La condensación de ADN se refiere al proceso de compactar moléculas de ADN in vitro o in vivo . [1] Los detalles mecanicistas del empaquetamiento del ADN son esenciales para su funcionamiento en el proceso de regulación genética en los sistemas vivos. El ADN condensado a menudo tiene propiedades sorprendentes, que no se podrían predecir a partir de los conceptos clásicos de soluciones diluidas. Por tanto, la condensación de ADN in vitro sirve como sistema modelo para muchos procesos de la física , la bioquímica y la biología . [2] Además, la condensación de ADN tiene muchas aplicaciones potenciales en medicina y biotecnología . [1]
El diámetro del ADN es de unos 2 nm, mientras que la longitud de una única molécula estirada puede alcanzar varias decenas de centímetros, según el organismo. Muchas características de la doble hélice del ADN contribuyen a su gran rigidez, incluidas las propiedades mecánicas de la columna vertebral de azúcar-fosfato, la repulsión electrostática entre los fosfatos (el ADN tiene en promedio una carga negativa elemental por cada 0,17 nm de la doble hélice ), las interacciones de apilamiento entre las bases de cada hebra individual y las interacciones hebra-hebra. El ADN es uno de los polímeros naturales más rígidos, pero también es una de las moléculas más largas. La longitud de persistencia del ADN bicatenario (ADNds) es una medida de su rigidez o flexibilidad, que depende de la secuencia del ADN y del entorno circundante, incluidos factores como la concentración de sal, el pH y la temperatura. En condiciones fisiológicas (p. ej., pH casi neutro y concentraciones de sal fisiológicas), la longitud de persistencia del ADNbc es generalmente de alrededor de 50 nm, lo que corresponde a aproximadamente 150 pares de bases. [1] Esto significa que a grandes distancias el ADN puede considerarse como una cuerda flexible y, a corta escala, como una varilla rígida. Al igual que una manguera de jardín, el ADN desempacado ocuparía aleatoriamente un volumen mucho mayor que cuando se empaquetara ordenadamente. Matemáticamente, para una cadena flexible que no interactúa y se difunde aleatoriamente en 3D, la distancia de un extremo a otro se escalaría como una raíz cuadrada de la longitud del polímero. Para polímeros reales como el ADN, esto da sólo una estimación muy aproximada; lo importante es que el espacio disponible para el ADN in vivo es mucho menor que el espacio que ocuparía en el caso de una difusión libre en la solución. Para hacer frente a las limitaciones de volumen, el ADN puede empaquetarse en las condiciones de solución adecuadas con la ayuda de iones y otras moléculas. Por lo general, la condensación del ADN se define como "el colapso de cadenas extendidas de ADN en partículas compactas y ordenadas que contienen sólo una o unas pocas moléculas". [3] Esta definición se aplica a muchas situaciones in vitro y también se acerca a la definición de condensación de ADN en bacterias como "adopción de un estado compacto y relativamente concentrado que ocupa una fracción del volumen disponible". [4] En los eucariotas , el tamaño del ADN y el número de otros actores participantes son mucho mayores, y una molécula de ADN forma millones de partículas de nucleoproteínas ordenadas , los nucleosomas , que son sólo el primero de muchos niveles de empaquetamiento del ADN. [1]
En los virus y bacteriófagos , el ADN o el ARN está rodeado por una cápside proteica , a veces envuelta además por una membrana lipídica . El ADN bicatenario se almacena dentro de la cápside en forma de carrete, que puede tener diferentes tipos de enrollamiento que conducen a diferentes tipos de empaquetamiento líquido-cristalino . Este empaquetamiento puede cambiar de hexagonal a colestérico o isotrópico en diferentes etapas del funcionamiento del fago. Aunque las dobles hélices siempre están alineadas localmente, el ADN del interior de los virus no representa cristales líquidos reales , porque carece de fluidez. Por el contrario, el ADN condensado in vitro , p. ej. con ayuda de poliaminas presentes también en los virus, está ordenado localmente y es fluido. [1]
El ADN bacteriano está empaquetado con la ayuda de poliaminas y proteínas llamadas proteínas asociadas a nucleoides . El ADN asociado a proteínas ocupa aproximadamente 1/4 del volumen intracelular formando una fase viscosa concentrada con propiedades cristalinas líquidas, llamada nucleoide. Otras investigaciones también indicaron que el genoma de las bacterias ocupa aproximadamente entre el 10 y el 15% del volumen de las bacterias. [5] También existe un empaquetado de ADN similar en los cloroplastos y las mitocondrias . El ADN bacteriano a veces se denomina cromosoma bacteriano . La evolución de nucleoides bacterianos representa una solución de ingeniería intermedia entre el empaquetamiento de ADN libre de proteínas en los virus y el empaquetamiento determinado por proteínas en los eucariotas. [1]
