Superenrollamiento

3 Superenrollamiento del DNA en la naturaleza

Algunas imágenes para ilustrar el superenrollamiento de las moléculas circulares de DNA:

DNA circular superenrollado, sin ramificaciones
(la línea representa la doble hélice):

superhélice dextrorsa

superhélice sinistrorsa

J.F.Marko (1997) Physica A 244, 263-277.

DNA circular superenrollado, con una ramificación

El superenrollamiento puede permitir que posiciones lejanas en la secuencia se aproximen

Modelos de DNA circular superenrollado

J.Huang, T.Schlick, A.Vologodskii (2001) Proc.Nat.Acad.Sci.USA 98, 968-973.

Observación al microscopio del superenrollamiento de un DNA circular

D.Brutlag, Stanford Univ. [curso "Biochemistry 201"]

¿Qué hace que las moléculas de DNA en las células adopten conformaciones superenrolladas, y qué trascendencia biológica tiene este fenómeno?

Hemos visto cómo el superenrollamiento se origina cuando se giran las hebras en torno al eje de la doble hélice, para perder o ganar torsión, y se unen de nuevo los extremos. En las células, existen enzimas que catalizan precisamente este proceso. Se las denomina topoisomerasas, pues convierten unos topoisómeros[1] en otros. Hay topoisomerasas de tipo I, que hidrolizan un enlace fosfodiéster en una hebra, hacen pasar la otra hebra a través del corte y vuelven a unir los extremos de la primera; como resultado, el índice de ligazón de la molécula de DNA aumenta o disminuye en una unidad. Otras topoisomerasas, denominadas de tipo II, hidrolizan sendos enlaces fosfodiéster en ambas hebras y hacen pasar otra doble hebra a través del corte, resellando éste de nuevo; de este modo, el índice de ligazón varía en dos unidades de una sola vez [2].

El resultado de la acción continua de las topoisomerasas en las células es que el DNA se encuentra habitualmente en estado superenrollado. Esto cumple varias funciones:

Las dimensiones de una molécula de DNA extendida exceden con mucho las de la célula procariótica, el núcleo o el orgánulo eucariótico que la deben contener. Mediante el superenrollamiento, las moléculas de DNA se compactan y ocupan un volumen inferior en varios órdenes de magnitud.
El superenrollamiento también permite que se acerquen regiones de la molécula alejadas en su estructura primaria (estructura lineal del polímero), y esto es clave en procesos como la regulación de la replicación y la transcripción.
Del grado de compactación local conseguido depende la regulación de la accesibilidad a la información genética y, por consiguiente, la regulación de la expresión de los genes (transcripción).
Para que puedan tener lugar los procesos de replicación (copiado del DNA) y transcripción (copiado de la información del DNA en una molécula de RNA) es necesario que se separen las dos hebras complementarias, lo cual supone un desenrollamiento local de la doble hélice. Éste –mediado por proteínas específicas, principalmente polimerasas y helicasas– provoca sobreenrollamiento en las regiones adyacentes. Además, dificulta el desenrollamiento adicional, necesario para la progresión de los citados procesos a lo largo de la molécula.

En la naturaleza, las moléculas circulares de DNA (el cromosoma bacteriano, los plásmidos bacterianos y algunos DNA víricos) se encuentran habitualmente superenrolladas. Como ya se habrá comprendido por la exposición anterior, esa naturaleza circular cerrada da lugar a los diferentes estados de superenrollamiento, estables y no interconvertibles (salvo mediante rotura de enlaces covalentes). En cuanto al material genético nuclear eucariótico, está formado por grandes moléculas de DNA (cromosomas

) lineales, es decir, con dos extremos, que, por sí mismas, no pueden mantener un superenrollamiento. Sin embargo, se encuentran asociadas estrechamente con proteínas que, bien anclan los extremos delimitando un bucle donde la doble hélice tiene el giro restringido, bien fuerzan el enrollamiento de la molécula de DNA alrededor de la propia proteína, formando uno o varios bucles superhelicoidales. En conclusión, tanto en el DNA circular

como en el lineal

se da el fenómeno de superenrollamiento.

Algunas características adicionales de las formas superenrolladas del DNA:


Superenrollamiento negativo del DNA		Superenrollamiento positivo del DNA
Superhélice a derechas, dextrorsa.		Superhélice a izquierdas, sinistrorsa.
Se encuentra de forma natural en las eubacterias. En eucariotas es más frecuente en las zonas codificantes(facilita que se abra la doble hebra para la transcripción). En eucariotas, transitoriamente por detrás de la RNApol durante la transcripción (hélice infraenrollada, desenrollada).		Se puede encontrar (aunque no es muy frecuente) en arqueobacterias. En eucariotas, transitoriamente por delante de la RNApol durante la transcripción (hélice sobreenrollada, apretada).
Une preferentemente intercalantes que desenrollan la doble hélice (p.ej., bromuro de etidio y cloroquina).		Une preferentemente ligandos que aprietan la doble hélice (p.ej., netropsina).

1. Topoisómero: un isómero, típicamente de una molécula grande y compleja, que es diferente de los otros debido a su topología; por ejemplo, por el grado de retorcimiento o por el entrelazado de estructuras anulares. Por ejemplo, los topoisómeros del DNA se diferencian en su índice de ligazón Lk; un diferente valor de Lk da lugar a un distinto grado de superenrollamiento de la doble hélice en cada topoisómero.
(A Dictionary of Biology, Oxford University Press, © Market House Books Ltd 2000 – www.xrefer.com)

2. Topoisomerasas: véase Texto Ilustrado de Biología Molecular e Ingeniería Genética, Luque, p.152
o Bioquímica, 3ª ed, Mathews et al., p.1017 Figura 24.30 Figura 24.31

3 Superenrollamiento del DNA en la naturaleza

Algunas imágenes para ilustrar el superenrollamiento de las moléculas circulares de DNA:

¿Qué hace que las moléculas de DNA en las células adopten conformaciones superenrolladas, y qué trascendencia biológica tiene este fenómeno?

Algunas características adicionales de las formas superenrolladas del DNA:

Superenrollamiento negativo del DNA

Superenrollamiento positivo del DNA