Hipótesis de la cadena de ADN inmortal

Hipótesis en biología

La hipótesis de la cadena de ADN inmortal fue propuesta en 1975 por John Cairns como un mecanismo para que las células madre adultas minimicen las mutaciones en sus genomas . ^[1] Esta hipótesis propone que en lugar de segregar su ADN durante la mitosis de manera aleatoria, las células madre adultas dividen su ADN asimétricamente y retienen un conjunto de plantillas distintas de cadenas de ADN (cadenas parentales) en cada división. Al retener el mismo conjunto de cadenas de ADN de plantilla, las células madre adultas pasarían mutaciones que surgen de errores en la replicación del ADN a hijas que no son células madre que pronto se diferencian de manera terminal.(poner fin a las divisiones mitóticas y convertirse en una célula funcional). Transmitir estos errores de replicación permitiría a las células madre adultas reducir su tasa de acumulación de mutaciones que podrían conducir a trastornos genéticos graves como el cáncer .

Aunque existe evidencia de este mecanismo, aún es controvertido si es un mecanismo que actúa en células madre adultas in vivo .

Métodos

Se utilizan dos ensayos principales para detectar la segregación de la hebra de ADN inmortal: ensayos de pulso / persecución de retención de etiqueta y de liberación de etiqueta.

En el ensayo de retención de la etiqueta, el objetivo es marcar cadenas de ADN "inmortales" o parentales con una etiqueta de ADN como timidina tritiada o bromodesoxiuridina (BrdU). Estos tipos de etiquetas de ADN incorporarán en el ADN recién sintetizado de células en división durante la fase S . Se da un pulso de etiqueta de ADN a las células madre adultas en condiciones en las que aún no han delineado una hebra de ADN inmortal. Durante estas condiciones, las células madre adultas se dividen simétricamente (por lo tanto, con cada división se determina una nueva hebra `` inmortal '' y en al menos una de las células madre la hebra de ADN inmortal se marcará con una etiqueta de ADN), o la hebra adulta aún no se han determinado las células(por lo tanto, sus precursores se están dividiendo simétricamente, y una vez que se diferencian en células madre adultas y eligen una hebra 'inmortal', la 'hebra inmortal' ya habrá sido marcada). Experimentalmente, las células madre adultas están experimentando divisiones simétricas durante el crecimiento y después de la cicatrización de heridas, y aún no se han determinado en las etapas neonatales. Una vez que la cadena de ADN inmortal está etiquetada y la célula madre adulta ha comenzado o reanudado divisiones asimétricas, la etiqueta de ADN se elimina. En divisiones simétricas (la mayoría mitóticacélulas), el ADN se segrega aleatoriamente y la etiqueta de ADN se diluirá a niveles por debajo de la detección después de cinco divisiones. Sin embargo, si las células están utilizando un mecanismo de cadena de ADN inmortal, entonces todo el ADN marcado continuará co-segregándose con la célula madre adulta, y después de cinco (o más) divisiones aún se detectarán dentro de la célula madre adulta. Estas células a veces se denominan células de retención de etiquetas (LRC).

En el ensayo de liberación de etiquetas, el objetivo es marcar el ADN recién sintetizado que normalmente se transmite a la célula hija (no madre). Se administra un pulso de ADN a las células madre adultas en condiciones en las que se dividen asimétricamente. En condiciones de homeostasis., las células madre adultas deben dividirse asimétricamente para que se mantenga el mismo número de células madre adultas en el compartimento de tejido. Después de pulsar durante el tiempo suficiente para etiquetar todo el ADN recién replicado, se elimina la etiqueta de ADN (ahora cada replicación de ADN incorpora nucleótidos sin marcar) y las células madre adultas se analizan para detectar la pérdida de la etiqueta de ADN después de dos divisiones celulares. Si las células utilizan un mecanismo de segregación aleatorio, entonces debe quedar suficiente etiqueta de ADN en la célula para ser detectada. Sin embargo, si las células madre adultas están utilizando un mecanismo de cadena de ADN inmortal, están obligadas a retener el ADN "inmortal" sin marcar y liberarán todo el ADN marcado recién sintetizado a sus células hijas diferenciadoras en dos divisiones.

Algunos científicos han combinado los dos enfoques, ^{[2] [3]} usando primero una etiqueta de ADN para etiquetar las hebras inmortales, permitiendo que las células madre adultas comiencen a dividirse asimétricamente, y luego usando una etiqueta de ADN diferente para etiquetar el ADN recién sintetizado. Por lo tanto, las células madre adultas conservarán una etiqueta de ADN y liberarán la otra dentro de dos divisiones.

