G E N E T I C A M O L E C U L A R EL DNA SUPERENRROLLADO C O N S I D E R A C I O N E S G E N E R A L E S

G E N E T I C A M O L E C U L A R Superenrrolamiento significa literalmente “enrrollamiento de un rollo” El ejemplo típico es el cordón de un auricular telefónico: Este ejemplo es muy apropiado porque ayudó a Vinograd y colaboradores a proponer que muchas de las propiedades del DNA in vivo dependían del superenrrollamiento.

G E N E T I C A M O L E C U L A R La naturaleza del superenrrolamiento del DNA, términos generales Superhélice de DNA que surge como resultado de la existencia de tensiones estructurales en la molécula Doble hélice de DNA estabilizada por un conjunto de fuerzas no covalentes que se establecen entre las dos cadenas polinucleotídicas DNA “relajado” no existe ninguna curvatura del eje de la doble hélice sobre sí mismo

G E N E T I C A M O L E C U L A R El superenrrolamiento es una propiedad intrínseca del DNA que se pone de manifiesto cuando la molécula queda sujeta a tensiones estructurales Es de suponer que exista un mecanismo celular estrictamente regulado para generar tensión en las moléculas de DNA, el cual pudiera inducir el superenrrollamiento del mismo in vivo. Las moléculas pequeñas de DNA circular cerrado (cc) de virus y bacterias están usualmente superenrrolladas in vivo y se mantienen así incluso después de ser aisladas de las fuentes celulares.

G E N E T I C A M O L E C U L A R En términos de DNA una tensión estructural se origina por la variación de la cantidad de vueltas de hélice con respecto a la esperada para la forma termodinámicamente más estable (B-DNA) B-DNA cc, 84 pb (84/10.5 = 8 vueltas de hélice) Se quita una vuelta (7 vueltas de hélice) La disminución del número de vueltas de hélice con respecto a la forma B inicial genera una tensión estructural que desvía la molécula de su forma termodinámicamente más estable.

G E N E T I C A M O L E C U L A R Posibles soluciones al problema estructural 1. Separación de las hebras polinucleotídicas a lo largo de unos 10 pares de bases 2. Subenrrollamiento de la doble hélice sobre su eje Ante un problema estructural como el anterior, la molécula es forzada a “acomodar” la tensión estructural que se ha generado, en teoría esto puede lograrse de dos formas diferentes:

G E N E T I C A M O L E C U L A R El mecanismo predominante in vivo para “acomodar” la tensión generada, es el subenrrollamiento. ¿Por qué el subenrrollamiento y no la separación de las hebras? La separación de las hebras del dúplex de DNA implicaría un alto costo energético, puesto que este mecanismo requiere la ruptura de las interacciones no covalente que estabilizan el mismo. El subenrrollamiento facilita la separación de las hebras de la doble hélice, en procesos en que se hace necesario el acceso a la información contenida en el DNA (ej. replicación o transcripción).

G E N E T I C A M O L E C U L A R Sólo tiene sentido hablar de superenrrollamiento cuando la rotación de las hebras sobre si mismas está restringida. O sea, cuando el DNA es circular cerrado, o cuando está unido y estabilizado por proteínas. La ruptura de una o ambas hebras provoca que la molécula retorne espontá- neamente a su estado relajado.

G E N E T I C A M O L E C U L A R Sólo tiene sentido hablar de superenrrollamiento cuando la rotación de las hebras sobre si mismas está restringida. O sea, cuando el DNA es circular cerrado, o cuando está unido y estabilizado por proteínas. La ruptura de una o ambas hebras provoca que la molécula retorne espontá- neamente a su estado relajado. De igual forma, el cordón telefónico sólo permanece superenrrollado mientras una punta esté unida al auricular y la otra al cuerpo del teléfono, si desconectamos una de las puntas el cordón retornará automáticamente a su estado rela- jado.

