Trucos ingeniosos del ADN

Cada persona comienza con un solo óvulo fecundado. Al llegar a la edad adulta, esa única célula se ha convertido en unos 37 billones de células, muchas de las cuales siguen dividiéndose para crear la misma cantidad de células humanas nuevas cada cierto tiempo.
Pero esas células tienen un reto formidable. Una célula común en proceso de división debe copiar —a la perfección— 3.200 millones de pares de basesde ADN, aproximadamente una vez cada 24 horas. La maquinaria de replicación de la célula realiza un trabajo asombroso, copiando material genético a un ritmo vertiginoso de unos 50 pares de bases por segundo.
Aun así, esa velocidad es demasiado lenta para duplicar la totalidad del genoma humano. Si la maquinaria de copia de la célula empezara por la punta de cada uno de los 46 cromosomas al mismo tiempo, terminaría el cromosoma más largo —el nº 1, de 249 millones de pares de bases— en unos dos meses.
“La forma que tienen las células para resolver esto es, por supuesto, iniciar la replicación en múltiples puntos”, afirma James Berger, biólogo estructural de la Facultad de Medicina de la Universidad Johns Hopkins de Baltimore, coautor de un artículo sobre la replicación del ADN en eucariotas publicado en el Annual Review of Biochemistry de 2021. Las células de levadura tienen cientos de posibles orígenes de replicación, como se les llama, y animales como los ratones y las personas tienen decenas de miles de ellos, esparcidos por todo su genoma.
“Pero eso plantea su propio reto”, dice Berger, “que es, ¿cómo saber por dónde empezar y cómo cronometrarlo todo?”. Sin un control preciso, parte del ADN podría copiarse dos veces, provocando un pandemónium celular.
Para evitar ese pandemónium, es especialmente importante mantener un control estricto del inicio de la replicación del ADN. 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 de replicación inicie la copia del ADN una vez —y solo una vez— para producir precisamente un nuevo genoma completo.
Hacerlo bien, hacerlo rápido
Pueden ocurrir cosas malas si la replicación no se inicia correctamente. Para que el ADN se copie, la doble hélice de ADN debe abrirse, y las hebras simples resultantes —cada una de las cuales sirve de molde para construir una nueva segunda hebra— son vulnerables y pueden romperse. O el proceso puede atascarse. “Lo que realmente interesa es resolver la replicación con rapidez”, afirma John Diffley, bioquímico del Instituto Francis Crick de Londres. Los problemas durante la replicación del ADN pueden provocar la desorganización del genoma, que suele ser un paso clave en la ruta hacia el cáncer.
Algunas enfermedades genéticas también se deben a problemas en 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 poner en marcha el proceso de replicación del ADN.

Para que la maquinaria de copia del ADN inicie la replicación en el punto correcto del ciclo vital de la célula es necesaria una danza estrechamente coordinada en la que intervienen docenas de proteínas. Los investigadores tienen una idea bastante clara de qué proteínas hacen qué, porque han conseguido que la replicación del ADN tenga lugar en mezclas biológicas sin células en el laboratorio. Han imitado los primeros pasos cruciales en el inicio de la replicación utilizando proteínas de la levadura —la misma que se utiliza para hacer pan y cerveza— y también han imitado gran parte de todo el proceso de replicación utilizando versiones humanas de las proteínas de replicación.
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 como preparación para su copia. En el primer paso, las helicasas inactivas se cargan en el ADN en los orígenes, donde comienza la replicación. En el segundo paso, las helicasas se activan para desenrollar el ADN.
En sus marcas (carguen la helicasa) ...
El pistoletazo de salida del proceso lo da un grupo de seis proteínas que se asientan en los orígenes. Llamado ORC, este grupo tiene forma de anillo de doble capa con una práctica muesca que le permite deslizarse sobre las hebras de ADN, según ha descubierto el equipo de Berger.
En la levadura de panadería, una de las favoritas de los científicos que estudian la replicación del ADN, estos puntos de inicio son fáciles de detectar: tienen una secuencia de ADN específica, de 11 a 17 letras, rica en bases químicas de adenina y timina. Los científicos han observado cómo el ORC se aferra al ADN y luego se desliza, buscando la secuencia de origen hasta que encuentra el lugar correcto.
Pero en los seres humanos y otras formas de vida complejas, los lugares de inicio no están tan claramente delimitados, y no está del todo claro qué hace que el ORC se asiente y se agarre, afirma Alessandro Costa, biólogo estructural del Instituto Crick que, junto con Diffley, escribió sobre el inicio de la replicación del ADN en el Annual Review of Biochemistry de 2022. Parece más probable que la replicación comience en lugares donde el genoma —normalmente enrollado alrededor de unas proteínas llamadas histonas— se ha aflojado.

