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sesgo GC

Indicación del origen y el final de la replicación del ADN en un gráfico de asimetría GC y en un gráfico de asimetría GC acumulativa. Mayor abundancia de G que de T en la cadena...

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Indicación del origen y el final de la replicación del ADN en un gráfico de asimetría GC y en un gráfico de asimetría GC acumulativa.
Mayor abundancia de G que de T en la cadena principal, lo que resulta en un sesgo de GC en el origen y el extremo.

La asimetría GC se produce cuando los nucleótidos guanina y citosina se encuentran en exceso o en defecto en una región particular del ADN o ARN . La asimetría GC también es un método estadístico para medir la sobreabundancia de guanina específica de la cadena. [ 1 ]

En condiciones de equilibrio (sin presión mutacional o selectiva y con nucleótidos distribuidos aleatoriamente dentro del genoma ), existe una frecuencia igual de las cuatro bases del ADN ( adenina , guanina , timina y citosina ) en ambas hebras simples de una molécula de ADN. [ 2 ] Sin embargo, en la mayoría de las bacterias (por ejemplo, E. coli ) y algunas arqueas (por ejemplo , Sulfolobus solfataricus ), las composiciones de nucleótidos son asimétricas entre la hebra conductora y la hebra rezagada : la hebra conductora contiene más guanina (G) y timina (T), mientras que la hebra rezagada contiene más adenina (A) y citosina (C). [ 2 ] Este fenómeno se conoce como asimetría GC y AT , y las estadísticas correspondientes se definieron [ 2 ] como:

Asimetría GC = (G - C)/(G + C)

Asimetría AT = (A − T)/(A + T)

Composición asimétrica de nucleótidos

El trabajo de Erwin Chargaff en 1950 demostró que, en el ADN, las bases guanina y citosina se encontraban en igual abundancia, y las bases adenina y timina también se encontraban en igual abundancia. Sin embargo, no había igualdad entre la cantidad de un par y el otro. [ 3 ] El hallazgo de Chargaff se conoce como la regla de Chargaff o regla de paridad 2 . [ 3 ] Tres años más tarde, Watson y Crick utilizaron este hecho durante su derivación de la estructura del ADN, su modelo de doble hélice .

Un resultado natural de la regla de paridad 1, en el estado de equilibrio, en el que no hay mutaciones ni sesgos de selección en ninguna de las dos hebras de ADN, es que cuando hay una tasa de sustitución igual, los nucleótidos complementarios en cada hebra tienen cantidades iguales de una base dada y su complemento. [ 4 ] En otras palabras, en cada hebra de ADN la frecuencia de aparición de T es igual a A y la frecuencia de aparición de G es igual a C porque la tasa de sustitución es presumiblemente igual. Este fenómeno se conoce como regla de paridad 2. Por lo tanto, la segunda regla de paridad solo existe cuando no hay mutación ni sustitución.

Cualquier desviación de la regla de paridad 2 dará como resultado una composición de bases asimétrica que discrimina la hebra conductora —es decir, la hebra de ADN que se replica en la dirección directa— de la hebra rezagada. Esta asimetría se conoce como sesgo GC o AT. [ 2 ]

En algunos genomas bacterianos, hay un enriquecimiento de guanina sobre citosina y timina sobre adenina en la cadena principal y viceversa para la cadena rezagada. El espectro de asimetría de la composición de nucleótidos varía de −1, que corresponde a G = 0 o A = 0, a +1, que corresponde a T = 0 o C = 0. [ 2 ] Por lo tanto, la asimetría GC positiva representa una mayor cantidad de G que de C y la asimetría GC negativa representa una mayor cantidad de C que de G. Como resultado, se espera ver una asimetría GC positiva y una asimetría AT negativa en la cadena principal, y una asimetría GC negativa y una asimetría AT positiva en la cadena rezagada. [ 5 ] La asimetría GC o AT cambia de signo en los límites de los dos replicores , que corresponden al origen o término de la replicación del ADN. [ 2 ] [ 4 ] [ 5 ] Originalmente, esta composición asimétrica de nucleótidos se explicó como un mecanismo diferente utilizado en la replicación del ADN entre la hebra conductora y la hebra rezagada. La replicación del ADN es semiconservativa y un proceso asimétrico en sí mismo. [ 6 ] Esta asimetría se debe a la formación de la horquilla de replicación y su división en hebras conductora y rezagada nacientes. La hebra conductora se sintetiza de forma continua y yuxtapuesta a la hebra conductora; la hebra rezagada se replica a través de fragmentos cortos de polinucleótidos ( fragmentos de Okazaki ) en dirección 5' a 3'. [ 6 ]

