Transposones de clase I

Los transposones son elementos genéticos móviles. Es decir, son elementos genéticos que se pueden escindir del lugar del genoma en el que se encuentran y luego integrarse en otro lugar del mismo genoma. ¿Cómo lo hacen?, ¿Actúan como si tuviesen vida?. No. También aquí hay una maquinaria que reconoce dónde acaba y dónde empieza un transposón, lo separa y lo integra en otro lugar.

Diferenciamos dos tipos de transposones según al tipo de molécula que pertenece la secuencia transponible:

- Transposones de clase I: son los transposones de ADN.
- Transposones de clase II: son los transposones de ARN.

Explicaremos más detalladamente el proceso de escisión e integración de cada tipo

Transposones de clase I
Los transposones pueden contener un único gen o más de uno, pero tanto si hay uno sólo como si hay más, la proteína que han de codificar y no puede faltar es la transposasa. El resto son genes adicionales. La enzima transposasa, codificada por el transposón en sí, es la que lo escinde y lo integra.

La escisión puede ser no replicativa (1) o replicativa (2).

(1) La transposición no replicativa tiene lugar en transposones procariotas que contienen un único gen (transposones IS). En este tipo de transposición la transposasa reconoce los extremos porque son secuencias iguales pero invertidas, corta y lo libera. Con lo cual, el ADN de la célula queda roto. Es decir, es una transposición en la cual el huésped es el que ha de reparar el ADN que ha quedado dañado por rotura.

En la integración, la transposasa provoca una duplicación del ADN del huésped que rodea los extremos del transposón. Esto es debido a que, para integrar el transposón, la transposasa corta las cadenas de ADN a diferentes alturas.

Esto hace que el espacio que queda entre el transposón i el resto del ADN se deba volver a sintetizar copiando la cadena complementaria.

La secuencia terminal repetida directamente ("flanking direct repeats") se llama secuencia diana.


Debido a que el huésped (suponiendo que sea haploide) ha de poder reparar su ADN, por selección natural, se han seleccionado aquellos transposones que sólo saltan cuando la célula se está replicando. ¿Por qué? Porque en ese momento aunque salte un trozo de las dos cadenas está la otra copia -antes de la bipartición tenemos una célula con ADN duplicado- y así el huésped puede utilizar su maquinaria para copiar el trozo que falta evitando su muerte y por tanto la "muerte" del transposón.

La transposición no replicativa también tiene lugar en los transposones compuestos (Tn). Un transposón compuesto está formado por dos transposones IS que han saltado juntos unidos entre sí por un trozo del genoma del huésped debido a un error de la transposasa. Aquí, la transposasa deja una copia del transposón en su sitio con lo cual el huésped no ha de reparar después de un salto. Por tanto, tanto la célula madre como la célula hija acabarán teniendo el transposón.

Los transposones compuestos son importantes por la región de ADN huésped que contienen. Ya que, en esta región del genoma del huésped que se escinde, puede haber un gen de resistencia a un antibiótico y, si este transposón va a parar a un plásmido y es transmitido a otras bacterias se inicia así la aparición de una cepa resistente.


(2) La transposición replicativa tiene lugar en los transposones simples. Los transposones simples son transposones que codifican para dos enzimas: la transposasa y la resolvasa. Además, suelen llevarse consigo ADN del huésped también.

En la transposición replicativa, la transposasa reconoce las secuencias repetidas e invertidas del transposón y hace un corte en una cadena y un corte en la otra. No separa el transposón haciendo dobles cortes. La transposasa utilizando los extremos libres no separados del ADN del huésped, traslada todo a la zona receptora (otra parte del ADN del huésped o un plásmido), corta y liga allí los extremos del transposón que estaban sueltos. 

Como la maquinaria del huésped detecta que hay un espacio con cadena simple en vez de doble, envía a la DNA polimerasa a sintetizar el ADN que falta copiando así de nuevo el transposón. Después de la actuación de la DNA polimerasa se forma una estructura llamada cointegrado formada por la fusión de diferentes partes del ADN del huésped (supongamos que entre el cromosoma de una bacteria y su plásmido). El cointegrado es resuelto por la resolvasa. Enzima que, digamos, reestablece el orden.

