Origen de la replicación

El origen de replicación (también llamado origen de replicación ) es una secuencia particular en un genoma donde se inicia la replicación. ^{[ 1 ]} La propagación del material genético entre generaciones requiere una duplicación oportuna y precisa del ADN mediante replicación semiconservativa antes de la división celular para asegurar que cada célula hija reciba el complemento completo de cromosomas . ^{[ 2 ]} Esto puede implicar la replicación del ADN en organismos vivos como procariotas y eucariotas, o la del ADN o ARN en virus, como los virus de ARN de doble cadena . ^{[ 3 ]} La síntesis de las cadenas hijas comienza en sitios discretos, denominados orígenes de replicación, y procede de manera bidireccional hasta que se replica todo el ADN genómico. A pesar de la naturaleza fundamental de estos eventos, los organismos han desarrollado estrategias sorprendentemente divergentes que controlan el inicio de la replicación. ^{[ 2 ]} Aunque la estructura de organización y el reconocimiento específicos del origen de replicación varían de una especie a otra, comparten algunas características comunes.

Un requisito previo clave para la replicación del ADN es que debe ocurrir con una fidelidad y eficiencia extremadamente altas exactamente una vez por ciclo celular para evitar la acumulación de alteraciones genéticas con consecuencias potencialmente deletéreas para la supervivencia celular y la viabilidad del organismo. ^{[ 4 ]} Los eventos de replicación del ADN incompletos, erróneos o inoportunos pueden dar lugar a mutaciones, poliploidía o aneuploidía cromosómica y variaciones en el número de copias de genes, cada una de las cuales a su vez puede conducir a enfermedades, incluido el cáncer. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Para asegurar la duplicación completa y precisa de todo el genoma y el flujo correcto de información genética a las células hijas, todos los eventos de replicación del ADN no solo están estrictamente regulados con señales del ciclo celular sino que también están coordinados con otros eventos celulares como la transcripción y la reparación del ADN . ^{[ 2 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} Además, las secuencias de origen suelen tener un alto contenido de AT en todos los reinos, ya que las repeticiones de adenina y timina son más fáciles de separar porque sus interacciones de apilamiento de bases no son tan fuertes como las de guanina y citosina . ^{[ 10 ]}

La replicación del ADN se divide en diferentes etapas. Durante la iniciación, la maquinaria de replicación —denominada replisoma— se ensambla en el ADN de forma bidireccional. Estos sitios de ensamblaje constituyen los sitios de inicio de la replicación del ADN u orígenes de replicación. En la fase de elongación, los replisomas se desplazan en direcciones opuestas con las horquillas de replicación, desenrollando la hélice del ADN y sintetizando hebras hijas complementarias utilizando ambas hebras parentales como moldes. Una vez completada la replicación, eventos de terminación específicos conducen al desensamblaje de los replisomas. Mientras el genoma completo se duplique antes de la división celular, se podría suponer que la ubicación de los sitios de inicio de la replicación no importa; sin embargo, se ha demostrado que muchos organismos utilizan regiones genómicas preferidas como orígenes. ^{[ 11 ] [ 12 ]} La necesidad de regular la ubicación del origen probablemente surge de la necesidad de coordinar la replicación del ADN con otros procesos que actúan sobre el molde de cromatina compartido para evitar roturas de la hebra de ADN y daños en el ADN. ^{[ 2 ] [ 6 ] [ 9 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

En enero de 1963, Jacob , Brenner y Cuzin propusieron la hipótesis del replicón para explicar la regulación de la síntesis de ADN cromosómico en E. coli . ^{[ 18 ]} El modelo postula que un factor trans -activo difusible, denominado iniciador, interactúa con un elemento de ADN cis -activo, el replicador, para promover el inicio de la replicación en un origen cercano. Una vez unidos a los replicadores, los iniciadores (a menudo con la ayuda de proteínas co-cargadoras) depositan helicasas replicativas sobre el ADN, las cuales posteriormente impulsan el reclutamiento de componentes adicionales del replisoma y el ensamblaje de toda la maquinaria de replicación. De este modo, el replicador especifica la ubicación de los eventos de iniciación de la replicación, y la región cromosómica que se replica a partir de un único origen o evento de iniciación se define como el replicón. ^{[ 2 ]}