Cálculo y gráficos de asimetría GC

Existen tres enfoques principales para calcular y demostrar gráficamente la asimetría GC y sus propiedades.

asimetría de GC

El primer enfoque es la asimetría GC y AT. [ 2 ] Jean R. Lobry fue el primero en informar, en 1996, [ 7 ] la presencia de asimetría composicional en los genomas de tres bacterias: E. coli , Bacillus subtilis y Haemophilus influenzae . Las fórmulas originales en ese momento no se denominaban sesgadas, sino más bien desviación de [A] = [T] o [C] = [G]:

desviación de [A] = [T] como (A − T)/(A + T);

desviación de [C] = [G] como (C − G)/(C + G);

donde A, T, G y C representan la frecuencia de aparición de la base equivalente en una secuencia particular de longitud definida. Se utiliza una estrategia de ventana deslizante para calcular la desviación de C a lo largo del genoma. En estos gráficos, una desviación positiva de C corresponde a la hebra rezagada y una desviación negativa de C corresponde a la hebra conductora. [ 8 ] Además, el sitio donde cambia el signo de la desviación corresponde al origen o terminal. El eje x representa las ubicaciones cromosómicas trazadas de 5 ′ a 3 ′ y el eje y representa el valor de la desviación. La principal debilidad de este método es su propiedad dependiente del tamaño de la ventana. Por lo tanto, elegir un tamaño de ventana adecuado afecta en gran medida el resultado del gráfico. Se deben combinar otras técnicas con la desviación para identificar y localizar el origen de la replicación del ADN con mayor precisión.

Sesgo de CGC

Desviación acumulativa de CG y AT para 49 cromosomas bacterianos

El segundo enfoque se denomina sesgo GC acumulativo (sesgo CGC). [ 9 ] Este método sigue utilizando la estrategia de ventana deslizante, pero aprovecha la suma de las ventanas adyacentes desde un inicio arbitrario. En este esquema, el genoma completo se suele representar gráficamente de 5' a 3' utilizando un inicio y una hebra arbitrarios. En el gráfico de sesgo GC acumulativo, los picos corresponden a los puntos de cambio (extremo u origen).

A diferencia del artículo anterior de Lobry, las implementaciones recientes de GC skew invierten la definición original, redefiniéndola de la siguiente manera:

Asimetría GC = (G − C)/(G + C).

Con la definición invertida de la asimetría de GC, el valor máximo de la asimetría acumulativa corresponde al terminal y el valor mínimo corresponde al origen de replicación.

Curva Z

El enfoque final es la curva Z. [ 10 ] A diferencia de los métodos anteriores, este método no utiliza la estrategia de ventana deslizante y se considera que funciona mejor para encontrar el origen de replicación. [ 10 ] En este método, se investiga la frecuencia acumulada de cada base con respecto a la base al comienzo de la secuencia. La curva Z utiliza una representación tridimensional con los siguientes parámetros:

incógnitanorte=(Anorte+GRAMOnorte)−(donorte+Tnorte){\displaystyle x_{n}=(A_{n}+G_{n})-(C_{n}+T_{n})}

ynorte=(Anorte+donorte)−(GRAMOnorte+Tnorte){\displaystyle y_{n}=(A_{n}+C_{n})-(G_{n}+T_{n})}

znorte=(Anorte+Tnorte)−(donorte+GRAMOnorte){\displaystyle z_{n}=(A_{n}+T_{n})-(C_{n}+G_{n})}

Dóndenorte=0,1,2,...norte{\displaystyle n=0,1,2,...N},incógnitanorte{\displaystyle x_{n}}representa el exceso de purina sobre pirimidina ,ynorte{\displaystyle y_{n}}denota un exceso de cetonas sobre aminoácidos, yznorte{\displaystyle z_{n}}muestra la relación entre los enlaces de hidrógeno débiles y fuertes .incógnita{\displaystyle x}yy{\displaystyle y}Los componentes individuales pueden detectar por sí solos el origen de replicación y la composición asimétrica de las hebras. Para predecir el origen y el extremo de replicación, se debe utilizar una combinación de estos métodos, con el fin de compensar sus limitaciones.