Así pues, por la acción de los transposones, el genoma del huésped va incrementando. Cada vez que los genes de un transposón se expresan se aumenta la cantidad de ADN. Como ya hemos dicho, los transposones más eficientes biológicamente son aquellos transposones menos eficientes bioquímicamente hablando. Aquellos que se expresan poco y cuando lo hacen la transposasa sólo se activa cuando la célula está replicando. 

Esto es un claro caso de coevolución huésped-parásito, ya que los transposones son "peligrosos" tanto por no reparación del genoma en ser escindidos como la inserción en un lugar vital que no debe ser separado.

¿Qué lugar puede ser vital en un genoma?

Si un transposón se inserta "en medio" -se rompe la pauta de lectura- de un gen vital y esta inserción implica un cese en la expresión, por ausencia de las proteínas para las que codificaba, la célula morirá. Con lo cual es vital que ese lugar se mantenga intacto.

En otras ocasiones, la inserción se da en un lugar no vital. Y, por ello, como en este ejemplo, tenemos diferentes fenotipos -"morfologías"- viables según si la expresión del gen ha sido total o parcialmente mermada.

A pesar de no afectar a la viabilidad de las células, un individuo con inserciones en genes nunca podrá ser igual que un individuo sin ellas.

La potencial fragilidad de ser haploide es uno de los motivos por los cuales está seleccionado a favor ser diploide (tener dos o más conjuntos de cromosomas. Genes por duplicado. El de la madre y el del padre) ya que si un transposón o una mutación afecta a un gen que se encuentra en un cromosoma, aún tenemos el otro para compensar.

http://www.youtube.com/watch?v=_Ol492CLkdY

Síntesis de ADN bacteriano

Sabemos que todas las células de todos los organismos contienen ADN. El ADN es una molécula compleja de doble cadena formada por un esqueleto de azúcar-fosfato y bases nitrogenadas que usualmente se encuentra en las células como una maraña de "hilos".

Su grado de compactación es variable siendo la forma más compactada lo que conocemos como cromosoma y la forma más laxa no asociada a proteínas lo que conocemos como doble hélice del ADN.

Una de las cosas más importantes de esta molécula son las regiones que contiene - comúnmente conocidas como genes- y que son portadoras de instrucciones para la síntesis de otras moléculas. La existencia o no de estas moléculas determina el desarrollo y funcionamiento de un organismo vivo.

Las células que componen un organismo vivo, al igual que él, tienen un lapso de vida limitado. Por ello, es necesario que todas las células que lo componen se vayan renovando gracias a la mitosis.

El proceso de la mitosis consiste básicamente en la escisión de la célula a replicar en dos células hijas exactamente iguales. Para que las células sean iguales entre sí e iguales a la célula original debe darse una duplicación del ADN antes de la ruptura.

¿Cómo tiene lugar esta duplicación?, ¿Qué mecanismos pone en funcionamiento una célula que quiere duplicarse?

Para responder a estas preguntas explicaremos el proceso de duplicación o replicación del ADN en un organismo sencillo. El organismo sencillo escogido es unicelular y contiene un único cromosoma circular. ¿Cúal es el organismo? Estamos hablando de una bacteria, más concretamente de una bacteria de E. Coli.

En E. Coli el proceso de replicación se denomina "replicación Θ" y está caracterizado por tener un único origen de replicación o replicón.

Todo el proceso de replicación del ADN se da gracias a la intervención de la maquinaria celular: las enzimas. Las enzimas son proteínas con estructura tridimensional y una región de reconocimiento de la molécula o sustrato sobre el cual deben iniciar su acción. El tipo de acción o actividad que realice una enzima dependerá del tipo de enzima que estemos mirando.

La acción de las enzimas permite separar las dos cadenas que componen el ADN: la cadena atrasada y la cadena avanzada. Las cadenas reciben este nombre porque son complementarias entre sí, no iguales, y este hecho hace que no puedan ser replicadas del mismo modo. Para entendernos, es como si tuviéramos una frase escrita en un papel dentro de un bolígrafo y la misma frase reflejada en un espejo que se encuentra en otro bolígrafo.