El inicio de la replicación del ADN comienza en la cola de la división celular anterior y continúa a través de la fase del ciclo celular conocida como G1. La síntesis del ADN tiene lugar durante la fase S. Los niveles de una proteína llamada CDK son críticos para asegurar que el ADN se replique una y solo una vez. Cuando los niveles de CDK son bajos, las helicasas pueden saltar al ADN y empezar a desenrollarlo. Pero la repetición de la unión no ocurre porque los niveles de CDK aumentan, y esto bloquea a la helicasa para que no se vuelva a unir.
Una vez que el ORC se ha asentado sobre el ADN, atrae a un segundo complejo de proteínas: uno que incluye la helicasa que acabará desenrollando el ADN. Costa y sus colegas utilizaron microscopía electrónica para averiguar cómo el ORC atrae primero a una helicasa y luego a otra. Las helicasas también tienen forma de anillo y cada una se abre para envolver el ADN de doble cadena. A continuación, las dos helicasas vuelven a cerrarse, orientándose una hacia la otra en las cadenas de ADN, como dos cuentas de un collar.
Al principio, se quedan ahí, como automóviles sin gasolina en su tanque. Todavía no se han activado, y por ahora la célula sigue con su actividad habitual.
Listos (activen la helicasa) ...
Las cosas se ponen en marcha cuando una molécula crucial llamada CDK agita la bandera verde, poniendo en marcha pasos químicos que atraen aún más proteínas. Una de ellas es la ADN polimerasa, lo que Costa llama la “máquina de escribir” que construirá nuevas cadenas de ADN, que se engancha a cada helicasa. Otras activan las helicasas, que ahora pueden quemar energía para avanzar por 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 unidas las dos cadenas por las bases — las As, Cs, Ts y Gs que forman los peldaños de la escalera del ADN—. Las dos cadenas se rompen. Costa y sus colegas han observado cómo las dos helicasas desenroscan el ADN entre ellas, y han visto cómo las helicasas mantienen las bases no unidas estables y fuera del camino.

Izquierda: Varios genes implicados en el inicio de la replicación del ADN (eje horizontal) se amplifican —es decir, se copian erróneamente en número extra— en distintos grados (eje vertical) en diferentes tipos de cáncer. Derecha: En el cromosoma 8, un grupo de tres genes (en verde) se amplifican juntos con frecuencia en algunos tipos de cáncer.
¡Fuera!
En un inicio, ambas helicasas se enrollan alrededor de las dos cadenas de ADN y no pueden llegar muy lejos, porque están enfrentadas y se chocan. Pero a continuación, cada una de ellas cambia de posición y escupe una u otra hebra de ADN fuera del anillo. Ahora, separadas, pueden empujarse unas a otras y la replicación prosigue a buen ritmo.
Cada helicasa se mueve a lo largo de su hebra, en dirección opuesta a la otra. Dejan atrás el origen y separan los pares de bases unidos por hidrógeno a medida que se desplazan. La ADN polimerasa va justo detrás, copiando las letras de ADN a medida que se liberan de sus parejas.
La segunda función de la CDK es impedir que más helicasas salten a los orígenes. Así, hay un inicio de replicación por origen, lo que garantiza la copia correcta del genoma, aunque la copia no comienza al mismo tiempo en cada lugar. En las células humanas, todo el proceso de replicación del ADN dura unas ocho horas.
Aún quedan muchas cosas por resolver. Para empezar, el ADN que se copia no es una doble hélice desnuda. Está envuelto en histonas y unido a muchas otras proteínas que están ocupadas activando o desactivando genes o haciendo copias de ARN de los genes. ¿Cómo se influyen mutuamente esas proteínas y evitan estorbarse unas a otras?
Más allá de esta fascinante biología fundamental —un proceso extraordinario esencial para toda la vida en la Tierra—, existen implicaciones para enfermedades como el cáncer. Los científicos ya saben que una replicación defectuosa puede desestabilizar el ADN, y que un genoma inestable y propenso a las mutaciones puede ser una característica temprana del desarrollo del cáncer. Y están investigando más a fondo los vínculos entre las proteínas de replicación y el cáncer.
“Creo que hay oportunidades de intervenciones terapéuticas para estos sistemas”, dice Berger, “una vez que tengamos suficientes conocimientos sobre cómo funcionan y qué aspecto tienen”.