Definición
La ADN polimerasa es un grupo enzimático importante involucrado en la síntesis, reparación y replicación del ADN; estas enzimas se encuentran en todos los organismos vivos. Descubierto originalmente durante la investigación de la bacteria Escherichia coli, ahora conocemos múltiples variedades con estructuras similares pero funciones diferentes. Estas variedades se agrupan en familias según su función y también se utilizan en el campo de la ingeniería genética.
Función de la ADN polimerasa
La ADN polimerasa tiene diferentes funciones en los mecanismos de síntesis del ADN, reparación y replicación. La ADN polimerasa se clasifica en siete familias diferentes en eucariotas, virus, levaduras y bacterias. Estas siete familias son A, B, C, D, X, Y y transcriptasa inversa (RT). Las investigaciones futuras pueden descubrir otros grupos.
Cada una de estas familias contiene un subconjunto de ADN polimerasas que tienen su propio rango de funciones. Por ejemplo, la ADN polimerasa I es un miembro de la familia A; La ADN polimerasa IV o DinB es un miembro de la familia X. No necesitará memorizar todos los nombres, pero la función básica por grupo también lo ayudará a comprender mejor la síntesis de proteínas, la mutación genética y la modificación genética.
La estructura de la ADN polimerasa se compara con una mano derecha con la palma, los dedos y el pulgar. Puedes imaginar una hebra de ADN moviéndose a través de una molécula de ADN polimerasa como la cinta a través de una máquina de escribir. En pocas palabras, los dedos ayudan a colocar con cuidado la hebra de ADN descomprimida reconociendo los nucleótidos, la palma es el sitio activo donde se produce la fosforilación (agregando el esqueleto de fosfato) y el pulgar une el ADN en una forma de doble hélice cuando sale la molécula de ADN polimerasa. Pero no todas las familias de ADN polimerasa tienen los mismos componentes estructurales. Veamos las diferentes familias con un poco más de detalle.
Polimerasa Familia A
La familia A es un grupo de enzimas de replicación o reparación del ADN. En la replicación del ADN, hacen coincidir una base de nucleótidos con el socio adecuado. Esto es necesario cuando una célula se prepara para dividirse y el cromosoma monocatenario se duplica para que ambas células, madre e hija, tengan un conjunto completo de ADN.
Si se va a hacer una copia del ADN, las moléculas de ADN polimerasa pasan por la hebra plantilla descomprimida y la copian con nucleótidos opuestos. Esto produce una copia exacta de la cadena codificante de ADN. Diferentes enzimas de la familia A ayudan a reparar el ADN: comprueban las hebras recién producidas en busca de bases defectuosas y las reemplazan si se encuentran fallas.
Ejemplos de ADN polimerasas de la familia A son Pol I, Pol γ (gamma) y Pol θ (theta). A menudo denominada familia Pol I (Pol es la abreviatura de polimerasa), cada subtipo tiene una acción específica.
Siempre puede saber si una ADN polimerasa se encuentra en células procariotas o eucariotas mirando sus nombres. Cuando a una polimerasa se le asignan números romanos (Pol III, Pol I, etc.), esa enzima se encuentra en organismos procariotas (unicelulares). En eucariotas, los subtipos se denominan según el alfabeto griego (Pol delta, Pol theta, etc.). Las familias pueden contener ADN polimerasas para organismos unicelulares o multicelulares.
Pol γ es la única ADN polimerasa que puede replicar el ADN mitocondrial (y solo las ADN polimerasas de la familia X llevan a cabo la reparación del ADNmt).
Pol theta (ADN polimerasa theta) repara las roturas de doble cadena dentro del ADN al volver a unir los extremos rotos. El daño al gen que codifica para la producción de Pol theta (θ) significa que las roturas comienzan a acumularse sin ser reparadas; sin embargo, la unión de extremos mediada por theta (TMEJ) aumenta el riesgo de mutación en comparación con algunos otros mecanismos de reparación del ADN. Debido a esto, los genes Pol θ defectuosos se han relacionado con muchas formas de cáncer.
