La condensación del ADN se refiere al proceso de compactación de las moléculas de ADN in vitro o in vivo . [1] Los detalles mecanísticos 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 predecirían a partir de conceptos clásicos de soluciones diluidas. Por lo tanto, la condensación del ADN in vitro sirve como un sistema modelo para muchos procesos de la física , la bioquímica y la biología . [2] Además, la condensación del ADN tiene muchas aplicaciones potenciales en la medicina y la biotecnología . [1]
El diámetro del ADN es de aproximadamente 2 nm, mientras que la longitud de una sola molécula estirada puede ser de hasta varias docenas de centímetros dependiendo del organismo. Muchas características de la doble hélice del ADN contribuyen a su gran rigidez, incluidas las propiedades mecánicas de la cadena principal de azúcar-fosfato, la repulsión electrostática entre 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 (dsADN) es una medida de su rigidez o flexibilidad, que depende de la secuencia de 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 fisiológicas de sal), la longitud de persistencia del dsADN 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. Como una manguera de jardín, el ADN desempaquetado ocuparía aleatoriamente un volumen mucho mayor que cuando está empaquetado de forma ordenada. Matemáticamente, para una cadena flexible que no interactúa y se difunde aleatoriamente en 3D, la distancia de extremo a extremo se escalaría como una raíz cuadrada de la longitud del polímero. Para polímeros reales como el ADN, esto solo da una estimación muy aproximada; lo que es 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 de ADN extendidas en partículas compactas y ordenadas que contienen solo 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 relativamente concentrado y compacto que ocupa una fracción del volumen disponible". [4] En eucariotas , el tamaño del ADN y el número de otros participantes son mucho mayores, y una molécula de ADN forma millones de partículas de nucleoproteínas ordenadas, los nucleosomas , que es solo el primero de muchos niveles de empaquetamiento del ADN. [1]
En los virus y bacteriófagos , el ADN o 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 a isotrópico en diferentes etapas del funcionamiento del fago. Aunque las dobles hélices siempre están alineadas localmente, el ADN dentro de los virus no representa verdaderos cristales líquidos , porque carece de fluidez. Por otro lado, el ADN condensado in vitro , por ejemplo, con la ayuda de poliaminas también presentes en los virus, está ordenado localmente y es fluido. [1]
El ADN bacteriano se empaqueta 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 el 10-15% del volumen de las bacterias. [5] Un empaquetamiento de ADN similar también existe en los cloroplastos y las mitocondrias . El ADN bacteriano a veces se denomina cromosoma bacteriano . El nucleoide bacteriano representa evolutivamente 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]
Las condiciones de estrés inducen la condensación y el apareamiento de los cromosomas hermanos en la bacteria Escherichia coli . [6] La condensación inducida por estrés ocurre por una convergencia no aleatoria, similar a una cremallera, de cromosomas hermanos. Esta convergencia parece depender de la capacidad de moléculas de ADN bicatenario idénticas 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 de manera eficaz a daños graves en el ADN, como roturas de doble cadena. La aposición de sitios homólogos asociada 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 estar empaquetado de manera ordenada para ser 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 las 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 de enlace H1 une el ADN entre los nucleosomas y facilita el empaquetamiento de la cadena nucleosómica de "cuentas 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 los 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 por la modificación química de las proteínas histonas, conocida como código de histonas .
El andamiaje cromosómico tiene un papel importante para mantener la cromatina en cromosomas compactos. El andamiaje cromosómico está formado por proteínas que incluyen condensina , topoisomerasa IIα y miembro 4 de la familia de kinesinas (KIF4) [7]
Los dinoflagelados son eucariotas muy divergentes en cuanto a la forma en que empaquetan su ADN. Sus cromosomas están empaquetados en un estado líquido-cristalino. [8] Han perdido muchos de los genes de histonas conservados, y en su lugar utilizan principalmente nucleoproteínas virales de dinoflagelados (DVNP) o proteínas similares a histonas de dinoflagelados derivadas de bacterias (HLP) para el empaquetamiento. Se desconoce cómo controlan el acceso a los genes; aquellos que retienen las histonas tienen un código de histonas especial . [9] [10]
Dependiendo del organismo, un archaeon puede utilizar un sistema HU similar al de las bacterias o un sistema de nucleosomas similar al de los eucariotas para su empaquetamiento. [11]
La condensación de ADN puede inducirse in vitro ya sea aplicando una fuerza externa para juntar las dobles hélices o induciendo interacciones atractivas entre los segmentos de ADN. La primera puede lograrse, 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 juntas provienen de colisiones aleatorias entrópicas con los polímeros de amontonamiento 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 puede realizarse 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 de doble hélice larga es una transición de fase aguda , que tiene lugar dentro de un intervalo estrecho de concentraciones de agente condensante.[ref] Dado que las dobles hélices se acercan mucho entre sí en la fase condensada, esto conduce a la reestructuración de las moléculas de agua, 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.[ref] La condensación de ADN por proteínas puede exhibir histéresis, que se puede explicar utilizando un modelo de Ising modificado . [12]
En la actualidad, las descripciones de la regulación génica se basan en aproximaciones de la unión en equilibrio en soluciones diluidas , aunque está claro que estas suposiciones se violan de hecho en la cromatina . La aproximación de la solución diluida se viola por dos razones. En primer lugar, el contenido de cromatina está lejos de ser diluido y, en segundo lugar, el número de moléculas participantes es a veces tan pequeño que no tiene sentido hablar de concentraciones a granel. Otras diferencias con las soluciones diluidas surgen debido a las diferentes afinidades de unión de las proteínas al ADN condensado y no condensado. Por lo tanto, en el ADN condensado tanto las velocidades de reacción pueden cambiar como su dependencia de las concentraciones de reactivos puede volverse no lineal. [1]