Una característica fundamental de la hipótesis del replicón es que se basa en la regulación positiva para controlar el inicio de la replicación del ADN, lo que puede explicar muchas observaciones experimentales en sistemas bacterianos y de fagos. ^{[ 18 ]} Por ejemplo, explica el fracaso de los ADN extracromosómicos sin orígenes para replicarse cuando se introducen en células huésped. Además, racionaliza las incompatibilidades de plásmidos en E. coli, donde ciertos plásmidos desestabilizan la herencia de otros debido a la competencia por la misma maquinaria de iniciación molecular. ^{[ 19 ]} Por el contrario, un modelo de regulación negativa (análogo al modelo replicón-operador para la transcripción) no logra explicar los hallazgos anteriores. ^{[ 18 ]} No obstante, la investigación posterior a la propuesta del modelo del replicón de Jacob, Brenner y Cuzin ha descubierto muchas capas adicionales de control de la replicación en bacterias y eucariotas que comprenden elementos reguladores tanto positivos como negativos, lo que resalta tanto la complejidad como la importancia de restringir la replicación del ADN temporal y espacialmente. ^{[ 2 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}

El concepto del replicador como entidad genética ha demostrado ser muy útil en la búsqueda de identificar secuencias de ADN replicador y proteínas iniciadoras en procariotas , y hasta cierto punto también en eucariotas , aunque la organización y complejidad de los replicadores difieren considerablemente entre los dominios de la vida. ^{[ 23 ] [ 24 ]} Mientras que los genomas bacterianos suelen contener un único replicador que está especificado por elementos de secuencia de ADN consenso y que controla la replicación de todo el cromosoma, la mayoría de los replicadores eucariotas, con la excepción de la levadura de gemación, no están definidos a nivel de secuencia de ADN; en cambio, parecen estar especificados combinatoriamente por señales estructurales de ADN y cromatina locales . ^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]} Los cromosomas eucariotas también son mucho más grandes que sus homólogos bacterianos, lo que aumenta la necesidad de iniciar la síntesis de ADN desde muchos orígenes simultáneamente para asegurar la replicación oportuna de todo el genoma. Además, se cargan muchas más helicasas replicativas que activadas para iniciar la replicación en un ciclo celular dado. La definición de replicadores y la selección de orígenes impulsada por el contexto sugieren un modelo de replicón relajado en los sistemas eucariotas que permite flexibilidad en el programa de replicación del ADN. ^{[ 23 ]} Aunque los replicadores y los orígenes pueden estar físicamente separados en los cromosomas, a menudo se colocalizan o se encuentran muy cerca; por lo tanto, para simplificar, nos referiremos a ambos elementos como "orígenes" a lo largo de esta revisión. En conjunto, el descubrimiento y aislamiento de secuencias de origen en diversos organismos representa un hito significativo para comprender los mecanismos de iniciación de la replicación. Además, estos logros tuvieron profundas implicaciones biotecnológicas para el desarrollo de vectores lanzadera que pueden propagarse en células bacterianas, de levadura y de mamíferos. ^{[ 2 ] [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]}

La mayoría de los cromosomas bacterianos son circulares y contienen un único origen de replicación cromosómica ( oriC ). Las regiones oriC bacterianas son sorprendentemente diversas en tamaño (que va desde 250 pb hasta 2 kpb), secuencia y organización; ^{[ 39 ] [ 40 ]} no obstante, su capacidad para impulsar el inicio de la replicación depende típicamente de la lectura específica de secuencia de elementos de ADN consenso por parte del iniciador bacteriano, una proteína llamada DnaA. ^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]} Los orígenes en bacterias son continuos o bipartitos y contienen tres elementos funcionales que controlan la actividad del origen: repeticiones de ADN conservadas que son reconocidas específicamente por DnaA (llamadas cajas DnaA), un elemento de desenrollamiento de ADN rico en AT (DUE) y sitios de unión para proteínas que ayudan a regular el inicio de la replicación. ^{[ 11 ] [ 45 ] [ 46 ]} Las interacciones de DnaA tanto con las regiones de caja DnaA de doble cadena (ds) como con el ADN de cadena simple (ss) en el DUE son importantes para la activación del origen y están mediadas por diferentes dominios en la proteína iniciadora: un elemento de unión al ADN hélice-giro-hélice (HTH) y un dominio ATPasa asociado con diversas actividades celulares ( AAA+ ), respectivamente. ^{[ 47 ] [ 48 ] [ 49 ] [ 50 ] [ 51 ] [ 52 ] [ 53 ] Si bien la secuencia, el número y la} disposición de las cajas DnaA asociadas al origen varían en todo el reino bacteriano, su posicionamiento y espaciamiento específicos en una especie dada son críticos para la función de oriC y para la formación productiva del complejo de iniciación. ^{[ 2 ] [ 39 ] [ 40 ] [ 54 ] [ 55 ] [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]}

