Propiedades conformacionales y energéticas de los Intermediarios de Replicación de DNA circular
Por: Víctor Manuel Martínez Chamorro*
El ADN y su relación con el cáncer
En organismos superiores, como lo son los vertebrados, cada individuo cuenta con distintos tipos de células diferenciadas, según el tipo de tejido del cual forma parte, a saber: células de la piel, los huesos, cerebro, órganos digestivos, etc. La forma en que se diferencian las células y el ritmo en que se reproducen están determinados por el material genético o ADN. El cáncer resulta de fallos en la regulación de estas funciones celulares. Estos fallos pueden deberse a mutaciones del ADN, si estas mutaciones se acumulan, las células se vuelven anormales, dejando de seguir las pautas correctas referentes a su multiplicación, diferenciación y el tiempo que debe vivir la célula.
El cáncer aparece cuando una célula, que acumula mutaciones en su ADN, empieza a multiplicarse descontroladamente y, en conjunto, ocupan el espacio que le corresponde a los tejidos normales. El tipo de cáncer dependerá del tipo de célula afectada por las mutaciones. Si la célula original era de la piel, se produce cáncer de piel; si la célula provenía del páncreas, se produce cáncer de páncreas, etc.
El cáncer y los fármacos utilizados para combatirlos
Un tratamiento de uso muy extendido para varios tipos de cáncer es la quimioterapia, que intenta detener o hacer más lento el crecimiento de las células cancerosas. La quimioterapia consiste en el uso de fármacos para evitar que las células cancerosas crezcan o se dividan. Sin embargo, estos fármacos también pueden afectar a las células sanas.
Los fármacos de quimioterapia que van dirigidos a evitar que las células cancerosas se multipliquen, también atacan a células normales que presentan un alto ritmo de división celular, como las células digestivas o los folículos pilosos del cabello, por citar algunos.
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| Modelado y simulación computacional del ADN. Conformación de equilibrio termodinámico de moléculas de ADN circular en distintas etapas del proceso de replicación que permite estudiar la distribución del estrés torsional generado por el avance de las horquillas replicativas. Las tres moléculas representadas en la imagen almacenan el mismo estrés torsional, el cual está relacionado con el número de cruces de la molécula consigo misma. La región de la molécula que aún no ha replicado se muestra en azul y la región que ya está replicada en rojo. |
Topología
Las propiedades físicas del ADN, como su longitud y su manera de albergar estrés por retorcerse o doblarse, y sus propiedades geométricas, influyen en los procesos en los que participa el ADN, como la replicación y el acceso al material genético para la expresión de sus genes. Las propiedades geométricas del ADN se pueden entender mejor con el estudio de su topología.
Con la topología se pueden describir comportamientos del ADN como lo son la forma en la que se retuerce sobre sí mismo, albergando excesos de estrés torsional que impiden la replicación o el encadenamiento entre moléculas replicadas que, de no ser resuelto, impide la división celular. Hay enzimas encargadas de controlar la topología del ADN, evitando que acumulen estrés torsional nocivo o desencadenando moléculas ADN para que la replicación sea posible. Estas enzimas se denominan topoisomerasas.
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| Distribución del estrés torsional. En nuestra investigación, encontramos que el estrés torsional se relaciona con el tamaño relativo entre la región no replicada y la ya replicada de la molécula. También demostramos que, esta relación, se mantiene para moléculas de igual tamaño, pero con distintos niveles de estrés torsional. |
Las topoisomerasas como dianas (blanco) de los fármacos contra el cáncer
Una forma evitar que las células cancerosas se multipliquen, es atacar a las topoisomerasas encargadas de su correcta división. Casi todas las formas de cáncer que se consideran curables mediante quimioterapia, utilizan inhibidores específicos de algunas topoisomerasas, tales como los etopósidos (que se utilizan para canceres de pulmón, ovario, testicular o linfomas), doxorrubicina (para sarcomas de tejidos blandos en estado avanzado o metastásico), etc.
Fármacos para quimioterapia como las camptotecinas (topotecán) se utilizan para los cánceres de ovario, pulmón y de cuello uterino. También están los antibióticos antitumorales, que son distintos a los que se utilizan en infecciones, que se utilizan como inhibidores de las enzimas encargadas de regular la división celular. Las topoisomerasas también son el blanco de agentes antibacterianos que actualmente están en uso clínico, como las quinolonas y aminocumarinas que son antibióticos cuyo blanco son las enzimas DNA Girasa y Topoisomerasa IV que hacen posible la reproducción de las bacterias.
El conocimiento actual sobre la topología del ADN y la manera en que las topoisomerasas regulan los cambios topológicos que tienen lugar durante la replicación, la transcripción, la reparación y la recombinación sigue siendo muy limitado. La comprensión de estos procesos es fundamental a la hora de desarrollar nuevos antibióticos y drogas anticancerígenas basadas en inhibidores específicos de topoisomerasas. Para comprender el mecanismo de acción de estas enzimas durante la replicación del ADN, es menester tener conocimiento de las propiedades conformacionales y termodinámicas de las moléculas de ADN.