Evidencia

Se han encontrado pruebas de la hipótesis de la cadena de ADN inmortal en varios sistemas. Uno de los primeros estudios de Karl Lark et al. demostró la co-segregación de ADN en las células de las puntas de las raíces de las plantas. ^[4] Las puntas de las raíces de las plantas marcadas con timidina tritiada tendían a segregar su ADN marcado en la misma célula hija. Aunque no todo el ADN marcado se segregó en la misma hija, la cantidad de ADN marcado con timidina que se observó en la hija con menos marcaje correspondía a la cantidad que habría surgido del intercambio de cromátidas hermanas. ^[4] Estudios posteriores de Christopher Potten et al. (2002), ^[2]utilizando experimentos de pulso / persecución con timidina tritiada, se encontraron células que retienen el marcador a largo plazo en las criptas del intestino delgado de ratones recién nacidos. Estos investigadores plantearon la hipótesis de que la incorporación a largo plazo de timidina tritiada se produjo porque los ratones recién nacidos tienen intestino delgado sin desarrollar, y que la timidina tritiada pulsante poco después del nacimiento de los ratones permitió que el ADN `` inmortal '' de las células madre adultas se etiquetara durante su formación. Se demostró que estas células a largo plazo se ciclan activamente, como lo demuestra la incorporación y liberación de BrdU. ^[2]

Dado que estas células estaban en ciclo pero seguían conteniendo la etiqueta BrdU en su ADN, los investigadores razonaron que debían segregar su ADN mediante un mecanismo de cadena de ADN inmortal. Joshua Merok y col. del laboratorio de James Sherley diseñaron células de mamíferos con un gen p53 inducible que controla las divisiones asimétricas. ^{[5] Los} experimentos de pulso / persecución de BrdU con estas células demostraron que los cromosomas se segregaban de forma no aleatoria solo cuando se inducía a las células a dividirse asimétricamente como las células madre adultas. Estas células que se dividen asimétricamente proporcionan un modelo in vitro para la demostración e investigación de los mecanismos de la cadena inmortal.

Los científicos se han esforzado por demostrar que este mecanismo de cadena de ADN inmortal existe in vivo en otros tipos de células madre adultas. En 1996, Nik Zeps publicó el primer artículo que demostraba que las células retenedoras de etiquetas estaban presentes en la glándula mamaria del ratón ^[6] y esto fue confirmado en 2005 por Gilbert Smith, quien también publicó pruebas de que un subconjunto de células epiteliales mamarias de ratón podría retener la etiqueta de ADN y liberar ADN. etiquetar de una manera consistente con el mecanismo de la cadena de ADN inmortal. ^[3] Poco después, los científicos del laboratorio de Derek van der Kooy demostraron que los ratones tienen células madre neurales que retienen BrdU y continúan siendo mitóticamente activas. ^[7] Se demostró la segregación asimétrica de ADN utilizando imágenes en tiempo real de células en cultivo. En 2006, los científicos del laboratorio de Shahragim Tajbakhsh presentaron evidencia de que las células satélite del músculo , que se propone son células madre adultas del compartimento del músculo esquelético , exhibían una segregación asimétrica del ADN marcado con BrdU cuando se ponían en cultivo. También tenían evidencia que demostraba que la cinética de liberación de BrdU consistente con un mecanismo de cadena de ADN inmortal estaba operando in vivo , utilizando ratones jóvenes y ratones con regeneración muscular inducida por congelación. ^[8]

Sin embargo, estos experimentos que apoyan la hipótesis de la hebra inmortal no son concluyentes. Si bien los experimentos de Lark demostraron la co-segregación, la co-segregación puede haber sido un artefacto de la radiación del tritio. Aunque Potten identificó las células cíclicas que retienen la etiqueta como células madre adultas, estas células son difíciles de identificar inequívocamente como células madre adultas. Si bien las células manipuladas proporcionan un modelo elegante para la segregación conjunta de cromosomas, los estudios con estas células se realizaron in vitro con células modificadas genéticamente. Algunas características pueden no estar presentes in vivo o pueden estar ausentes in vitro . En mayo de 2007, Michael Conboy et al., ^[9] descubrieron pruebas en apoyo de la teoría de la cadena de ADN inmortal. ^[9]utilizando el modelo de células madre / satélite de músculo durante la regeneración de tejidos, donde hay una tremenda división celular durante un período de tiempo relativamente breve. Usando dos análogos de BrdU para marcar la plantilla y las hebras de ADN recién sintetizadas, vieron que aproximadamente la mitad de las células en división en el músculo en regeneración clasifican el ADN "inmortal" más antiguo en una célula hija y el ADN más joven en la otra. De acuerdo con la hipótesis de las células madre, la hija más indiferenciada heredaba típicamente las cromátidas con el ADN más antiguo, mientras que la hija más diferenciada heredaba el ADN más joven.