G E N E T I C A M O L E C U L A R Topología del DNA superenrrollado La topología es la rama de la matemática que estudia las propiedades de un objeto que no varían por causa de deformaciones continuas, en términos de DNA: Se consideran deformaciones continuas los cambios conformacionales inducidos por temperatura o por la interacción con proteínas, sin que tenga lugar ruptura de enlaces covalentes en la(s) hebra(s). Se consideran deformaciones discontinuas las que produzcan ruptura de enlaces covalentes en una o ambas hebras. Las deformaciones discontinuas sí alteran las propiedades topológicas de un objeto.

G E N E T I C A M O L E C U L A R El número de enlace (Lk) es una propiedad topológica del DNA, que se define como el número de veces que una hebra cruza la otra Lk es siempre un número entero, que puede ser positivo o negativo, convencionalmente: Cuando las hebras se cruzan hacia la izquierda Lk < 0 Cuando las hebras se cruzan hacia la derecha Lk > 0

G E N E T I C A M O L E C U L A R ¿Cómo varía el Lk ante deformaciones continuas o discontinuas? DNA cc con Lk = 200

G E N E T I C A M O L E C U L A R ¿Cómo varía el Lk ante deformaciones continuas o discontinuas? DNA cc con Lk = 200 Ruptura de un enlace covalente en una hebra mella Deformación discontinua El DNA de desenrrolla completamente hasta que Lk se indefine y no queda enlace topológico en la molécula

G E N E T I C A M O L E C U L A R ¿Cómo varía el Lk ante deformaciones continuas o discontinuas? mella Deformación discontinua El DNA de desenrrolla completamente hasta que Lk se indefine y no queda enlace topológico en la molécula Quitar dos vueltas de hélice Deformación continua Cambio transiente en Lk ó  Lk = -2, que induce superenrrollamiento, tras el cual Lk no varía, se restablece el valor original Lk = 198 DNA cc con Lk = 200 Ruptura de un enlace covalente en una hebra

G E N E T I C A M O L E C U L A R La naturaleza del superenrrollamiento queda determinada por el cambio transiente en Lk ó  Lk  Lk = Lk – Lk o Lk o es el Lk de la molécula relajada Lk 0 = 200

G E N E T I C A M O L E C U L A R La naturaleza del superenrrollamiento queda determinada por el cambio transiente en Lk ó  Lk  Lk = -2  Lk = Lk – Lk o Lk o es el Lk de la molécula relajada  Lk = +2 Lk 0 = 200 Lk = 198 Lk = 202 SUPERENRRO- LLAMIENTO POSITIVO O SOBREARRO LLAMIENTO SUPERENRRO- LLAMIENTO NEGATIVO O SUBARRO LLAMIENTO

G E N E T I C A M O L E C U L A R La naturaleza del superenrrollamiento queda determinada por el cambio transiente en Lk ó  Lk  Lk = -2  Lk = Lk – Lk o Lk o es el Lk de la molécula relajada  Lk = +2 Lk 0 = 200 Lk = 198 Lk = 202 SUPERENRRO LLAMIENTO POSITIVO O SOBREARRO LLAMIENTO SUPERENRRO LLAMIENTO NEGATIVO O SUBARRO LLAMIENTO Sólo observado in vitro ¡El de mayor importancia biológica!

G E N E T I C A M O L E C U L A R Lk se descompone en dos propiedades geométricas, no topológicas Lk = T + W T (número de giro) es el número de vueltas que una hebra polinucleotídica realiza alrededor del eje del dúplex en la conformación que se considera. Luego: W (número de superenrrollamiento) es el número de vueltas que el eje del dúplex realiza sobre si mismo (es una medida del superenrrollamiento) ¡A diferencia de Lk, T y W si varía ante deformaciones continuas y no necesariamente tienen que ser números enteros!

G E N E T I C A M O L E C U L A R Relajado T pequeño W grande Estirado T grande W pequeño E S T I R A M I E N T O  T W T W ¡Una vez más el cordón telefónico puede ayudar a entender la diferencia entre T y W!

G E N E T I C A M O L E C U L A R Los parámetros geométricos T y W varían ante deformaciones continuas para que una propiedad topológica como Lk no varíe Lk = 10 T = 10 W = 0 Lk = 9 T = 9 W = 0 Lk = 9 T = 9 W = 0 Lk = 9 T = 10 W = -1 Lk = 9 T = 10 W = -1