Debido a estos estudios sobre la enfermedad y el ADN, las ADN polimerasas de la familia A nos han ayudado a comprender y tratar varias formas de cáncer. Otro ejemplo de la familia A es Pol nu, que ayuda a desenganchar los enlaces cruzados entre cadenas (ICL). ¿Qué es un enlace cruzado entre cadenas? ¿Alguna vez ha oído hablar del gas mostaza, utilizado en la Segunda Guerra Mundial? Respirar este gas en grandes cantidades podría causar la muerte, pero miles de soldados sobrevivieron a la exposición. Con el paso del tiempo, los médicos descubrieron que estos hombres valientes tenían más probabilidades de morir de cáncer del sistema respiratorio que las personas que nunca habían estado expuestas al gas mostaza.El gas entró en los pulmones y reaccionó directamente con el ADN de las células pulmonares, uniendo una cadena de nucleótidos a nucleótidos opuestos que no eran sus compañeros (enlaces diagonales o cruzados). Estos enlaces adicionales dificultaron la descompresión del ADN antes de la replicación y, cuando ocurrió la replicación, se cometieron errores al copiar el código. Estos errores se multiplicaron con el tiempo, causando muchas fallas en el ADN que fueron copiadas y causaron mutaciones genéticas. Estas mutaciones llevaron a la producción de células defectuosas o cáncer. En el caso del gas mostaza, se trataba de cáncer de pulmón.
Pol nu (POLν) se produce específicamente para tratar de resolver estos enlaces cruzados entre cadenas altamente dañinos. No se produce en grandes cantidades y parece ser más una enzima de respaldo, pero puede haber más que eso. Aunque solo se descubrió en 2003, las ADN polimerasas menos conocidas como Pol nu están recibiendo mucha atención. Una de las razones es que alrededor del 50% de las células de cáncer de mama muestran áreas eliminadas en la ubicación citogénica (posición) 4p16.2, es decir, el cromosoma 4, brazo corto (p), región 16, banda 2). En la imagen de abajo, es la posición más a la izquierda. También es importante tener en cuenta que aquí es exactamente donde se encuentra el gen para la síntesis de Pol nu.
Función de la familia B de la polimerasa
Las enzimas de la familia B de la ADN polimerasa son importantes durante el proceso de división celular. Verifican el ADN recién replicado y sintetizado. La familia incluye polimerasas procariotas y eucariotas.
Pol alpha (una letra griega, por lo que una polimerasa eucariota) inicia el proceso de replicación del ADN y comunica áreas de daño a otras ADN polimerasas de la familia B como Pol delta y Pol epsilon. Debido a que estas fallas se corrigen de inmediato, es mucho más probable que tengan éxito y el riesgo de reparación de fallas (hacer coincidir el nucleótido incorrecto con una hebra de ADN dañada) es bajo.
Un ejemplo de reparación de fallas es el sustitución de un par guanina y timina previamente enlazados para producir un par guanina y citosina en el ADN, donde la timina se sustituye erróneamente por citosina. Las ADN polimerasas bacterianas y eucariotas son fundamentales para los mecanismos de reconocimiento y reparación de daños.
Función de la familia de polimerasa C
Si bien las funciones de la ADN polimerasa C solo se encuentran en bacterias, nunca debemos olvidar que las bacterias superan en número a las células humanas por diez a uno en y dentro del cuerpo promedio. La mayoría de estos son esenciales para nuestra salud, ayudan al sistema digestivo y producen sustancias químicas que mejoran la función del sistema y los órganos. Con menos frecuencia, las bacterias patógenas se colonizan para producir síntomas de enfermedad y dolencia. La familia C, a menudo denominada PolC, es el grupo polimerasa de replicación del ADN bacteriano más importante. La familia C no es una polimerasa reparadora.
Con el aumento de bacterias resistentes a los medicamentos, los nuevos agentes antibacterianos son cada vez más necesarios. Las nuevas áreas de investigación incluyen el desarrollo de antibióticos que se dirigen directamente a PolC. Este nuevo fármaco potencial de amplio espectro podría evitar la replicación en todo tipo de bacterias, sanas y patógenas, pero lo que es más importante, estos fármacos, que aún se encuentran en las primeras etapas de desarrollo, evitan los mecanismos que conducen a la resistencia bacteriana a los antibióticos.