Entre las bacterias, E. coli es un sistema modelo particularmente poderoso para estudiar la organización, el reconocimiento y el mecanismo de activación de los orígenes de replicación. El oriC de E. coli comprende una región de aproximadamente ~260 pb que contiene cuatro tipos de elementos de unión del iniciador que difieren en sus afinidades por DnaA y sus dependencias del cofactor ATP . Las cajas DnaA R1, R2 y R4 constituyen sitios de alta afinidad que son unidos por el dominio HTH de DnaA independientemente del estado de unión de nucleótidos del iniciador. ^{[ 41 ] [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] [ 62 ] [ 63 ]} Por el contrario, los sitios I, τ y C, que están intercalados entre los sitios R, son cajas DnaA de baja afinidad y se asocian preferentemente con DnaA unido a ATP, aunque ADP-DnaA puede sustituir a ATP-DnaA bajo ciertas condiciones. ^{[ 64 ] [ 65 ] [ 66 ] [ 57 ]} La unión de los dominios HTH a los elementos de reconocimiento de DnaA de alta y baja afinidad promueve la oligomerización de orden superior dependiente de ATP de los módulos AAA+ de DnaA en un filamento dextrógiro que envuelve el ADN bicatenario alrededor de su superficie externa, generando así una torsión superhelicoidal que facilita la fusión del DUE adyacente rico en AT. ^{[ 47 ] [ 67 ] [ 68 ] [ 69 ]} La separación de la hebra de ADN se ve además facilitada por interacciones directas del dominio ATPasa AAA+ de DnaA con repeticiones de tripletes, denominadas DnaA-trios, en la región DUE proximal. ^{[ 70 ]} El acoplamiento de segmentos de trinucleótidos monocatenarios por el filamento iniciador estira el ADN y estabiliza la burbuja de iniciación al impedir la reasociación. ^{[ 51 ]} El elemento de origen DnaA-trio se conserva en muchas especies bacterianas, lo que indica que es un elemento clave para la función del origen. ^{[ 70 ]} Después de la fusión, el DUE proporciona un sitio de entrada para la helicasa replicativa DnaB de E. coli , que es depositada en cada una de las hebras de ADN individuales por su proteína cargadora DnaC. ^{[ 2 ]}

Aunque las diferentes actividades de unión al ADN de DnaA se han estudiado ampliamente bioquímicamente y se han determinado varias estructuras unidas a apo , ssDNA o dsDNA, ^{[ 50 ] [ 51 ] [ 52 ] [ 68 ]} la arquitectura exacta del ensamblaje de iniciación de orden superior DnaA- oriC sigue sin estar clara. Se han propuesto dos modelos para explicar la organización de los elementos esenciales del origen y la fusión de oriC mediada por DnaA . El modelo de dos estados asume un filamento continuo de DnaA que cambia de un modo de unión a dsDNA (el complejo organizador) a un modo de unión a ssDNA en el DUE (el complejo de fusión). ^{[ 68 ] [ 71 ]} Por el contrario, en el modelo de bucle hacia atrás, el ADN se dobla bruscamente en oriC y se pliega sobre el filamento iniciador de modo que los protómeros de DnaA involucran simultáneamente regiones de ADN de doble y simple cadena. ^{[ 72 ]} Por lo tanto , dilucidar cómo se organiza exactamente el ADN oriC por DnaA sigue siendo una tarea importante para futuros estudios. Los conocimientos sobre la arquitectura del complejo de iniciación ayudarán a explicar no solo cómo se desenrolla el ADN del origen, sino también cómo se carga direccionalmente una helicasa replicativa en cada una de las hebras de ADN individuales expuestas en el DUE desenrollado, y cómo estos eventos son facilitados por las interacciones de la helicasa con el iniciador y las proteínas de carga específicas. ^{[ 2 ]}

