hay otra forma de DKS que se hereda como una enfermedad ligada al cromosoma X como resultado de defectos en el gen DKC1 que codifica una proteína llamada disquerina. Disquerina forma un complejo con otras proteínas generar el complejo de la telomerasa, así como otro complejo que es un pseudouridina sintetasa que modifica rARN. Otros trastornos que se manifiestan con signos de envejecimiento prematuro, como el síndrome de Werner y ataxia telangiectasia también se correlacionan con los telómeros acortados. El síndrome de Werner es una rara enfermedad autosómica recesiva resultado de una deficiencia de la WRN proteína, que es una helicasa ADN implicadas en la reparación del ADN, el ADN recombinación y mantenimiento de los telómeros. Estos pacientes desarrollan con normalidad hasta que la pubertad. En este momento comienzan a manifestar signos de múltiple progresiva prematuro patologías del envejecimiento, incluyendo las cataratas seniles, la osteoporosis, la piel atrofia, infarto de miocardio y el cáncer. El síndrome de Werner fibroblastos muestran una pérdida acelerada de los telómeros y se someten a la eyaculación senescencia que puede ser revertido por la expresión de TERT cumplir.

Además de los trastornos hereditarios, acortamiento de los telómeros también se correlaciona que han heredado enfermedades degenerativas asociadas a la elevación crónica de tejido volumen de negocio. Por ejemplo, la cirrosis hepática se asocia con una deterioro progresivo de la longitud de los telómeros.

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Modificaciones de Postreplicación del ADN, Metilación

Una de las principales reacciones de postreplicación que modifican el ADN es la mutilación. Los sitios de metilación natural (es decir, no inducida químicamente) del ADN eucariótico siempre están en los residuos de citosina que están presentes en los dinucleotidos CpG. Sin embargo, debe observarse que no todos los dinucleotidos CpG están metilados en el residuo C. La citidina es metilada en la posición 5 del anillo de pirimidina generando 5-metilcitidina.

También ocurre metilación del ADN en células procarióticas. La función de esta metilación es prevenir la degradación del ADN del huésped en presencia de las actividades enzimáticas sintetizadas por las bacterias llamadas endonucleasas de restricción. Estas enzimas reconocen secuencias específicas de nucleótidos del ADN. El papel de este sistema en las células procarióticas (llamadas sistema de restricción de modificación) es degradar ADNs viral extraño. Puesto que los ADNs virales no están modificados por la metilación son degradados por las enzimas de restricción del huésped. El genoma del huésped metilado es resistente a la acción de estas enzimas.

El papel de la metilación del ADN en eucariotas tiene dos claramente definidos y la superposición de funciones. La metilación del CpG dinucleotides afecta a la estructura general de cromatina, que a su vez altera la amplia disponibilidad de la cromatina a la maquinaria transcripcional. Este efecto de la metilación es un mecanismo de epigénesis. La epigenética como medio de control de genes se discute en el Control de los Genes Expresión página. Los efectos de la metilación en la transcripción de determinados genes fue elegantemente demostrado en experiemnts que llevaron a los menores de metilación de la MyoD gen (un gen maestro de control que regulan la diferenciación de las células musculares a través del control de la expresión de los músculos específicos de genes). En virtud de la metilación de MyoD en fibroblastos en sus resultados de la conversión a Mioblastos. Los experimentos se llevaron a cabo, permitiendo la reproducción de los fibroblastos de incorporar 5-azacytidine en su nueva síntesis de ADN. Esta analógico de citidina impide la metilación. El resultado neto es que el patrón de la maternidad de la metilación se pierde y numerosos genes en virtud de ser metilado.

El patrón de metilación es copiado postreplicación por el sistema de metilasa de mantenimiento. Esta actividad reconoce el patrón de los residuos C metilados en el filamento materno del ADN luego de la replicación y metila el residuo C presente en el dinucleotido CpG correspondiente del filamento hijo.

proceso de metilación del ADN post-replicativa

Proceso de replicación después de la metilación del ADN

El fenómeno de impresión genómica se refiere al hecho que la expresión de algunos genes depende de si son o no heredados de la madre o del padre. El factor de creciimiento 2 (IGF2) similar a la insulina es un gen cuya expresión es requerida para el normal desarrollo y crecimiento fetal. La expresión de IGF2 ocurre exclusivamente de la copia paterna del gen. Los genes impresos son "marcados" por su estado de metilación. En el caso de IGF2 un elemento en el locus paterno, llamado elemento aislante, es metilado bloqueando su función. La función del aislante no metilado es ligar una proteína que cuando esta unida bloquea la activación de la expresión IGF2. Cuando esta metilada la proteína no puede unirse al aislante permitiendo así que un elemento reforzador distante conduzca la expresión del gen IGF2. En el genoma materno, el aislante no esta metilado, así la proteína se une al gen bloqueando la acción de un elemento reforzador distante.

