Superenrollamiento del ADN y Topoisomerasas

ADN: Estructura y organización genómica

• El capítulo 10 de Karp, secciones 10.7, 10.8, 10.10 y 10.11, abarca la naturaleza del gen y del genoma.

Superenrollamiento del ADN

• El superenrollamiento es vital para compactar el ADN en el empaquetamiento.
• Las células modifican la organización del ADN para procesos metabólicos como la replicación, la transcripción, la reparación y la división celular.
• Las topoisomerasas, enzimas especializadas, modifican el superenrollamiento.
• Las topoisomerasas de Tipo I crean roturas de una sola cadena, aliviando la tensión y el superenrollamiento.
• Las topoisomerasas de Tipo II provocan roturas controladas de doble cadena para superenrollar o relajar el ADN.
• El superenrollamiento es importante para el empaquetamiento del ADN en el núcleo en eucariotas, o en el citoplasma en procariotas, debido a la gran longitud de la molécula.
• Las enzimas topoisomerasas ayudan con el superenrollamiento y desenrollamiento del ADN según las necesidades celulares.

Complejidad del Genoma

• El genoma representa la secuencia total de ADN específica de cada especie o individuo.
• Los genes, unidades funcionales del genoma, tienen funciones específicas del organismo y en el tejido donde se expresan..
• Individuos comparten la misma información en sus genomas, aunque con pequeñas variaciones llamadas alelos.
• La desnaturalización del ADN,donde el genoma se expresa y se replica, es una propiedad importante del ADN.
• La desnaturalización es la capacidad del ADN para separar sus cadenas, unidas por débiles puentes de hidrógeno.
• La desnaturalización del ADN en laboratorio, se obtiene al aumentar la temperatura.
• La temperatura a la que se alcanza la mitad del aumento de la absorbancia se define como temperatura de fusión o de melting (Tm).
• Los pares de bases G-C son más estables que los pares A-T por que tienen 3 puentes de hidrógeno, a diferencia del A-T que solo forma dos puentes de hidrógeno, lo que requiere más energía para separar los pares de bases G-C que los pares A-T.
• La renaturalización, capacidad del ADN desnaturalizado para reasociarse con sus cadenas complementarias al bajar la temperatura lentamente.
• La renaturalización del ADN puede regenerar los pares de bases originales, recuperando así características del material genético y permitiendo el desarrollo se técnicas moleculares.

Renaturalización del ADN

• La velocidad de renaturalización o reasociación refleja la complejidad del genoma.
• Los genomas simples, virales o bacterianos, tienden a generar curvas de reasociación más simples debido a su secuencia lineal.
• En eucariotas, el genoma es más complejo, las curvas de reasociación adoptan una tendencia escalonada.
• Estos genomas, al ser genomas más complejos, tienen tres tipos de secuencias: altamente repetitivas, moderadamente repetitivas y las no repetitivas.
• El tiempo de reasociación es inversamente proporcional la complejidad.
• Las diferencias en las tasas de reasociación entre secuencias únicas y repetitivas están relacionadas con la abundancia de regiones complementarias.
• Los genes que codifican para proteínas ocupan menos del 2% del genoma humano.
• El genoma humano está compuesto por regiones repetitivas, intrones, elementos no codificantes y genes codificantes.

Secuencias altamente repetitivas

• Las secuencias altamente repetitivas, también denominadas repeticiones en tándem o regiones altamente repetitivas, constituyen entre el 1% y el 10% del genoma total.
• El número de repeticiones en tándem es variable entre individuos, lo que puede ser usado para la identificación.
• El entrecruzamiento desigual durante la meiosis puede generar repeticiones en tándem.
• Los tipos de secuencias altamente repetitivas son los satélites, los mini satélites y los microsatélites.

Satélites

• Los satélites son repeticiones cortas de secuencias, de 5 a 100+ pares de bases, que se extienden a lo largo de millones de pares de bases.
• Estos se ubican en regiones como los centrómeros y cumplen funciones tanto estructurales como regulatorias.
• En los métodos de hibridación in situ, los satélites dan señal en todos los cromosomas.

Minisatélites

• Los minisatélites son secuencias cortas (10-100 pb) que se repiten hasta 3000 veces y que ocupan menos espacio que los satélites.
• El número de copias de los minisatélites es variable y puede cambiar de una generación a otra.
• Debido a su alta variabilidad, estas secuencias son valiosas para la identificación de individuos, lo que permiten estudios de paternidad.

Microsatélites

• Los microsatélites son repeticiones cortas de 1 a 9 pb, que se repiten entre 10 y 40 veces.
• El número de estas repeticiones es variable y puede cambiar de una generación a otra.
• Los microsatélites sirven para comparaciones genómicas entre poblaciones, ancestría, migraciones, etc.
• Existe más diversidad de microsatélites en poblaciones africanas, indicando que África fue el lugar de origen de la humanidad.
• La diversidad de microsatélites disminuye a medida que las poblaciónes migraron por fuera de África (efecto fundador/cuello de botella)

Secuencias moderadamente repetitivas

• Las secuencias moderadamente repetitivas, que representan de 20% a 80% del genoma dependiendo del organismo, en humano es alrededor del 50% del genoma.
• A diferencia del genoma satélites, estas no se repiten en tándem.
• Están dispersas a lo largo del genoma y no surgen como resultado de duplicaciones génicas, a diferencia de las secuencias altamente repetitivas
• Las secuencias moderadamente repetitivas ocurren en regiones intergénicas, pero también se encuentran en algunos genes específicos, entre ellos los del ARN ribosomal o histonas.
• Los dos tipos de secuencias moderadamente repetitivas, teniendo en cuenta su naturaleza, son los SINE (short interspersed nuclear elements) o elementos nucleoscortos dispersos y los LINE (long interspersed nuclear elements) o elementos nucleares largos dispersos.

Naturaleza dinámica del genoma

• Los elementos genéticos móviles son secuencias repetidas a lo largo del genoma que se encuentran dispersas no en tándem, en multiples cromosomas.
• Este comportamiento no se explica mediante el entrecruzamiento desigual. Barbara McClintock, del CSHL observó en los años 50 en el maíz, variaciones en la coloración que aparecían o desaparecían en la siguiente generación.
• Barbara McClintock propuso que existían elementos genéticos móviles, que denominó elementos transponibles, y llamó transposición al proceso de salto en el genoma.
• En 1960 se descubrieron elementos móviles en genomas bacterianos, llamados transposones.
• Estos elementos codifican para una enzima denominada transposasa.
• Esta enzima cataliza la escisión del transposón de un sitio genómico, integrándolo en otro sitio objetivo.
• Las repeticiones que flanquean el transposón funcionan como señal de reconocimiento para la transposasa.
• Los transposones tienen implicaciones en biología humana.
• Ciertas enfermedades genéticas resultan de transposones integrados en genes, como la hemofila.
• Los transposones representan entre el 45% y el 60% del genoma humano y la mayoria es inactivo.
• En el genoma humano, existen dos tipos principales de transposones: los de ADN, representando aproximadamente el 3% del genoma, y los retrotransposones, que representan aproximadamente el 40%.

Este cuestionario explora las funciones del superenrollamiento del ADN y las topoisomerasas. Aborda cómo estas enzimas alivian la tensión torsional durante la replicación y división celular. Evalúa la comprensión de los tipos de topoisomerasas y su impacto en los procesos celulares.