Además, estos dos bolígrafos para poder manterse unidos deben tener una posición concreta: el tapón de uno debe estar tocando la "cola" del otro. De este modo una persona normal que tuviera que leer las frases obligatoriamente empezando por el tapón se hallaría ante un bolígrafo que contiene una frase de fácil y rápida lectura y otro bolígrafo que contiene la misma frase pero "de difícil lectura".

Por ello, debido a esta diferencia en la orientación no pueden ser replicadas de la misma forma porque, al igual que nosotros, la enzima encargada de "la lectura del ADN" sólo puede hacerlo en un sentido concreto:de 3' a 5'. La cadena con la orientación apta para la enzima que lee y replica (DNA polimerasa III) se denomina cadena avanzada y la complementaria a ésta se denomina cadena atrasada.

Cabe destacar que el método utilizado por la DNA polimerasa III para leer la cadena atrasada consiste en avanzar, empezando por el tapón, y luego retroceder para leer y sintetizar. Así pues, la cadena atrasada se va construyendo a fragmentos. A saltos.

No entraremos en detalles en esto. Sólo lo menciono por el hecho de que esta mayor complicación podría llevarnos a pensar que la síntesis de ADN utilizando como molde la cadena atrasada podría ser un proceso más lento pero, como se desvelará más adelante, esto no es así.

Volvamos al proceso de replicación. Para que se pueda "leer y sintetizar" se han de separar las cadenas. Se ha de pasar de tener una cadena doble a dos simples.

La separación de las cadenas no es total con lo cual se forma lo que se llama una burbuja de replicación.

En cada cadena separada hay un origen de replicación. Un punto en el cual la DNA polimerasa III comenzará su lectura. Por tanto, necesitamos cuatro DNA polimerasas.


¿Por qué cuatro?

Necesitamos cuatro ya que sino fuera así cuando avanzase la enzima partiendo del origen de replicación ésta dejaría una parte de la cadena sin replicar. Aunque, como veremos más adelante, las dos DNA polimerasas que se encuentran en la misma horquilla de replicación* se encuentran asociadas entre sí formando una especie de complejo.

Como veis en la siguiente imagen la separación de las dos cadenas de ADN en un punto forma una burbuja de replicación. Una burbuja de replicación está formada por dos horquillas de replicación.

*¿Qué es una horquilla de replicación? A partir del origen de replicación la síntesis de ADN debe hacerse hacia la izquierda y hacia la derecha. Sendas direcciones deben realizarse por dos DNA polimerasas diferentes. En conjunto, tenemos dos DNA polimerasas III que sintetizan "hacia la izquierda" y otras dos "hacia la derecha", por tanto tenemos una horquilla hacia la izquierda y otra hacia la derecha.

 En cada horquilla de replicación encontraremos una cadena avanzada, una cadena atrasada y dos DNA polimerasa III.

Antes de explicar todo el proceso de la replicación haremos una breve introducción a las proteínas que intervienen:

- Proteínas iniciadoras: proteínas que se unen a unas secuencias (regiones) del ADN que se encuentran cerca del replicón doblándolo y creando una tensión que hará que la doble cadena se separe por el sitio más débil (el replicón).

- Proteínas SSB: proteínas que se unen a la cadena simple de ADN y evitan que las dos cadenas separadas vuelvan a combinarse.

- Helicasa: complejo (enzima) formado por 6 subunidades proteicas que se carga sobre la cadena atrasada (5' -> 3') de una horquilla de replicación y se encarga tanto de separar más doble cadena como de reclutar a la primasa. El complejo formado por la unión de la helicasa con la primasa recibe el nombre de primosoma.

- Topoisomerasa: la topoisomerasa es una enzima que corta y "engancha" la cadena de ADN. Este proceso es importante porque conforme va avanzando la helicasa y se separan las cadenas se forman nudos que han de deshacerse de este modo. ¿Por qué se forman nudos? Recordemos que el ADN es una doble hélice.

