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Bucle D

En biología molecular , un bucle de desplazamiento o bucle D es una estructura de ADN en la que las dos hebras de una molécula de ADN bicatenario están separadas por un tramo y se mantienen separadas por una tercera hebra de ADN. Un bucle R es similar a un bucle D, pero en ese caso la tercera hebra es ARN en lugar de ADN. La tercera hebra tiene una secuencia de bases que es complementaria a una de las hebras principales y se empareja con ella, desplazando así la otra hebra principal complementaria en la región. Dentro de esa región, la estructura es, por tanto, una forma de ADN bicatenario . Un diagrama en el artículo que presenta el término ilustra el bucle D con una forma parecida a una "D" mayúscula, donde la hebra desplazada forma el bucle de la "D". [1]

Los bucles D aparecen en diversas situaciones particulares, entre ellas en la reparación del ADN , en los telómeros y como estructura semiestable en las moléculas de ADN circulares mitocondriales .

En las mitocondrias

En 1971, los investigadores de Caltech descubrieron que el ADN mitocondrial circular de las células en crecimiento incluía un segmento corto de tres hebras al que llamaron bucle de desplazamiento. [1] Descubrieron que la tercera hebra era un segmento replicado de la hebra pesada (o hebra H) de la molécula, a la que desplazaba, y estaba unida por enlaces de hidrógeno a la hebra ligera (o hebra L). Desde entonces, se ha demostrado que la tercera hebra es el segmento inicial generado por una replicación de la hebra pesada que se ha detenido poco después de la iniciación y que a menudo se mantiene durante algún tiempo en ese estado. [2] El bucle D se encuentra en la principal zona no codificante de la molécula de ADN mitocondrial, un segmento llamado región de control o región del bucle D.

La replicación del ADN mitocondrial puede ocurrir de dos maneras diferentes, ambas comenzando en la región del bucle D. [3] Una manera continúa la replicación de la cadena pesada a través de una parte sustancial (por ejemplo, dos tercios) de la molécula circular, y luego comienza la replicación de la cadena ligera. El modo informado más recientemente comienza en un origen diferente dentro de la región del bucle D y utiliza la replicación de cadena acoplada con síntesis simultánea de ambas cadenas. [3] [4]

Ciertas bases dentro de la región del bucle D se conservan, pero grandes partes son altamente variables y la región ha demostrado ser útil para el estudio de la historia evolutiva de los vertebrados. [5] La región contiene promotores para la transcripción de ARN de las dos hebras de ADN mitocondrial inmediatamente adyacentes a la estructura del bucle D que está asociada con el inicio de la replicación del ADN. [6] Las secuencias del bucle D también son de interés en el estudio de los cánceres. [7]

La función del bucle D aún no está clara, pero investigaciones recientes sugieren que participa en la organización del nucleoide mitocondrial . [8] [9]

En los telómeros

En 1999 se informó que los telómeros , que rematan el extremo de los cromosomas , terminan en una estructura similar a un lazo denominada bucle T (bucle de telómero). [10] Se trata de un bucle de ambas hebras del cromosoma que se unen a un punto anterior en el ADN bicatenario por el extremo de la hebra 3' que invade el par de hebras para formar un bucle D. La unión está estabilizada por la proteína shelterina POT1 . [11] El bucle T, que se completa con el empalme del bucle D, protege el extremo del cromosoma de daños. [12]

En la reparación del ADN

Cuando una molécula de ADN bicatenario ha sufrido una rotura en ambas hebras, un mecanismo de reparación disponible en las células eucariotas diploides es la reparación por recombinación homóloga . Esta utiliza el cromosoma intacto homólogo del roto como plantilla para alinear correctamente las dos piezas bicatenarias para volver a unirlas. Al principio de este proceso, una hebra de una pieza se empareja con una hebra del cromosoma intacto y esa hebra se utiliza para formar un bucle D en ese punto, desplazando la otra hebra del cromosoma intacto. A continuación, se realizan varios pasos de ligadura y síntesis para efectuar la unión. [13]

En los seres humanos, la proteína RAD51 es fundamental para la búsqueda homóloga y la formación del bucle D. En la bacteria Escherichia coli , la proteína RecA desempeña una función similar . [14]

Recombinación meiótica

Un modelo actual de recombinación meiótica, iniciada por una rotura o brecha de doble cadena, seguida de un apareamiento con un cromosoma homólogo y una invasión de la cadena para iniciar el proceso de reparación recombinatoria. La reparación de la brecha puede conducir al entrecruzamiento (CO) o no entrecruzamiento (NCO) de las regiones flanqueantes. Se cree que la recombinación CO ocurre mediante el modelo de unión doble de Holliday (DHJ), ilustrado a la derecha, arriba. Se cree que los recombinantes NCO ocurren principalmente mediante el modelo de anexión de cadena dependiente de síntesis (SDSA), ilustrado a la izquierda, arriba. La mayoría de los eventos de recombinación parecen ser del tipo SDSA.

Durante la meiosis , la reparación de los daños de doble cadena, en particular las roturas de doble cadena, se produce mediante el proceso de recombinación descrito en el diagrama adjunto. Como se muestra en el diagrama, un bucle D desempeña un papel central en la reparación recombinacional meiótica de dichos daños. Durante este proceso, las recombinasas Rad51 y Dmc1 se unen a las colas 3' de ADN monocatenario (ssDNA) para formar filamentos de nucleoproteína helicoidales que realizan una búsqueda de ADN bicatenario homólogo intacto (dsDNA). [15] Una vez que se encuentra la secuencia homóloga, las recombinasas facilitan la invasión del extremo ssDNA en el dsDNA homólogo para formar un bucle D. Después del intercambio de hebras, los intermediarios de recombinación homóloga se procesan por cualquiera de dos vías distintas (ver diagrama) para formar los cromosomas recombinantes finales.

