400px|thumb|Estructura de moléculas enrolladas de DNA. El ADN superenrollado se refieren a los estados topológicos del ADN que surgen del desenrollamiento o sobreenrollamiento de la doble hélice, lo que da como resultado estructuras superenrolladas negativa o positivamente, respectivamente. El superenrollamiento negativo facilita el acceso a la información genética, mientras que el superenrollamiento positivo puede obstaculizar procesos esenciales de los ácidos nucleicos.El ADN de la mayoría de los organismos suele estar superenrollado negativamente. Se vuelve temporalmente superenrollado positivamente cuando se replica o transcribe.
El concepto de ADN superenrollado aparece como resultado del análisis topológico de la molécula de ADN. Una molécula con la misma secuencia puede estar en estado relajado o en diferentes estados de enrollamiento. Estas moléculas se conocen como topoisómeros, ya que son idénticas excepto en lo relativo a su topología. El estado topológico del ADN también influye en su afinidad por algunas proteínas de unión al ADN, especialmente en secuencias de ADN que tienen un alto contenido de bases A+T.
El ADN superenrollado forma dos estructuras: un plectonema, un toroide o una combinación de ambos. Una molécula de ADN superenrollada negativamente produce una hélice levógira de una sola hebra (el toroide) o una hélice dextrógira de dos hebras con bucles terminales (el plectonema). Los plectonemas son generalmente más comunes en la naturaleza, y esta es la forma que adoptan la mayoría de los plásmidos bacterianos. En moléculas más grandes, es común la formación de estructuras híbridas: un bucle de un toroide puede extenderse hasta formar un plectonema. Si todos los bucles de un toroide se extienden, este se convierte en un punto de ramificación en la estructura plectonémica.
El superenrollamiento del ADN reduce el espacio disponible y permite empaquetar una cantidad mucho mayor de ADN. En los procariotas, predominan los superenrollamientos plectonémicos debido a la forma circular del cromosoma y a la cantidad relativamente pequeña de material genético. En los eucariotas, el superenrollamiento del ADN existe en múltiples niveles, tanto plectonémicos como solenoidales, siendo estos últimos los más eficaces para compactar el ADN. El superenrollamiento solenoidal se logra mediante histonas para formar una fibra de 10 nm. Esta fibra se enrolla posteriormente hasta formar una de 30 nm, y luego se enrolla sobre sí misma numerosas veces. El empaquetamiento del ADN aumenta considerablemente durante eventos de división nuclear como la mitosis o la meiosis, donde el ADN debe compactarse y segregarse a las células hijas.
Las moléculas pueden sufrir superenrollamiento tanto positivo como negativo. Para que el superenrollamiento se mantenga, la molécula debe estar topológicamente restringida; así ocurre con un ADN bicatenario circular cerrado covalentemente. Un ADN bicatenario lineal puede estar restringido cuando está unido a proteínas o debido a la elevada longitud de su cadena. Existe evidencia que la reducción del superenrollamiento negativo del ADN es uno de los principales mecanismos responsables del bloqueo de la transcripción de la mitad de los genes que llevan a cabo el programa de respuesta transcripcional al choque térmico en las bacterias.
La generación de superenrollamientos se da como consecuencia de una tensión estructural en la propia molécula. Cuando una actividad provoca el superenrollamiento del ADN, el par generado se transmite a lo largo de la molécula. Si los extremos de la molécula no están fijos (o al menos restringidos), el superenrollamiento se disipará mediante la rotación libre de la hélice. Por lo tanto, para que el superenrollamiento tenga una influencia estructural o funcional sobre el ADN o la cromatina, debe operar dentro de un entorno restringido donde la energía esté, al menos transitoriamente, atrapada o limitada. Por esta razón, se prevé que los genomas deban organizarse en dominios de superenrollamiento con barreras que impidan la propagación del estrés topológico.
El proceso está regulado por las enzimas topoisomerasas, polimerasas y proteínas de unión a ADN/cromatina. La ADN polimerasa genera aproximadamente siete superenrollamientos de ADN por segundo.La topoisomerasa I provoca quiebres de una sola hebra de ADN, la topoisomerasa II induce roturas temporales de ambas.Estas enzimas topoisomerasas tienen la capacidad de desenredar cadenas de ADN mediante el proceso de transesterificación. La generación de este complejo temporal relaja la tensión torsional (lo que provoca que la progresión de la horquilla de replicación se vea impedida)que se desarrolla en la hélice del ADN durante la replicación y la transcripción. Las consecuencias de las perturbaciones topológicas en el ADN se ejemplifican en la replicación del ADN, durante la cual las hebras del dúplex se separan; esta separación conduce a la formación de superenrollamientos positivos (sobreenrollamiento o sobretorsión del ADN) delante de la horquilla de replicación y al entrelazamiento de las hebras hijas (precatenanos) detrás de ella.
En varias bacterias, las barreras a la difusión de las superhélices dividen el genoma en una serie de dominios de ADN superenrollado topológicamente aislados. Esto desempeña un papel muy importante en la organización del nucleoide.
Una forma de distinguir entre topoisómeros es realizar una corrida electroforética, ya que las distintas conformaciones poseen volumen diferente y por ello migran a diferente velocidad en el gel de electroforesis: el ADN superenrollado es más compacto y migra una distancia mayor que el ADN relajado.
Referencias
Categoría:ADN