Los orígenes de replicación de las arqueas comparten algunas, pero no todas, las características organizativas del oriC bacteriano . A diferencia de las bacterias, las arqueas a menudo inician la replicación desde múltiples orígenes por cromosoma (se han reportado de uno a cuatro); ^{[ 73 ] [ 74 ] [ 75 ] [ 76 ] [ 77 ] [ 78 ] [ 79 ] [ 80 ] [ 40 ]} sin embargo, los orígenes de las arqueas también poseen regiones de secuencia especializadas que controlan la función del origen. ^{[ 81 ] [ 82 ] [ 83 ]} Estos elementos incluyen tanto cajas de reconocimiento de origen específicas de secuencia de ADN (ORB o miniORB) como un DUE rico en AT que está flanqueado por una o varias regiones ORB. ^{[ 79 ] [ 84 ]} Los elementos ORB muestran un grado considerable de diversidad en términos de su número, disposición y secuencia, tanto entre diferentes especies de arqueas como entre diferentes orígenes en una sola especie. ^{[ 74 ] [ 79 ] [ 85 ]} Un grado adicional de complejidad lo introduce el iniciador, Orc1/Cdc6 en arqueas, que se une a regiones ORB. Los genomas de arqueas suelen codificar múltiples parálogos de Orc1/Cdc6 que varían sustancialmente en sus afinidades por distintos elementos ORB y que contribuyen diferencialmente a las actividades de origen. ^{[ 79 ] [ 86 ] [ 87 ] [ 88 ]} En Sulfolobus solfataricus , por ejemplo, se han mapeado tres orígenes cromosómicos (oriC1, oriC2 y oriC3), y los estudios bioquímicos han revelado patrones de unión complejos de los iniciadores en estos sitios. ^{[ 79 ] [ 80 ] [ 89 ] [ 90 ]} El iniciador cognado para oriC1 es Orc1-1, que se asocia con varios ORB en este origen. ^{[ 79 ] [ 87 ]} OriC2 y oriC3 están unidos tanto a Orc1-1 como a Orc1-3. ^{[ 79 ] [ 87 ] [ 90 ]} Por el contrario, un tercer parálogo, Orc1-2, deja huellas en los tres orígenes, pero se ha postulado que regula negativamente el inicio de la replicación. ^{[ 79 ][ 90 ]} Además, se ha demostrado que la proteína WhiP, un iniciador no relacionado con Orc1/Cdc6, también se une a todos los orígenes y dirige la actividad del origen oriC3 en el estrechamente relacionadoSulfolobus islandicus. ^{[ 87 ] [ 89 ]} Debido a que los orígenes de las arqueas a menudo contienen varios elementos ORB adyacentes, múltiples parálogos de Orc1/Cdc6 pueden ser reclutados simultáneamente a un origen y oligomerizarse en algunos casos; ^{[ 88 ] [ 91 ]} sin embargo, a diferencia de la DnaA bacteriana, la formación de un ensamblaje iniciador de orden superior no parece ser un requisito previo general para la función del origen en el dominio de las arqueas. ^{[ 2 ]}

Los estudios estructurales han proporcionado información sobre cómo Orc1/Cdc6 de las arqueas reconoce los elementos ORB y remodela el ADN de origen. ^{[ 91 ] [ 92 ]} Los parálogos de Orc1/Cdc6 son proteínas de dos dominios y están compuestos por un módulo ATPasa AAA+ fusionado a un pliegue de hélice alada C-terminal. ^{[ 93 ] [ 94 ] [ 95 ]} Las estructuras de Orc1/Cdc6 complejadas con ADN revelaron que los ORB se unen a un monómero de Orc1/Cdc6 a pesar de la presencia de secuencias repetidas invertidas dentro de los elementos ORB. ^{[ 91 ] [ 92 ]} Tanto las regiones ATPasa como de hélice alada interactúan con el dúplex de ADN pero contactan con la secuencia repetida palindrómica ORB de forma asimétrica, lo que orienta a Orc1/Cdc6 en una dirección específica en la repetición. ^{[ 91 ] [ 92 ]} Curiosamente, los elementos ORB o miniORB que flanquean el DUE a menudo tienen polaridades opuestas, ^{[ 74 ] [ 79 ] [ 88 ] [ 96 ] [ 97 ]} lo que predice que los subdominios de tapa AAA+ y los dominios de hélice alada de Orc1/Cdc6 se posicionan a ambos lados del DUE de manera que se enfrentan entre sí. ^{[ 91 ] [ 92 ]} Dado que ambas regiones de Orc1/Cdc6 se asocian con una helicasa replicativa de mantenimiento de minicromosomas (MCM), ^{[ 98 ] [ 99 ]} es probable que esta disposición específica de los elementos ORB y Orc1/Cdc6 sea importante para cargar dos complejos MCM simétricamente en el DUE. ^{[ 79 ]} Sorprendentemente, mientras que la secuencia de ADN ORB determina la direccionalidad de la unión de Orc1/Cdc6, el iniciador hace relativamente pocos contactos específicos de secuencia con el ADN. ^{[ 91 ] [ 92 ]} Sin embargo, Orc1/Cdc6 subenrolla y dobla severamente el ADN, lo que sugiere que depende de una mezcla de secuencia de ADN y características estructurales del ADN dependientes del contexto para reconocer los orígenes. ^{[ 91 ] [ 92 ] [ 100 ]} Cabe destacar que el apareamiento de bases se mantiene en el dúplex de ADN distorsionado tras la unión de Orc1/Cdc6 en las estructuras cristalinas, ^{[ 91 ] [ 92 ]} mientras que los estudios bioquímicos han arrojado resultados contradictorios sobre si los iniciadores arqueales pueden fundir el ADN de manera similar a la DnaA bacteriana. ^{[ 87] [ 88 ] [ 101 ]} Aunque el parentesco evolutivo de los iniciadores y helicasas replicativas de arqueas y eucariotas indica que la MCM de arqueas probablemente se carga en el ADN bicatenario (véase la siguiente sección), el orden temporal de la fusión del origen y la carga de la helicasa, así como el mecanismo de fusión del ADN del origen, en los sistemas de arqueas aún no se han establecido claramente. Asimismo, es necesario abordar en futuros estudios cómo se carga exactamente la helicasa MCM en el ADN. ^{[ 2 ]}

