Información

¿Cómo se forman los catenanos cuando el ADN se replica?

¿Cómo se forman los catenanos cuando el ADN se replica?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Así que estoy tomando un curso de reparación y replicación del ADN. Y estamos hablando de catenanos que se forman cuando el ADN se replica (dos círculos de ADN bicatenario interconectados) ¿Cómo es esto posible?


El primer círculo de ADN es de doble hebra. Si pudieras derretir la doble hélice por completo, no podrías separar los dos soportes sin romper la columna vertebral de azúcar y fosfato de al menos uno de las dos hebras. Este es un problema topológico, los dos hilos están vinculados entre sí.

Ahora considere la replicación del ADN. En el ejemplo más simple, hay un solo origen de replicación y habrá dos horquillas de replicación que se mueven alrededor del genoma circular en direcciones opuestas. Esto es exactamente lo que sucede durante la replicación del ADN en la bacteria. E. coli. La doble hélice de ADN de la molécula parental se "funde", los cebadores de ARN son sintetizados por la primasa y los complejos de ADN polimerasa inician la síntesis. Detrás de cada horquilla de replicación hay ahora dos hebras de ADN híbrido, cada una con una hebra parental y una nueva hebra hija.

Hasta ahora no se han escindido enlaces azúcar-fosfato. Cuando se realiza la replicación, cada hélice de ADN ds hija tendrá una muesca de una sola hebra en el origen y otra en el sitio donde terminó la replicación, pero estas serán rápidamente reparadas por la ADN polimerasa I y la ADN ligasa. Incluso si esas dos enzimas reparadoras fueran inhibidas, y de alguna manera pudieras derretir las hebras de ADN de ambos cromosomas hijos, solo podrías extraer las nuevas moléculas de ADN (con las muescas), las dos hebras parentales originales son todavía topológicamente ligado.

Para resolver dos círculos de ADN concatenados, debe realizar una ruptura de doble hebra en al menos uno de los círculos ds. Esta actividad enzimática es proporcionada por una clase de enzimas denominadas ADN topoisomerasas de tipo II.


Desafíos topológicos para la replicación del ADN: conformaciones en la bifurcación

El desenrollado del dúplex de ADN parental durante la replicación provoca que se acumule una diferencia de número de enlace positivo, o cepa superhélice, alrededor de la horquilla de replicación que se alarga. La ramificación en la bifurcación y esta cepa producen conformaciones diferentes de la del ADN superenrollado (-) que no se está replicando. El ADN en replicación puede formar (+) precateanos, en los que los ADN hijos se entrelazan, y (+) superenrollamientos. Las topoisomerasas tienen la función esencial de aliviar la tensión superhelical mediante la eliminación de estas estructuras. Las bifurcaciones de replicación estancadas de moléculas con una cepa superhelical (+) tienen la opción adicional de retroceder, formando una unión de cuatro vías en la bifurcación de replicación. Se puede actuar sobre esta unión de cuatro vías mediante enzimas de recombinación para reiniciar la replicación. Las barreras de dominio topológico facilitan la replicación y el plegamiento de cromosomas, que secuestran los sustratos para las topoisomerasas en regiones definidas y concentradas. Las barreras de dominio también permiten que el ADN replicado sea (-) superenrollado. Discutimos la importancia de replicar las conformaciones del ADN y las funciones de las topoisomerasas, centrándonos en el trabajo reciente de nuestro laboratorio.

Una comprensión profunda de la replicación y recombinación del ADN requiere el conocimiento de las conformaciones y topología del ADN en replicación. Estos son diferentes de los del ADN que no se replica. La acción de las helicasas de ADN, las interrupciones en las hebras replicadas y, lo que es más importante, la estructura ramificada única de la horquilla de replicación en sí, contribuyen a estas diferencias. En esta revisión, ilustramos las principales diferencias conformacionales entre el ADN replicante y no replicante y su importancia fisiológica. Destacamos la evidencia para cada estructura in vitro y en vivo. Además, abordamos cómo los enlaces que residen originalmente en la doble hélice del dúplex parental se resuelven completamente en bacterias por dos topoisomerasas de tipo 2, ADN girasa y topoisomerasa (topo) IV, para formar dos moléculas hijas separadas. Aunque enfatizamos la situación de las bacterias, también haremos generalizaciones aplicables a los eukarya y archaea.

Comenzamos definiendo algunos términos básicos que forman el lenguaje de la topología del ADN (1). La topología en la que nos centraremos son los vínculos entre las hebras complementarias de Watson y Crick de un fragmento de ADN intacto y con restricciones topológicas. El ejemplo más simple es un ADN circular cerrado, como se encuentra en plásmidos y virus, pero los resultados se pueden generalizar a cromosomas lineales debido a su organización en dominios o bucles cerrados. El entrelazamiento de las hebras complementarias se describe mediante el número de enlace (Lk), que es la mitad del número con signo de veces que una hebra se cruza con la otra en cualquier proyección. De acuerdo con la convención de signos, los cruces en el ADN de tipo B ordinario son (+). Los cruces, o nodos, de las hebras complementarias pueden resultar del entrelazamiento local de la propia doble hélice, en cuyo caso se miden mediante un parámetro llamado torsión (Tw). Alternativamente, los nodos son el resultado de un segmento de la doble hélice que se cruza con otro, medido por retorcimiento (Wr). Lk es la suma de Tw y Wr. En particular, Lk no se ve alterado por ninguna deformación que no sea la ruptura y la reunión del ADN. Más importante es la cantidad ΔLk, la diferencia entre Lk y Lk0, donde Lk0 es el Lk de una molécula de ADN relajada. La tensión en el ADN de un ΔLk distinto de cero a menudo hace que el ADN se superenrolle, una forma de retorcimiento. El superenrollamiento puede ser plectonémico (entrelazado) o solenoide, como cuando el ADN envuelve una proteína. La medida más útil de la desviación topológica del ADN del estado relajado es su densidad de superenrollamiento, o σ. Sigma es igual a ΔLk / Lk0 y, por tanto, es independiente de la longitud del ADN. La replicación provoca un aumento en ΔLk, porque la separación de las hebras parentales reduce el valor de Lk0. Por lo tanto, el ΔLk de replicación aumenta en aproximadamente uno por cada diez pares de bases de ADN replicado.

