Principios y conceptos de la replicación de ADN en bacterias, arqueas, y Eukarya

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Figura 1. iniciación de la replicación en bacterias y eucariotas. (A) La mayoría de las bacterias tienen un cromosoma circular con un mismo origen, aunque hay excepciones a esto. Ilustrado aquí está el cromosoma de E. coli que tiene un origen a partir del cual dos horquillas de replicación avanzan en direcciones opuestas. (B) Las eucariotas tienen cromosomas lineales largos. La replicación bidireccional se inicia en múltiples orígenes a lo largo de cada cromosoma.[pic 1]

La duplicación de muchos replicones finalmente produce dos cromosomas hijos llamados cromátidas hermanas que están atados juntos hasta que se separan durante la mitosis (fig. 1B).

Aunque pocas especies de arqueas se han caracterizado, parecen ser híbridos evolutivos entre las bacterias y eucariotas, debido a que algunas especies tienen un solo cromosoma con un sólo origen, mientras que otras especies tienen múltiples orígenes por cromosoma (Samson y Bell 2011).

Por otra parte, la ploidía del genoma en arqueas varía considerablemente, con algunas especies tienen una distribución de 1C-2C lo largo de su ciclo celular, mientras que otros tienen hasta 25 copias de su genoma en células proliferantes. La tasa de progresión en horquilla de replicación de ADN también parece estar entre bacterias y eucariotas, a aproximadamente 20 kB / min, 10 veces más rápido que en los eucariotas. Aunque algunas bacterias como E. coli replican sus genomas mucho más rápido, otros, como Caulobacter crescentus replican aproximadamente a la misma velocidad que algunas arqueas, como Pyrococcus abyssi (Dingwall y Shapiro 1989; Myllykallio et al., 2000). orígenes bacterianos son secuencias a las que las proteínas iniciadoras de replicación se unen bien definidos. En contraste, los orígenes eucariotas no se definen típicamente en el nivel de secuencia de ADN (con la importante excepción de la gemación de levadura Saccharomyces cerevisiae). avances recientes han indicado que los orígenes eucariotas se definen menos por la secuencia de ADN que por la organización de la cromatina, con muchos orígenes correspondiente a las regiones de ADN con actividad transcripcional u otras características que permiten el acceso a las proteínas de unión de origen (Masai et al., 2010).

El progreso significativo reciente ha indicado que los orígenes eucariotas se definen menos por secuencia de ADN que por organización de la cromatina, con muchos orígenes correspondientes a las regiones de ADN con actividad transcripcional u otras características que permiten el acceso a las proteínas de unión de origen (Masai et al. 2010). Muchos orígenes celulares humanos se producen en las secuencias que se conservan evolutivamente entre los mamíferos, lo que sugiere que están lejos de ser arbitraria (Cadoret et al. 2008). En la mayoría de los eucariotas, un pequeño subconjunto de los orígenes potenciales se utiliza en un ciclo celular típico en las células individuales, pero la utilización de origen se puede aumentar en gran medida para facilitar la división celular sorprendentemente rápida, como se ve en los huevos fertilizados de muchos animales (Rhind 2006). Si se utiliza un origen o no es un proceso estocástico que depende del contexto de la cromatina y, en algunos casos, el estado de desarrollo de las células en los organismos multicelulares. Además, los múltiples orígenes en los cromosomas eucarióticos se organizan en grupos que se activan en momentos específicos durante la fase S del ciclo celular, y el patrón temporal varía de nuevo con los patrones de desarrollo de las células (Gilbert et al. 2010). Los orígenes de replicación se discuten en Leonard y Me'chali (2013).

Para comenzar el proceso de activación de un origen para la replicación, bacteriana, archaeal, y células eucariotas utilizar proteínas de unión al origen compuestas de subunidad AAAþ familia (s) (Erzberger y Berger 2006). proteínas AAAþ funcionan generalmente como máquinas multiméricas. Por ejemplo, en bacterias, varias copias de la proteína de unión al origen DnaA forman un filamento helicoidal que se une el origen (Kaguni 2011). El filamento DnaA ATP se une a relajar una T / A fertil de la región de origen, lo que resulta en un solo filamento de ADN (ssDNA) "burbuja" sobre las cargas helicasa replicativa (descritas en la siguiente sección). Eucariotas contienen una proteína subunidad de seis región de origen referido como ORC (reconocimiento de origen complejo) (Stillman 2005). Cinco de las subunidades ORC están relacionados con proteínas AAAþ y junto con otra proteína AAAþ llamado Cdc6 que está altamente relacionado en secuencia con la subunidad más grande ORC, ORC1, forman un hexámero en forma de anillo que se une al ADN (Sun et al. 2012). Sin embargo, a diferencia de DnaA bacteriana, ORC no está relajado el ADN en regiones para las que se une. archaeal células también utilizan proteínas AAAþ que están relacionadas con la subunidad más grande de ORC, ORC1 y para Cdc6, pero el número de estas subunidades varían dependiendo del tipo particular de célula arqueas(Barry y Bell 2006). Tanto DnaA y ORC se utilizan en otros procesos además de la replicación (ver Bell y Kaguni 2013).

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Figura 2. Origen de activación y montaje replisoma en bacterias y eucariotas. (A) la activación de Origen en eucariotas está regulada por DDK (Dbf4-quinasa Cdc7) y CDK (dependiente de ciclina proteína quinasa) quinasas que tienen baja la actividad en la fase G1, y una elevada actividad en la fase S. (B) Pasos en la activación origen y montaje en replisoma bacterias y eucariotas. El proceso relativamente más complejo de replicación del ADN en eucariotas se refleja en el mayor número de proteínas necesarias para iniciar y alargar la síntesis de ADN de cada origen. Véase el texto para más detalles.

El establecimiento de horquillas de replicación activos está regulada por quinasas que impulsan la célula en la fase S por la dirección de la cromatina asociación de muchos factores, la mayoría importante Cdc45 y GINS, que ahora se sabe que activa la actividad helicasa MCM2-7 (Ilves et al., 2010). Durante la fase S, la Cdc6 y proteínas Cdt1 se eliminan por cualquiera selectiva degradación de la proteína o exclusión nuclear, de ese modo prevenir más MCM2-7 carga y reinicio en la fase S. Estos eventos subyacen a la fenómeno conocido como "concesión de licencias" de los orígenes (Masai et al., 2010). Orígenes están autorizados por MCM2-7 carga durante la salida de mitosis o durante G1 y, a continuación, activa en la fase S. Al separar las etapas de síntesis de ADN y la carga helicasa en dos fases diferentes del ciclo celular, eucariotas