Las reglas de Chargaff

Las reglas de Chargaff [dadas por Erwin Chargaff] establecen que en el ADN de cualquier especie y de cualquier organismo, la cantidad de guanina debe ser igual a la cantidad de citosina y la cantidad de La adenina debe ser igual a la cantidad de timina. Además, debería existir una proporción estequiométrica de 1:1 de bases púricas y pirimidínicas (es decir, A+G=T+C). Este patrón se encuentra en ambas hebras del ADN. Fueron descubiertos por el químico austriaco Erwin Chargaff, a finales de los años 1940.

Definiciones

Primera regla de paridad

La primera regla sostiene que una molécula de ADN de doble hebra, globalmente, tiene igualdad porcentual de pares de bases: A% = T% y G% = C%. La validación rigurosa de la regla constituye la base de los pares Watson-Crick en el modelo de doble hélice del ADN.

Segunda regla de paridad

La segunda regla sostiene que tanto Α% ≈ Τ% como G% ≈ C% son válidos para cada una de las dos cadenas de ADN. Esto describe sólo una característica global de la composición de bases en una sola cadena de ADN.

Investigación

La segunda regla de paridad fue descubierta en 1968. Establece que, en el ADN monocatenario, el número de unidades de adenina es aproximadamente igual al de timina (%A ≈ %T), y el número de unidades de citosina es aproximadamente igual al de guanina (%C ≈ %G).

La primera generalización empírica de la segunda regla de paridad de Chargaff, llamada Principio de Simetría, fue propuesta por Vinayakumar V. Prabhu en 1993. Este principio establece que para cualquier oligonucleótido dado, su frecuencia es aproximadamente igual a la frecuencia de su oligonucleótido inverso complementario. Michel E. B. Yamagishi y Roberto H. Herai derivaron matemáticamente una generalización teórica en 2011.

En 2006, se demostró que esta regla se aplica a cuatro de los cinco tipos de genomas bicatenarios; específicamente se aplica a los cromosomas eucariotas, los cromosomas bacterianos, los genomas virales de ADN bicatenario y los cromosomas de arqueas. No se aplica a genomas de organelos (mitocondrias y plastidios) de menos de ~20-30 kpb, ni a genomas de ADN monocatenario (virales) ni a ningún tipo de genoma de ARN. La base de esta regla aún está bajo investigación, aunque el tamaño del genoma puede influir.

La regla en sí tiene consecuencias. En la mayoría de los genomas bacterianos (que generalmente codifican entre un 80% y un 90%) los genes están dispuestos de tal manera que aproximadamente el 50% de la secuencia codificante se encuentra en cualquiera de las cadenas. Wacław Szybalski, en la década de 1960, demostró que en las secuencias codificantes de bacteriófagos las purinas (A y G) superan a las pirimidinas (C y T). Desde entonces, esta regla ha sido confirmada en otros organismos y probablemente debería denominarse ahora "regla de Szybalski". Si bien la regla de Szybalski se cumple en general, se sabe que existen excepciones. Aún no se conoce la base biológica del gobierno de Szybalski.

El efecto combinado de la segunda regla de Chargaff y la regla de Szybalski se puede observar en genomas bacterianos donde las secuencias codificantes no están distribuidas por igual. El código genético tiene 64 codones de los cuales 3 funcionan como codones de terminación: sólo hay 20 aminoácidos normalmente presentes en las proteínas. (Hay dos aminoácidos poco comunes, la selenocisteína y la pirrolisina, que se encuentran en un número limitado de proteínas y codificados por los codones de terminación, TGA y TAG, respectivamente). La falta de coincidencia entre el número de codones y aminoácidos permite que varios codones codifiquen un solo aminoácido: dichos codones normalmente difieren sólo en la posición de la base del tercer codón.

El análisis estadístico multivariado del uso de codones dentro de genomas con cantidades desiguales de secuencias codificantes en las dos cadenas ha demostrado que el uso de codones en la tercera posición depende de la cadena en la que se encuentra el gen. Es probable que esto sea el resultado de las reglas de Szybalski y Chargaff. Debido a la asimetría en el uso de pirimidina y purina en las secuencias codificantes, la cadena con mayor contenido codificante tenderá a tener el mayor número de bases púricas (regla de Szybalski). Debido a que el número de bases purínicas será, en una muy buena aproximación, igual al número de sus pirimidinas complementarias dentro de la misma cadena y, debido a que las secuencias codificantes ocupan entre el 80% y el 90% de la cadena, parece haber (1) una presión selectiva en la tercera base para minimizar el número de bases púricas en la cadena con mayor contenido codificante; y (2) que esta presión es proporcional al desajuste en la longitud de las secuencias codificantes entre las dos cadenas.

