¿Por qué algunas bacterias tienen la mayoría de los genes en la cadena principal del genoma?

El patrón que vemos en B. subtilis es bastante común en procariotas. El origen de la replicación se muestra en la parte superior del diagrama del genoma. La replicación del ADN procede bidireccionalmente desde este punto. En el diagrama de B. subtilis , la mayoría de los genes están ubicados a lo largo de la cadena principal en cada dirección. Incluso en E. coli, por cierto, genes importantes, incluidos todos los ARNr, tienden a aparecer en la cadena principal.

¿Porqué es eso? Las bacterias de rápido crecimiento replican sus genomas la mayor parte o todo el tiempo , por lo que la replicación y la transcripción ocurren al mismo tiempo. Si los genes están en la hebra rezagada, la transcripción del ARN procede en la dirección opuesta a la replicación del ADN, y la ADN polimerasa a menudo chocará con la ARN polimerasa. Sin embargo, si los genes están en la cadena principal, la transcripción del ARN procede en la misma dirección que la replicación y se minimizan las colisiones. De ahí la ventaja selectiva de colocar la mayoría de los genes a lo largo de la cadena principal.

Algunos genes también pueden estar en la hebra rezagada para apuntarlos a la mutagénesis (Paul et al. 2013, Million-Weaver et al 2015). Esto se remonta al concepto de colisiones de transcripción-replicación donde las colisiones frontales son peores que las colisiones codireccionales. Los genes frontales en realidad tienen una mayor tasa de mutación e incidencia de mutaciones convergentes, lo que sugiere que están mutados y evolucionan más rápido que los genes de cadena principal. Este es un proceso controlado en el sentido de que solo ocurre en los genes de cadena rezagada, y solo cuando el gen se transcribe (es decir, cuando se necesita). Se argumentó que esta es una forma en que las bacterias pueden controlar y aumentar o disminuir la tasa de evolución de manera controlada. Chen y Zhang argumentaron en contra basándose en un modelo basado en computadora. Es un concepto interesante que ha sido muy debatido.

EDITAR para aclaraciones y referencias adicionales:

Este diagrama de Chen y Zhang (2013) ayuda a mostrar lo que está pasando:

Leyenda: " Dibujo esquemático de una colisión entre una ADN polimerasa activa y una ARN polimerasa activa en bacterias. (a) Colisión codireccional cuando un gen está codificado en la hebra principal. (b) Colisión frontal cuando un gen está codificado en la cadena principal hebra rezagada Las flechas muestran las direcciones de movimiento ". (Chen y Zhang 2013)

algunas referencias

• La idea original se remonta casi 40 años atrás a Nomura M. y Morgan, EA (1977) Genética de los ribosomas bacterianos . año Rev. Genet. , 11, 297–347.

• Un artículo anterior sobre ARNr altamente transcrito en la cadena principal: Ellwood M. y Nomura,M. (1982) Ubicaciones cromosómicas de los genes para rRNA en Escherichia coli K-12. J. Bacteriol. , 149, 458–468.

• Un panorama reciente: Rocha, EP (2004). La organización relacionada con la replicación de los genomas bacterianos . Microbiología , 150(6), 1609-1627.

• Por qué algunos genes permanecen en la hebra rezagada: Chen, X. y Zhang, J. (2013). ¿Por qué los genes están codificados en la hebra rezagada del genoma bacteriano? . Biología y evolución del genoma , 5(12), 2436-2439.

• Paul, S., Million-Weaver, S., Chattopadhyay, S., Sokurenko, E. y Merrikh, H. (2013). Evolución acelerada de genes a través de conflictos de replicación-transcripción. Naturaleza 495, 512-515.

• Million-Weaver, S., Samadpour, AN, Moreno-Habel, DA, Nugent, P., Brittnacher, MJ, Weiss, E., Hayden, HS, Miller, SI, Liachko, I. y Merrikh, H. ( 2015b). Un mecanismo subyacente para el aumento de la mutagénesis de los genes de cadena retrasada en Bacillus subtilis. Proc Natl Acad Sci USA 112, E1096-1105.