Mecanismo

No existe consenso en la comunidad científica respecto al mecanismo que subyace al sesgo en la composición de nucleótidos dentro de cada cadena de ADN. Existen dos escuelas de pensamiento principales que explican el mecanismo detrás de la composición de nucleótidos específica de cada cadena en bacterias. [ 4 ]

El primero describe un sesgo y una presión mutacional asimétrica en cada hebra de ADN durante la replicación y la transcripción . [ 4 ] [ 11 ] Debido a la naturaleza asimétrica del proceso de replicación, una frecuencia mutacional desigual y una eficiencia de reparación del ADN durante el proceso de replicación pueden introducir más mutaciones en una hebra en comparación con la otra. [ 5 ] Además, el tiempo utilizado para la replicación entre las dos hebras varía y puede conducir a una presión mutacional asimétrica entre la hebra conductora y la rezagada. [ 12 ] Además de las mutaciones durante la replicación del ADN, las mutaciones transcripcionales pueden crear un sesgo en la composición de nucleótidos específico de la hebra. [ 5 ] La desaminación de la citosina y, finalmente, la mutación de la citosina a timina en una hebra de ADN pueden aumentar el número relativo de guanina y timina con respecto a la citosina y la adenina. [ 5 ] En la mayoría de las bacterias, la mayoría de los genes están codificados en la hebra conductora. [ 4 ] Por ejemplo, la cadena principal en Bacillus subtilis codifica el 75% de los genes. [ 5 ] Además, se ha informado de un exceso de desaminación y conversión de citosina a timina en la cadena codificante en comparación con la cadena no codificante. [ 4 ] [ 5 ] [ 13 ] Una posible explicación es que la cadena no transcrita ( cadena codificante ) es monocatenaria durante el proceso de transcripción; por lo tanto, es más vulnerable a la desaminación en comparación con la cadena transcrita ( cadena no codificante ). [ 5 ] [ 14 ] Otra explicación es que la actividad de reparación de la desaminación durante la transcripción no ocurre en la cadena codificante. [ 5 ] Solo la cadena transcrita se beneficia de estos eventos de reparación de la desaminación.

La segunda escuela de pensamiento describe el mecanismo de asimetría GC y AT como resultado de una diferencia en la presión selectiva entre las hebras conductora y rezagada. [ 4 ] [ 5 ] [ 14 ] El examen del genoma procariota muestra una preferencia en la tercera posición del codón por G sobre C y T sobre A. [ 5 ] Esta discriminación crea una composición de nucleótidos asimétrica, si la hebra codificante está distribuida de manera desigual entre las hebras conductora y rezagada, como en el caso de las bacterias. Además, se ha demostrado que los genes altamente transcritos, como las proteínas ribosómicas , se localizan principalmente en la hebra conductora en bacterias. [ 5 ] Por lo tanto, un sesgo en la elección del codón de tercera posición de G sobre C puede conducir a la asimetría GC. Adicionalmente, algunas secuencias señal son ricas en guanina y timina, como las secuencias chi , y estas secuencias podrían tener una mayor frecuencia de aparición en una hebra en comparación con la otra. [ 4 ] [ 5 ]

Tanto la presión mutacional como la selectiva pueden introducir asimetría en las cadenas de ADN de forma independiente. Sin embargo, la combinación y el efecto acumulativo de ambos mecanismos constituyen la explicación más plausible para la asimetría de GC y AT. [ 4 ] [ 14 ]

