Principios y conceptos de la replicación de ADN en bacterias, arqueas, y Eukarya

Principios y conceptos de la replicación de ADN en bacterias, arqueas, y Eukarya

• Resumen

La copia exacta de la información genética en la doble hélice del ADN es esencial para la herencia de rasgos que definen el fenotipo de las células y el organismo. Las máquinas básicas que copian el ADN se conservan en los tres ámbitos de la vida: bacterias, arqueas y eucariotas. En este artículo se describe la naturaleza general de la maquinaria de replicación del ADN, pero también señala diferencias importantes y fundamentales. Los organismos más complejos, los eucariotas, tienen que coordinar la iniciación de la replicación del ADN de muchos orígenes en cada genoma e imponer la regulación que mantiene la integridad genómica, no sólo por el bien de cada célula, pero para el organismo en su conjunto. Además, la replicación del ADN en eucariotas debe coordinarse con la herencia de la cromatina, los patrones de desarrollo de los tejidos, y la división celular para asegurar que el genoma se replica una vez por ciclo de división celular.

• Introducción

La información genética dentro de las células de nuestro cuerpo se almacena en la doble hélice del ADN, una estructura tipo cilíndrica larga con un radio de sólo 10 A o una mil millonésima parte de un metro, pero puede ser de considerable longitud. Una sola molécula de ADN dentro de una bacteria que crece en nuestra flora intestinal es de aproximadamente 5 millones de pares de bases de longitud y cuando se estira hacia fuera, es de aproximadamente 1,6 mm de longitud, aproximadamente el diámetro de una cabeza de alfiler. Por el contrario, la molécula de ADN única en el cromosoma más grande en el humano es 245,203,898 pares de bases o aproximadamente 8,33 cm de largo. Todo el genoma humano, que consiste en sus 24 cromosomas diferentes en un varón es de aproximadamente 3 mil millones de pares de bases o 1 m de largo. Cada célula de nuestro cuerpo, con raras excepciones, contiene dos copias del genoma y de este modo 2 m de ADN total. Así, la escala y la complejidad de los genomas duplicados es notable. Por ejemplo, 2200 células humanas pueden colocarse en la parte superior de una cabeza de alfiler de 1,5 mm y cuando se extrajera y se presentará en una línea, el ADN de estas células sería de 4,5 km (2,8 millas) de largo. En nuestro cuerpo, aproximadamente de 500-700 millones de nuevas células de la sangre nacen cada minuto en la médula ósea (Doulatov et al. 2012), que contiene un total de aproximadamente 1 millón de kilómetros de ADN, o ADN suficiente para envolver alrededor del ecuador de la Tierra 25 veces. De este modo la replicación del ADN es un asunto serio en nuestro cuerpo, que se produce desde el momento en que un óvulo fertilizado comienza la primera duplicación del ADN para producir los muchos billones de células que componen un cuerpo adulto y continúa en todos los tejidos del cuerpo a lo largo de nuestra vida adulta. La cantidad de ADN replicado en un cuerpo humano entero representa una cantidad inimaginable de transferencia de información.

Una cantidad inimaginable de transferencia de información. Por otra parte, cada ronda de duplicación tiene que ser muy precisa, por lo que un error en menos de 100 millones de bases copiados por la división celular. ¿Cómo se produce la copia de la doble hélice y la forma en que es tan alta precisión es el tema de esta colección. Inevitablemente los procesos de copia exacta del genoma mutaciones pueden ir mal, produciendo que afectan a nuestras vidas, y por lo tanto la colección se exponen los trastornos que aceleran humana enfermedad.

Sin embargo, el problema de la copia de ADN es mucho más complicado que se ha indicado anteriormente. Los 2 m de ADN en cada célula humana está cubierta ya las proteínas histonas en el núcleo de la célula que es de sólo 5 mm de ancho, que presenta una compactación de longitud de ADN de aproximadamente 2 millón de veces. ¿Cómo puede el acuerdo con el proceso de copia hecho de que el ADN se envuelve alrededor de las proteínas y se arrugó en un volumen que crea un problema de organización espacial de enorme magnitud? No sólo se copia el ADN, pero las proteínas asociadas con el ADN tiene que ser duplicado, junto con todas las modificaciones químicas unidas a ADN y las histonas que influyen en gran medida los patrones de desarrollo de la expresión génica.

Las maquinarias de proteínas que replican el ADN y las proteínas dentro de la duplica cromosomas son algunos de los mecanismos más complejos e intrigantes conocidos. Por otra parte, la normativa de los procesos son algunos de los más complejos, ya que necesitan para asegurar que cada molécula de ADN en cada cromosoma se copia una vez, y sólo una vez cada vez que una célula se divide antes. Los errores en la regulación de la replicación del ADN de plomo a las tasas de mutación acelerada, a menudo se asocian con mayores tasas de cáncer y otras enfermedades.

El proceso de copia de precisión de un genoma se puede dividir en varios subprocesos que se combinan para proporcionar la duplicación del genoma eficiente. Central para todo el proceso es la maquinaria que en realidad copias del ADN con alto fidelidad, incluyendo las proteínas que comienzan todo el proceso y las proteínas que en realidad copiar una hélice para producir dos. Superponen en este proceso fundamental son los mecanismos que permiten detectar y reparar los errores y daños en el ADN

También asociados con la apa- APPA replicación del ADN son las proteínas que aseguren que las proteínas histonas y sus modificaciones en la cromatina se heredan junto con el ADN. Finalmente, otros mecanismos cooperan con la replicación del ADN aparatos para asegurar que las dos moléculas de ADN resultantes, las cromátidas hermanas, están atados juntos hasta que la célula completa duplicatingall de su ADN y segrega a las cromátidas hermanas de manera uniforme a las dos células hijas. Sólo mediante la combinación de todos estos procesos puede herencia genética asegurar que cada célula tiene un fiel copia del genoma de su matriz.

DONDE EMPEZAR

La replicación comienza en posiciones particulares en los cromosomas llamados "orígenes" donde las proteínas iniciadoras designados se unen al ADN para iniciar la proceso de replicación. Existen diferencias importantes entre las bacterias, arqueas y eucariotas en este proceso, pero también hay muchos sorprendente similitudes que sugieren que el proceso se remonta al último ancestro celular universales (Stillman 2005; Kaguni 2011).

Las bacterias contienen a menudo sólo un cromosoma con un origen en el que dos horquillas de replicación se reúnen y se mueven en direcciones opuestas (Fig. 1A). Aunque no todas las bacterias siguen este paradigma, este es el caso para la Escherichia coli circular genoma 4,4 Mb, formando un único replicón o unidad de replicación de un origen único. A una velocidad de 1 Kb / s para cada tenedor, este genoma se replica dentro de 30 min. En contraste, los eucariotas tienen típicamente varios cromosomas lineales, cada uno con muchos orígenes. Múltiples orígenes son una necesidad para los eucariotas, ya que tienen genomas mucho más grandes que las bacterias y las horquillas de replicación eucariotas se mueven alrededor de 20 veces más lentamente que las horquillas de replicación bacteriana. A modo de ejemplo, el cromosoma humano más grande (el cromosoma # 1) es de 250 Mb y si sólo tenía un origen, se requeriría más de 50 días para replicar en comparación con el típico por división de tiempo 24 h de una célula eucariota y aproximadamente 8 h para copiar el ADN en fase S. Iniciación en cada origen produce dos ADN divergentes las horquillas de replicación a lo largo del cromosoma para crear un replicón que se duplica sólo una vez por la división celular. La duplicación de muchos replicones finalmente produce dos cromosomas hijos

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