Replicación y recombinación del DNA

Replicación y recombinación del DNA

CONCEPTOS DEL CAPÍTULO

La continuidad genética entre las células progenituras y sus descendientes es posible gracias a la replicación semiconservativa del DNA, como predice el modelo de Watson-Crick. Cada cadena de la hélice progenitura sirve de molde para la producción de su complementaria. La síntesis de DNA es un proceso complejo y ordenado, orquestado por una miríada de encimas y de otras moléculas.

Todas ellas funcionan conjuntamente con gran fidelidad para polimerizar nucleótidos en cadenas polinucleotídicas. La recombinación genética es un proceso.

Tras la propuesta de Watson y Crick de la estructura del DNA, los científicos centraron su atención en cómo se replica esta molécula. Este proceso es una función esencial del material genético y debe ser ejecutado con precisión si, tras la división celular, se ha de mantener la continuidad genética entre células. Ésta es una tarea enorme y compleja. Consideremos por un momento que hay del orden de 109 pares de bases (aproximadamente unos tres mil millones) en los 23 cromosomas del genoma humano. Duplicar fielmente el DNA de uno solo de estos cromosomas requiere un mecanismo de extremada precisión. Incluso una tasa de error de tan solo 10-6 (uno en un millón), crearía 3.000 errores en cada ciclo de replicación del genoma, lo que obviamente es un número excesivo. Aunque no está exento de error, en todos los organismos ha evolucionado un sistema de replicación del DNA mucho más preciso.

Como Watson y Crick sugirieron en su artículo de 1953, el modelo de la doble hélice les proporcionó la pista inicial de cómo puede producirse la replicación.

Este modo de replicación, denominado replicación semiconservativa, ha recibido desde entonces sólidas confirmaciones experimentales en estudios de virus, procariotas y eucariotas.

Una vez clarificado el modelo general de la replicación, se intensificó la investigación para determinar los detalles precisos de la síntesis de DNA. Lo que se ha descubierto desde entonces es que se necesitan numerosos enzimas v otras proteínas para copiar una hélice de DNA. Debido a la complejidad de los fenómenos químicos que acaecen durante la síntesis, este tema es todavía una área de investigación extremadamente activa.

Este capítulo examinará el modelo general de replicación así como los detalles específicos de la síntesis de DNA. La investigación que conduce a estos conocimientos es otro eslabón en nuestra comprensión de los procesos de la vida en el ámbito molecular.

Modos de replicación del DNA

Para Watson y Crick, estaba claro que, debido a la ordenación y naturaleza de las bases nitrogenadas, cada cadena de DNA de la doble hélice podía servir de molde para la síntesis de su complementaria (Figura 11.1). Propusieron que si la hélice estuviese desenrollada, cada nucleótido a lo largo de las dos cadenas parentales tendría afinidad por su nucleótido complementario. Como aprendimos en el Capítulo 10, la complementariedad se debe a los puentes de hidrógeno que pueden formarse. Si el ácido timidílico (T) estuviese presente, «atraería» al ácido adenílico (A); si el ácido guanidílico (G) estuviese presente, «atraería» al ácido citidílico (C); y así sucesivamente. Si a lo largo de ambos moldes estos nucleótidos se uniesen covalentemente en cadenas polinucleotídicas, el resultado sería la producción de dos dobles cadenas de DNA idénticas. Cada molécula de DNA replicada consistiría en una cadena «vieja» y una cadena «nueva»; de aquí el nombre de «replicación semiconservativa».

Hay otras dos posibles formas de replicación (Figura 11.2) que también se basan en las cadenas parentales como moldes. En la replicación conservativa , la síntesis de las cadenas polinucleotídicas complementarias se produciría como se ha descrito anteriormente. Después de la síntesis, sin embargo, las dos cadenas recién creadas se juntarían, y las cadenas parentales se reasociarían. Así se «conservaría» la hélice original.

En la segunda forma alternativa, denominada replicación dispersiva, las cadenas parentales se dispersarían entre las dos nuevas dobles hélices después de la replicación. De este modo, cada cadena estaría formada por DNA viejo y nuevo. Este modelo implicaría el corte de las cadenas parentales durante la replicación. Es la más compleja de las tres posibilidades y, por lo tanto, la menos probable. Sin embargo, no puede descartarse como modelo experimental. En la Figura 11.2 se comparan los resultados teóricos de dos generaciones de replicación según las formas conservativa y dispersiva con los de la forma semiconservativa.

El experimento de Meselson-Stahl

En 1958, Matthew Meselson y Franklin Stahl publicaron los resultados de un experimento que proporcionaba sólidas pruebas de que la replicación semiconservativa es la forma que utilizan las células para producir nuevas moléculas de DNA. Se hizo crecer células de E. coli durante muchas generaciones en un medio en el que el 15NH4Cl (cloruro de amonio) era la única fuente de nitrógeno15N es un isótopo «pesado» del nitrógeno que tiene un neutrón más que el isótopo natural14N. A diferencia de los isótopos «radioactivas», el15N es estable y no radiactivo. Después de muchas generaciones, todas las moléculas que contienen nitrógeno en la células deE. coli, incluidas las bases nitrogenadas del DNA, contenían el isótopo pesado. El DNA que contiene15N puede distinguirse del que contiene14N mediante la técnica de centrifugación por equilibrio de sedimentación , en la que, por centrifugación, se «obliga» a las muestras a emigrar por un gradiente de densidad de una sal de un metal pesado como el cloruro de cesio (véase el Capítulo 10). El DNA-15N, que es más denso, alcanzará el equilibrio en el gradiente en un punto más cercano a la base (donde la densidad es mayor) que el DNA-14N.

En este experimento, se hicieron crecer células deE. coli durante varias generaciones en presencia del isótopo pesado, obteniéndose células marcadas uniformemente con '5N. Después, estas células fueron transferidas a un medio que contenía sólo14N H4C1. De este modo, las síntesis posteriores de DNA acaecidas durante la replicación contenían el isótopo «ligero» del nitrógeno. El momento de la transferencia se tomó como tiempo O (t = 0). Se permitió que las células de E. coli se replicasen durante varias generaciones, obteniéndose muestras de las células a distintos tiempos.

Se aisló el DNA de cada muestra y se centrifugó por equilibrio de sedimentación.

Los resultados

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