Superenrollamiento de ADN | Un mecanismo vital para el empaquetado de ADN

Superenrollamiento de ADN | Un mecanismo vital para el empaquetado de ADN

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¿Qué es el superenrollamiento? | Superenrollamiento de ADN

El ADN de una célula como todos sabemos está muy compactado, lo que infiere un mayor nivel de organización estructural. El mecanismo de plegado del ADN empaqueta el ADN celular para que la información dentro del ADN permanezca accesible.

Necesitamos examinar cuidadosamente la estructura básica del ADN para comprender mejor la replicación del ADN y el proceso de transcripción. Necesitamos tener conocimiento previo sobre una propiedad crucial de la estructura del ADN que es superenrollamiento.

El superenrollamiento implica el enrollamiento adicional de una estructura enrollada. Digamos, por ejemplo, que el cable de un teléfono es normalmente un cable enrollado. El cable entre el cuerpo del teléfono y el receptor incorpora frecuentemente al menos una superbobina. Las dos hebras de ADN se envuelven entre sí para producir la estructura de doble hélice del ADN. El enrollamiento en el eje del ADN provoca el superenrollamiento. El superenrollamiento en el ADN en su mayor parte es un signo de tensión estructural subyacente. Cuando no hay una flexión axial del ADN resultante, se considera que el ADN está en estado relajado.

Superenrollamiento de ADN
Figura: ADN superenrollado, niveles de superenrollamiento encontrados en el ADN. Brevemente, se asemeja al enrollamiento del cable telefónico.
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Epigenetic_mechanisms.png

Es posible que hayamos anticipado que el proceso de compactación del ADN incluía algunos superenrollamientos. Quizás menos sorprendente es que la replicación y la transcripción del ADN influyan adicionalmente y estén influenciadas por el superenrollamiento. Tanto la replicación como la transcripción requieren el desprendimiento de las hebras de ADN y el desenrollamiento helicoidal del ADN.

  • Ese ADN mismo se retorcería y se superenrollaría en un ADN compacto en la célula parecería sensato, en ese punto, y tal vez incluso insignificante.
  • Sin embargo, varias moléculas de ADN circulares permanecen excepcionalmente superenrolladas incluso después de su extracción y purificación.
  • Esto sugiere que el superenrollamiento es una propiedad intrínseca del ADN. Ocurre en el ADN de cada célula y está excepcionalmente regulado por cada célula.
  • Se han estandarizado varias propiedades mensurables del superenrollamiento, y la investigación del superenrollamiento ha proporcionado numerosos conocimientos sobre la estructura del ADN y su función.
  • Esta investigación se basa en las ideas de la topología y la investigación de las propiedades de un objeto que no cambia en condiciones dinámicas.

Para el ADN, las deformaciones consistentes incorporan cambios conformacionales debido al movimiento térmico o la interacción de proteínas u otros agentes químicos; las deformaciones intermitentes incluyen la rotura de la cadena de ADN. Para un ADN circular, las propiedades topológicas no se ven afectadas por cambios estructurales en las hebras de ADN si no hay roturas de hebras. Las propiedades topológicas se alteran exclusivamente por la rotura de la columna vertebral de azúcar-fosfato y la re-unión de cualquiera de las cadenas de ADN. Actualmente examinamos las características fundamentales y la base física del superenrollamiento.

La mayor parte del ADN celular está subenrollado

Para reconocer el superenrollamiento, inicialmente deberíamos concentrarnos en las características de pequeños ADN circulares como pequeños ADN virales y plásmidos. Si el ADN no tiene roturas en ninguna de las hebras, se considera un ADN circular cerrado. Suponga que el ADN de una molécula de ADN circular se alinea estrechamente para formar una estructura en forma de B, como lo menciona Watson-Crick. La vuelta de B-DNA consta de 10.5 pb; luego, el ADN se relaja en lugar de superenrollado.