Esta revisión se divide en tres partes. Comenzamos discutiendo las conformaciones de (-) ADN superenrollado que no se replica, la forma que adopta el ADN fuera de la bifurcación. A continuación, discutimos las tres formas en que el ADN replicante puede diferir del ADN no replicante: precatenanes, ADN superenrollado (+) y la unión de cuatro vías en las bifurcaciones estancadas. Finalmente, discutiremos las barreras de dominio topológico, que pueden secuestrar estructuras de ADN replicantes en regiones limitadas del cromosoma donde pueden procesarse más fácilmente, lo que permite que prosiga la replicación y segregación cromosómica.


Replicación del ADN: alargamiento y terminación eucariotas.

Hablamos sobre la iniciación en las células eucariotas en el último post. En la presente publicación, veamos & # 8217s Alargamiento y el Terminación en la replicación del ADN eucariota.

Durante la iniciación, un repertorio de proteínas se une y desenrolla el ADN en el origen. A este complejo proteico el polimerasas están cargados. Las polimerasas trabajan junto con otras proteínas para la alargamiento de las hebras hijas.

(Sólo por información: Lea más sobre los orígenes eucariotas en el artículo titulado & # 8216Making Sense of Eukaryotic DNA Replication Origins & # 8216.)

Alargamiento:

La primera polimerasa que inicia la síntesis de ADN es la ADN polimerasa α, que existe en forma de Complejo de ADN polimerasa α-primasa. La subunidad primasa sintetiza la Cebadores de ARN (alrededor de 7-12 nucleótidos) que luego se transfieren al dominio de la polimerasa y extendido con bases de ADN (alrededor de 20-25 nucleótidos). Factor de replicación C (RFC) inicia una reacción llamada conmutación de polimerasa. Las cadenas de ADN se extienden luego por otras polimerasas, a saber, el ADN polimerasa δ y ADN polimerasa ε.

Síntesis de cadenas principales:

Fig 1: Síntesis de la hebra principal o continua.

A medida que el ADN pol α completa la síntesis del cebador de ARN y la adición de bases de ADN, RFC provoca la disociación del ADN pol α y se ensambla antígeno nuclear de células en proliferación (PCNA) en la región del término del cebador. PCNA es un Pinza de ADN para las ADN polimerasas.

Pol ε se ha informado como la principal polimerasa de síntesis de cadena principal (en Saccharomyces cerevisiae). En la cadena principal ya que la replicación es continua y el cebador se sintetiza una sola vez y se lleva a cabo la extensión (fig. 1).

Síntesis de hebras rezagadas:

Fig 2: Síntesis de hebras rezagadas o discontinuas con series de fragmentos de Okazaki.

Polimerasas δ es la principal polimerasa en la síntesis de hebras rezagadas. La replicación en las hebras rezagadas es discontinua y tiene lugar con la formación de varios Okazaki fragmentos (fig 2).

Los fragmentos de Okazaki (figura 3) generados en eucariotas durante la síntesis de la hebra retrasada tienen alrededor de 200 bases (procariotas, alrededor de 2000 bases) de largo. Como se hacen varios fragmentos de Okazaki, Conmutación de polimerasa durante la síntesis de fragmentos de Okazaki es de mayor importancia.

Por lo tanto, un fragmento de Okazaki está formado por nucleótidos de ARN (7-10 nucleótidos), luego se agregan alrededor de 10-20 nucleótidos de bases de ADN por el ADN pol α. Después de lo cual, el RFC provoca el cambio de polimerasa y los desoxirribonucleótidos se agregan por ADN pol δ sostenido por el PCNA, el deslizamiento abrazadera (vea la figura a continuación). El ADN pol δ se disocia después de la síntesis de todo el tramo de ADN, a medida que se acerca al cebador de ARN anterior.

(Sólo por información: Conozca más sobre PCNA)

Las proteínas involucradas en la replicación, especialmente PCNA (Boehm et al., 2016).

Los cebadores de ARN se eliminan mediante ARNasa H1, de manera que un ribonucleótido permanece todavía unido a la parte de ADN (extremo 3 & # 8242) del fragmento de Okazaki. Este ribonucleótido omitido se elimina luego por endonucleasa de colgajo 1 (PANTANO 1). Polimerasa δ luego llena los espacios formados entre los fragmentos de Okazaki luego de la remoción del cebador. los mella formados entre el fragmento de Okazaki y la hebra rezagada se rellenan con ADN ligasa I, formando así una sola hebra rezagada.

Fig 4: Eliminación del cebador de ARN y unión de fragmentos individuales de Okazaki.

Ensamblaje de nucleosomas:

Durante el alargamiento, también hay un desmontaje continuo como reensamblaje del empaque del nucleosoma a lo largo del ADN. Como sabemos, una de las características del ADN eucariota es que está empaquetado en forma de estructuras muy compactas llamadas Cromosomas. Implica enrollar el ADN cargado negativamente alrededor de las proteínas básicas llamadas histonas para formar estructuras llamadas nucleosomas (figura a continuación). Cada nucleosoma se compone de 8 histona proteínas, dos de cada una de H2A, H2B, H3 y H4. La histona H1 forma la enlazador entre dos nucleosomas.

Los nucleosomas.

Durante la replicación, dos nucleosomas en frente de la horquilla de replicación, que es ADN no replicado, se vuelven desestabilizado. Por lo tanto, el movimiento de la horquilla de replicación hace que el empaquetamiento del ADN se desorganice para permitir que las proteínas de replicación interactúen con el ADN.

En el porción replicada, las cadenas principales y retrasadas estaban libres de nucleosomas hasta aproximadamente 225 pb y 285 pb, respectivamente. Después de esta región, el ADN se empaquetó con octómero de histona, pero algunos carecían de histona H1. Después de alrededor de 450 pb a 650 pb desde la horquilla de replicación, se detectaron nucleosomas completos con H1 en las hebras hijas. Por lo tanto hay montaje paso a paso de hebras hijas en nucleosoma completo.

Los nucleosomas parentales se disocian y se unen aleatoriamente a las hebras de ADN hijas, de modo que cada hebra tiene mitad de El nucleosomas parentales. Los componentes restantes del nucleosoma necesarios para empaquetar las dos hebras hijas se sintetizan de novo y ensamblado en las hebras hijas.