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Recombinación del ADN

La recombinación del ADN se refiere al fenómeno por el cual dos filamentos parentales de ADN se juntan dando como resultado un intercambio de las porciones de sus respectivos filamentos. Este proceso conduce a nuevas moléculas de ADN que contienen una mezcla de la información genética de cada filamento parental. Hay 3 formas principales de recombinación genética. Estas son: recombinación homóloga, recombinación específica de sitio y transposición.

La recombinación homóloga es el proceso de intercambio genético que ocurre entre dos moléculas de ADN que comparten una región (o regiones) de las secuencias homólogas de ADN. Esta forma de recombinación ocurre frecuentemente mientras que las cromatides hermanas se aparean durante la meiosis. De hecho, es el proceso de recombinación homóloga entre los cromosomas maternos y paternos que imparte diversidad genética a un organismo. La recombinación homóloga generalmente implica el intercambio de regiones grandes de los cromosomas.

La recombinación específica de sitio implica intercambio entre regiones mucho más pequeñas de la secuencia del ADN (aproximadamente 20-200 pares de base) y requiere el reconocimiento de las secuencias específicas por las proteínas implicadas en el proceso de recombinación. Los eventos de recombinación específica de sitio ocurren primariamente como un mecanismo para alterar el programa de expresión de los genes en las etapas específicas del desarrollo. Los acontecimientos de recombinación específica de sitio más significativos en los seres humanos son los cambios genéticos de la célula somática que ocurren en los genes de la inmunoglobulina durante la diferenciación de la célula-B en respuesta a la presentación del antígeno. Estos rearreglos del gen en los genes de la inmunoglobulina resultan en un potencial extremadamente diverso para la producción de anticuerpos. Una molécula de anticuerpo típica está compuesta de cadenas pesadas y livianas. Los genes para ambas cadenas de péptidos experimentan el cambio de la célula somática produciendo el potencial para aproximadamente 3000 diferentes combinaciones de cadena liviana y aproximadamente 5000 combinaciones de cadenas pesadas. Entonces debido a que cualquier cadena pesada dada puede combinarse con cualquier cadena liviana dada la diversidad potencial excede a 10.000.000 de posibles moléculas diferentes de anticuerpos.

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Transposición del ADN

La transposición es una forma única de recombinación donde los elementos genéticos móviles pueden moverse virtualmente de una región a otra dentro de un cromosoma o a otro cromosoma. No hay requisito para la secuencia homologa para que un acontecimiento transposicional ocurra. Debido a que el potencial existe para la interrupción de un gen de vital importancia mediante un evento de transposición este proceso debe ser regulado firmemente. La naturaleza exacta de cómo los eventos transposicionales son controlados es confusa.

La transposición ocurre con mayor frecuencia en bacterias y levaduras que en seres humanos. La identificación de la ocurrencia de la transposición en el genoma humano resultó cuando se encontró que ciertos genes procesados estaban presentes en el genoma. Estos genes procesados son casi idénticos al mRNA codificado por el gen normal. Los genes procesados contienen la cola poly (A) que habría estado presente en el RNA y carecen de los intrones del gen normal. Estas formas particulares de los genes pueden haber aparecido por un evento de transcripción reverso, similar al ciclo vital de los genomas retrovirales, y después haber sido incorporados dentro del genoma por un evento transposicional. Puesto que la mayor parte de los genes procesados que han sido identificados como no funcionales han sido denominados pseudogenes.

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Reparación del ADN Dañado

El cáncer, en la mayoría de los casos que no son provocados por virus, es la consecuencia médica más severa de relevancia debido a la inhabilidad de reparar el ADN dañado. Está claro que las múltiples mutaciones somáticas de la célula en el ADN pueden conducir a la génesis de un fenotipo transformado. Por lo tanto, debe ser obvio que la comprensión completa de los mecanismos de reparación del ADN sería invaluable en el diseño de agentes terapéuticos potenciales para el tratamiento de cáncer.

El daño del ADN puede ocurrir como resultado de la exposición a los estímulos ambientales tales como productos químicos de alquilación o irradiación ultravioleta o radioctiva y radicales libres generados espontáneamente en el ambiente de oxidación de la célula. Estos fenómenos pueden, y lo hacen, conducir a la introducción de mutaciones en la capacidad de codificación del ADN. Las mutaciones en el ADN también, pero raramente, se presentan de la tautomerización espontánea de las bases.

