Cada persona comienza como un óvulo fertilizado. Para la antigüedad adulta, esa célula única se ha convertido en unos 37 billones de células, muchas de las cuales continúan dividiéndose para crear la misma cantidad de células humanas frescas cada pocos meses.
Pero esas células tienen un desafío formidable. La celda de división promedio debe copiar – perfectamente – 3.2 mil millones pares de bases de ADN, aproximadamente una vez cada 24 horas. La maquinaria de replicación de la célula hace un trabajo increíble al copiar material hereditario a un ritmo delicado de unos 50 pares de bases por segundo.
Aun así, es demasiado flemático duplicar todo el genoma humano. Si la maquinaria de copia de la célula comenzara en la punta de cada uno de los 46 cromosomas al mismo tiempo, terminaría el cromosoma más espacioso, el número 1, con 249 millones de pares de bases, en aproximadamente dos meses.
«La forma en que las células solucionan esto, por supuesto, es comenzar la replicación en múltiples sitios», dijo James Berger, biólogo estructural de la Poder de Medicina de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore, coautor de un artículo sobre la replicación del ADN en eucariotas en Revisión anual de bioquímica de 2021. Las células de catalizador tienen cientos de posibles orígenes de replicación, como se les fuego, y animales como los ratones y los humanos tienen decenas de miles esparcidos por sus genomas.
«Pero eso presenta su propio desafío», dice Berger, «que es cómo conocer por dónde asomar y cómo cronometrar todo». Sin un control de precisión, parte del ADN se puede copiar dos veces, lo que provoca un caos celular.
Persistir un cumplidor control sobre el inicio de la replicación del ADN es particularmente importante para evitar ese caos. Hoy en día, los científicos están dando pasos alrededor de una comprensión completa de los controles y equilibrios moleculares que han evolucionado para avalar que cada origen inicie la copia del ADN una vez, y solo una vez, para producir exactamente un nuevo genoma completo.
Hazlo proporcionadamente, hazlo rápido
Pueden ocurrir cosas malas si la replicación no se inicia correctamente. Para que el ADN se copie, la doble hélice del ADN debe desenrollarse, y las cadenas individuales resultantes, cada una de las cuales sirve como plantilla para construir una segunda condena nueva, son vulnerables a la rotura. O el proceso puede atragantarse. «Verdaderamente quieres resolver la replicación rápidamente», dice John Diffley, bioquímico del Instituto Francis Crick en Londres. Los problemas durante la replicación del ADN pueden hacer que el genoma se desorganice, lo que suele ser un paso importante en el camino alrededor de el cáncer.
Algunas enfermedades genéticas igualmente resultan de problemas con la replicación del ADN. Por ejemplo, el síndrome de Meier-Gorlin, que implica quebranto talla, orejas pequeñas y rótulas pequeñas o inexistentes, es causado por mutaciones en varios genes que ayudan a iniciar el proceso de replicación del ADN.
Se necesita un bailete estrechamente coordinado que involucre a docenas de proteínas para que la maquinaria de copia de ADN comience la replicación en el momento adecuado del ciclo de vida de la célula. Los científicos tienen una idea proporcionado clara de qué proteínas hacen qué porque lograron que la replicación del ADN suceda en mezclas biológicas libres de células en el laboratorio. Han imitado los primeros pasos cruciales en el inicio de la replicación usando proteínas de catalizador, del mismo tipo que se usa para hacer pan y cerveza, y igualmente han imitado gran parte del proceso de replicación completo usando versiones humanas de proteínas de replicación.
La célula controla el inicio de la replicación del ADN en un proceso de dos pasos. El objetivo militar del proceso es controlar las acciones de una enzima crucial, convocatoria helicasa, que desenrolla la doble hélice del ADN en preparación para copiarla. En el primer paso, las helicasas inactivas se cargan en el ADN en el origen donde comienza la replicación. Durante el segundo paso, las helicasas se activan para desenrollar el ADN.
Preparado (cargar la helicasa)…
Comenzar el proceso es un agrupación de seis proteínas que se encuentran en el origen. Llamado ORC, este agrupación tiene la forma de un anillo bicapa con una ejercicio muesca que permite que las hebras de ADN se deslicen, encontró el equipo de Berger.
En la catalizador de panadería, una de las favoritas de los investigadores que estudian la replicación del ADN, estos sitios de partida son fáciles de detectar: tienen una secuencia de ADN central específica de 11 a 17 cultura, rica en bases químicas de adenina y timina. Los científicos han observado cómo ORC se adhiere al ADN y luego se desliza, buscando la secuencia de origen hasta que encuentra el ocasión correcto.
Pero en los seres humanos y otras formas de vida complejas, los sitios de partida no están tan claramente definidos, y no está del todo claro qué es lo que hace que ORC se asiente y arraigue, dice Alessandro Costa, biólogo estructural del Instituto Crick que, con Diffley, escribió sobre el inicio de la replicación del ADN en la Revisión anual de bioquímica de 2022. Parece más probable que la replicación comience en lugares donde el genoma, normalmente simpático firmemente en torno a de proteínas llamadas histonas, se ha deshecho.
El inicio de la replicación del ADN comienza al final de la división celular preparatorio y continúa a lo espacioso de la grado del ciclo celular conocida como G1. La síntesis de ADN ocurre en la grado S. Los niveles de una proteína convocatoria CDK son esenciales para avalar que el ADN se replique una vez y solo una vez. Cuando los niveles de CDK son bajos, las helicasas pueden saltar sobre el ADN y comenzar a desenrollarlo. Pero el reenlace no ocurre porque los niveles de CDK aumentan y esto impide que la helicasa se una nuevamente.
Una vez que ORC se asienta en el ADN, atrae otro arduo proteico: uno que incluye la helicasa que eventualmente desenrollará el ADN. Costa y sus colegas usaron microscopía electrónica para descubrir cómo ORC atrae primero una helicasa y luego otra. Las helicasas igualmente tienen forma de anillo y cada una se abre para envolver el ADN de doble condena. Luego, las dos helicasas se cierran de nuevo y se enfrentan en las hebras de ADN, como dos perlas en un collar.
Al principio simplemente se sientan allí, como autos sin gasolina en el tanque. Todavía no han sido activados y hasta ahora la célula está haciendo su trabajo habitual.