Terminación:

Después del alargamiento exitoso, la replicación debe terminarse para dar dos copias separadas del ADN.

Involucra dos bifurcaciones de replicación adyacentes:

Como las células eucariotas tienen un gran número de orígenes, la terminación implica la fusión de dos bifurcaciones de replicación adyacentes. Esto incluye cuatro pasos diferentes:

& # 8211 Disolución:

El tramo de ADN entre las dos bifurcaciones adyacentes (figura 5.a) es desenrollado (fig 5.b) y el acercamiento CMG pasarse (fig 5.c). El último fragmento de Okazaki es procesado por ADN pol δ y FEN1 (figura 5.d).

los brechas en las hebras hijas (como en los fragmentos de Okazaki normales) se rellenan y se ligan dos hebras sintetizadas que se aproximan de forma opuesta.

& # 8211 Disociación de replisome:

El complejo replisome desmonta después de la convergencia de las dos bifurcaciones de replicación. Este proceso implica poliubiquitilación específica de terminación de Mcm7 y p97 / VCP / Cdc48 segregar (figura 5.e).

& # 8211 Decatenation:

Si hay entrelazamientos en las cadenas de ADN hijas o catenanes, se eliminan utilizando topoisomerasa II segregando las dos hebras.

Fig 5: La terminación implica la fusión de las dos bifurcaciones vecinas (Dewar & amp Walter, 2017).

Involucrando los extremos de los cromosomas:

Como se sabe, el ADN de los cromosomas eucariotas es un lineal molécula, la terminación en el ADN eucariótico también implica completar la replicación en el termina de cromosomas conocidos como Telómeros (figura 6).

Fig 6: Los telómeros forman el extremo protector del ADN lineal eucariota (Aulinas, 2013).

Durante la síntesis de fragmentos de Okazaki, Cebador de ARN proveer 3 y # 8242-OH grupo para la replicación de 5 ′ a 3 ′. Sobre la eliminación del cebador de ARN, de la hebra rezagada en el extremo del cromosoma, el final permanece no replicado y la hebra recién sintetizada es acortado (figura 7).

Fig 7: Acortamiento de los extremos de los cromosomas.

Este acortamiento del cromosoma se evita mediante la presencia de repeticiones especiales de secuencias llamadas telómeros (y proteínas asociadas a los telómeros) en los extremos del ADN en los cromosomas contienen. Por ejemplo Los cromosomas humanos están protegidos por telómeros que tienen secuencias repetidas de (TTAGGG) n de aproximadamente 15 a 20 kb al nacer. Estas estructuras protegen los extremos de los cromosomas de ser considerados erróneamente como Roturas de doble hebra de ADN (DSB).

En normal células somáticas, la región telomérica de los cromosomas eucariotas son acortado con cada ronda de replicación del ADN. Después de cierto número de replicaciones de ADN y, por lo tanto, de divisiones celulares, los telómeros se acortan hasta un punto que conduce a células replicativas. senectud o apoptosis.

(Sólo por información: Lea sobre el premio Nobel otorgado a un trabajo sobre los telómeros).

Sin embargo, en línea germinal y Células cancerígenas, una enzima llamada telomerasa, extiende los extremos de los cromosomas, especialmente el extremo 5 'de las hebras rezagadas. La capacidad de mantener la longitud de los telómeros, hacer que estas células inmortal.

La telomerasa es una la transcriptasa inversa que tiene un ARN plantilla, conocido como Molécula de ARN que codifica la plantilla (TER) para la extensión del ADN telomérico (figura 8). Lo básico proteína componente de la telomerasa se conoce como TERT (Transcriptasa inversa de telomerasa).

En los seres humanos, la plantilla de ARN tiene la secuencia AUCCCAAUC. El recién sintetizado repeticiones de ADN telomérico se añaden al saliente extremo 3 ′ monocatenario del ADN (figura 8).

Fig 8: Síntesis de repeticiones de ADN telomérico por Telomerasa (Verhoeven et al, 2014).

(Sólo por información: visite para ver la animación sobre la acción de la telomerasa y mucho más.)

Después de que se completa la extensión de la cadena en el extremo 3 'por parte de la telomerasa, el ADN pol α y la ADN ligasa completan la síntesis de la cadena de ADN.

Esto es todo por esta publicación. Espero que les guste esta publicación, si es así, por favor comenten, denle me gusta y compartan !!

También síganos en Facebook, Twitter, Instagram o envíenos un correo electrónico ([email protected]).

Leer más publicaciones de The Biotech Notes:

Bambara y col. (1997) Enzimas y reacciones en la bifurcación de replicación del ADN eucariota. J Biol Chem. 272 (8): 4647-50.

Abmayr y Workman (2012) Aferrarse a través de la replicación del ADN: ¿Modificación o modificador de histonas? Celda. 150 (5): 875-7.

Verhoeven et al (2014). Envejecimiento celular en la depresión: ¿huella permanente o proceso reversible? BioEssays 36 (10): 968-78.

Bailey et al (2015) Terminación de las horquillas de replicación del ADN: "Romper es difícil de hacer". Nucleus 6 (3): 187-196.

Dewar & amp Walter (2017) Mecanismos de terminación de la replicación del ADN. Nature Reviews Molecular Cell Biology 18: 507–516.

Aulinas (2013) Telómeros, envejecimiento y síndrome de Cushing & # 8217s: ¿Están relacionados? Endocrinología y nutrición (edición en inglés) 60 (6): 329-335.

Boehm y col. (2016) Los muchos roles de PCNA en la replicación del ADN eucariota. Enzimas 39: 231-54.


Síntesis de ADN

El mecanismo de replicación del ADN está muy influenciado por la estructura del ADN. El apareamiento de bases complementarias entre las bases de nitrógeno A-T y G-C subyace a la naturaleza semiconservadora de la replicación del ADN, que da como resultado un genoma duplicado con una hebra parental y una hebra recién sintetizada. Cada hebra sirve como plantilla para que la ADN polimerasa catalice la adición de la base correcta durante la síntesis de una nueva hebra complementaria. Como las hebras son antiparalelas con polaridad opuesta y dado que las ADN polimerasas solo pueden sintetizar ADN en la dirección 5 & prime a 3 & prime, solo se sintetiza continuamente una hebra. Esta hebra se llama hebra principal. La síntesis de la otra hebra, llamada hebra retrasada, es posible mediante la síntesis discontinua de fragmentos cortos, denominados fragmentos de Okazaki, en la dirección 5 & prime a 3 & prime, que luego se unen.