Las modificación de las bases del ADN por alquilación (predominatemente la incorporación de grupos -CH3) predominatemente ocurren en los residuos de purina. La metilación de los residuos G permite que estos se unan con T en lugar de C. Una única actividad llamada O6-alquilguanina transferasa remueve el grupo alquil de los residuos G. Esta enzima en sí misma se alquila y ya no es activa, así, una única molécula de proteína puede remover solamente un grupo alquil.

Las mutaciones en el ADN son de dos tipos. Las mutaciones de transición que resultan del intercambio de una purina, o pirimidina, por otra purina, o pirimidina. Las mutaciones de transversión resultan del intercambio de una purina por una pirimidina o viceversa.

El prominente subproducto de la irradiación uv del ADN es la formación de los dimeros de timina. Éstos se forman a partir de dos residuos T adyacentes en el ADN. La reparación de los dimeros de timina es más entendido cuando se consideran los mecanismos utilizados en E. coli. Sin embargo, varios mecanismos son comunes a procariotas y eucariotas.

Los dimeros de timina son removidos por varios mecanismos. Las glicohidrolasas específicas reconocen el dimero como anormal y rompen la unión N-glicosídica de las bases en el dimero. Esto resulta en la salida de una base y genera un sitio apirimidinico en el ADN. Esto es reparado por la polimerasa y ligasa del ADN. Las glicohidrolasas son también responsables de la remoción de otras bases anormales, no solo dimeros de timina.

Otra, actividad proteíca extensamente distribuida, es la ADN fotoliasa o enzima fotoreactivante. Esta proteína liga los dimeros de timina en la obscuridad. En respuesta a la estimulación de la luz visible la enzima rompe los anillos de pirimidina. El cromóforo asociado con esta enzima que permite la activación de la luz visible es FADH2.

Los seres humanos defectuosos en la reparación del ADN, (en particular la reparación de UV inducida por dímeros de timina), debido a la forma autosómica recesiva sufren defectos genéticos de la enfermedad Xeroderma pigmentosa (XP ). Hay por lo menos ocho distintos defectos genéticos asociados con esta enfermedad identificada como XPA, XPB, XPC, XPD, XPE, XPF, XPG, y XPV. Las variantes a través de XPA XPG son todos que participan en reparación por escisión de nucleótidos (NER), mientras que el locus XPV está implicado en replicación de ADN dañado en la primera línea. NER implica la supresión de un amplia gama de estructuralmente no relacionadas entre ellos las lesiones del ADN cyclobutane dímeros de timina, otros dímeros de pirimidina, pirimidina-produjo pyrimidone photoproducts en la piel humana o por los rayos UV de onda corta, y espiral de distorsión inducida por productos químicos aductos por agentes carcinógenos. Muchas de las proteínas de los productos estos genes se encuentran en heterodimeric complejos con otras proteínas implicadas en la reparación de ADN. Hay dos formas clínicas principales de XP, una que conduce a la progresiva cambios degenerativos en los ojos y la piel y la otra que también incluye a la degeneración neurológica progresiva.

Otro desorden heredado que afecta la reparación del ADN en el cual los pacientes sufren de sensibilidad al sol, corta estatura y degeneración neurológica progresiva sin una incidencia creciente de cáncer de piel es el Síndrome de Cockayne.

Ataxia Telangiectasia (AT) es un trastorno autosómico recesivo como resultado de la discapacidad neurológica y suprimido la función inmunológica. Telangiectasias superficiales se dilatan los vasos sanguíneos, como también en pacientes con la rosácea o la esclerodermia. A los pacientes desarrollar una ataxia cerebelosa desactivar temprano en la vida y tienen infecciones recurrentes. Los pacientes que sufren de AT tienen una mayor sensibilidad a la radiación-x resultantes de defectos en el gen ATM (Ataxia Telangiectasia mutado), que codifica una kinasa que es inducida en respuesta a la doble vertiente pausas en el ADN. Uno importante sustrato de la quinasa ATM es la tumor supresor de la proteína, p53. Hay cuatro distintos grupos de complementación resultante en AT identificado como ATA, ATC, ATD, y ATE. Los cuatro son el resultado de mutaciones en el gen ATM.

Varias enfermedades asociadas con la reparación defectuosa del ADN dañado pueden ser encontradas en la página de Errores innatos.

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Quimioterapias para la Replicación del ADN

La clase de compuestos que han sido utilizados más ampliamente como drogas anticáncer son los agentes alquilantes. Los principales agentes alquilantes se derivan de las mostazas nitrogenadas que fueron originalmente desarrolladas para uso militar. Los agentes alquilantes comúnmente usados incluyen ciclofosfamida (Cytoxan, Neosar), ifosfamida, decarbazina, clorambucil (Leukeran) y procarbazina (Matulane, Natulan).