El superenrollamiento se observa cuando el ADN se somete a tensión estructural. El ADN circular purificado rara vez se encuentra en estado relajado, independientemente de su origen. Además, el ADN tiene un grado característico de superenrollamiento dependiendo de su fuente u origen. La estructura del ADN se tensa para que pueda sufrir un superenrollamiento. En casi todos los casos, la deformación es el resultado del subbobinado del ADN circular de doble hélice.

  • Es decir, y el ADN tiene menos giros helicoidales que la estructura del B-ADN.
  • El B-DNA contiene 10.5 pares de bases (pb) en una vuelta.
  • Entonces, un fragmento de 84 pb de un ADN circular relajado tendría ocho vueltas helicoidales. O un turno por cada 10.5 pb.
  • Si se elimina uno de estos giros, habría (84 pb) / 7 = 12.0 pb por turno, en lugar de los 10.5 que se encuentran en el B-DNA.

Es una desviación de la forma más estable de estructura del ADN y, en consecuencia, la molécula de ADN se somete a tensión termodinámicamente. Por lo general, se acumularía una gran cantidad de tensión enrollando el eje del ADN sobre sí mismo para enmarcar una superenrollamiento; una porción de la cepa en esta sección de 84 pb se dispersaría en la estructura sin torcer de la partícula de ADN más grande)

En un nivel básico, la tensión se puede inducir segregando las dos cadenas de ADN a una distancia de aproximadamente diez pb.

En el ADN circular, la tensión presentada por subenrollamiento generalmente se aloja por superenrollamiento en lugar de segregación de hebras, ya que enrollar en el eje del ADN generalmente necesita menos energía que romper los enlaces de hidrógeno entre pares de bases complementarios. 

Nota importante: sin perjuicio de que el subenrollamiento del ADN in vivo facilita la segregación de las hebras de ADN, ofreciendo acceso a la información genética que contienen.

Cada célula rebobina constantemente su ADN con la ayuda de ciclos enzimáticos, y el estado de tensión subsiguiente constituye una especie de energía almacenada. Las células mantienen el ADN en forma subwound para que pueda ser enrollado fácilmente. El subenrollamiento del ADN es de vital importancia para las enzimas que metabolizan el ADN que necesitan la separación de cadenas como componente de su función.

El estado de sub-herida se mantiene como tal solo en el caso de ADN circular cerrado, o debe estar unido a proteínas (histonas) para que las hebras no se envuelvan entre sí. Si se rompe una hebra de ADN circular que está segregada y no unida a proteínas, el movimiento libre o la rotación en el punto hará que el ADN subwoundido vuelva a su estado relajado inmediatamente. En el ADN circular, el número de vueltas helicoidales imparte el grado de superenrollamiento.

El número de enlace topológico define el subbobinado del ADN

La topología da varias ideas que son útiles para esta conversación, especialmente la idea de vincular el número. El número de enlace es una propiedad basada en las características topológicas del ADN de doble hélice, ya que no cambia si el ADN se deforma o se dobla sin romperse. El número de enlace (Lk) se muestra en.

Deberíamos comenzar imaginando la segregación de las dos hebras de un ADN circular de doble hélice. Si las dos hebras están conectadas, están ligadas productivamente a través de un enlace topológico. Independientemente de todas las interacciones de apilamiento de bases y enlaces de hidrógeno, el enlace topológico aún une las dos hebras.

Si consideramos una hebra de un ADN circular como la superficie (por ejemplo, una película de jabón), el número de enlace se representa como el número de penetraciones superficiales causadas por la segunda hebra. Para un ADN circular, el número de enlace es siempre un valor entero.

Convencionalmente, el número de enlace es positivo cuando las hebras de ADN de doble hélice se entrelazan en una hélice a la derecha. Si las hebras de ADN de doble hélice se entrelazan en una hélice a la izquierda, el número de enlace resulta ser negativo. Los números de enlace negativos no se encuentran prácticamente en el ADN.

