El tiempo de replicación se refiere al orden en el que se duplican los segmentos de ADN a lo largo de un cromosoma.
En las células eucariotas (células que empaquetan su ADN dentro de un núcleo), los cromosomas consisten en moléculas de ADN bicatenario lineales muy largas. Durante la fase S de cada ciclo celular ( Figura 1 ), todo el ADN de una célula se duplica para proporcionar una copia a cada una de las células hijas después de la siguiente división celular. El proceso de duplicación del ADN se llama replicación del ADN y se lleva a cabo primero desenrollando la molécula de ADN dúplex, comenzando en muchos lugares llamados orígenes de replicación del ADN, seguido de un proceso de desenrollado que desenrolla el ADN a medida que se copia. Sin embargo, la replicación no comienza en todos los diferentes orígenes a la vez. Más bien, hay un orden temporal definido en el que estos orígenes se activan. Con frecuencia, unos pocos orígenes adyacentes se abren para duplicar un segmento de un cromosoma, seguido algún tiempo después por otro grupo de orígenes que se abren en un segmento adyacente. La replicación no necesariamente comienza exactamente en los mismos sitios de origen cada vez, pero los segmentos parecen replicarse en la misma secuencia temporal independientemente de exactamente dónde dentro de cada segmento comienza la replicación. La Figura 2 muestra una caricatura de cómo se imagina generalmente que ocurre esto, mientras que la Figura 3 muestra una animación de cuándo diferentes segmentos se replican en un tipo de célula humana.
El orden temporal de replicación de todos los segmentos del genoma, llamado su programa de replicación temporal, puede medirse ahora fácilmente de dos maneras diferentes. [1] Una manera mide simplemente la cantidad de diferentes secuencias de ADN a lo largo del cromosoma por célula. Las secuencias que se duplican primero, mucho antes de la división celular, serán más abundantes en cada célula que las secuencias que se replican en último lugar justo antes de la división celular. La otra manera es etiquetar el ADN recién sintetizado con nucleótidos marcados químicamente que se incorporan a las hebras a medida que se sintetizan, y luego capturar células en diferentes momentos durante el proceso de duplicación y purificar el ADN sintetizado en cada uno de estos momentos utilizando la etiqueta química. En cualquier caso, podemos medir la cantidad de diferentes secuencias de ADN a lo largo del cromosoma ya sea directamente utilizando una máquina que lee cuánto de cada secuencia está presente o indirectamente utilizando un proceso llamado hibridación de microarrays. En cualquier caso, el orden temporal de replicación a lo largo de cada cromosoma puede trazarse en forma gráfica para producir un "perfil de tiempo de replicación". La figura 4 muestra un ejemplo de dicho perfil a lo largo de 70.000.000 de pares de bases del cromosoma 2 humano. [2]
En la actualidad, se sabe muy poco sobre los mecanismos que orquestan el programa de sincronización o su importancia biológica. Sin embargo, se trata de un mecanismo celular intrigante que está relacionado con muchas características poco comprendidas del plegamiento de los cromosomas dentro del núcleo celular. Todos los eucariotas tienen un programa de sincronización, y este programa es similar en especies relacionadas. [3] [4] [5] [6] [7] Esto indica que es importante en sí mismo o que algo importante influye en el programa. Es poco probable que la replicación del ADN en un orden temporal específico sea necesaria simplemente para el propósito básico de duplicar una molécula de ADN. Lo más probable es que esté relacionada con alguna otra propiedad o función cromosómica. La sincronización de la replicación está correlacionada con la expresión de genes, de modo que la información genética que se utiliza en una célula generalmente se replica antes que la información que no se está utilizando. También sabemos que el programa de sincronización de la replicación cambia durante el desarrollo, junto con los cambios en la expresión de los genes.
Desde hace muchas décadas se sabe que el momento de la replicación está correlacionado con la estructura de los cromosomas. Por ejemplo, las hembras de los mamíferos tienen dos cromosomas X. Uno de ellos es genéticamente activo, mientras que el otro se inactiva en las primeras fases del desarrollo. En 1960, JH Taylor [8] demostró que los cromosomas X activos e inactivos se replican siguiendo un patrón diferente: el X activo se replica antes que el X inactivo, mientras que todos los demás pares de cromosomas se replican siguiendo el mismo patrón temporal. Mary Lyon [9] también observó que el X inactivo adoptaba una estructura condensada en el núcleo llamada corpúsculo de Barr [10] ( Figura 5 ) al mismo tiempo que se inactivaba genéticamente el cromosoma durante el desarrollo.
Esto puede no resultar demasiado sorprendente, ya que el empaquetamiento del ADN con proteínas y ARN en la cromatina tiene lugar inmediatamente después de que se sintetiza el ADN. Por lo tanto, el momento de la replicación dicta el momento del ensamblaje de la cromatina. Menos intuitiva es la relación entre el momento de la replicación y el posicionamiento tridimensional de la cromatina en el núcleo. Ahora se acepta ampliamente que la cromatina no está organizada aleatoriamente en el núcleo celular, sino que las posiciones de cada dominio cromosómico en relación con sus dominios vecinos son características de diferentes tipos de células, y después de que se establece esta geografía en cada célula recién formada, los dominios cromosómicos no se mueven apreciablemente hasta la siguiente división celular. [11] [12] En todos los organismos multicelulares en los que se ha medido, la replicación temprana tiene lugar en el interior del núcleo y la cromatina alrededor de la periferia se replica más tarde. Los métodos desarrollados recientemente para medir los puntos donde las diferentes partes de los cromosomas se tocan entre sí están casi perfectamente alineados con el momento en que se replican. [3] En otras palabras, las regiones que se replican temprano frente a las tardías se empaquetan de tal manera que quedan segregadas espacialmente en el núcleo, con el ADN intermedio que contiene regiones de actividad de origen reducida. [7] [13] Una posibilidad es que estos diferentes compartimentos dentro del núcleo, establecidos y mantenidos sin la ayuda de membranas o barreras físicas, establezcan umbrales para el inicio de la replicación de modo que las regiones más accesibles sean las primeras en replicarse. [14] Otra posibilidad es que el momento de replicación de una sección de ADN contribuya al empaquetamiento de ese ADN. [15] [16] Se ha demostrado que la proteína Rif1 está involucrada en la regulación de este proceso. [17]
Otro aspecto interesante de la sincronización de la replicación es que el orden temporal de la replicación se ve alterado en la mayoría de los cánceres y en muchas enfermedades. [18] Todavía no comprendemos los mecanismos que subyacen a esta relación, pero esto sugiere que investigaciones futuras pueden revelar cambios en la sincronización de la replicación como biomarcadores útiles para dichas enfermedades. El hecho de que ahora se pueda medir con relativa facilidad indica que pronto tendremos una gran cantidad de información sobre dónde y cuándo se producen grandes cambios en el plegamiento de los cromosomas durante el desarrollo y en diferentes enfermedades.