El ADN en replicación: proteínas de replicación del ADN en la horquilla de replicación. La helicasa desenrolla el ADN dúplex y las proteínas de unión de una sola hebra (SSB) que recubren y estabilizan el ADN de una sola hebra formado por separación de las hebras. La topoisomerasa se ve por delante de la horquilla eliminando la tensión superhelical causada por la separación de las hebras. Tenga en cuenta que la cadena principal se sintetiza continuamente en la dirección 5 & prima a 3 & principal, mientras que la cadena rezagada se sintetiza de forma discontinua como fragmentos cortos llamados fragmentos de Okazaki. El complejo polimerasa y alfa-primasa sintetiza cebadores de ARN cortos que se extienden hasta 30-40 nucleótidos. A partir de entonces, la polimerasa y épsilon y la polimerasa y delta asumen el trabajo de síntesis de hebras más rápida y eficiente en hebras rezagadas y principales, respectivamente. Ligase sella el espacio entre los fragmentos de Okazaki.

La síntesis de ADN comienza en la fase S cuando la helicasa replicativa se desenrolla y separa las dos hebras de la doble hélice del ADN [7]. A medida que la helicasa desenrolla el ADN, la ADN polimerasa sintetiza el ADN utilizando el ADN monocatenario expuesto como plantilla. ADN polimerasas & lsquoread & rsquo la hebra de la plantilla y agregue la base complementaria correcta. La energía para la polimerización proviene de la liberación de un pirofosfato de un desoxirribonucleótido trifosfato libre (dNTP), creando un monofosfato 5 & prime que podría unirse covalentemente al grupo hidroxilo 3 & prime de otro nucleótido. Sin embargo, las ADN polimerasas no pueden sintetizar ADN de novo y requieren un cebador preexistente con un grupo hidroxilo libre para agregar nucleótidos y extender la cadena. Una ARN polimerasa especializada llamada primasa sintetiza secuencias cortas de ARN de aproximadamente 10 nucleótidos de largo que sirven como cebadores. Un solo cebador ayuda a la replicación del ADN en la hebra principal y varios cebadores inician la síntesis de fragmentos de okazaki en la hebra rezagada. En eucariotas, la primasa es parte de la ADN polimerasa y alfa (revisada en [8]). La helicasa replicativa y la primasa cooperan funcionalmente y se estimulan mutuamente la actividad de rsquos [9].

Después de que la ADN polimerasa y alfa haya sintetizado un tramo corto de ADN de 30-40 nucleótidos, la síntesis de ADN adicional se transfiere a la polimerasa y épsilon y la polimerasa y delta, que tienen una procesividad más alta que la polimerasa y alfa. La mayor procesividad o la capacidad de las polimerasas de permanecer asociadas con el ADN hasta 10 kb sin caerse se debe a su asociación con una abrazadera deslizante llamada PCNA. El cambio de polimerasa permite la síntesis de ADN con alta fidelidad, ya que la polimerasa y épsilon y la polimerasa y delta tienen una actividad exonucleasa 3 & prime & ndash 5 & prime que permite la lectura de pruebas y la eliminación de cualquier base incorrecta que se incorpore (revisado en [8]). En la bifurcación de replicación, hay una división del trabajo entre las polimerasas donde la polimerasa y épsilon llevan a cabo la síntesis de la hebra principal y la polimerasa y delta participan en la síntesis de la hebra rezagada [10], 12).


Los biólogos descubren un desencadenante de la extrusión celular: proceso para eliminar las células innecesarias

Para todos los animales, la eliminación de algunas células es una parte necesaria del desarrollo embrionario. Las células vivas también se desprenden de forma natural en los tejidos maduros, por ejemplo, el revestimiento del intestino se revuelve cada pocos días.

Una forma en que los organismos se deshacen de las células innecesarias es mediante un proceso llamado extrusión, que permite extraer las células de una capa de tejido sin alterar la capa de células que queda. Los biólogos del MIT han descubierto ahora que este proceso se desencadena cuando las células no pueden replicar su ADN durante la división celular.

Los investigadores descubrieron este mecanismo en el gusano. C. elegans, y demostraron que el mismo proceso puede ser impulsado por células de mamíferos que creen que la extrusión puede servir como una forma para que el cuerpo elimine las células cancerosas o precancerosas.

"La extrusión celular es un mecanismo de eliminación celular utilizado por organismos tan diversos como esponjas, insectos y humanos", dice H. Robert Horvitz, profesor de biología David H. Koch en el MIT, miembro del Instituto McGovern de Investigación del Cerebro y el Instituto Koch para la Investigación Integrativa del Cáncer, investigador del Instituto Médico Howard Hughes y autor principal del estudio. "El descubrimiento de que la extrusión es impulsada por una falla en la replicación del ADN fue inesperado y ofrece una nueva forma de pensar y posiblemente intervenir en ciertas enfermedades, particularmente el cáncer".

El postdoctorado del MIT, Vivek Dwivedi, es el autor principal del artículo, que fue publicado el 5 de mayo de 2021 en Naturaleza. Otros autores del artículo son el investigador Carlos Pardo-Pastor del King's College London, la especialista en investigación del MIT Rita Droste, el posdoctorado del MIT Ji Na Kong, el estudiante graduado del MIT Nolan Tucker, el científico de Novartis y ex posdoctorado del MIT Daniel Denning, y el profesor de biología del King's College London. Jody Rosenblatt.

Atascado en el ciclo celular

En la década de 1980, Horvitz fue uno de los primeros científicos en analizar un tipo de suicidio celular programado llamado apoptosis, que los organismos utilizan para eliminar las células que ya no son necesarias. Hizo sus descubrimientos usando C. elegans, un pequeño nematodo que contiene exactamente 959 células. Se conoce el linaje de desarrollo de cada célula y el desarrollo embrionario sigue el mismo patrón cada vez. A lo largo de este proceso de desarrollo, se generan 1.090 células y 131 células sufren un suicidio celular programado por apoptosis.