Se ha sugerido que el origen de la desviación de la regla de Chargaff en los orgánulos es una consecuencia del mecanismo de replicación. Durante la replicación las cadenas de ADN se separan. En el ADN monocatenario, la citosina se desamina espontáneamente y lentamente a adenosina (una transversión de C a A). Cuanto más tiempo estén separadas las hebras, mayor será la cantidad de desaminación. Por razones que aún no están claras, las hebras tienden a existir por más tiempo en forma única en las mitocondrias que en el ADN cromosómico. Este proceso tiende a producir una hebra enriquecida en guanina (G) y timina (T) con su complemento enriquecido en citosina (C) y adenosina (A), y este proceso puede haber dado lugar a las desviaciones encontradas en las mitocondrias.

La segunda regla de Chargaff parece ser la consecuencia de una regla de paridad más compleja: dentro de una sola cadena de ADN, cualquier oligonucleótido (k-mero o n-grama; longitud ≤ 10) está presente en números iguales a sus nucleótido complementario inverso. Debido a los requisitos computacionales, esto no se ha verificado en todos los genomas para todos los oligonucleótidos. Se ha verificado para oligonucleótidos tripletes en un gran conjunto de datos. Albrecht-Buehler ha sugerido que esta regla es consecuencia de que los genomas evolucionan mediante un proceso de inversión y transposición. Este proceso no parece haber actuado sobre los genomas mitocondriales. La segunda regla de paridad de Chargaff parece extenderse desde el nivel de nucleótidos a poblaciones de tripletes de codones, en el caso del ADN del genoma humano monocatenario completo. Una especie de "segunda regla de paridad de Chargaff a nivel de codones" se propone lo siguiente:

Relación entre porcentajes de poblaciones de codón

Primer codón	Segundo codón	Relación propuesta	Detalles
Twx (1a posición base es T)	yzA (3a posición base es A)	% Twx ${displaystyle simeq }$% yzA	Twx y yzA son codones espejo, por ejemplo. TCG y CGA
Cwx (1a posición base es C)	yzG (3a posición base es G)	% Cwx ${displaystyle simeq }$% yzG	Cwx y yzG son codones espejo, por ejemplo. CTA y TAG
wTx (2a posición base es T)	yAz (2a posición de base es A)	% wTx ${displaystyle simeq }$% yAz	wTx y yAz son codones espejo, por ejemplo. CTG y CAG
wCx (2a posición base es C)	yGz (2a posición base es G)	% wCx ${displaystyle simeq }$% yGz	wCx y yGz son codones espejo, por ejemplo. TCT y AGA
wxT (3a posición base es T)	Ayz (1a posición base es A)	% wxT ${displaystyle simeq }$% Ayz	wxT y Ayz son codones espejo, por ejemplo. CTT y AAG
wxC (3a posición base es C)	Gyz (1a posición base es G)	% wxC ${displaystyle simeq }$% Gyz	wxC y Gyz son codones espejo, por ejemplo. GGC y GCC

Ejemplos: calcular el genoma humano completo utilizando el primer marco de lectura de codones proporciona:

36530115 TTT y 36381293 AAA (ratio % = 1.00409). 2087242 TCG y 2085226 CGA (ratio % = 1.00096), etc...

En 2020, se sugiere que las propiedades físicas del dsDNA (ADN bicatenario) y la tendencia a la máxima entropía de todos los sistemas físicos son la causa de la segunda regla de paridad de Chargaff. Las simetrías y patrones presentes en las secuencias de ADNds pueden surgir únicamente de las peculiaridades físicas de la molécula de ADNds y del principio de máxima entropía, más que de la presión evolutiva biológica o ambiental.

Porcentajes de bases en el ADN

La siguiente tabla es una muestra representativa de los datos de Erwin Chargaff de 1952, que enumera la composición básica del ADN de varios organismos y respalda ambas reglas de Chargaff. Un organismo como φX174 con una variación significativa de A/T y G/C igual a uno, es indicativo de ADN monocatenario.