Función de la familia D de la polimerasa
Euryarchaeota describe un grupo de bacterias grampositivas y gramnegativas que a menudo se dice que prefieren ambientes extremos (extremófilos). Sin embargo, estas bacterias viven y se multiplican en todo tipo de entornos, desde limos marinos profundos hasta nuestro sistema digestivo. Usan ADN polimerasas (PolD) de la familia D para la replicación del ADN. Las tasas de mutación en este grupo son muy altas en comparación con las de las polimerasas de ADN PolB. Y a diferencia de otras polimerasas, la familia D no tiene una estructura similar a una mano, probablemente porque estas células son, evolutivamente hablando, tipos de células muy tempranas.
Función de la familia X de la polimerasa
La X La familia de ADN polimerasa se limita a las células eucariotas y desempeña funciones tanto de replicación como de reparación. Algunos trabajan para reparar el ADN mitocondrial donde los entornos altamente oxidativos fomentan el daño del ADN. Otros reparan de uno a diez nucleótidos consecutivos (aproximadamente) en el ADN del núcleo celular. El método de reparación (reparación por escisión de la base) en la mitocondria y el núcleo es similar. La reparación por escisión de base (BER) es un proceso que utiliza varios tipos de enzimas, incluidas la ADN glicosilasa y endonucleasas. Es la ADN polimerasa de la familia X (Pol beta y Pol lambda) la que forma el sitio activo para esta reparación e inserta el nucleótido correcto. Si el gen de las ADN polimerasas de la familia X está dañado, los procesos BER se ven afectados negativamente y esto se asocia con ciertos tipos de cáncer.Algunas terapias dirigidas nuevas desarrolladas para estos cánceres inhiben los mecanismos defectuosos de reparación de la escisión de la base.
Función de la familia Y de la polimerasa
La familia de la ADN polimerasa Y es una enzima replicativa y reparadora que se encuentra en células eucariotas y procariotas. Todas estas polimerasas son muy propensas a errores con respecto a su papel en la replicación y reparación inmediata o elusión de secuencias de ADN defectuosas. Sin embargo, al mismo tiempo, niveles demasiado bajos de esta familia de polimerasas pueden aumentar la susceptibilidad a los tumores malignos. Esta es la razón por la que la familia Y a veces se compara con un arma de doble filo.
El grupo de la familia Y se activa cuando otras ADN polimerasas no pueden hacer efecto. Se supone que es un mecanismo de respaldo; esto puede explicar por qué las mutaciones que siguen a este tipo de reparación son más comunes.
Función de transcriptasa inversa
Los virus, retrovirus y células eucariotas contienen enzimas de transcriptasa inversa dependientes de ARN. Estas enzimas, que forman parte del grupo de la ADN polimerasa, son las que hacen que los virus sean peligrosos. Como un virus solo contiene ARN, debe engañar a un microorganismo o célula para que lo reproduzca. Si nuestras células solo copiaran el ARN, podrían producir una o dos proteínas inusuales en un ribosoma, pero estas no ayudarían al virus a multiplicarse. En cambio, el ARN viral debe de alguna manera convertirse en parte de la plantilla de ADN para que la célula experimente cambios permanentes. Para ello, utiliza enzimas de transcriptasa inversa.
Estas enzimas producen ADN bicatenario a partir de una plantilla de ARN monocatenario en un proceso conocido como transcripción inversa. Las mutaciones son frecuentes. La siguiente imagen muestra cómo se replica el virus de la inmunodeficiencia humana en un linfocito T. La transcripción inversa inicia el crecimiento del virus al engañar a la célula para que produzca componentes que se ensamblan para formar más virus a partir del ADN editado.
La mayoría de los procesos de transcripción inversa son el resultado de infecciones virales dañinas, donde el ARN viral monocatenario se copia para formar una doble hebra de ADN que se convertirá en proteínas virales. Esto se realiza mediante transcriptasa inversa (inversa porque el método habitual es utilizar ADN de doble hebra para producir una hebra sencilla de ARN).
Pruebas durante el COVID-19 (SARS-CoV-2) en 2020 – como con todas las pruebas de infección viral – requiere la extracción de ARN viral. Los laboratorios utilizan un proceso llamado reacción en cadena de la polimerasa con transcriptasa inversa (rt-PCR). Rt-PCR no es tan complicado de entender como podría parecer. Esta prueba produce ADN complementario (ADNc) o ADN que se copia de pequeñas cantidades de ARN viral. Como este procedimiento solo produce cantidades muy pequeñas de cDNA, los resultados deben amplificarse mediante su replicación. Una vez producido en cantidades suficientes, se puede detectar el genoma viral.