El laboratorio de Horvitz demostró más tarde que si los gusanos mutaban genéticamente para que no pudieran eliminar las células por apoptosis, algunas de esas 131 células serían eliminadas por extrusión celular, que parece ser capaz de servir como mecanismo de respaldo de la apoptosis. Sin embargo, cómo se desencadena este proceso de extrusión sigue siendo un misterio.

Para desentrañar este misterio, Dwivedi realizó una pantalla a gran escala de más de 11.000 C. elegans genes. Uno por uno, él y sus colegas eliminaron la expresión de cada gen en gusanos que no podían realizar la apoptosis. Esta pantalla les permitió identificar genes que son críticos para activar la extrusión celular durante el desarrollo.

Para sorpresa de los investigadores, muchos de los genes que resultaron necesarios para la extrusión estaban involucrados en el ciclo de división celular. Estos genes estaban activos principalmente durante los primeros pasos del ciclo celular, que implican iniciar el ciclo de división celular y copiar el ADN de la célula.

Otros experimentos revelaron que las células que finalmente se extruyen ingresan inicialmente al ciclo celular y comienzan a replicar su ADN. Sin embargo, parecen quedarse atascados en esta fase, lo que los lleva a ser extruidos.

La mayoría de las células que terminan siendo extruidas son inusualmente pequeñas y se producen a partir de una división celular desigual que da como resultado una célula hija grande y una mucho más pequeña. Los investigadores demostraron que si interferían con los genes que controlan este proceso, de modo que las dos células hijas estuvieran más cerca del mismo tamaño, las células que normalmente se habrían extruido pudieron completar con éxito el ciclo celular y no se extruyeron.

Los investigadores también demostraron que el fracaso de las células muy pequeñas para completar el ciclo celular se debe a la escasez de proteínas y componentes básicos del ADN necesarios para copiar el ADN. Entre otras proteínas clave, es probable que las células no tengan suficiente enzima llamada LRR-1, que es fundamental para la replicación del ADN. Cuando la replicación del ADN se detiene, las proteínas que son responsables de detectar el estrés de replicación detienen rápidamente la división celular al inactivar una proteína llamada CDK1. CDK1 también controla la adhesión celular, por lo que los investigadores plantean la hipótesis de que cuando se apaga CDK1, las células pierden su adherencia y se desprenden, lo que lleva a la extrusión.

Protección contra el cáncer

Luego, el laboratorio de Horvitz se asoció con investigadores del King's College de Londres, dirigido por Rosenblatt, para investigar si el mismo mecanismo podría ser utilizado por células de mamíferos. En los mamíferos, la extrusión celular juega un papel importante en el reemplazo del revestimiento de los intestinos, pulmones y otros órganos.

Los investigadores utilizaron una sustancia química llamada hidroxiurea para inducir el estrés de la replicación del ADN en células renales caninas cultivadas en cultivo celular. El tratamiento cuadruplicó la velocidad de extrusión, y los investigadores encontraron que las células extruidas pasaban a la fase del ciclo celular donde el ADN se replica antes de extruirse. También demostraron que en las células de mamíferos, el conocido supresor de cáncer p53 está involucrado en el inicio de la extrusión de células que experimentan estrés de replicación.

Eso sugiere que, además de sus otras funciones de protección contra el cáncer, p53 puede ayudar a eliminar las células cancerosas o precancerosas al obligarlas a extruirse, dice Dwivedi.

“El estrés por replicación es uno de los rasgos característicos de las células precancerosas o cancerosas. Y lo que sugiere este hallazgo es que la extrusión de células que están experimentando estrés de replicación es potencialmente un mecanismo supresor de tumores ”, dice.

El hecho de que la extrusión celular se observe en tantos animales, desde esponjas hasta mamíferos, llevó a los investigadores a plantear la hipótesis de que pudo haber evolucionado como una forma muy temprana de eliminación celular que luego fue suplantada por el suicidio celular programado que involucra apoptosis.

“Este mecanismo de eliminación celular depende únicamente del ciclo celular”, dice Dwivedi. “No requiere ninguna maquinaria especializada como la necesaria para que la apoptosis elimine estas células, por lo que lo que hemos propuesto es que esta podría ser una forma primordial de eliminación celular. Esto significa que puede haber sido una de las primeras formas de eliminación de células en existir, porque depende del mismo proceso que utiliza un organismo para generar muchas más células ".

Referencia: & # 8220 El estrés por replicación promueve la eliminación celular por extrusión & # 8221 por Vivek K. Dwivedi, Carlos Pardo-Pastor, Rita Droste, Ji Na Kong, Nolan Tucker, Daniel P. Denning, Jody Rosenblatt y H. Robert Horvitz, 5 de mayo de 2021 , Naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03526-y

Dwivedi, quien obtuvo su doctorado en el MIT, fue un becario de Khorana antes de ingresar al MIT para la escuela de posgrado. Esta investigación fue apoyada por el Instituto Médico Howard Hughes y los Institutos Nacionales de Salud.


¿Cómo almacena el ADN la información genética?

El ADN, también conocido como ácido desoxirribonucleico, es el modelo de la vida, lo que significa que almacena toda la información que constituye cualquier organismo vivo. Pero, ¿cómo almacena el ADN la información genética?

James Watson y Francis Crick descubrieron la estructura del ADN, dos hebras (polinucleotídicas) entrelazadas en una doble hélice, en el año 1953. Descubrieron que el ADN almacena información usando un código simple de cuatro letras, que involucra una característica interesante conocida como base complementaria. emparejamiento.

Entonces, ¿cómo funciona el emparejamiento de bases complementarias?

Todos hemos aprendido que el ADN tiene dos hebras enrolladas entre sí para formar una doble hélice, que se parecería a una escalera si la aplanamos.

En el ADN, cada escalón de la escalera está formado por dos piezas, y estas dos piezas se denominan bases. El ADN tiene cuatro bases llamadas: adenina, citosina, guanina y timina. Se abrevian simplemente por sus primeras iniciales, es decir, A, C, G y T, y estas letras representan el código que usa el ADN para almacenar información genética.

Una parte clave del descubrimiento de Watson y Crick fue la forma en que estas bases se emparejan entre sí. Descubrieron que A se empareja solo con T, y C se empareja solo con G. Es decir, & # 8211 A y T se complementan y C en G se complementan entre sí. Esto también significa que C y G no pueden emparejarse con A o T.