Cuando la molécula de ADN circular se relaja, el número de enlace se puede determinar fácilmente mediante varios pares de bases en la molécula de ADN por par de bases por turno (~ 10.5). Para un ADN circular que tiene 2100 pb, exhibirá un número de enlace de 200.

El número de enlace se calcula para aquellas moléculas de ADN que no se rompen en ninguna de las cadenas de ADN. En el caso de rotura de hebras, no existen enlaces topológicos; por tanto, el número de enlace permanece indefinido.

Ahora podemos representar la subversión del ADN como resultado del cambio de número de enlace. El número de conexión en el ADN relajado, Lk0, se utiliza como fuente de perspectiva (referencia). Para una molécula de ADN que tiene un número de enlace = 200 (Lk0 = 200), si se extraen o eliminan dos vueltas de esta molécula de ADN, Lk = 198. La ecuación puede representar el cambio:

∆Lk = Lk - Lk0

∆Lk = 198 - 200 = -2

Es mucho mejor expresar el cambio en el número de enlace en términos de diferencia de enlace específica (σ) o densidad superhelical (esta cantidad no depende de la longitud del ADN). El número de enlace específico se define matemáticamente como el número de vueltas eliminadas (cambio en el número de enlace) dividido por varias vueltas presentes en el estado relajado del ADN.

σ = ∆Lk / Lk0

Entonces, para una molécula de ADN que tiene un número de enlace de 200, si se le quitan dos vueltas, la diferencia de enlace específica se vuelve

σ = -2/200 = -0.01 

demuestra que se eliminan 2 de 200 (1%) de las vueltas helicoidales totales presentes en la molécula de ADN-B.

Superenrollamiento positivo | Superenrollamiento negativo

El grado de subenrollamiento del ADN celular es generalmente del 5% al ​​7%; es decir, -0.05 a -0.07. Este signo negativo muestra que se espera que se produzca un cambio en el número de enlace debido al subbobinado del ADN. El superenrollamiento provocado por el subbobinado se caracteriza de esta manera como superenrollamiento negativo. Alternativamente, bajo ciertas condiciones, el ADN se puede enrollar, provocando un superenrollamiento positivo.

Nota importante: La trayectoria de torsión en el eje del ADN causada por el superenrollamiento positivo (ADN sobreenrollado) es la imagen especular de la torsión del eje del ADN causado por el superenrollamiento negativo (ADN subbobinado).

El superenrollamiento ciertamente no es una interacción arbitraria; el superenrollamiento está dirigido generalmente por la tensión de torsión conferida al ADN aumentando o disminuyendo el número de enlace del B-ADN. 

El número de enlaces cambia en uno por la rotura de una hebra de ADN, girando uno de los extremos en 360o sobre la hebra (intacta) y reuniendo los extremos rotos del B-DNA.

Este cambio no altera el número de pares de bases o átomos en el ADN circular. Dos tipos de ADN circular que varían en una propiedad topológica (por ejemplo, número de enlace) se denominan topoisómeros.

Figura: Representación del superenrollamiento positivo y negativo en el ADN https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/98/Subhash_nucleoid_06.png

El número de enlace se puede dividir en dos componentes principales conocidos como Twist (Tw) y Writhe (Wr). Estos son más difíciles de representar que el número de enlace. Sin embargo, la torsión podría considerarse un acto de enrollamiento del eje helicoidal y la torsión se determina como la relación espacial de los pares de bases vecinos y la torsión local. En este punto, el cambio en el número de enlace da como resultado un cambio en la proporción de deformación que normalmente se compensa con retorcimiento (superenrollamiento) y pocas variaciones en el giro, seguido de la ecuación:

Lk Tw Wr

Tw y Wr no son necesariamente números enteros. El retorcimiento y el retorcimiento son propiedades geométricas en lugar de propiedades topológicas, ya que las distorsiones pueden cambiarlas en el ADN circular.

Causan superenrollamiento y hacen que la segregación de las hebras sea mucho más sencilla. El subbobinado del ADN funciona en conjugación con varios otros cambios estructurales en el ADN circular. Estos son de menor importancia fisiológica, sin embargo, ayudan a mostrar los impactos del subbobinado.

