Propiedades conformacionales y energéticas de los intermediarios de replicación de DNA circular

Abstract

DNA topology changes continuously as replication proceeds. Unwinding of the DNA duplex by helicases is favored by negative supercoiling but it causes the progressive accumulation of positive supercoiling ahead of the replication forks. In covalent closed circular DNA molecules this torsional stress must be removed for the fork to keep advancing. Elimination of this positive torsional stress may be accomplished by topoisomerases acting solely ahead of the fork or simultaneously in the un-replicated and replicated regions after the diffusion of some positive torsional strain from the un-replicated to the replicated regions by the replication forks. In any case, once replication is completed fully replicated molecules are known to be heavily catenated and this catenation derives from pre-catenanes formed during replication. Although there is still controversy as to whether fork swiveling redistributes this positive torsional stress continuously or only as termination approaches, the forces that cause fork rotation and the generation of pre-catenanes are still poorly characterized. In this thesis, we used numerical simulations, based on the worm-like chain model and the Metropolis Monte Carlo method, to study the interchange of supercoiling and pre-catenation in a naked circular DNA molecule of 4440 bp partially replicated in vivo and in vitro. We propose that a dynamic gradient of elastic potential energy between the un-replicated and replicated regions drives fork swiveling allowing the interchange of supercoiling and pre-catenation.

La topología del DNA cambia continuamente a medida que avanza la replicación. El desenrollamiento de la doble cadena de DNA, llevado a cabo por la DNA helicasa, provoca la acumulación progresiva de superenrollamiento positivo por delante de las horquillas de replicación. En moléculas de DNA circular covalentemente cerrado este esfuerzo de torsión positivo debe eliminarse para que la horquilla siga avanzando y así continuar la replicación del DNA. La eliminación de este estrés torsional se puede lograr mediante topoisomerasas que actúan por delante de la horquilla o simultáneamente en las regiones no replicada y ya replicada de la molécula después de la migración del estrés torsional positivo hacia la región ya replicada mediante rotación de las horquillas de replicación. De cualquier manera, una vez terminada la replicación, las moléculas completamente replicadas están fuertemente encadenadas entre sí y este encadenamiento deriva de los pre-encadenados formados durante la replicación. Aunque todavía existe controversia sobre si la rotación de las horquillas de replicación redistribuye este estrés torsional positivo de forma continua o solo cuando se acerca la terminación de la replicación, las fuerzas que causan la rotación de las horquillas de replicación y la generación de pre-encadenados están aún poco caracterizadas. En la presente tesis utilizamos simulaciones numéricas, basadas en el modelo worm − like chain, el método Metrópolis Monte Carlo, para estudiar la distribución del estrés torsional en una molécula desnuda de DNA circular de 4440 pb parcialmente replicada en condiciones in vivo e in vitro. Proponemos que el gradiente de energía potencial elástica entre ambas regiones del Intermediario de Replicación impulsa el giro de las horquillas de replicación permitiendo el intercambio entre superenrollamiento y pre-encadenamiento.