Repetición invertida

Comenzando con esta secuencia inicial: 5'-TTACG-3'      

El complemento creado por el apareamiento de bases es: 3'-AATGC-5'      

El complemento inverso es: 5'-CGTAA-3'      

Y la secuencia de repetición invertida es: 5'---TTACGnnnnnn CGTAA---3'      

"nnnnnn" representa cualquier número de nucleótidos intermedios.

Una repetición directa ocurre cuando una secuencia se repite con el mismo patrón aguas abajo. ^{[ 1 ]} No hay inversión ni complemento inverso asociados a una repetición directa. La secuencia de nucleótidos escrita en negrita indica la secuencia repetida. Puede o no tener nucleótidos intermedios.

5´ TTACG nnnnnnTTACG 3´

3´ AATGC nnnnnnAATGC 5´

Lingüísticamente, una repetición directa típica es comparable a una rima, como en "time on ad ime ".

Una repetición directa sin nucleótidos intermedios entre la secuencia inicial y su copia posterior se denomina repetición en tándem . La secuencia de nucleótidos escrita en negrita indica la secuencia repetida.

5´ TTACG TTACG 3´

3´ AATGC AATGC 5´

Lingüísticamente, una repetición típica en tándem es comparable al tartamudeo o a palabras repetidas deliberadamente, como en "adiós".

Una secuencia repetida invertida sin nucleótidos intermedios entre la secuencia inicial y su complemento inverso aguas abajo es un palíndromo . ^{[ 1 ]} EJEMPLO: Paso 1: comenzar con una repetición invertida: 5' TTACGnnnnnnCGTAA 3' Paso 2: eliminar los nucleótidos intermedios: 5' TTACGCGTAA 3' Esta secuencia resultante es palíndroma porque es el complemento inverso de sí misma. ^{[ 1 ]}              

Secuencia de prueba 5' TTACGCGTAA 3'  (del paso 2 con los nucleótidos intermedios eliminados)

3' AATGCGCATT 5'  Complemento de la secuencia de prueba

5' TTACGCGTAA 3'  complemento inverso Esta es la misma secuencia de prueba anterior y, por lo tanto, es un palíndromo.  

Las diversas repeticiones en todo el genoma se derivan de elementos transponibles , que ahora se entiende que "salta" entre diferentes ubicaciones genómicas, sin transferir sus copias originales. ^{[ 10 ]} El transporte posterior de las mismas secuencias a lo largo de numerosas generaciones asegura su multiplicidad en todo el genoma. ^{[ 10 ]} La recombinación limitada de las secuencias entre dos elementos de secuencia distintos, conocida como recombinación conservativa específica del sitio (CSSR), da como resultado inversiones del segmento de ADN, según la disposición de las secuencias de reconocimiento de recombinación en el ADN donante y el ADN receptor. ^{[ 10 ]} Nuevamente, la orientación de dos de los sitios de recombinación dentro de la molécula de ADN donante en relación con la asimetría de las secuencias de corte de ADN intermedias, conocida como región de entrecruzamiento, es fundamental para la formación de repeticiones invertidas o repeticiones directas. ^{[ 10 ]} Por lo tanto, la recombinación que ocurre en un par de sitios invertidos invertirá la secuencia de ADN entre los dos sitios. ^{[ 10 ]} Se han observado cromosomas muy estables con un número comparativamente menor de repeticiones invertidas que de repeticiones directas, lo que sugiere una relación entre la estabilidad cromosómica y el número de repeticiones. ^{[ 11 ]}

Se han observado repeticiones invertidas terminales en el ADN de varios transposones eucariotas, aunque su origen sigue siendo desconocido. ^{[ 12 ]} Las repeticiones invertidas se encuentran principalmente en los orígenes de replicación de organismos celulares y orgánulos que abarcan desde plásmidos de fagos, mitocondrias y virus eucariotas hasta células de mamíferos. ^{[ 13 ]} Los orígenes de replicación del fago G4 y otros fagos relacionados comprenden un segmento de casi 139 bases de nucleótidos que incluye tres repeticiones invertidas esenciales para la iniciación de la replicación. ^{[ 13 ]}

En gran medida, las porciones de repeticiones de nucleótidos se observan con frecuencia como parte de combinaciones de ADN poco comunes. ^{[ 14 ]} Las tres repeticiones principales que se encuentran en gran medida en construcciones de ADN particulares incluyen las repeticiones invertidas de homopurina-homopirimidina de alta precisión, también conocidas como palíndromos H, que ocurren comúnmente en conformaciones de triple hélice H que pueden comprender las tríadas de nucleótidos TAT ​​o CGC. Las otras podrían describirse como repeticiones invertidas largas con tendencia a producir horquillas y estructuras cruciformes, y finalmente, repeticiones en tándem directas, que existen comúnmente en estructuras descritas como ADN-Z con bucles deslizados, cruciformes y levógiros. ^{[ 14 ]}

Estudios anteriores sugieren que las repeticiones son una característica común de los eucariotas, a diferencia de los procariotas y las arqueas . ^{[ 14 ]} Otros informes sugieren que, independientemente de la escasez comparativa de elementos repetitivos en los genomas procariotas, estos contienen cientos o incluso miles de repeticiones grandes. ^{[ 15 ]} Los análisis genómicos actuales parecen sugerir la existencia de un gran exceso de repeticiones invertidas perfectas en muchos genomas procariotas en comparación con los genomas eucariotas. ^{[ 16 ]}

