Recientemente he estado revisando literatura sobre los elegantes mecanismos moleculares mediante los cuales se replica el ADN. Como estudiante de biología, recuerdo haber quedado impresionado por su enorme complejidad, sofisticación y belleza intrínseca. Al leer sobre un proceso tan cuidadosamente orquestado, que involucra tantas enzimas y complejos proteicos específicos, y su extraordinaria precisión, fue casi como si la palabra «diseño» saltara de las páginas de mi libro de texto y me golpeara en la cara. La velocidad de replicación del ADN se ha medido en la friolera de 749 nucleótidos por segundo (McCarthy et al., 1976) y se cree que la tasa de error para polimerasas precisas está en el rango de 10-7 y 10-8, según estudios de replicación de ADN de E. coli y bacteriófagos (Schaaper, 1993).

Quiero ofrecer aquí una breve descripción general de los procesos centrales involucrados en la replicación del ADN. En artículos posteriores, examinaré cada componente con más detalle.

La replicación del ADN es semiconservadora

Se dice que la replicación del ADN es semiconservativa: es decir, cada una de las dos hebras sirve como molde para la biosíntesis de una nueva hebra hija, complementaria a la plantilla (Meselson y Stahl, 1958; Parkhomchuk et al., 2009). De este modo, se producen dos nuevas dobles hélices, cada una con una hebra antigua y una nueva.

La bifurcación de replicación

La replicación del ADN comienza en sitios específicos conocidos como orígenes de replicación (ori). Dado que la maquinaria de replicación se aleja de los orígenes de replicación en dos direcciones, se forma una «burbuja de replicación». En los orígenes de replicación, la doble hélice del ADN se abre y se desenrolla por ambos lados. Esto forma lo que se conoce como «horquillas de replicación». Estas horquillas de replicación posteriormente avanzan a lo largo del ADN en direcciones opuestas, a medida que ocurre la biosíntesis del ADN.

La fase de iniciación

El primer paso de la replicación del ADN es la fase de iniciación, un proceso que está bajo una estricta regulación para garantizar que no ocurra más de una vez durante la división celular (Mott y Berger, 2007; Nasheuer et al., 2002). Esta es la etapa en la que la doble hélice del ADN se abre y desenrolla para exponer las cadenas simples a las enzimas y complejos proteicos involucrados en el proceso de replicación. El ADN bicatenario se abre mediante una proteína iniciadora. La proteína iniciadora también recluta una clase especializada de proteínas conocidas como helicasas. Las helicasas son responsables de desenrollar el ADN. Una vez que la doble hélice se ha desenrollado y abierto para formar cadenas simples de ADN, las proteínas de unión al ADN se asocian con el ADN para evitar que el ADN monocatenario se enrolle sobre sí mismo.

El cargador de abrazaderas y la abrazadera deslizante

Dos complejos proteicos, el cargador de la abrazadera y la abrazadera deslizante, participan en el reclutamiento de la ADN polimerasa y en asegurar su asociación con el ADN (Idiani y O’Donnell, 2006; Miyata et al., 2004; Trakselis et al., 2001). El cargador de la abrazadera se encarga de cargar la abrazadera deslizante sobre el ADN. Tras reclutar la ADN polimerasa, la abrazadera deslizante se desliza literalmente con ella a medida que se desplaza a lo largo del molde de ADN, manteniéndolos firmemente unidos.

La fase de elongación

La siguiente etapa del proceso se conoce como fase de elongación. En esta etapa, la maquinaria de replicación copia las hebras de ADN en hebras hijas. La síntesis de la nueva hebra hija a partir de cada una de las hebras progenitoras es catalizada por un complejo enzimático conocido como ADN polimerasa. La ADN polimerasa avanza a lo largo de la hebra molde, lee las bases de los nucleótidos y añade el nucleótido complementario. Sin embargo, la química de esta reacción y la polaridad de la molécula de ADN solo permiten la adición de nucleótidos en el extremo 3′ de la hebra en elongación. Esto significa que la replicación del ADN solo puede ocurrir en la dirección 5′ a 3′. La ADN polimerasa posee una fidelidad notablemente alta gracias a su función integrada de corrección de errores.

Síntesis de cebadores

La enzima ADN polimerasa es incapaz de sintetizar una nueva cadena desde cero; solo puede agregar nucleótidos al extremo 3′ de los nucleótidos ya presentes. Por lo tanto, las cadenas cortas de ARN llamadas cebadores son sintetizadas por una enzima llamada primasa (los cebadores de ARN finalmente se degradarán y reemplazarán con ADN). Esto plantea una pregunta interesante de diseño: ¿Por qué se diseñaría la ADN polimerasa de tal manera que no pueda comenzar una nueva cadena por sí sola? La ARN polimerasa, después de todo, es perfectamente capaz de realizar esta operación. ¿Cuál es la lógica de diseño en involucrar innecesariamente, según parece, los pasos adicionales en la síntesis de cebadores de ARN y luego eliminarlos y reemplazarlos con ADN? Una posible explicación es que la etapa adicional proporciona un paso adicional de corrección; en cuyo caso, esta aparente complejidad adicional podría ser parte de una estrategia de diseño.