Los cromosomas hermanos de la bacteria Escherichia coli son inducidos por condiciones estresantes a condensarse y aparearse. [6] La condensación inducida por el estrés se produce mediante una convergencia no aleatoria, en forma de cremallera, de cromosomas hermanos. Esta convergencia parece depender de la capacidad de moléculas idénticas de ADN de doble cadena para identificarse específicamente entre sí, un proceso que culmina en la proximidad de sitios homólogos a lo largo de los cromosomas emparejados. Diversas condiciones de estrés parecen preparar a las bacterias para hacer frente eficazmente a daños graves en el ADN , como las roturas de doble cadena. La aposición de sitios homólogos asociados con la condensación cromosómica inducida por estrés ayuda a explicar cómo se produce la reparación de roturas de doble cadena y otros daños. [6]
El ADN eucariota, con una longitud típica de decenas de centímetros, debe empaquetarse ordenadamente para que sea fácilmente accesible dentro del núcleo de tamaño micrométrico. En la mayoría de los eucariotas, el ADN se organiza en el núcleo celular con la ayuda de histonas. En este caso, el nivel básico de compactación del ADN es el nucleosoma, donde la doble hélice se envuelve alrededor del octámero de histonas que contiene dos copias de cada histona H2A , H2B , H3 y H4 . La histona enlazadora H1 une el ADN entre los nucleosomas y facilita el empaquetamiento de la cadena nucleosomal de "perlas en la cuerda" de 10 nm en una fibra más condensada de 30 nm. La mayoría de las veces, entre divisiones celulares, la cromatina se optimiza para permitir un fácil acceso de los factores de transcripción a los genes activos , que se caracterizan por una estructura menos compacta llamada eucromatina , y para aliviar el acceso a las proteínas en regiones más compactas llamadas heterocromatina . Durante la división celular, la compactación de la cromatina aumenta aún más para formar cromosomas , que pueden hacer frente a grandes fuerzas mecánicas que los arrastran hacia cada una de las dos células hijas. [1] Muchos aspectos de la transcripción están controlados mediante modificaciones químicas en las proteínas histonas, conocidas como código de histonas .
La estructura cromosómica tiene una función importante para mantener la cromatina en un cromosoma compacto. La estructura cromosómica está formada por proteínas que incluyen la condensina , la topoisomerasa IIα y el miembro 4 de la familia de la cinesina (KIF4) [7]
Los dinoflagelados son eucariotas muy divergentes en términos de cómo empaquetan su ADN. Sus cromosomas están empaquetados en un estado líquido-cristalino. [8] Han perdido muchos de los genes de histonas conservados, utilizando principalmente nucleoproteínas virales dinoflageladas (DVNP) o proteínas similares a histonas dinoflageladas (HLP) derivadas de bacterias para el empaquetado. Se desconoce cómo controlan el acceso a los genes; aquellos que retienen histonas tienen un código de histona especial . [9] [10]
Dependiendo del organismo, una arqueona puede utilizar un sistema HU similar a una bacteria o un sistema de nucleosoma similar a un eucariota para empaquetarse. [11]
La condensación del ADN se puede inducir in vitro aplicando una fuerza externa para unir las dobles hélices o induciendo interacciones atractivas entre los segmentos de ADN. Lo primero se puede conseguir, por ejemplo, con la ayuda de la presión osmótica ejercida por el amontonamiento de polímeros neutros en presencia de sales monovalentes. En este caso, las fuerzas que empujan las dobles hélices entre sí provienen de colisiones aleatorias entrópicas con los polímeros amontonados que rodean los condensados de ADN, y se requiere sal para neutralizar las cargas de ADN y disminuir la repulsión ADN-ADN. La segunda posibilidad se puede realizar induciendo interacciones atractivas entre los segmentos de ADN mediante ligandos cargados catiónicos multivalentes ( iones metálicos multivalentes , cationes inorgánicos , poliaminas , protaminas , péptidos , lípidos , liposomas y proteínas ). [1]
La condensación de ADN largos de doble hélice es una transición de fase brusca , que tiene lugar dentro de un estrecho intervalo de concentraciones del agente de condensación. [ref] Dado que las dobles hélices se acercan mucho entre sí en la fase condensada, esto conduce a la reestructuración del agua. moléculas, lo que da lugar a las llamadas fuerzas de hidratación. [ref] Para comprender la atracción entre moléculas de ADN cargadas negativamente, también se deben tener en cuenta las correlaciones entre los contraiones en la solución. explicarse utilizando un modelo de Ising modificado . [12]
Hoy en día, las descripciones de la regulación genética se basan en aproximaciones del equilibrio de unión en soluciones diluidas , aunque está claro que estas suposiciones de hecho se violan en la cromatina . La aproximación de la solución diluida se viola por dos razones. En primer lugar, el contenido de cromatina está lejos de estar diluido y, en segundo lugar, el número de moléculas participantes es a veces tan pequeño que no tiene sentido hablar de concentraciones globales. Otras diferencias con respecto a las soluciones diluidas surgen debido a las diferentes afinidades de unión de las proteínas al ADN condensado y no condensado. Así, en el ADN condensado se pueden cambiar las velocidades de reacción y su dependencia de las concentraciones de los reactivos puede volverse no lineal. [1]