La organización, especificación y activación de los orígenes en eucariotas son más complejas que en los dominios bacterianos o arqueales y se desvían significativamente del paradigma establecido para la iniciación de la replicación procariota. El gran tamaño del genoma de las células eucariotas, que varía desde 12 Mbp en S. cerevisiae hasta más de 100 Gbp en algunas plantas, requiere que la replicación del ADN comience en varios cientos (en la levadura de gemación) a decenas de miles (en humanos) de orígenes para completar la replicación del ADN de todos los cromosomas durante cada ciclo celular. ^{[ 21 ] [ 30 ]} Con la excepción de S. cerevisiae y especies relacionadas de Saccharomycotina , los orígenes eucariotas no contienen elementos de secuencia de ADN consenso, pero su ubicación está influenciada por señales contextuales como la topología local del ADN, las características estructurales del ADN y el entorno de la cromatina. ^{[ 23 ] [ 29 ] [ 31 ]}

La función del origen eucariota depende de un complejo proteico iniciador conservado para cargar helicasas replicativas en el ADN durante las fases M tardía y G1 del ciclo celular, un paso conocido como licenciamiento del origen . ^{[ 104 ]} A diferencia de sus homólogos bacterianos, las helicasas replicativas en eucariotas se cargan en el ADN dúplex del origen en una forma doble hexamérica inactiva y solo un subconjunto de ellas (10-20% en células de mamíferos) se activa durante cualquier fase S dada , eventos que se denominan disparo del origen . ^{[ 105 ] [ 106 ] [ 107 ]}

La ubicación de los orígenes eucariotas activos se determina, por lo tanto, en al menos dos niveles diferentes: la activación de orígenes para marcar todos los orígenes potenciales y la activación de orígenes para seleccionar un subconjunto que permita el ensamblaje de la maquinaria de replicación y el inicio de la síntesis de ADN. Los orígenes adicionales activados sirven como respaldo y se activan solo cuando las horquillas de replicación cercanas se ralentizan o se detienen, lo que garantiza que la replicación del ADN pueda completarse cuando las células se enfrentan al estrés replicativo. ^{[ 108 ] [ 109 ]} En ausencia de estrés, la activación de orígenes adicionales se suprime mediante un mecanismo de señalización asociado a la replicación. ^{[ 110 ] [ 111 ]} En conjunto, el exceso de orígenes activados y el estricto control del ciclo celular de la activación de orígenes representan dos estrategias importantes para prevenir la subreplicación y la sobrereplicación, y para mantener la integridad de los genomas eucariotas. ^{[ 2 ]}

Estudios iniciales en S. cerevisiae indicaron que los orígenes de replicación en eucariotas podrían ser reconocidos de manera análoga a los de procariotas, de forma específica para la secuencia de ADN. En la levadura de gemación, la búsqueda de replicadores genéticos condujo a la identificación de secuencias de replicación autónoma (ARS) que apoyan la iniciación eficiente de la replicación del ADN extracromosómico. ^{[ 112 ] [ 113 ] [ 114 ]} Estas regiones ARS tienen aproximadamente 100-200 pb de longitud y exhiben una organización multipartita, que contiene elementos A, B1, B2 y, a veces, B3 que juntos son esenciales para la función del origen. ^{[ 115 ] [ 116 ]} El elemento A abarca la secuencia consenso ARS conservada de 11 pb (ACS), ^{[ 117 ] [ 118 ]} que, junto con el elemento B1, constituye el sitio de unión primario para el complejo de reconocimiento del origen heterohexamérico (ORC), el iniciador de la replicación eucariota. ^{[ 119 ] [ 120 ] [ 121 ] [ 122 ]} Dentro de ORC, cinco subunidades se basan en pliegues conservados de ATPasa AAA+ y hélice alada y se coensamblan en un anillo pentamérico que rodea el ADN. ^{[ 122 ] [ 123 ] [ 124 ]} En ORC de levadura en gemación, los elementos de unión al ADN en los dominios de ATPasa y hélice alada, así como las regiones de parche básico adyacentes en algunas de las subunidades de ORC, se posicionan en el poro central del anillo de ORC de manera que ayudan al reconocimiento específico de la secuencia de ADN del ACS de manera dependiente de ATP. ^{[ 122 ] [ 125 ]} Por el contrario, las funciones de los elementos B2 y B3 son menos claras. La región B2 es similar a la ACS en secuencia y se ha sugerido que funciona como un segundo sitio de unión de ORC bajo ciertas condiciones, o como un sitio de unión para el núcleo de la helicasa replicativa. ^{[ 126 ] [ 127 ] [ 128 ] [ 129 ] [ 130 ]} Por el contrario, el elemento B3 recluta al factor de transcripción Abf1, aunque B3 no se encuentra en todos los orígenes de la levadura de gemación y la unión de Abf1 no parece ser estrictamente esencial para la función del origen. ^{[ 2 ] [ 115 ] [ 131 ] [ 132 ]}

