Cuando las células se reproducen, los mecanismos internos que copian el ADN lo hacen bien casi siempre. Los biocientíficos de la Universidad de Rice han descubierto un pequeño detalle que nos ayuda a comprender cómo podría salir mal el proceso.
Su estudio de las enzimas reveló que la presencia de un ion metálico central crítico para la replicación del ADN también parece estar implicado en la mala incorporación, el ordenamiento defectuoso de los nucleótidos en las nuevas hebras.
La observación reportada en Comunicaciones de la naturaleza podría ayudar a encontrar tratamientos para las mutaciones genéticas y las enfermedades que causan, incluido el cáncer.
El biólogo estructural de Rice, Yang Gao, el estudiante graduado Caleb Chang y la alumna Christie Lee Luo utilizaron cristalografía de resolución temporal para analizar las enzimas flexibles llamadas polimerasa a medida que se doblan y retuercen para volver a ensamblar rápidamente hebras completas de ADN a partir de un conjunto de C, G, A y T. nucleótidos.
Todas las proteínas involucradas en la replicación del ADN dependen de iones metálicos, ya sea magnesio o manganeso, para catalizar la transferencia de nucleótidos a sus posiciones adecuadas a lo largo de la hebra, pero si hubo dos o tres iones involucrados ha sido un tema de debate durante mucho tiempo. .
El equipo de Rice parece haber resuelto eso mediante el estudio de una polimerasa conocida como eta, una enzima de síntesis de translesión que protege contra las lesiones inducidas por los rayos ultravioleta. Aquellos con mutaciones en el gen poly-eta a menudo tienen una predisposición al xeroderma pigmentoso y al cáncer de piel, según los investigadores.
Gao dijo que las polimerasas típicas se asemejan a una forma de mano derecha, y piensa en ellas en términos de una mano real: «Tienen un dominio en la palma que sostiene el sitio activo, un dominio en el dedo que se cierra para interactuar con el nuevo par de bases, y un dominio pulgar que se une al cebador/plantilla de ADN», dijo.
Pero hasta ahora, los científicos solo podían adivinar algunos detalles del mecanismo bien oculto por el cual las polimerasas hacen su trabajo y ocasionalmente fallan. El tipo de cristalografía de resolución temporal utilizada en el laboratorio de Gao permitió a los investigadores analizar proteínas cristalizadas en 34 etapas intermedias para definir las posiciones de sus átomos antes, durante y después de la síntesis de ADN.
«Esta reacción cinética es difícil de capturar porque hay muchos átomos y funcionan muy rápido», dijo Gao, profesor asistente de biociencias que se unió a Rice como becario de CPRIT en 2019. «Nunca supimos cómo se mueven los átomos juntos porque faltaba la información espacial. Congelar las proteínas y un sustrato de molécula pequeña nos permite capturar esta reacción catalítica por primera vez».
El estudio condujo a su teoría de que el primero de los tres átomos de metal en eta apoya la unión de nucleótidos, y el segundo es la clave para mantener el nucleótido y el cebador en el buen camino al estabilizar la unión de nucleótidos sueltos al cebador ubicado en la mitad existente de la nueva hebra (también conocida como el sustrato). Los cebadores son hebras cortas de ADN que marcan dónde las polimerasas comienzan a encadenar nuevos nucleótidos.
«Solo cuando los dos primeros iones metálicos están controlados, el tercero puede venir y llevar la reacción a casa», dijo Chang, sugiriendo que el proceso puede ser universal entre las polimerasas.
Los investigadores también notaron que poly-eta contiene un motivo que lo hace propenso a la desalineación de los cebadores, lo que aumenta las posibilidades de incorporación incorrecta.
«Se trata, en primer lugar, de un mecanismo básico de la vida», dijo Gao. «El ADN debe copiarse con precisión, y los errores pueden conducir a enfermedades humanas. Las personas que estudian estas enzimas saben que para la síntesis de ADN, siempre lo hacen mucho, mucho mejor de lo que deberían porque hay una cantidad muy limitada de energía disponible para elegir. el par de bases correcto».
Para Gao, lo importante es probar la capacidad de la cristalografía de resolución temporal para observar un proceso catalítico completo con detalles atómicos.
«Esto nos permite ver exactamente lo que sucede en un proceso catalítico dinámico a lo largo del tiempo», dijo.
El Instituto de Investigación y Prevención del Cáncer de Texas (RR190046), la Fundación Welch (C-2033-20200401) y una beca predoctoral del Programa de Biofísica Molecular del Área de Houston (Institutos Nacionales de Salud subvención T32 GM008280) apoyaron la investigación.
Fuente de la historia:
Materiales proporcionado por Universidad de arroz. Original escrito por Mike Williams. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
