Cada persona comienza como un óvulo fertilizado. Al llegar a la edad adulta, esa sola célula se ha convertido en aproximadamente 37 billones de células, muchas de las cuales continúan dividiéndose para crear la misma cantidad de nuevas células humanas cada pocos meses.

Pero estas células tienen un desafío formidable. La celda en división media 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 genético a una velocidad de unos 50 pares de bases por segundo.

Aún así, es muy lento duplicar la totalidad del 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 con el número de cromosomas más largo. 1, con 249 millones de pares de bases, en aproximadamente dos meses.

“La forma en que las células solucionan esto, por supuesto, es que comienzan a replicarse en múltiples puntos”, dice James Berger, biólogo estructural de la Facultad de Medicina de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore, coautor del estudio. un artículo sobre la replicación del ADN en eucariotas en la Revisión anual de bioquímica de 2021. Las células de levadura tienen cientos de posibles orígenes de replicación, como se les llama, y ​​los animales como los ratones y las personas tienen decenas de miles de ellos, dispersos a lo largo de sus genomas.

“Pero eso plantea su propio desafío”, dice Berger, “que es, ¿cómo saber por dónde empezar y cómo cronometrar todo?”. Sin un control de precisión, parte del ADN se puede copiar dos veces, lo que provoca un caos celular.

Mantener un estricto control sobre el inicio de la replicación del ADN es particularmente importante para evitar este caos. Hoy en día, los investigadores están dando pasos hacia una comprensión completa de los controles y equilibrios moleculares que han evolucionado para garantizar que cada origen inicie la copia del ADN una vez y solo una vez, precisamente para producir un nuevo genoma completo.

Hazlo bien, 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 abrirse y las cadenas individuales resultantes, cada una de las cuales sirve como plantilla para construir una nueva segunda cadena, son vulnerables a la rotura. O el proceso puede estancarse. “Realmente 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 clave en el camino hacia el cáncer.

Algunas enfermedades genéticas también resultan de problemas con la replicación del ADN. Por ejemplo, el síndrome de Meier-Gorlin, que implica baja estatura, 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 una danza estrechamente coordinada que involucre a docenas de proteínas para que el mecanismo de copia del ADN comience la replicación en el punto correcto del ciclo de vida de la célula. Los investigadores tienen una buena idea de qué proteínas hacen qué porque pudieron hacer que la replicación del ADN ocurriera en mezclas biológicas libres de células en el laboratorio. Imitaron los primeros pasos cruciales para iniciar la replicación. utilizando proteínas de levadura– del mismo tipo que se usa para hacer pan y cerveza – y han imitado gran parte de todo el proceso de replicación usando versiones humanas de proteínas de replicacióntambién.

La célula controla el inicio de la replicación del ADN en un proceso de dos pasos. El objetivo del proceso es controlar las acciones de una enzima crucial, llamada 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 los orígenes, donde comienza la replicación. Durante el segundo paso, las helicasas se activan para desenrollar el ADN.

Listo (cargar la helicasa)…

El comienzo del proceso es un grupo de seis proteínas que se encuentran en los orígenes. Llamado ORC, este grupo es de doble capa en forma de anillo con una muesca práctica que le permite deslizarse sobre las hebras de ADN, descubrió el equipo de Berger.

En la levadura de panadería, que es una de las favoritas de los científicos que estudian la replicación del ADN, estos sitios de partida son fáciles de identificar: tienen una secuencia central de ADN específica de 11 a 17 letras rica en las bases químicas de adenina y timina. Los científicos observaron cómo el ORC se adhiere al ADN y luego se desliza, escaneando la secuencia fuente hasta encontrar el lugar adecuado.

Pero en los seres humanos y otras formas de vida complejas, los sitios de inicio no están tan claramente demarcados, y no está muy claro qué hace que el ORC se asiente y se aferre, 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 enrollado firmemente alrededor de proteínas llamadas histonas, se ha soltado.