Véase también

Referencias

  1. ^ ab Kasamatsu, H.; Robberson, DL; Vinograd, J. (1971). "Un nuevo ADN mitocondrial circular cerrado con propiedades de un intermediario replicante". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 68 (9): 2252–2257. Bibcode :1971PNAS...68.2252K. doi : 10.1073/pnas.68.9.2252 . PMC  389395 . PMID  5289384.
  2. ^ Doda, JN; Wright, CT; Clayton, DA (1981). "La elongación de las cadenas de bucle de desplazamiento en el ADN mitocondrial humano y de ratón se detiene cerca de secuencias de plantilla específicas". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 78 (10): 6116–6120. Bibcode :1981PNAS...78.6116D. doi : 10.1073/pnas.78.10.6116 . PMC 348988 . PMID  6273850. 
  3. ^ ab Fish, J.; Raule, N.; Attardi, G. (2004). "El descubrimiento de un importante origen de replicación del bucle D revela dos modos de síntesis de ADNmt humano" (PDF) . Science . 306 (5704): 2098–2101. Bibcode :2004Sci...306.2098F. doi :10.1126/science.1102077. PMID  15604407. S2CID  36033690.
  4. ^ Holt, IJ; Lorimer, HE; ​​Jacobs, HT (2000). "Síntesis acoplada de cadena líder y cadena rezagada de ADN mitocondrial de mamíferos". Cell . 100 (5): 515–524. doi : 10.1016/s0092-8674(00)80688-1 . PMID  10721989.
  5. ^ Larizza, A.; Pesole, G.; Reyes, A.; Sbisà, E.; Saccone, C. (2002). "Especificidad de linaje de la dinámica evolutiva de la región D-loop del ADNmt en roedores". Journal of Molecular Evolution . 54 (2): 145–155. Bibcode :2002JMolE..54..145L. doi :10.1007/s00239-001-0063-4. PMID  11821908. S2CID  40529707.
  6. ^ Chang, DD; Clayton, DA (1985). "El cebado de la replicación del ADN mitocondrial humano ocurre en el promotor de la hebra ligera". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 82 (2): 351–355. Bibcode :1985PNAS...82..351C. doi : 10.1073/pnas.82.2.351 . PMC 397036 . PMID  2982153. 
  7. ^ Akouchekian, M.; Houshmand, M.; Hemati, S.; Ansaripour, M.; Shafa, M. (2009). "Alta tasa de mutación en la región del bucle de desplazamiento del ADN mitocondrial en el cáncer colorrectal humano". Enfermedades del colon y el recto . 52 (3): 526–530. doi :10.1007/DCR.0b013e31819acb99. PMID  19333057. S2CID  28775491.
  8. ^ He, J.; Mao, C. -C.; Reyes, A.; Sembongi, H.; Di Re, M.; Granycome, C.; Clippingdale, AB; Fearnley, IM; Harbour, M.; Robinson, AJ; Reichelt, S.; Spelbrink, JN; Walker, JE; Holt, IJ (2007). "La proteína AAA+ ATAD3 tiene propiedades de unión al bucle de desplazamiento y está involucrada en la organización del nucleoide mitocondrial". The Journal of Cell Biology . 176 (2): 141–146. doi :10.1083/jcb.200609158. PMC 2063933 . PMID  17210950. 
  9. ^ Leslie, M. (2007). "Lanzado para un bucle D". Revista de biología celular . 176 (2): 129a. doi :10.1083/jcb.1762iti3. PMC 2063944 . 
  10. ^ Griffith, JD; Comeau, L.; Rosenfield, S.; Stansel, RM; Bianchi, A.; Moss, H.; De Lange, T. (1999). "Los telómeros de los mamíferos terminan en un gran bucle dúplex". Cell . 97 (4): 503–514. doi : 10.1016/S0092-8674(00)80760-6 . PMID  10338214.
  11. ^ Maestroni L, Matmati S, Coulon S (2017). "Resolución del problema de replicación de los telómeros". Genes . 8 (2): E55. doi : 10.3390/genes8020055 . PMC 5333044 . PMID  28146113. 
  12. ^ Greider, CW (1999). "Los telómeros forman bucles D y T". Cell . 97 (4): 419–422. doi : 10.1016/s0092-8674(00)80750-3 . PMID  10338204.
  13. ^ Hartl, Daniel L.; Jones, Elizabeth W. (2005). "página 251" . Genética: análisis de genes y genomas . Jones & Bartlett Publishers. ISBN 978-0763715113.
  14. ^ Shibata, T.; Nishinaka, T.; Mikawa, T.; Aihara, H.; Kurumizaka, H.; Yokoyama, S.; Ito, Y. (2001). "Recombinación genética homóloga como una propiedad dinámica intrínseca de una estructura de ADN inducida por las proteínas de la familia RecA/Rad51: una posible ventaja del ADN sobre el ARN como material genómico". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 98 (15): 8425–8432. Bibcode :2001PNAS...98.8425S. doi : 10.1073/pnas.111005198 . PMC 37453 . PMID  11459985. 
  15. ^ Sansam CL, Pezza RJ (2015). "Conexión por rotura y reparación: mecanismos de intercambio de cadenas de ADN en la recombinación meiótica". FEBS J . 282 (13): 2444–57. doi :10.1111/febs.13317. PMC 4573575 . PMID  25953379.