Los agentes alquilantes funcionan reaccionando con e interrumpiendo la estructura del ADN. Algunos agentes reaccionan con los grupos alquil en el ADN dando lugar a la fragmentación del ADN como consecuencia de la acción de las enzimas de reparación del ADN. Algunos agentes catalizan la unión cruzada de las bases en el ADN lo que previene la separación de los dos filamentos durante la replicación del ADN. Algunos agentes inducen a un mal apareamiento de nucleotidos dando como resultado mutaciones permanentes en el ADN. Los agentes alquilantes actúan sobre el ADN en todas las etapas del ciclo celular, así son drogas anticáncer potentes. Sin embargo, debido a su potencia, el uso prolongado de agentes alquilantes puede conducir a cánceres secundarios, particularmente leucemias.

Varias clases de drogas anticáncer funcionan con interferencia con las acciones de las topoisomerasas. Dos de estas clases son antraciclinas y camptotecinas.

Los antraciclinas fueron originalmente aisladas de los hongos, Streptomyces. La doxorubicina (Adriamycin, Doxil, Rubex) y la daunorubicina (Cerubidina, DaunoXome, Daunomicina, Rubidomicina) tienen modos similares de acción, aunque la doxorubicina es la más potente de las dos y es utilizada en el tratamiento de cáncer de mama, de linfomas y de sarcomas. Las antraciclinas inhiben las acciones de la topoisomerasa II cuya función es introducir las rupturas de doble filamento en el ADN durante el proceso de replicación como un medio de disminuir el estrés de torsión. Las antraciclinas también funcionan induciendo la formación de los radicales libres de oxígeno que causan rupturas de los filamentos del ADN dando como resultado la inhibición de la replicación.

Otro compuesto anticáncer derivado de las plantas que funciona a través de la inhibición de la topoisomerasa II es el etoposide (VP-16, Vepesid, Etofos, Eposin). El etoposide es aislado de la planta de mandrágora y esta en una clase de compuestos designados como epipodofilotoxinas.

Las camptotecinas fueron encontradas originalmente en la corteza del árbol Camptotheca accuminata e incluye irinotecan (Campto, Camptosar) y topotecan (Hycamtin). La camptotecina inhibe la acción de la topoisomerasa I, una enzima que induce las rupturas de un solo filamento en el ADN durante la replicación.

Compuestos anticáncer que son extraídos de la planta bígaro, Vinca rosea, son llamados alcaloides vinca. Estos compuestos se unen a los monomeros de la tubulina conduciendo a la interrupción de los microtubulos de las fibras mitóticas del huso que son necesarias para la división celular durante mitosis. Hay cuatro alcaloides vinca importantes que se utilizan actualmente como quimioterapéuticos, vincristina (Oncovin, Vincrex), vinblastina (Velbe, Velban, Velsar), vinorelbina (VIN, Navelbine), y vindesina (Eldisine).

Los taxanes son otra clase de compuestos derivados de plantas que actúan vía interferencia con la función del microtúbulo. Estos compuestos son aíslados del árbol Tejo del Pácifico, Taxus rbevifolia e incluye el paclitaxel (Taxol) y el docetaxel (Taxotere). Los taxanes funcionan por hiperestabilización de los microtúbulos lo que previene la división celular (cytocinesis). Estos compuestos son usados para tratar una amplia gama de cánceres incluyendo cánceres de cabeza y cuello, pulmón, ováricos, mama, vejiga, y los cánceres de próstata. El Taxol ha probado alta efectividad en el tratamiento de ciertas formas de cáncer de mama.

Para que la replicación del ADN proceda, las células proliferativas requieren un pool de nucleótidos. La clase de drogas anticáncer que ha sido desarrollada para interferir con aspectos del metabolismo del nucleótido es conocida como antimetabolitos. Hay dos tipos importantes de antimetabolitos usados en el tratamiento de una amplia gama de cánceres: compuestos que inhiben la timidilato sintasa y compuestos que inhiben la dihidrofolato reductasa (DHFR). Ambas enzimas están implicadas en la biosíntesis del nucleotido de timidina (véase la figura abajo). Las drogas que inhiben la timidilato sintasa incluyen el 5-fluorouracilo (5-FU, Adrucil, Efudex) y 5-fluorodeoxiuridina. Los que inhiben el DHFR son análogos del ácido fólico e incluyen el metotrexato (Trexall, Rheumatrex) y el trimetoprim (Proloprim, Trimpex).

Reacciones de síntesis de la timidina

Síntesis de timidina

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Última modificación: 4 dejulio de 2016