- Primasa: enzima reclutada por la helicasa gracias a la cual la DNA polimerasa III puede comenzar a sintetizar ADN nuevo. La primasa forma un trozo de ARN complementario al ADN de la cadena que lee. El ARN es una molécula cuya composición es exactamente igual a la del ADN a excepción de los azúcares que forman el esqueleto. El ARN es una molécula que puede ser sintetizada mediante la correcta colocación de las unidades básicas que lo forman y sin la necesidad de que haya algo previo empezado. Esta característica no es compartida por la molécula de ADN, por ello ese trozo de ARN es necesario para que la DNA polimerasa III tenga un punto de partida en la síntesis -que no lectura- 5' a 3' de ADN.

- DNA polimerasa III: enzima replicativa formada por 3 subunidades. Subunidad α, ε y Θ .La subunidad α es la parte encargada de polimerizar ADN, la subunidad ε es la región con capacidad correctora de errores y la subunidad Θ es la que mantiene todo el complejo en la correcta posición.

Como ya dijimos, las dos DNA polimerasas III que se encuentran en una horquilla de replicación actúan como si fueran un único complejo. Esto es debido al establecimiento de una serie de proteínas que se colocan entre estas dos enzimas manteniéndolas unidas.

La existencia de estas proteínas obliga a las dos DNA polimerasas a mantenerse a la misma altura y a trabajar a la misma velocidad. Pero, ¿si una cadena es la avanzada y la otra la atrasada cómo pueden las DNA polimerasas sintetizar ADN en la misma dirección? Porque el ADN de la cadena atrasada forma un lazo. *video al final de la entrada*

Proteínas asociadas a dos DNA polimerasas:

- Complejo γ - δ: conjunto de subunidades que cargan en el ADN, junto a los cebadores de ARN sintetizados por la primasa, unas anillas que se encuentran en el citoplasma de la célula llamadas dímeros β  que permiten que la DNA polimerasa III sintetice hasta el final sin desengancharse hasta que tope con algo.
- Proteínas τ: proteínas que unen las DNA polimerasas entre sí, así como con el complejo γ - δ y la helicasa.

Finalmente pasaremos a explicar el proceso de la replicación:

La unión de las proteínas iniciadoras hace que la doble cadena de ADN se doble formándose así una burbuja de replicación. Las cadenas sencillas que quedan "libres" son enseguida rodeadas por las proteínas SSB que las mantendrán en este estado hasta que finalice la replicación.

En la cadena atrasada de cada una de las horquillas de replicación se une una helicasa. Cuando la helicasa actúa separando más ADN de doble cadena convirtiéndolo en dos cadenas simples actúa también la topoisomerasa evitando así posibles nudos. En un determinado momento de su avance, la helicasa se encontrará con una secuencia que provocará el reclutamiento de la primasa formando el primosoma (complejo helicasa-primasa).

El primosoma sintetizará el trozo de ARN ó primer. Una vez finalizado el primer la primasa se desprende de la helicasa y entonces se activa el complejo γ - δ que dejará en el lugar un dímero β.

La DNA polimerasa III se unirá a este dímero y, en el caso de la cadena avanzada, no lo soltará hasta que finalice de replicar todo el ADN pero en la cadena atrasada, como debe replicar a trozos puesto que debe empezar por el "tapón", necesita constantes primers y dímeros. La DNA polimerasa III replica en la cadena atrasada a saltos. 

Una vez finalizada la replicación tenemos dos cadenas de ADN con primers. Estos son eliminados y sustituídos por ADN obteniendo así dos copias perfectas de la doble cadena original.


La célula está ahora lista para escindirse en dos.

¡Voilà! ya tenemos dos preciosas células de E. Coli. ¡Por cierto! E. Coli se duplica cada 20 minutos. 

¡Imaginad la velocidad a la que tiene lugar este proceso! Imaginad la de millones de microorganismos que se pueden formar en una pequeña superfície. 


Sólo me queda decir que dado el caso, rezad para que no sea una cepa virulenta.

http://www.youtube.com/watch?v=I9ArIJWYZHI&feature=relmfu

http://www.youtube.com/watch?v=-EGKrYdQEHQ