El ADN sigue un camino en zig-zag dentro de un canal creado por dos anillos de 6 lados. Este nuevo nivel atómico hecho con tecnología cryo-EM, sugiere cómo el ADN interactúa con los dos anillos justo antes de separarse en hebras "principales" y "rezagadas". Toda la vida depende de una coreografía absolutamente precisa, cuando una célula comienza a replicar su ADN para formar dos células. Crédito:Instituto de Investigación Van Andel
La vida sería imposible si el ADN de las células en división se replicara con una precisión inferior a la casi perfecta. Cada vez que una célula nucleada se compromete a convertirse en dos células, cada "letra" de su genoma debe replicarse una vez y sólo una vez. Inhumanos, la tarea aturde la imaginación. Si se desenrolla, la doble hélice apiñada en cada una de nuestras celdas mediría 6 pies de largo. Solo en nuestra médula ósea 500 millones de células nuevas nacen cada minuto. Estas células por sí solas contienen suficiente ADN para envolver el ecuador terrestre 25 veces. Dentro de enormes tolerancias, cada nueva célula debe tener un genoma idéntico al de la célula que la dio a luz. El cáncer y otras enfermedades pueden resultar cuando el proceso sale mal.
Descubrir cómo funciona la replicación precisa a nivel de moléculas y átomos individuales es uno de los grandes logros de la ciencia moderna. El viaje de los investigadores aún no ha terminado, sin embargo. Una parte importante del rompecabezas sin resolver es comprender cómo comienza todo el proceso de copia del genoma. En una nueva investigación, La comprensión de cómo se separan los dos soportes de la doble hélice en las primeras etapas de la replicación se está volviendo clara.
Una colaboración de larga data de investigadores en Londres, Grandes rápidos, Michigan y Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) en Nueva York informan la estructura a nivel atómico de las enzimas helicasa gemelas cargadas cara a cara, con la doble hélice de ADN visible en el canal circular que atraviesa ambas helicasas. La configuración, una parte del complejo pre-replicativo (pre-RC), nunca antes se ha creado una imagen con éxito en esta configuración.
La hazaña fue posible gracias a una nueva instalación de microscopía ciroelectrónica (crio-EM) en el Instituto de Investigación Van Andel, casa de uno de los investigadores principales, Dr. Huilin Li. El Dr. Li ha colaborado con el Dr. Bruce Stillman de CSHL y el Dr. Christian Speck, Profesor de Bioquímica Genómica y Biología Molecular en el Imperial College de Londres durante más de una docena de años. En 1992, Stillman y sus colegas descubrieron el complejo de proteínas llamado complejo de replicación de origen (ORC), que ensambla complejos de proteínas en muchos lugares llamados "sitios de inicio" a lo largo de la doble hélice, donde se inicia la replicación. El trabajo del Dr. Speck demostró que ORC se combina con otras proteínas:Cdc6, Cdt1 y el hexámero de Mcm2-7:para comenzar el proceso de duplicación del ADN.
Una gran cantidad de esfuerzos anteriores ha revelado cómo ORC ensambla y encuentra sitios de inicio. Hay muchos sitios de este tipo, organizado por dominios, en el complejo genoma humano; muchos menos en formas de vida más simples, como la levadura de panadería. La nueva investigación se refiere a lo que sucede después del reconocimiento inicial de los sitios de inicio y cómo podría desenrollarse la hélice de ADN.
La doble hélice de ADN sigue un camino en zig-zag dentro de un canal creado por dos anillos de 6 lados. Esta nueva vista a nivel atómico hecha con tecnología cryo-EM, sugiere cómo el ADN interactúa con los dos anillos justo antes de separarse en hebras "principales" y "rezagadas". Toda la vida depende de una coreografía absolutamente precisa, cuando una célula comienza a replicar su ADN para formar dos células. Crédito:Instituto de Investigación Van Andel
Como se muestra vívidamente en las nuevas imágenes de cryo-EM ", "Las enzimas helicasa gemelas Mcm2-7 de seis lados que rodean la doble hélice parecen insectos simétricos o, quizás, naves espaciales gemelas acopladas cara a cara. La pregunta que responde la nueva estructura es cómo se sitúa la doble hélice dentro del canal que forman, y cómo interactúa el ADN con la estructura circundante. Basado en ese nuevo conocimiento, información sobre cómo se separan las dos cadenas de ADN, durante mucho tiempo un misterio, está comenzando a ser destapada.
"Las nuevas imágenes muestran que una vez cargadas en el doble hexámero, o DH, como llamamos las helicasas de cabeza a cabeza:la doble hélice toma un camino en zigzag a través del canal central, que está algo retorcido, "Los autores explican." Los dos hexámeros en forma de barril están dispuestos de tal manera que están listos para desenroscar la doble hélice cuando se activan ".
Una consecuencia es especialmente importante:la torsión en la estructura del complejo formado por los anillos dobles crea una tensión de torsión:se cargan con una tensión inherente que los convierte en algo así como un resorte en espiral. Los detalles en la estructura no vistos anteriormente revelan cómo varias subunidades de proteínas de los hexámeros gemelos se adhieren a la doble hélice, a través de pequeñas estructuras en forma de bucle.
El escenario propuesto por Li, Partícula, Stillman y sus colegas es que los hexámeros gemelos cargan en tensión, provocando que una de las dos hebras del ADN que pasa a través de ellos se amontone literalmente contra una "puerta" cerrada en un lado del anillo, y la otra hebra contra otra "puerta" cerrada en el lado opuesto. El equipo propone que una de las dos puertas se abra cuando se active el proceso de replicación (mediante la intervención de las proteínas quinasas y otras moléculas auxiliares).
A través de la puerta abierta en la helicasa, pero solo en un lado, se expulsa una hebra de la doble hélice, o "extruido". El equipo propone que se convierta en lo que se llama la "hebra rezagada" en el proceso de replicación del ADN. La otra hebra, permaneciendo en el centro del canal helicoidal, se convierte en la "hebra principal" en la replicación. Los motores moleculares cargados en los dos hexámeros proporcionan energía para su separación. Una helicasa activada pasa a la otra, a medida que la replicación de cada hebra avanza en direcciones opuestas, como lo dedujeron los biólogos hace décadas.
Las últimas estructuras fueron posibles gracias a los avances en la técnica llamada microscopía crioelectrónica, donde un haz de electrones pasa congelado, partículas individuales de proteína-ADN para obtener una imagen tridimensional cercana al nivel atómico. Los desarrolladores clave del método, que ahora se usa ampliamente, recibió el Premio Nobel de Química 2017.