Una vez que el ORC se asienta en el ADN, atrae un segundo complejo proteico: uno que incluye la helicasa que eventualmente desenrollará el ADN. Costa y sus colegas usaron microscopía electrónica para descubrir cómo el ORC atrae primero una helicasa y luego otra. Las helicasas también tienen forma de anillo y cada una se abre para envolver el ADN de doble cadena. Luego, las dos helicasas se cierran de nuevo, una frente a la otra en las hebras de ADN, como dos cuentas en un hilo.

Al principio, simplemente se sientan allí, como autos sin gasolina en sus tanques. Todavía no se han activado, y por ahora la célula sigue con su trabajo normal.

Prepárate (activa la helicasa)…

Las cosas comienzan a acelerarse cuando una molécula crucial llamada CDK agita la bandera verde, iniciando pasos químicos que atraen aún más proteínas. Uno de ellos es la ADN polimerasa, lo que Costa llama una «máquina de escribir» que construirá nuevas hebras de ADN, que se une a cada helicasa. Otros activan helicasas, que ahora pueden quemar energía para atravesar el ADN.

Cuando esto ocurre, las helicasas cambian de forma, empujando una hebra de ADN y tirando de la otra. Esto crea tensión en los débiles enlaces de hidrógeno que normalmente mantienen juntas las dos hebras en las bases: las As, Cs, Ts y Gs que forman los peldaños de la escalera del ADN. Los dos cables se separan. Costa y sus colegas observaron cómo las dos helicasas desenredar el ADN entre ellosy vieron como las helicasas mantienen las bases libres estables y apartadas.

¡Ir!

Al principio, ambas helicasas están envueltas alrededor de las dos hebras de ADN, por lo que no pueden llegar muy lejos, porque están una frente a la otra y van a chocar. Pero luego cada uno de ellos sufre un cambio de posición, escupiendo una cadena de ADN u otra fuera del anillo. Ahora separados, pueden chocar entre sí y la replicación avanza rápidamente.

Cada helicasa se mueve a lo largo de su única hebra, en dirección opuesta a la otra. Dejan atrás el origen y separan los pares de bases con enlaces de hidrógeno a medida que viajan. La ADN polimerasa está muy cerca, copiando las letras de ADN a medida que las liberan sus compañeros.

La segunda tarea del CDK es evitar que más helicasas salten a los orígenes. Por lo tanto, hay un inicio de replicación por origen, lo que garantiza la copia adecuada del genoma, aunque la copia no comienza en todos los lugares al mismo tiempo. Todo el proceso de replicación del ADN en células humanas dura unas ocho horas.

Aún queda mucho por trabajar. Por un lado, el ADN que se copia no es una doble hélice desnuda. Está envuelto alrededor de histonas y unido a muchas otras proteínas que están ocupadas activando, desactivando o activando genes. hacer copias de ARN de los genes. ¿Cómo se afectan entre sí estas proteínas en conflicto y cómo evitan interponerse entre sí?

Además de esta biología fundamental fascinante, un proceso notable esencial para toda la vida en la Tierra, existen implicaciones para enfermedades como el cáncer. Los científicos ya saben que la replicación defectuosa puede desestabilizar el ADN, y un genoma inestable propenso a mutaciones puede ser un marcador temprano del desarrollo del cáncer. y estan investigando más vínculos entre las proteínas de replicación y el cáncer.

«Creo que hay oportunidades para intervenciones terapéuticas para estos sistemas», dice Berger, «una vez que tengamos suficiente información sobre cómo funcionan y cómo se ven».

baile de ámbar, una escritora científica del área de Los Ángeles, también le gusta dividir las tareas grandes en partes más pequeñas: le tomó cinco días completar los pasos para escribir este artículo. Este artículo apareció originalmente en Revista conocida, una empresa periodística independiente de Annual Reviews. matricularse en Boletin informativo.