La evidencia experimental contra la hipótesis de la hebra inmortal es escasa. En un estudio, los investigadores incorporaron timidina tritiada en células basales epidérmicas murinas en división. ^[10] Siguieron la liberación de timidina tritiada después de varios períodos de persecución, pero el patrón de liberación no fue consistente con la hipótesis de la hebra inmortal. Aunque encontraron células retenedoras de etiquetas, no estaban dentro del supuesto compartimento de células madre. Con períodos de tiempo cada vez mayores para los períodos de persecución, estas células retenedoras de etiquetas se ubicaron más lejos del supuesto compartimento de células madre, lo que sugiere que las células retenedoras de etiquetas se habían movido. Sin embargo, ha resultado difícil encontrar pruebas concluyentes en contra de la hipótesis de la hebra inmortal.

Otros modelos

Después de que Cairns propuso por primera vez el mecanismo de la cadena de ADN inmortal, la teoría ha experimentado varios refinamientos actualizados.

En 2002, propuso que, además de utilizar mecanismos de hebras de ADN inmortales para segregar el ADN, cuando las hebras de ADN inmortales de las células madre adultas se dañen, optarán por morir (apoptosa) en lugar de utilizar mecanismos de reparación del ADN que normalmente se utilizan en casos distintos a los de las células madre adultas. -Células madre. ^[11]

Emmanuel David Tannenbaum y James Sherley desarrollaron un modelo cuantitativo que describe cómo la reparación de mutaciones puntuales podría diferir en las células madre adultas. ^[12] Descubrieron que en las células madre adultas, la reparación era más eficiente si usaban un mecanismo de cadena de ADN inmortal para segregar el ADN, en lugar de un mecanismo de segregación aleatorio. Este método sería beneficioso porque evita la fijación incorrecta de mutaciones de ADN en ambas cadenas de ADN y la propagación de la mutación.

Mecanismos

La prueba completa de un concepto generalmente requiere un mecanismo plausible que pueda mediar el efecto. Aunque controvertido, hay una sugerencia de que esto podría ser proporcionado por Dynein Motor. ^[13] Este documento va acompañado de un comentario que resume los hallazgos y los antecedentes. ^[14]

Sin embargo, este trabajo cuenta con biólogos muy respetados entre sus detractores, como lo ejemplifica un comentario adicional sobre un artículo de los mismos autores de 2006. ^[15] Los autores han refutado la crítica. ^[dieciséis]