El reconocimiento del origen en eucariotas distintos de S. cerevisiae o sus parientes cercanos no se ajusta a la lectura específica de secuencia de elementos de ADN de origen conservados. Los esfuerzos por aislar secuencias replicadoras cromosómicas específicas de manera más general en especies eucariotas, ya sea genéticamente o mediante el mapeo de todo el genoma de sitios de unión del iniciador o de inicio de la replicación, no han logrado identificar secuencias de consenso claras en los orígenes. ^{[ 133 ] [ 134 ] [ 135 ] [ 136 ] [ 137 ] [ 138 ] [ 139 ] [ 140 ] [ 141 ] [ 142 ] [ 143 ] [ 144 ]} Por lo tanto, las interacciones ADN-iniciador específicas de secuencia en la levadura de gemación significan un modo especializado para el reconocimiento del origen en este sistema en lugar de un modo arquetípico para la especificación del origen en todo el dominio eucariota. No obstante, la replicación del ADN se inicia en sitios discretos que no están distribuidos aleatoriamente en los genomas eucariotas, lo que sugiere que medios alternativos determinan la ubicación cromosómica de los orígenes en estos sistemas. Estos mecanismos implican una interacción compleja entre la accesibilidad del ADN, el sesgo de la secuencia de nucleótidos (tanto la riqueza en AT como las islas CpG se han relacionado con los orígenes), el posicionamiento de los nucleosomas , las características epigenéticas , la topología del ADN y ciertas características estructurales del ADN (por ejemplo, motivos G4), así como proteínas reguladoras e interferencia transcripcional. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 31 ] [ 145 ] [ 146 ] [ 138 ] [ 147 ] Es importante destacar} que las propiedades de los orígenes varían no solo entre diferentes orígenes en un organismo y entre especies, sino que algunas también pueden cambiar durante el desarrollo y la diferenciación celular. El locus del corion en las células foliculares de Drosophila constituye un ejemplo bien establecido de control espacial y del desarrollo de los eventos de iniciación. Esta región experimenta una amplificación génica dependiente de la replicación del ADN en una etapa definida durante la ovogénesis y depende de la activación oportuna y específica de los orígenes del corion, que a su vez está regulada por elementos cis específicos del origen y varios factores proteicos, incluidos el complejo Myb, E2F1 y E2F2. ^{[ 148 ] [ 149 ] [ 150] [ 151 ] [ 152 ]} Esta especificación combinatoria y regulación multifactorial de los orígenes de los metazoos ha complicado la identificación de características unificadoras que determinan la ubicación de los sitios de inicio de replicación en los eucariotas en general. ^{[ 2 ]}