Un cruciforme suele contener varias bases desaparecidas; El subbobinado del ADN ayuda a mantener la separación necesaria de las hebras. El subbobinado del ADN de doble hélice de la mano derecha da como resultado la formación de parches cortos de ADN-Z de la mano izquierda en lugares con la secuencia de nucleótidos consistente con el ADN-Z.

Topoisomerasa | Cambio en el número de enlace | Introducción del superenrollamiento negativo

El superenrollamiento del ADN es un proceso que afecta el metabolismo del ADN. Cada célula tiene enzimas específicas con la única capacidad de subenrollar o potencialmente relajar la doble hélice del ADN. Las enzimas que causan una disminución o un aumento en el subenrollamiento del ADN se conocen como topoisomerasas; por lo general, cambian el número de enlace del ADN para mantener el superenrollamiento.

Figura: Mecanismo de acción e inhibición de la topoisomerasa
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Topoisomerase_DNA.gif#/media/File:Topoisomerase_DNA.gif

Estas enzimas desempeñan un papel particularmente importante en el proceso de empaquetamiento y replicación del ADN. En términos generales, la topoisomerasa se clasifica en dos tipos principales:

  • Las topoisomerasas de tipo I rompen una hebra del ADN de doble hélice. Pasa la hebra de ADN intacta a través del espacio y liga el extremo roto; La topoisomerasa de tipo I provoca un cambio en Lk en el incremento de 1. 
  • Las topoisomerasas de tipo II rompen ambas hebras de doble hélice de ADN de doble hélice y cambian Lk en un incremento de 2.

Los impactos de las topoisomerasas en la topología del ADN pueden describirse mediante electroforesis en gel (agarosa). Una población de ADN plásmidos similares con el mismo número de enlaces viaja como una banda discontinua durante la electroforesis. Con esta técnica se pueden aislar topoisómeros que varíen tan poco como un valor de Lk, de modo que se pueda identificar fácilmente el cambio en el número de enlace provocado por las topoisomerasas.

E. coli tiene cuatro topoisomerasas individuales distintivas (I a IV). El tipo I (incluye topoisomerasas I y III): 

normalmente relajan la doble hélice del ADN eliminando los superenrollamientos negativos (aumentando así el valor de Lk). La forma en que las topoisomerasas bacterianas de tipo I aumentan el número de enlace se explica en. Una topoisomerasa bacteriana de tipo II o ADN girasa es capaz de inducir superenrollamientos negativos y, finalmente, disminuir el valor de Lk.

Utiliza la energía del ATP para lograrlo. Para cambiar el número de enlace de la doble hélice de ADN, las topoisomerasas de tipo II separan las dos hebras de la doble hélice de ADN, y luego permite cruzar otro dúplex a través de la ruptura. El nivel de superenrollamiento del ADN bacteriano está completamente bajo la regulación de las topoisomerasas I y II. Los eucariotas tienen además topoisomerasas tanto de tipo I como de tipo II.

Las topoisomerasas I y III pertenecen a la clase de enzimas de tipo I; mientras que las enzimas de tipo II incluyen topoisomerasas II-α y II-β. Las topoisomerasas eucariotas de tipo II no pueden subenrollar el ADN (inducen el superenrollamiento negativo), pero pueden relajar el superenrollamiento negativo y positivo.

Figura: Inducción de superenrollamiento negativo en el ADN https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Subhash_nucleoid_04.png#/media/File:Subhash_nucleoid_04.png

Consideraremos uno probable el comienzo de superenrollamientos negativos en células eucariotas en nuestra conversación sobre la cromatina en nuestra discusión posterior.