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| Función de las topoisomersas. El análisis mediante electroforesis bidimensional en geles de agarosa, nos permite visualizar el efecto que tienen las topoisomerasas sobre la conformación del DNA. A) Moléculas de ADN parcialmente replicadas bajo la acción de la topoisomerasa IV, la cual ayuda a relajar el estrés torsional y resuelve los encadenamientos y facilita la replicación. B) Replicación de moléculas de ADN en ausencia de la topoisomerasa IV, donde se observa la acumulación de moléculas encadenadas (puntos azules, verdes y purpura) que afectará la división celular. |
Simulación computacional para el estudio de la topología del ADN
El conocimiento acerca de las propiedades conformacionales y termodinámicas de las moléculas de ADN durante la replicación, es limitado. Nuestra investigación se basó en la simulación computacional de moléculas de ADN circular parcialmente replicadas, siendo este el primer análisis realizado mediante simulación computacional de este tipo de moléculas.
En estas simulaciones estudiamos el efecto de la distribución del estrés torsional sobre las propiedades termodinámicas de los Intermediarios de Replicación, así como las características conformacionales de estas moléculas cuando alcanzan el estado de equilibrio termodinámico.
A partir de este trabajo, ¿qué de nuevo, se sabe de estos procesos?
Como resultado, desarrollamos modelos matemáticos y físicos de ADN circular en distintos momentos del proceso de replicación y encontramos que la forma en que se distribuye el estrés torsional está altamente correlacionada con la etapa del proceso de replicación en el que se encuentra la molécula. Este conocimiento brinda una mejor compresión del efecto que tienen las topoisomerasas durante la replicación del ADN y el contraste con el comportamiento del ADN una vez que las topoisomerasas son inhibidas.
Nuestro grupo de investigación, el Grupo de Bionformática (GBI) de la FP-UNA y dirigido por la Dra. María José Fernandez De Nestosa, en conjunto con el Laboratorio de Biología Molecular de los Cromosomas del Centro de Investigaciones Biológicas CSIC (Madrid - España), liderado por el Dr. Jorge Bernardo Schvartzman, es el primero en modelar y simular computacionalmente moléculas de ADN circular durante el proceso replicativo para estudiar su topología. Estos resultados de simulación computacional están acompañados de resultados experimentales sobre el efecto de las topoisomerasas sobre la topología de moléculas de ADN parcialmente replicadas, empleando técnicas de electroforesis bidimensional en geles de agarosa.
Los próximos estudios a realizarse consistirán en simulaciones computacionales a nivel atómico mediante métodos de dinámica molecular, para estudiar propiedades elásticas del ADN durante la replicación y de las proteínas asociadas con este fenómeno, pues está relacionado con la proliferación celular. La comprensión de estos procesos es fundamental a la hora de desarrollar nuevos antibióticos y drogas anticancerígenas basadas en inhibidores específicos de topoisomerasas.
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| Grupo de Bioinformática de la FP-UNA. Atrás; Victor Martínez, Jorge B. Schvartzman (CSIC-España). Adelante (De izquierda a derecha): Dora B. Krimer (CSIC-España), María José Fernández, Antonella Lobatti. |
Lista de artículos relevantes publicados.
Distribution of torsional stress between the un-replicated and replicated regions of partially replicated molecules. Journal of Biomolecular Structure and Dynamics, 2020. Medio: Internet. ISSN/ISBN: 0739-1102
Direct Evidence for the Formation of Precatenanes during DNA Replication. The Journal of Biological Chemistry, v. 290, p. 13735-13735, 2015. Medio: Internet. ISSN/ISBN: 0021-9258
Electrophoretic mobility of supercoiled, catenated and knotted DNA molecules. Nucleic acids research. v. 43, 2015. Medio: Internet. ISSN/ISBN: 0305-1048
*Breve curriculum:
Licenciado en Ciencias Mención Física, por la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales -UNA. Egresado el año 2011 con el trabajo de grado titulado “Simulación del background originado por neutrones en el experimento DAMIC para la detección de materia oscura”
Master en Ciencias de la Computación, por la Facultad Politécnica, UNA. Egresado en 2014, con la tesis titulada: “Rol de las topoisomerasas de tipo II en la regulación del superenrollamiento y el pre-encadenamiento en Intermediarios de Replicación de DNA”.
Doctor en Ciencias de la Computación, por la Facultad Politécnica, UNA. Egresado en 2020 con el trabajo de tesis: “Propiedades conformacionales y energéticas de Intermediarios de Replicación de DNA circular”.
Actuación profesional: Investigador del Grupo de Bioinformática (GBI) de la FP.UNA.
Línea de Investigación: Topología del ADN