Para facilitar la iniciación de la replicación y el reconocimiento del origen, los ensamblajes ORC de varias especies han desarrollado dominios auxiliares especializados que se cree que ayudan a dirigir el iniciador a los orígenes cromosómicos o a los cromosomas en general. Por ejemplo, la subunidad Orc4 en el ORC de S. pombe contiene varios AT-hooks que se unen preferentemente al ADN rico en AT, ^{[ 153 ]} mientras que en el ORC de metazoos (animales) se cree que el dominio tipo TFIIB de Orc6 realiza una función similar. ^{[ 154 ]} Las proteínas Orc1 de metazoos también albergan un dominio de homología adyacente a bromo (BAH) que interactúa con los nucleosomas H4K20me2. ^{[ 103 ]} Particularmente en células de mamíferos, se ha informado que la metilación de H4K20 es necesaria para una iniciación de replicación eficiente, y el dominio BAH de Orc1 facilita la asociación del ORC con los cromosomas y la replicación dependiente del origen del virus de Epstein-Barr. ^{[ 155 ] [ 156 ] [ 157 ] [ 158 ] [ 159 ]} Por lo tanto, es intrigante especular que ambas observaciones están vinculadas mecánicamente al menos en un subconjunto de metazoos, pero esta posibilidad necesita ser explorada más a fondo en estudios futuros. Además del reconocimiento de ciertas características de ADN o epigenéticas, ORC también se asocia directa o indirectamente con varias proteínas asociadas que podrían ayudar al reclutamiento del iniciador, incluyendo LRWD1, PHIP (o DCAF14), HMGA1a, entre otras. ^{[ 27 ] [ 160 ] [ 161 ] [ 162 ] [ 163 ] [ 164 ] [ 165 ] [ 166 ]} Curiosamente, el ORC de Drosophila , al igual que su homólogo en la levadura en ciernes, dobla el ADN y se ha informado que el superenrollamiento negativo mejora la unión de este complejo al ADN, lo que sugiere que la forma y la maleabilidad del ADN podrían influir en la ubicación de los sitios de unión del ORC en los genomas de los metazoos. ^{[ 25 ] [ 122 ] [ 167 ] [ 168 ] [ 169 ]} Una comprensión molecular de cómo las regiones de unión al ADN del ORC podrían respaldar la lectura de las propiedades estructurales del dúplex de ADN en los metazoos en lugar de secuencias de ADN específicas como en S. cerevisiaeSe espera obtener información estructural de alta resolución de los ensamblajes iniciadores de metazoos unidos al ADN. Asimismo, no está bien definido si los diferentes factores epigenéticos contribuyen al reclutamiento de iniciadores en los sistemas de metazoos, ni cómo lo hacen, y esta es una cuestión importante que debe abordarse con mayor detalle. ^{[ 2 ]}

Una vez reclutados a los orígenes, ORC y sus cofactores Cdc6 y Cdt1 impulsan la deposición del complejo de mantenimiento de minicromosomas 2-7 (Mcm2-7) sobre el ADN. ^{[ 104 ] [ 170 ]} Al igual que el núcleo de la helicasa replicativa arqueal, Mcm2-7 se carga como un doble hexámero cabeza con cabeza sobre el ADN para autorizar los orígenes. ^{[ 105 ] [ 106 ] [ 107 ]} En la fase S, la quinasa dependiente de Dbf4 (DDK) y la quinasa dependiente de ciclina (CDK) fosforilan varias subunidades de Mcm2-7 y factores de iniciación adicionales para promover el reclutamiento de los coactivadores de la helicasa Cdc45 y GINS, la fusión del ADN y, en última instancia, el ensamblaje bidireccional del replisoma en un subconjunto de los orígenes autorizados. ^{[ 22 ] [ 171 ]} Tanto en levaduras como en metazoos, los orígenes están libres o desprovistos de nucleosomas, una propiedad que es crucial para la carga de Mcm2-7, lo que indica que el estado de la cromatina en los orígenes regula no solo el reclutamiento del iniciador sino también la carga de la helicasa. ^{[ 139 ] [ 172 ] [ 173 ] [ 174 ] [ 175 ] [ 176 ]} Un entorno de cromatina permisivo es además importante para la activación del origen y se ha implicado en la regulación tanto de la eficiencia del origen como del momento del disparo del origen. Los orígenes eucromáticos típicamente contienen marcas de cromatina activa, se replican temprano y son más eficientes que los orígenes heterocromáticos de replicación tardía , que por el contrario se caracterizan por marcas represivas. ^{[ 21 ] [ 174 ] [ 177 ]} No es sorprendente que se haya encontrado que varios remodeladores de cromatina y enzimas modificadoras de cromatina se asocian con orígenes y ciertos factores de iniciación, ^{[ 178 ] [ 179 ]} pero cómo sus actividades impactan los diferentes eventos de iniciación de la replicación sigue siendo en gran medida desconocido. Cabe destacar que recientemente también se han identificado "elementos de control de replicación temprana" (ECRE) de acción cis que ayudan a regular el momento de la replicación e influyen en la arquitectura del genoma 3D en células de mamíferos. ^{[ 180 ]}Comprender los mecanismos moleculares y bioquímicos que orquestan esta compleja interacción entre la organización del genoma 3D, la estructura de la cromatina local y de orden superior, y el inicio de la replicación es un tema apasionante para futuros estudios. ^{[ 2 ]}