La compactación de ADN necesita superenrollamiento

La doble hélice de ADN superenrollado es uniforme en varios aspectos. El superenrollamiento es diestro en una molécula de ADN que está superenrollado negativamente, y tienden a ser estrechos y extendidos en lugar de exhibir una estructura compacta con numerosas ramas. En esta densidad superhelical que se experimenta típicamente en las células, la longitud del eje de superenrollamiento con ramas constituye aproximadamente el 40% de la longitud total del ADN.

Este tipo de superenrollamiento se conoce como superenrollamiento plectonémico (es una combinación de palabras griegas "plektos" que significa "curvo" y "nema" significa "cuerda").

Este término se aplica a cualquier diseño con hebras entrelazadas regularmente y es una descripción decente de la estructura general del ADN superenrollado en el superenrollamiento plectonémico. La estructura que se muestra en los ADN separados en el laboratorio no proporciona una compactación adecuada al ADN celular empaquetado. El segundo tipo de superenrollamiento, conocido como solenoide, puede ser producido por un ADN subwound.

Figura: Un ejemplo de superenrollamiento solenoidal encontrado en el ADN https://en.wikipedia.org/wiki/File:Solenoid_30_nm_fibre_structure_closer_and_farther_away.png

A diferencia de la forma plectonémica (caracterizada por el superenrollamiento derecho extendido), el superenrollamiento solenoidal se caracteriza por giros cerrados a la izquierda. Independientemente de que sus estructuras sean drásticamente diferentes entre sí, el solenoide y el plelectonémico son dos tipos de superenrollamiento negativo que puede absorber un fragmento similar de ADN subwound.

Las dos estructuras son frecuentemente interconvertibles. Sin embargo, la estructura plectonémica es más estable. Pero la estructura del solenoide a menudo se estabiliza mediante la unión a proteínas, que es la estructura que se encuentra en la cromatina. Da un nivel de compactación mucho más alto. En el superenrollamiento solenoidal, el subbobinado contribuye a la compactación del ADN.

Conclusiones

En este artículo tuvimos una discusión en profundidad sobre el mecanismo de superenrollamiento del ADN y las enzimas y proteínas involucradas en el proceso de superenrollamiento. Continuaremos discutiendo más aspectos del ADN en nuestras próximas publicaciones. Conocer la composición del ADN. haz clic aquí

Preguntas y respuestas de la entrevista

Q1 ¿Por qué es importante el superenrollamiento positivo?

Respuesta El superenrollamiento de ADN positivo facilita el desenrollamiento del ADN de las histonas y altera la estructura del nucleosoma in vitro; a la inversa, los nucleosomas forman rápidamente ADN negativo superenrollado. Por tanto, se considera que en cada caso de transcripción, el superenrollamiento positivo es empujado después de la ARN polimerasa. El estrés de torsión positivo acumulado desencadena cambios en los nucleosomas y crea condiciones en las que la polimerasa se transcribe de manera competente a través de toda la matriz de nucleosomas.

Q2 ¿El superenrollamiento es bueno o malo?

Respuesta El superenrollamiento del ADN es importante ya que el ADN es una molécula muy larga y tiene que caber en una célula con un radio del orden de micrómetros. Requiere bucle repetido dentro de bucles de bobinado para encajar, este tipo de bobinado se conoce como Supercoiling. También regula el proceso de transcripción y replicación. 

P3 ¿Cómo aumenta el superenrollamiento positivo del ADN?

Respuesta El superenrollamiento positivo del ADN ocurre cuando la doble hélice derecha de ADN se dobla mucho más apretada (contorsionada en un diseño dado a la derecha) hasta que la hélice comienza a anudarse.

Q4 Superenrollamiento negativo en bacterias

Respuesta El ADN bacteriano generalmente exhibe un superenrollamiento negativo en las células bacterianas ya que contiene una deficiencia de giros helicoidales. En su estructura de ADN-B, las hebras de la doble hélice de ADN dan una vuelta completa cada 10.5 pares de bases. Aumentar el número de vueltas hace que la doble hélice del ADN sea más apretada y da como resultado un retorcimiento posicional debido al enrollamiento axial en la doble hélice del ADN. La eliminación de giros por debajo del enrollamiento del dúplex tiene el impacto opuesto, haciendo que el dúplex se retuerza negativamente.

