Cada persona comienza como un solo óvulo fertilizado. Para 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 células humanas frescas cada pocos meses.
Pero esas células tienen un desafío formidable. La celda en división promedio 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 asombroso al copiar material genético a un ritmo vertiginoso de unos 50 pares de bases por segundo.
Aún así, eso es demasiado lento para 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 el cromosoma más largo, el No. 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 la replicación en múltiples puntos», dice James Berger, biólogo estructural de la Facultad de Medicina de la Universidad Johns Hopkins en Baltimore, coautor de 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, salpicados por sus genomas.
«Pero eso plantea su propio desafío», dice Berger, «que es, ¿cómo sabes por dónde empezar y cómo cronometras todo?» Sin un control de precisión, parte del ADN podría copiarse dos veces, lo que provocaría un caos celular.
Mantener las riendas estrictas en el inicio de la replicación del ADN es particularmente importante para evitar ese 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, para producir precisamente un nuevo genoma completo.
Hazlo bien, hazlo rápido
Pueden ocurrir cosas malas si la replicación no se inicia correctamente. Para que se copie el ADN, la doble hélice del ADN debe abrirse y las hebras individuales resultantes, cada una de las cuales sirve como plantilla para construir una nueva segunda hebra, son vulnerables a la rotura. O el proceso puede atascarse. “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 un baile estrechamente coordinado que involucre a docenas de proteínas para que la maquinaria de copia de ADN comience la replicación en el punto correcto del ciclo de vida de la célula. Los investigadores tienen una idea bastante buena de qué proteínas hacen qué, porque lograron que la replicación del ADN suceda en mezclas biológicas libres de células en el laboratorio. Han imitado los primeros pasos cruciales en el inicio de la replicación utilizando proteínas de levadura, del mismo tipo que se usa para hacer pan y cerveza, y han imitado gran parte del proceso de replicación completo utilizando también versiones humanas de proteínas de replicación.
La célula controla el inicio de la replicación del ADN en un proceso de dos pasos. El objetivo general 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, se activan las helicasas, para desenrollar el ADN.
Listo (cargar la helicasa)…
El inicio del proceso es un grupo de seis proteínas que se asientan en los orígenes. Llamado ORC, este grupo tiene la forma de un anillo de doble capa con una práctica muesca 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 inicio son fáciles de detectar: tienen una secuencia central de ADN específica de 11 a 17 letras, rica en bases químicas de adenina y timina. Los científicos han observado cómo ORC se agarra al ADN y luego se desliza, buscando la secuencia de origen hasta que encuentra el lugar correcto.
Pero en los humanos y otras formas de vida complejas, los sitios de inicio no están tan claramente delimitados, y no está muy claro qué es lo que 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 aflojado.
El inicio de la replicación del ADN comienza al final de la división celular anterior y continúa a lo largo de la fase del ciclo celular conocida como G1. La síntesis de ADN ocurre durante la fase S. Los niveles de una proteína llamada CDK son fundamentales para garantizar que el ADN se replique una vez y solo una vez. Cuando los niveles de CDK son bajos, las helicasas pueden saltar sobre el ADN y comenzar a desenrollarlo. Pero la unión repetida no ocurre porque los niveles de CDK aumentan, y esto impide que la helicasa se una nuevamente.
Una vez que ORC se ha asentado 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 averiguar cómo 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 el tanque. Todavía no se han activado y, por ahora, la célula sigue con su actividad habitual.