Para la cuantificación y comparación de repeticiones invertidas entre varias especies, concretamente en arqueas, véase ^{[ 17 ].}

Los pseudonudos son motivos estructurales comunes que se encuentran en el ARN. Están formados por dos bucles-tallo anidados , de manera que el tallo de una estructura se forma a partir del bucle de la otra. Existen múltiples topologías de plegamiento entre los pseudonudos y una gran variación en la longitud de los bucles, lo que los convierte en un grupo estructuralmente diverso. ^{[ 18 ]}

Las repeticiones invertidas son un componente clave de los pseudonudos, como se puede observar en la ilustración de un pseudonudo natural presente en el ARN de la telomerasa humana . ^{[ 19 ]} Cuatro conjuntos diferentes de repeticiones invertidas participan en esta estructura. Los conjuntos 1 y 2 son el tallo del bucle-tallo A y forman parte del bucle del bucle-tallo B. De manera similar, los conjuntos 3 y 4 son el tallo del bucle-tallo B y forman parte del bucle del bucle-tallo A.

Los pseudonudos desempeñan diversas funciones en biología. El pseudonudo de la telomerasa que se muestra en la ilustración es fundamental para la actividad de esta enzima. ^{[ 19 ]} La ribozima del virus de la hepatitis delta (VHD) se pliega en una estructura de doble pseudonudo y se autocorta su genoma circular para producir un ARN de una sola longitud genómica. Los pseudonudos también participan en el cambio de marco de lectura ribosómico programado que se encuentra en algunos virus y que es necesario para la replicación de los retrovirus . ^{[ 18 ]}

Las repeticiones invertidas desempeñan un papel importante en los ribointerruptores , que son elementos reguladores de ARN que controlan la expresión de los genes que producen el ARNm, del cual forman parte. ^{[ 10 ]} En la ilustración se muestra un ejemplo simplificado del ribointerruptor de flavina mononucleótido (FMN). Este ribointerruptor se encuentra en el transcrito de ARNm y tiene varias estructuras de tallo-bucle aguas arriba de la región codificante . Sin embargo, en la ilustración solo se muestran los tallo-bucles clave, que se ha simplificado considerablemente para ayudar a mostrar el papel de las repeticiones invertidas. Hay múltiples repeticiones invertidas en este ribointerruptor, como se indica en verde (fondo amarillo) y azul (fondo naranja).

En ausencia de FMN, la estructura de antiterminación es la conformación preferida para el transcrito de ARNm. Se crea mediante el apareamiento de bases de la región de repetición invertida marcada en rojo. Cuando FMN está presente, puede unirse al bucle e impedir la formación de la estructura de antiterminación. Esto permite que dos conjuntos diferentes de repeticiones invertidas se apareen y formen la estructura de terminación. ^{[ 20 ]} El bucle en tallo en el extremo 3' es un terminador transcripcional porque la secuencia inmediatamente posterior es una cadena de uracilos (U). Si este bucle en tallo se forma (debido a la presencia de FMN) a medida que la cadena de ARN en crecimiento emerge del complejo de la ARN polimerasa , creará suficiente tensión estructural para causar la disociación de la cadena de ARN y, por lo tanto, la terminación de la transcripción. La disociación ocurre fácilmente porque el apareamiento de bases entre los U del ARN y las A de la cadena molde es el más débil de todos los apareamientos de bases. ^{[ 10 ]} Por lo tanto, a niveles de concentración más altos, el FMN regula negativamente su propia transcripción al aumentar la formación de la estructura de terminación.

Las repeticiones invertidas imperfectas pueden provocar mutaciones mediante el cambio de cadena dentro y entre cadenas. ^{[ 9 ]} La región codificante del gen de la antitrombina III es un ejemplo de repetición invertida imperfecta, como se muestra en la figura de la derecha. La estructura de tallo-bucle se forma con una protuberancia en la parte inferior debido a que la G y la T no se emparejan. Un cambio de cadena podría resultar en la sustitución de la G (en la protuberancia) por una A, lo que elimina la "imperfección" en la repetición invertida y proporciona una estructura de tallo-bucle más fuerte. Sin embargo, esta sustitución también crea una mutación puntual que convierte el codón GCA en ACA. Si al cambio de cadena le sigue una segunda ronda de replicación del ADN , la mutación puede fijarse en el genoma y provocar una enfermedad. En concreto, la mutación de sentido erróneo daría lugar a un gen defectuoso y a una deficiencia de antitrombina, lo que podría provocar tromboembolia venosa (coágulos de sangre dentro de una vena). ^{[ 9 ]}

Las mutaciones en el gen del colágeno pueden provocar la osteogénesis imperfecta , una enfermedad caracterizada por huesos frágiles. ^{[ 9 ]} En la ilustración, un bucle en tallo formado por una repetición invertida imperfecta se muta con la inserción de un nucleótido de timina (T) como resultado de un cambio inter o intracadena. La adición de la T crea un apareamiento de bases con la adenina (A), que anteriormente era una protuberancia en el lado izquierdo del tallo. Si bien esta adición fortalece el tallo y perfecciona la repetición invertida, también crea una mutación de cambio de marco de lectura en la secuencia de nucleótidos, lo que altera el marco de lectura y da como resultado una expresión incorrecta del gen. ^{[ 9 ]}