Q5 ¿Por qué es importante el superenrollamiento negativo?

Respuesta El superenrollamiento negativo tiene una función natural significativa de segregación de hebras de ADN durante la replicación y transcripción. La separación de las hebras disminuye la tensión de torsión en el ADN superenrollado negativo. De esta manera, es energéticamente menos costoso segregar hebras en el ADN superenrollado negativo que en el ADN relajado, y la diferencia de energía la proporciona la relajación del ADN.

P6 ¿Por qué el ADN superenrollado positivo hace que el ADN sea más estable a altas temperaturas?

Respuesta El superenrollamiento de ADN positivo aumenta el número de enlaces entre dos cadenas de ADN. Una conformación que le da resistencia contra la desnaturalización inducida por calor a la doble hélice del ADN la hace estable en condiciones hiper-termofílicas. los plásmidos aislados de la bacteria que vivía en condiciones hiper-termofílicas exhibieron un número de enlace más alto en comparación con los plásmidos aislados de la bacteria que no vivía en estas condiciones.

P7 ¿Por qué el ADN plasmídico superenrollado migra a través de la agarosa con la menor resistencia en comparación con la otra forma ex lineal?

Respuesta Debido a su naturaleza superenrollada, los fragmentos de ADN se vuelven más pequeños y, por lo tanto, experimentan menos obstrucción por fricción del gel; esto hace que el movimiento de esta forma de ADN sea más rápido que otras formas.

P8 ¿Cuál es la diferencia entre el superenrollamiento de ADN restringido y no restringido?

Respuesta La palabra "sin restricciones" se utiliza para representar el superenrollamiento en el ADN "libre" debido a la tensión topológica. No es compatible ni depende de proteínas, por lo que vale en eucariotas, donde aproximadamente 147 pares de bases de ADN se enrollan alrededor del nucleosoma, que es esencialmente un octámero de histonas compuesto por 2 unidades de histonas H2A, H2B, H3 y H4. Este tipo de superenrollamiento se clasifica como "restringido" porque la estructura del nucleosoma lo restringe.

P9 ¿Qué enzima ayuda a cortar una hebra de dúplex de ADN para liberar el enrollamiento de dos hebras?

Respuesta La topoisomerasa corta en hebra y suelta el enrollamiento. Las topoisomerasas de tipo I rompen una hebra del ADN de doble hélice. Pasa la hebra de ADN intacta a través del espacio y liga el extremo roto; La topoisomerasa de tipo I provoca un cambio en Lk por el incremento de 1. Las topoisomerasas de tipo II rompen ambas hebras de la doble hélice de ADN de doble hélice y cambian Lk en el incremento de 2.

P10 ¿Los plásmidos bacterianos son redondos o están superenrollados?

Respuesta En muchas especies, el ADN bacteriano es circular y está superenrollado negativamente. Un plásmido purificado de Escherichia coli en la fase de crecimiento medio (exponencial) está superenrollado hasta el grado de σ = −0.06. Dentro de la celda, el Supercoiling no restringido es aproximadamente la mitad de este valor.

Sobre el Dr. Abdullah Arsalan

Soy Abdullah Arsalan, completé mi doctorado en Biotecnología. Tengo 7 años de experiencia en investigación. Hasta ahora he publicado 6 artículos en revistas de renombre internacional con un factor de impacto promedio de 4.5 y pocos más están en consideración. He presentado trabajos de investigación en diversos congresos nacionales e internacionales. Mi área temática de interés es la biotecnología y la bioquímica con especial énfasis en la química de proteínas, enzimología, inmunología, técnicas biofísicas y biología molecular.

Conectémonos a través de LinkedIn (https://www.linkedin.com/in/abdullah-arsalan-a97a0a88/) o Google Scholar (https://scholar.google.co.in/citations?user=AeZVWO4AAAAJ&hl=en).

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