Por ejemplo, si una hebra de ADN tiene bases CTGAC, la otra tendrá GACTG. Una forma de recordar con qué bases se emparejan es escribir las letras en orden alfabético, luego debajo de eso & # 8211 escribir las letras en el orden inverso.

Pero, ¿qué significa todo esto para una célula?

Cuando una célula se prepara para la división celular, hace una réplica de su ADN para que las dos células hijas resultantes tengan exactamente la misma información genética, o ADN, que la célula madre. Entonces, el emparejamiento de bases complementarias significa que las células pueden replicar su ADN de manera rápida y eficiente.

Durante el proceso de replicación, la doble hélice se separa por la mitad donde se unen los pares de bases. Esto expone las secuencias de A & # 8217s C & # 8217s G's y T & # 8217s en cada lado. Luego, aparecen grupos de enzimas y agregan bases complementarias una tras otra a lo largo de toda la longitud de ambas cadenas de ADN, es decir, gen tras gen a lo largo de toda la longitud del cromosoma. Luego, al final, hay dos cromosomas idénticos que están codificados con la misma información genética.

El emparejamiento de bases complementarias también juega un papel importante cuando las células producen proteínas. Durante la síntesis de proteínas, se abre el ADN que es el gen que codifica la proteína necesaria & # 8211, lo que expone las secuencias de bases en ese gen. Luego, la secuencia de bases se copia en forma de ARN, pero con una diferencia importante: el ARN # 8211 no tiene T (timina). En lugar de la timina base, utiliza una base llamada uracilo (abreviado como U). Entonces, cuando se copia un gen durante la síntesis de proteínas, cada A en el ADN se corresponde con una U en el ARN.

Puede leer más sobre cómo la célula convierte el ADN en proteínas de trabajo en & # 8211 Traducción: ADN a ARNm a proteína (Educación de la naturaleza)

El emparejamiento de bases complementarias ha ayudado a los científicos a comprender cómo ocurre el cáncer. Por ejemplo, si conocen la secuencia de bases de un fragmento de ADN de una célula, pueden aprender cuál es la secuencia de bases para el fragmento opuesto mediante el uso de emparejamiento de bases complementarias.

La tecnología de secuenciación de genes revela la alineación de bases en el ADN y un ARN mensajero. Luego, los científicos pueden usar el emparejamiento de bases complementarias para identificar el gen que produjo ese ARN mensajero. Una vez que los científicos conocen la secuencia de aminoácidos en una proteína, pueden descifrar la secuencia de bases en el ARN mensajero de la proteína y luego el gen que codifica esa proteína.

El emparejamiento de bases complementarias también permite a los científicos comparar genes de células cancerosas y células sanas de un paciente. Esto les ayuda a aprender más sobre por qué ocurre el cáncer y cómo crecen los tumores.

El descubrimiento de Watson y Crick ha sido calificado como el trabajo biológico más importante de todos los tiempos. También les valió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1962.


Replicación de ADN

En la mitosis, la célula se divide para formar dos células idénticas e idénticas. Eso significa que tiene el mismo # "ADN" # y el mismo número de cromosomas que la célula anterior. Entonces, la función principal de la mitosis es, literalmente, la # replicación del # "ADN" #.

Respuesta:

El par de bases en la replicación del ADN es una forma en que los cromosomas deben verificar dos veces para asegurarse de que la duplicación sea exacta.

Explicación:

El par de bases en la replicación del ADN es una forma en que los cromosomas deben verificar dos veces para asegurarse de que la duplicación sea exacta.

The replication is termed semiconservative since each new cell contains one strand of original DNA and one newly synthesized strand of DNA. The original polynucleotide strand of DNA serves as a template to guide the synthesis of the new complementary polynucleotide of DNA. A template is a guide that may be used for example, by a carpenter to cut intricate designs in wood.


Introducción

Topoisomerases unlink DNA during and after replication ( Ullsperger et al., 1995 ). Lk, the linking number of the parental DNA strands, must be reduced to zero for separation of daughter DNA molecules. ΔLk is the difference between Lk and Lk 0 , the value of Lk for the same DNA molecule in relaxed form. The unwinding of parental DNA by replicative helicases causes a compensatory (+)ΔLk that must be removed by topoisomerases. Champoux and Been (1980) suggested that the (+)ΔLk could take the form of (+) supercoils in the unreplicated region as well as windings of the two newly replicated regions around each other. Thus, topoisomerases could unlink replication intermediates (RIs) by acting either in front of or behind the fork. The form of (+)ΔLk in the replicated DNA was subsequently named precatenane, due to structural similarity to catenanes and to distinguish it from the (+)ΔLk in the unreplicated DNA ( Ullsperger et al., 1995 ). Any (+)ΔLk not removed before termination would form catenanes, and these would be unlinked after replication.

This model did not achieve immediate acceptance because early electron microscopy (EM) observations of circular RIs showed supercoils but no precatenanes, suggesting that topoisomerases only act ahead of the fork. However, studies of plasmid replication with purified Escherichia coli enzymes suggested that precatenanes are important in unlinking during replication ( Peng and Marians, 1993 Hiasa and Marians, 1994 , 1996 ). Moreover, both (−) precatenanes and (−) supercoils were observed on purified RIs accumulated by replication of plasmids containing two termination sites in E. coli ( Peter et al., 1998). An EM artefact apparently caused earlier studies to miss precatenanes. Finally, a topological analysis of knots trapped within arrested RIs suggested that (−) precatenanes exist in E. coli cells ( Sogo et al., 1999 ).

However, removing (−) precatenanes would just increase Lk. Arrested RIs from E. coli cells have a (−)ΔLk, presumably due to gyrase activity after replication arrest. Direct evidence for precatenanes on (+)ΔLk RIs, as predicted by Champoux and Been, has been lacking. In fact, (+)ΔLk RIs prepared by adding intercalating agents to purified (−)ΔLk RIs contain neither supercoils nor precatenanes. Instead, the (+) topological stress is relieved by re-annealing of the parental strands and formation of a Holliday junction, a process called fork reversal ( Postow et al., 2001 J.B.Schvartzman, personal communication). It remains unclear, at least in bacteria, whether transient (not arrested) RIs carry a (+) or a (−)ΔLk and whether protein binding inside the cell prevents fork reversal and/or spinning and (+) precatenane formation.