Los hilos líder y rezagado

Las dos hebras de una hélice de ADN son antiparalelas, es decir, tienen orientaciones opuestas. Esto plantea una dificultad, ya que, como se mencionó anteriormente, el ADN solo puede sintetizarse en dirección 5′-3′. En una de las hebras, conocida como hebra líder, la síntesis de ADN es continua. En la otra, conocida como hebra rezagada, la replicación del ADN se produce de forma discontinua. Para que se produzca la replicación de la hebra rezagada, es necesario crear constantemente fragmentos cortos de ADN (conocidos como fragmentos de Okazaki) de 5′ a 3′, cada uno separado por cebadores de ARN de unos 10 nucleótidos. Estos se unen mediante la ADN ligasa para formar una hebra continua.

Alivio del superenrollamiento del ADN

El superenrollamiento del ADN es inducido por la tensión torsional generada por las polimerasas y helicasas. Por lo tanto, la separación de las hebras puede ir acompañada de un sobreenrollamiento del ADN. Una clase de enzimas, las topoisomerasas, alivian esta tensión torsional rompiendo la cadena principal del ADN y relajando los superenrollamientos. La cadena principal del ADN se vuelve a unir. De este modo, esta clase de enzimas elimina los superenrollamientos.

Terminación de la replicación del ADN

La replicación del ADN termina cuando las dos horquillas de replicación, que se mueven en direcciones opuestas, se unen. En bacterias como E. coli, esto ocurre en secuencias terminadoras (ter) específicas, que se asocian con una proteína específica de unión al ADN llamada Tus. Terrence A. Brown explica cómo ocurre la terminación en bacterias:

El modo de acción de Tus es bastante inusual. Al unirse a una secuencia terminadora, una proteína Tus permite el paso de una horquilla de replicación si esta se mueve en una dirección, pero bloquea su avance si se mueve en la dirección opuesta alrededor del genoma. La direccionalidad está determinada por la orientación de la proteína Tus en la doble hélice. Al acercarse desde una dirección, Tus bloquea el paso de la helicasa DnaB, responsable del avance de la horquilla de replicación, ya que la helicasa se enfrenta a una «pared» de cadenas β que no puede penetrar. Sin embargo, al acercarse desde la dirección opuesta, DnaB puede alterar la estructura de la proteína Tus, probablemente debido al efecto que el desenrollado de la doble hélice tiene sobre Tus, y por lo tanto puede pasar (Figura 13.22B; Kamada et al., 1996).

La orientación de las secuencias de terminación, y por ende de las proteínas Tus unidas, en el genoma de E. coli es tal que ambas horquillas de replicación quedan atrapadas en una región relativamente corta en el lado opuesto del genoma al origen (véase la Figura 13.22A). Esto garantiza que la terminación siempre se produzca en la misma posición o cerca de ella. Se desconoce qué sucede exactamente cuando las dos horquillas de replicación se encuentran, pero el evento es seguido por el desensamblaje de los replisomas, ya sea de forma espontánea o controlada. El resultado son dos moléculas hijas interconectadas, que son separadas por la topoisomerasa IV.

Se sabe mucho menos sobre la terminación en eucariotas, donde no existen sitios de terminación específicos. Para una discusión de un modelo de terminación de la horquilla de replicación en eucariotas, véase Fachinetti et al. (2010).

Mantenimiento de los telómeros

Dado que los eucariotas tienen cromosomas lineales, la ADN polimerasa no puede continuar hasta el final de los cromosomas. Esto provoca un acortamiento progresivo de los telómeros con cada ronda de división celular. En las células germinales (que transmiten su ADN a la siguiente generación), la enzima telomerasa es responsable de mantener la longitud de los telómeros.

Conclusión

Los sistemas responsables de la replicación del ADN superan con creces la eficacia explicativa de los procesos aleatorios que implican azar y necesidad. De hecho, una maquinaria de la complejidad y sofisticación descrita anteriormente se asocia, en toda nuestra experiencia, habitualmente con la actividad inteligente. Esta breve descripción es apenas la punta del iceberg. Más adelante, examinaré estos intrincados procesos con más detalle.

Artículo publicado originalmente en inglés por Jonathan McLatchie en Science & Culture