¿Por qué los orígenes de replicación de los metazoos han divergido del paradigma de reconocimiento específico de secuencias de ADN que determina los sitios de inicio de replicación en procariotas y levaduras en gemación? Las observaciones de que los orígenes de los metazoos a menudo se colocalizan con regiones promotoras en Drosophila y células de mamíferos y que los conflictos de replicación-transcripción debido a colisiones de las maquinarias moleculares subyacentes pueden conducir a daño en el ADN sugieren que la coordinación adecuada de la transcripción y la replicación es importante para mantener la estabilidad del genoma. ^{[ 134 ] [ 136 ] [ 138 ] [ 141 ] [ 181 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 182 ]} Hallazgos recientes también apuntan a un papel más directo de la transcripción en la influencia de la ubicación de los orígenes, ya sea inhibiendo la carga de Mcm2-7 o reposicionando el Mcm2-7 cargado en los cromosomas. ^{[ 183 ] [ 147 ]} La unión del iniciador al ADN independiente de la secuencia (pero no necesariamente aleatoria) permite además flexibilidad en la especificación de los sitios de carga de la helicasa y, junto con la interferencia transcripcional y la variabilidad en las eficiencias de activación de los orígenes autorizados, probablemente determina la ubicación del origen y contribuye a la corregulación de la replicación del ADN y los programas transcripcionales durante el desarrollo y las transiciones del destino celular. El modelado computacional de los eventos de iniciación en S. pombe , así como la identificación de orígenes específicos del tipo celular y regulados por el desarrollo en metazoos, están de acuerdo con esta noción. ^{[ 135 ] [ 143 ] [ 184 ] [ 185 ] [ 186 ] [ 187 ] [ 188 ] [ 147 ]} Sin embargo, también existe un alto grado de flexibilidad en la elección del origen entre diferentes células dentro de una misma población, ^{[ 138 ] [ 144 ] [ 185 ]} aunque los mecanismos moleculares que conducen a la heterogeneidad en el uso del origen siguen sin estar bien definidos. Mapear los orígenes en células individuales en sistemas metazoarios y correlacionar estos eventos de iniciación con la expresión génica y el estado de la cromatina de células individuales será importante para dilucidar si la elección del origen es puramente estocástica o está controlada de manera definida. ^{[ 2 ]}

Los virus suelen tener un único origen de replicación.

Se han descrito diversas proteínas implicadas en la replicación viral. Por ejemplo, los virus del polioma utilizan las ADN polimerasas de la célula huésped , que se unen a un origen de replicación viral si el antígeno T está presente.

Aunque la replicación del ADN es esencial para la herencia genética, los orígenes de replicación definidos y específicos del sitio no son técnicamente un requisito para la duplicación del genoma siempre que todos los cromosomas se copien en su totalidad para mantener el número de copias de genes. Ciertos bacteriófagos y virus, por ejemplo, pueden iniciar la replicación del ADN por recombinación homóloga independientemente de orígenes dedicados. ^{[ 189 ]} De igual modo, la arquea Haloferax volcanii utiliza la iniciación dependiente de la recombinación para duplicar su genoma cuando se eliminan sus orígenes endógenos. ^{[ 75 ]} Se han descrito eventos de iniciación no canónicos similares a través de la replicación inducida por rotura o iniciada por transcripción en E. coli y S. cerevisiae . ^{[ 190 ] [ 191 ] [ 192 ] [ 193 ] [ 194 ]} No obstante, a pesar de la capacidad de las células para mantener la viabilidad en estas circunstancias excepcionales, la iniciación dependiente del origen es una estrategia común adoptada universalmente en diferentes dominios de la vida. ^{[ 2 ]}

Además, los estudios detallados de la iniciación de la replicación se han centrado en un número limitado de sistemas modelo. Los hongos y metazoos, ampliamente estudiados, son miembros del supergrupo opistoconto y ejemplifican solo una pequeña fracción del panorama evolutivo en el dominio eucariota. ^{[ 195 ] Comparativamente ,} se han dirigido pocos esfuerzos a otros sistemas modelo eucariotas, como los kinetoplástidos o tetrahymena . ^{[ 196 ] [ 197 ] [ 198 ] [ 199 ] [ 200 ] [ 201 ] [ 202 ] Sorprendentemente, estos estudios han revelado diferencias interesantes tanto en las propiedades del origen como en la} composición del iniciador en comparación con las levaduras y los metazoos. ^{[ 2 ]}

• OriDB, la base de datos de orígenes de replicación del ADN
• Origen de la transferencia

Este artículo fue adaptado de la siguiente fuente bajo una licencia CC BY 4.0 ( 2019 ) ( informes de revisión ): Babatunde Ekundayo; Franziska Bleichert (12 de septiembre de 2019). " Orígenes de la replicación del ADN" . PLOS Genetics . 15 (9) e1008320. doi : 10.1371/JOURNAL.PGEN.1008320 . ISSN 1553-7390 . PMC 6742236. PMID 31513569. Wikidata Q86320168 .