Ver también

• Telómero

Referencias

1. Cairns, John (1975). "Selección de mutaciones e historia natural del cáncer" . Naturaleza . 255 (5505): 197–200. Código Bib : 1975Natur.255..197C . doi : 10.1038 / 255197a0 . PMID  1143315 . S2CID  4216433 .
2. Potten, CS; Owen, G .; Booth, D. (2002). "Las células madre intestinales protegen su genoma mediante la segregación selectiva de las cadenas de ADN de la plantilla" . Revista de ciencia celular . 115 (Pt 11): 2381–8. doi : 10.1242 / jcs.115.11.2381 . PMID 12006622 . 
3. Smith, GH (2005). "Las células epiteliales de retención de etiquetas en la glándula mamaria de ratón se dividen asimétricamente y retienen sus cadenas de ADN de plantilla" . Desarrollo . 132 (4): 681–687. doi : 10.1242 / dev.01609 . PMID 15647322 . 
4. Lark, KG (1967). "Segregación no aleatoria de cromátidas hermanas en Vicia faba y Triticum boeoticum" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 58 (1): 352–359. Código bibliográfico : 1967PNAS ... 58..352L . doi : 10.1073 / pnas.58.1.352 . PMC 335640 . PMID 5231616 .  
5. Sherley, James L .; Tunstead, James R .; Lansita, Janice A .; Merok, Joshua R. (diciembre de 2002). "Cosegregación de cromosomas que contienen hebras de ADN inmortales en células que ciclan con cinética asimétrica de células madre" . Investigación del cáncer . 62 (23): 6791–6795. PMID 12460886 . 
6. Zeps, N .; Dawkins, HJ; Papadimitriou, JM; Redmond, SL; Walters, MI (diciembre de 1996). "Detección de una población de células longevas en el epitelio mamario del ratón" . Investigación de células y tejidos . 286 (3): 525–536. doi : 10.1007 / s004410050722 . ISSN 0302-766X . PMID 8929355 . S2CID 29700312 .   
7. Karpowicz, Phillip; Morshead, Cindi; Kam, Angela; Jervis, Eric; Ramunas, John; Cheng, Vincent; Van Der Kooy, Derek (2005). "Apoyo a la hipótesis de la cadena inmortal: las células madre neurales dividen el ADN asimétricamente in vitro" . The Journal of Cell Biology . 170 (5): 721–732. doi : 10.1083 / jcb.200502073 . PMC 2171352 . PMID 16115957 .  
8. Shinin, Vasily; Gayraud-Morel, Barbara; Gomès, Danielle; Tajbakhsh, Shahragim (2006). "División asimétrica y cosegregación de hebras de ADN de plantilla en células satélite de músculo adulto" . Biología celular de la naturaleza . 8 (7): 677–682. doi : 10.1038 / ncb1425 . PMID 16799552 . S2CID 21495596 .  
9. Conboy, Michael J .; Karasov, Ariela O .; Rando, Thomas A. (2007). "Alta incidencia de segregación de hebras de plantilla no aleatoria y determinación asimétrica del destino en la división de células madre y su progenie" . PLOS Biología . 5 (5): e102. doi : 10.1371 / journal.pbio.0050102 . PMC 1852584 . PMID 17439301 .  
10. Kuroki, Toshio; Murakami, Yoshinori (1989). "Segregación aleatoria de hebras de ADN en células basales epidérmicas" . Revista japonesa de investigación del cáncer . 80 (7): 637–642. doi : 10.1111 / j.1349-7006.1989.tb01690.x . PMC 5917816 . PMID 2507487 .  
11. Cairns, J. (2002). "Células madre somáticas y la cinética de mutagénesis y carcinogénesis" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 99 (16): 10567–10570. Código bibliográfico : 2002PNAS ... 9910567C . doi : 10.1073 / pnas.162369899 . PMC 124976 . PMID 12149477 .  
12. Tannenbaum, Emmanuel; Sherley, James L .; Shakhnovich, Eugene I. (2005). "Dinámica evolutiva de células madre adultas: comparación de mecanismos de segregación de hebra inmortal y aleatoria". Revisión E física . 71 (4): 041914. arXiv : q-bio / 0411048 . Código Bibliográfico : 2005PhRvE..71d1914T . doi : 10.1103 / physreve.71.041914 . PMID 15903708 . S2CID 11529637 .  
13. Armakolas, A .; Klar, AJS (2007). "Motor de dineína de izquierda a derecha implicada en la segregación selectiva de cromátidas en células de ratón". Ciencia . 315 (5808): 100–101. Código bibliográfico : 2007Sci ... 315..100A . doi : 10.1126 / science.1129429 . PMID 17204651 . S2CID 14884631 .  
14. Sapienza, Carmen (5 de enero de 2007). "¿Watson y Crick Motor de X a Z?". Ciencia . 315 (5808): 46–47. doi : 10.1126 / science.1137587 . PMID 17204629 . S2CID 45100452 .  
15. Haber, JE (2006). "Comentario sobre" El tipo de célula regula la segregación selectiva de hebras de ADN del cromosoma 7 de ratón en la mitosis " " . Ciencia . 313 (5790): 1045b. Código Bibliográfico : 2006Sci ... 313.1045H . doi : 10.1126 / science.1127836 . PMID 16931739 . 
16. Klar, Amar JS; Armakolas, Athanasios (25 de agosto de 2006). "Respuesta al comentario sobre" El tipo de célula regula la segregación selectiva de hebras de ADN del cromosoma 7 de ratón en la mitosis " " . Ciencia . 313 (5790): 1045. Bibcode : 2006Sci ... 313.1045K . doi : 10.1126 / science.1128552 . PMID 16931739 .