Usos

El sesgo GC ha demostrado ser útil como indicador de la cadena principal del ADN, la cadena rezagada, el origen de replicación y el terminal de replicación. [ 2 ] [ 4 ] [ 5 ] La mayoría de las bacterias y arqueas contienen solo un origen de replicación del ADN. [ 2 ] El sesgo GC es positivo y negativo en la cadena principal y en la cadena rezagada respectivamente; por lo tanto, se espera ver un cambio en el signo del sesgo GC justo en el punto del origen y el terminal de replicación del ADN. [ 4 ] El sesgo GC también se puede utilizar para estudiar los sesgos de cadena y el mecanismo relacionado con ellos calculando el exceso de una base sobre su base complementaria en diferentes entornos. [ 4 ] [ 5 ] [ 14 ] Métodos como el sesgo GC, el sesgo CGC y la curva Z son herramientas que pueden brindar la oportunidad de investigar mejor el mecanismo de replicación del ADN en diferentes organismos.

Referencias

  1. ↑ Kennedy, Sean P.; Ng, Wailap Victor; Salzberg, Steven L.; Hood, Leroy; DasSarma, Shiladitya (2001-10-01). "Comprensión de la adaptación de la especie Halobacterium NRC-1 a su entorno extremo mediante el análisis computacional de su secuencia genómica" . Genome Research . 11 (10): 1641– 1650. doi : 10.1101/gr.190201 . ISSN 1088-9051 . PMC 311145. PMID 11591641 .   
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Lobry, JR Patrones de sustitución asimétricos en las dos hebras de ADN de las bacterias. Biología molecular y evolución 13, 660-665 (1996).
  3. 1 2 Chargaff, E. Especificidad química de los ácidos nucleicos y mecanismo de su degradación enzimática. Experientia 6, 201-209 (1950).
  4. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Necsulea, A. y Lobry, JR. Un nuevo método para evaluar el efecto de la replicación en la asimetría de la composición de bases del ADN. Biología molecular y evolución 24, 2169-2179, doi:10.1093/molbev/msm148 (2007).
  5. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Tillier, ER y Collins, RA Las contribuciones de la orientación de la replicación, la dirección de los genes y las secuencias señal a las asimetrías de la composición de bases en los genomas bacterianos. Journal of molecular evolution 50, 249-257 (2000).
  6. 1 2 Rocha, EP La organización de los genomas bacterianos relacionada con la replicación. Microbiology 150, 1609-1627, doi:10.1099/mic.0.26974-0 (2004).
  7. ↑ Lobry, JR (mayo de 1996). "Patrones de sustitución asimétricos en las dos hebras de ADN de bacterias" . Biología molecular y evolución . 13 (5): 660– 665. doi : 10.1093/oxfordjournals.molbev.a025626 . ISSN 0737-4038 . PMID 8676740 .  
  8. ↑ ""Explicación del artículo de Lobry de 1996"" . Archivado del original el 17-11-2015 . Recuperado el 11-11-2015 .
  9. ↑ Grigoriev, A. Análisis de genomas con diagramas de asimetría acumulativa. Nucleic Acids Research 26, 2286-2290 (1998).
  10. 1 2 Zhang, R. y Zhang, CT Orígenes de replicación múltiples de la arquea Halobacterium especie NRC-1. Comunicaciones de investigación bioquímica y biofísica 302, 728-734 (2003).
  11. ↑ Lobry, JR y Sueoka, N. Presiones de mutación direccional asimétrica en bacterias. Genome biology 3, RESEARCH0058 (2002).
  12. ↑ Eppinger, M., Baar, C., Raddatz, G., Huson, DH y Schuster, SC Análisis comparativo de cuatro Campylobacterales. Nature Reviews. Microbiology 2, 872-885, doi:10.1038/nrmicro1024 (2004).
  13. ↑ Marin, A. y Xia, X. Sesgo de GC en genes codificadores de proteínas entre las hebras líder y rezagada en genomas bacterianos: nuevos modelos de sustitución que incorporan sesgo de hebra. Journal of theoretical biology 253, 508-513, doi:10.1016/j.jtbi.2008.04.004 (2008).
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