In bacteria, two type 2 topoisomerases can unlink replicating DNA. Gyrase introduces (−) supercoils in front of the forks and may suffice to overcome the (+)ΔLk generated by replication until late RI stages, while topoisomerase IV (topo IV) is responsible for decatenating complete replication products (reviewed in Levine et al., 1998). Studies with purified enzymes support a role for precatenane unlinking by topo IV ( Peng and Marians, 1993 Hiasa and Marians, 1996 ). However, in topo IV mutants, newly synthesized plasmid DNA accumulates as catenanes with the same node number distribution as transient catenanes in wild-type cells ( Zechiedrich and Cozzarelli, 1995 ). Por lo tanto, en vivo evidence for precatenane removal by topo IV is lacking. In fact, the recent discovery that topo IV relaxes (+) supercoils 20-fold faster than (−) supercoils suggests that it may unlink DNA in front of the fork as efficiently as gyrase ( Crisona et al., 2000 ).

Eukaryotes lack unconstrained (−) supercoils and the (−) supercoiling activity of gyrase. Thus, free (+) supercoils and possibly (+) precatenanes are expected to form during elongation. Both topo I and topo II can remove (+) supercoils in vitro. Studies with yeast mutants showed that replication can initiate in the absence of both enzymes, but elongation stops after a couple of thousand base pairs ( Kim and Wang, 1989 ). Either topo I or topo II (but not topo III) can support further elongation and completion of S phase ( Uemura and Yanagida, 1986 Brill et al., 1987 ). Topo II is strictly required at mitosis for separation of sister chromatids ( Holm et al., 1985 Uemura and Yanagida, 1986 ). Similar observations were made for the replication of naked SV40 DNA in cell-free extracts ( Yang et al., 1987 ) or with purified proteins ( Ishimi et al., 1992b ). The usual interpretation is that either topo I or topo II can remove (+) supercoils to drive elongation, while topo II is required to remove catenane crossings persisting after replication. However, it is unclear whether topo II relaxes (+) supercoils in front of the forks, like topo I, or removes (+) precatenanes behind the forks. Studies of SV40 minichromosome replication in cellular extracts or in infected cells suggest that topo II inhibition in some cases blocks elongation at the late RI stage ( Richter et al., 1987 Ishimi et al., 1992a , b ), but in other cases allows synthesis of complete catenated dimers, even though late RIs accumulate ( Sundin and Varshavsky, 1981 Ishimi et al., 1995 and references therein reviewed in Snapka, 1996 ). Thus, the implication of topo II in the late stages of DNA synthesis in higher eukaryotes is unclear.

Another unresolved issue is what drives decatenation of daughter DNA molecules. In vitro, topo II catalyses both catenation and decatenation of DNA rings, and favours catenation at high DNA concentration ( Krasnow and Cozzarelli, 1982 ). Given the high concentration of DNA en vivo, one expects the equilibrium to be toward catenation. Mechanical separation of sister chromatids during mitosis has been proposed to drive decatenation ( Holm, 1994 Duplantier et al., 1995 ). Although experiments in yeast and Xenopus show that topo II is required for mitotic chromosome condensation and segregation (reviewed in Holm, 1994 ), it is not known whether decatenation is postponed entirely until mitosis or already starts in S or G2 etapas.

To investigate these questions, we have studied the effect of topo II inhibition on DNA replication in Xenopus egg extracts. Because studying replication and topology of a long linear chromosome would be difficult, we focused on circular plasmid DNA. Any plasmid DNA incubated in Xenopus egg extracts is replicated under cell cycle control, but only after it has been assembled by the egg extract into chromatin and then into synthetic nuclei, in which replication occurs at discrete foci as in normal nuclei ( Blow and Laskey, 1986 Blow and Sleeman, 1990 Cox and Laskey, 1991 ). Small plasmids (<15 kb) support a single, randomly located initiation event that closely mimics replication of chromosomal domains in early embryonic nuclei ( Hyrien and Méchali, 1992 , 1993 Mahbubani et al., 1992 Lucas et al., 2000). Although caution is required because plasmids may be free of some of the topological restraints of long linear chromosomes, extrapolation from this system to what happens inside cells seems reasonable.

We have analysed the effect of various topo II inhibitors on plasmid DNA replication using high-resolution two-dimensional gel electrophoresis of replication products. ICRF-193 traps the enzyme in the form of a closed protein clamp without introducing DNA breaks ( Tanabe et al., 1991 ). Etoposide (VP-16) and teniposide (VM-26) poison topo II by stabilizing a covalent reaction intermediate, the cleavable complex. Subsequent treatment with protein denaturants reveals the DNA strand breaks and the covalent linking of a topoisomerase subunit to the 5′ end of the broken DNA ( Chen et al., 1984 ). The covalent intermediates can be extracted selectively with phenol prior to deproteinization. These properties were exploited to map the sites of topo II action during DNA replication. Our results provide direct evidence for the Champoux and Been model in this eukaryotic system, and reveal a division of labour between topo I and topo II. We suggest a role for chromatin assembly in driving DNA unlinking behind the replication fork.


Biología 171

Al final de esta sección, podrá hacer lo siguiente:

  • Explain how the structure of DNA reveals the replication process
  • Describe the Meselson and Stahl experiments

The elucidation of the structure of the double helix provided a hint as to how DNA divides and makes copies of itself. In their 1953 paper, Watson and Crick penned an incredible understatement: “It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests a possible copying mechanism for the genetic material.” With specific base pairs, the sequence of one DNA strand can be predicted from its complement. The double-helix model suggests that the two strands of the double helix separate during replication, and each strand serves as a template from which the new complementary strand is copied. What was not clear was how the replication took place. There were three models suggested ((Figure)): conservative, semi-conservative, and dispersive.


In conservative replication, the parental DNA remains together, and the newly formed daughter strands are together. The semi-conservative method suggests that each of the two parental DNA strands acts as a template for new DNA to be synthesized after replication, each double-stranded DNA includes one parental or “old” strand and one “new” strand. In the dispersive model, both copies of DNA have double-stranded segments of parental DNA and newly synthesized DNA interspersed.

Meselson and Stahl were interested in understanding how DNA replicates. They grew E. coli for several generations in a medium containing a “heavy” isotope of nitrogen ( 15 N), which gets incorporated into nitrogenous bases, and eventually into the DNA ((Figure)).


los E. coli culture was then placed into medium containing 14 N and allowed to grow for several generations. After each of the first few generations, the cells were harvested and the DNA was isolated, then centrifuged at high speeds in an ultracentrifuge. During the centrifugation, the DNA was loaded into a degradado (typically a solution of salt such as cesium chloride or sucrose) and spun at high speeds of 50,000 to 60,000 rpm. Under these circumstances, the DNA will form a band according to its buoyant density: the density within the gradient at which it floats. DNA grown in 15 N will form a band at a higher density position (i.e., farther down the centrifuge tube) than that grown in 14 N. Meselson and Stahl noted that after one generation of growth in 14 N after they had been shifted from 15 N, the single band observed was intermediate in position in between DNA of cells grown exclusively in 15 N and 14 N. This suggested either a semi-conservative or dispersive mode of replication. The DNA harvested from cells grown for two generations in 14 N formed two bands: one DNA band was at the intermediate position between 15 N and 14 N, and the other corresponded to the band of 14 N DNA. These results could only be explained if DNA replicates in a semi-conservative manner. And for this reason, therefore, the other two models were ruled out.

During DNA replication, each of the two strands that make up the double helix serves as a template from which new strands are copied. The new strands will be complementary to the parental or “old” strands. When two daughter DNA copies are formed, they have the same sequence and are divided equally into the two daughter cells.

Click through DNA Replication (Flash animation).

Resumen de la sección

During cell division, each daughter cell receives a copy of each molecule of DNA by a process known as DNA replication. The single chromosome of a prokaryote or each chromosome of a eukaryote consists of a single continuous double helix. The model for DNA replication suggests that the two strands of the double helix separate during replication, and each strand serves as a template from which the new complementary strand is copied. In the conservative model of replication, the parental DNA is conserved, and the daughter DNA is newly synthesized. The semi-conservative model suggests that each of the two parental DNA strands acts as template for new DNA to be synthesized after replication, each double-stranded DNA retains the parental or “old” strand and one “new” strand. The dispersive model suggested that the two copies of the DNA would have segments of parental DNA and newly synthesized DNA. The Meselson and Stahl experiment supported the semi-conservative model of replication, in which an entire replicated chromosome consists of one parental strand and one newly synthesized strand of DNA.

Respuesta libre

How did the scientific community learn that DNA replication takes place in a semi-conservative fashion?

Meselson’s experiments with E. coli grown in 15 N deduced this finding.

Imagine the Meselson and Stahl experiments had supported conservative replication instead of semi-conservative replication. What results would you predict to observe after two rounds of replication? Be specific regarding percent distributions of DNA incorporating 15 N and 14 N in the gradient.

Following two rounds of conservative replication, two bands would be detected after ultracentrifugation. A lower (heavier) band would be at the 15 N density, and would comprise 25% of the total DNA. A second, higher (lighter) band would be at the 14 N density, and would contain 75% of the total DNA.


Replicación de ADN

Since DNA forms the genetic code and that it is known that genes may be inherited, it follows that DNA must be copied exactly before being incorporated into gametes at meiosis.

It also follows that all new cells in an organism must gain a copy of the genes at mitosis, because they are able to continue the characteristic biochemical behaviour of that organism.

What is the mechanism for this exact copying or replicación of the DNA?

Three theories existed:

  1. The parent DNA molecule breaks into segments and new nucleotides fill in the gaps precisely (fragmentation theory).
  2. The complete parent DNA molecule acts as a template for the new daughter molecule, which is assembled from new nucleotides. The parent molecule is unchanged (conservador hypothesis).
  3. The parent DNA molecule separates into its two component strands, each of which acts as a template for the formation of a new complementary strand. The two daughter molecules therefore contain half the parent DNA and half new DNA (semiconservador hypothesis).

The semi conservative hypothesis

The semi conservative hypothesis was shown to be the true mechanism by the work of Meselsohn and Stahl (1958).

In their experiment they grew the bacterium E. coli in the presence of radioactive 15 N until a culture was obtained in which all the DNA was labelled with 15 N.

A subculture of this labelled bacterium was than transferred for growth in the presence of normal 14 N. The generation time of E. coli is known, so it was possible to take samples of this growing subculture after exactly one, two, three generations and so on.

Each sample had its DNA extracted and the isolated DNA was then centrifuged in a caesium chloride solution (high viscosity) at 40,000G for 20 hours, causing the DNA to sediment out.

The heavier the DNA, the further it moved down the centrifuge tubes. 15 N DNA is heavier than 14 N ADN. Mixed 14 N y 15 N DNA is intermediate in mass between the two.

El original 15 N DNA moved to the lowest position in the tube.

After one generation all the DNA moved to an intermediate position, indicating the presence of only mixed 14 N and 15 N DNA. This was because the DNA in this generation contained one strand of the parent molecule and one new 14 N strand.

Had the conservative hypothesis been true, two DNA masses would have been visible, one heavy and the other light.

In the second generation half the DNA was intermediate and half was light, for the same reason.

Process of DNA replication

The actual process is simple. To begin with one strand in the DNA duplex is nicked by the enzyme DNA topoisomerase, allowing part of the molecule to unravel to form a horquilla de replicación (the DNA is replicated a bit at a time and the whole molecule is never completely uncoiled).

Next, the enzyme Helicasa de ADN splits the two strands by breaking the hydrogen bonds. This exposes the bases.

ADN polimerasa enzyme then moves along the exposed bases sequences, creating a new complementary strand as it goes. DNA polymerase reads the exposed code from the 3' to the 5' end and therefore assembles the new strand from the 5' to the 3'.

Several molecules of DNA polymerase act simultaneously, each assembling a separate section of the new strand of DNA. Each DNA polymerase is preceded by an Polimerasa de ARN enzyme, which constructs an RNA primer to guide the action of the DNA polymerase.

These new DNA segments are then joined together by the enzyme ADN ligasa. The two new daughter molecules then coil up again to reform the double helix structure. This process occurs during the Fase S de El ciclo celular.


Ver el vídeo: Replicación del ADN básico. HHMI BioInteractive Video (Mayo 2022).