Reparación de ADN - DNA repair

Daño al ADN que resulta en múltiples cromosomas rotos

La reparación del ADN es una colección de procesos mediante los cuales una célula identifica y corrige el daño a las moléculas de ADN que codifican su genoma . En las células humanas, tanto las actividades metabólicas normales como los factores ambientales como la radiación pueden causar daño al ADN, lo que resulta en decenas de miles de lesiones moleculares individuales por célula por día. Muchas de estas lesiones causan daño estructural a la molécula de ADN y pueden alterar o eliminar la capacidad de la célula para transcribir el gen que codifica el ADN afectado. Otras lesiones inducen mutaciones potencialmente dañinas en el genoma de la célula, que afectan la supervivencia de sus células hijas después de que sufre mitosis . Como consecuencia, el proceso de reparación del ADN está constantemente activo, ya que responde al daño en la estructura del ADN. Cuando fallan los procesos de reparación normales y cuando no se produce la apoptosis celular , pueden producirse daños irreparables en el ADN, incluidas roturas de doble hebra y reticulaciones del ADN (reticulaciones entre hebras o ICL). Esto eventualmente puede conducir a tumores malignos o cáncer según la hipótesis de los dos golpes .

La velocidad de reparación del ADN depende de muchos factores, incluido el tipo de célula, la edad de la célula y el entorno extracelular. Una célula que ha acumulado una gran cantidad de daño en el ADN, o una que ya no repara eficazmente el daño sufrido en su ADN, puede entrar en uno de los tres estados posibles:

1. un estado irreversible de latencia, conocido como senescencia
2. suicidio celular, también conocido como apoptosis o muerte celular programada
3. la división celular no regulada, que puede conducir a la formación de un tumor que es canceroso

La capacidad de reparación del ADN de una célula es vital para la integridad de su genoma y, por lo tanto, para la funcionalidad normal de ese organismo. Muchos genes que inicialmente se demostró que influían en la duración de la vida resultaron estar involucrados en la reparación y protección del daño del ADN.

Reproducir medios

Paul Modrich habla de sí mismo y de su trabajo en la reparación del ADN.

El Premio Nobel de Química 2015 fue otorgado a Tomas Lindahl , Paul Modrich y Aziz Sancar por su trabajo sobre los mecanismos moleculares de los procesos de reparación del ADN.

Daño en el ADN

El daño del ADN, debido a factores ambientales y procesos metabólicos normales dentro de la célula, ocurre a una tasa de 10,000 a 1,000,000 de lesiones moleculares por célula por día. Si bien esto constituye solo el 0,000165% de los aproximadamente 6 mil millones de bases del genoma humano, las lesiones no reparadas en genes críticos (como los genes supresores de tumores ) pueden impedir la capacidad de una célula para llevar a cabo su función y aumentar apreciablemente la probabilidad de formación de tumores y contribuir a la heterogeneidad del tumor. .

La gran mayoría de los daños en el ADN afectan a la estructura primaria de la doble hélice; es decir, las propias bases están químicamente modificadas. Estas modificaciones, a su vez, pueden alterar la estructura helicoidal regular de las moléculas al introducir enlaces químicos no nativos o aductos voluminosos que no encajan en la doble hélice estándar. A diferencia de las proteínas y el ARN , el ADN generalmente carece de estructura terciaria y, por lo tanto, no se producen daños o alteraciones a ese nivel. Sin embargo, el ADN está superenrollado y enrollado alrededor de proteínas de "empaquetado" llamadas histonas (en eucariotas), y ambas superestructuras son vulnerables a los efectos del daño del ADN.

Fuentes

El daño al ADN se puede subdividir en dos tipos principales:

1. Daño endógeno como el ataque de especies reactivas de oxígeno producidas a partir de subproductos metabólicos normales (mutación espontánea), especialmente el proceso de desaminación oxidativa.
   1. también incluye errores de replicación
2. Daño exógeno causado por agentes externos como
   1. Radiación ultravioleta [UV 200–400 nm ] del sol u otras fuentes de luz artificial
   2. otras frecuencias de radiación, incluidos rayos X y rayos gamma
   3. hidrólisis o alteración térmica
   4. ciertas toxinas vegetales
   5. Sustancias químicas mutagénicas de origen humano , especialmente compuestos aromáticos que actúan como agentes intercalantes del ADN.
   6. virus

La replicación del ADN dañado antes de la división celular puede dar lugar a la incorporación de bases incorrectas frente a las dañadas. Las células hijas que heredan estas bases incorrectas portan mutaciones de las que la secuencia de ADN original es irrecuperable (excepto en el raro caso de una mutación inversa , por ejemplo, a través de la conversión genética ).

Tipos

Existen varios tipos de daño al ADN debido a procesos celulares endógenos:

1. oxidación de bases [por ejemplo, 8-oxo-7,8-dihidroguanina (8-oxoG)] y generación de interrupciones de la cadena de ADN a partir de especies reactivas de oxígeno,
2. alquilación de bases (generalmente metilación ), como la formación de 7-metilguanosina , 1-metiladenina, 6-O-metilguanina
3. hidrólisis de bases, como desaminación , depurinación y despirimidinación.
4. "formación de aductos voluminosos" (p. ej., aducto de benzo [a] pireno diol epóxido-dG, aducto de aristolactama I-dA)
5. desajuste de bases, debido a errores en la replicación del ADN , en los que la base de ADN incorrecta se une en su lugar en una hebra de ADN recién formada, o una base de ADN se omite o se inserta por error.
6. Daño por monoaducto causado por cambio en una base nitrogenada única del ADN
7. Daño del diadducto

El daño causado por agentes exógenos se presenta de muchas formas. Algunos ejemplos son:

1. La luz UV-B provoca la reticulación entre las bases adyacentes de citosina y timina creando dímeros de pirimidina . A esto se le llama daño directo del ADN .
2. La luz UV-A crea principalmente radicales libres . El daño causado por los radicales libres se llama daño indirecto del ADN .
3. La radiación ionizante , como la creada por la desintegración radiactiva o en los rayos cósmicos, provoca roturas en las hebras de ADN. La radiación ionizante de nivel intermedio puede inducir un daño irreparable del ADN (que conduce a errores de replicación y transcripción necesarios para la neoplasia o puede desencadenar interacciones virales) que conduce al envejecimiento prematuro y al cáncer.
4. La interrupción térmica a temperatura elevada aumenta la tasa de depurinación (pérdida de bases de purina de la columna vertebral del ADN) y roturas de una sola hebra. Por ejemplo, la depurinación hidrolítica se observa en las bacterias termófilas , que crecen en aguas termales a 40–80 ° C. La tasa de depurinación (300 residuos de purina por genoma por generación) es demasiado alta en estas especies para ser reparada por la maquinaria de reparación normal, por lo que no se puede descartar la posibilidad de una respuesta adaptativa .
5. Los productos químicos industriales como el cloruro de vinilo y el peróxido de hidrógeno , y los productos químicos ambientales como los hidrocarburos aromáticos policíclicos que se encuentran en el humo, el hollín y el alquitrán crean una gran diversidad de aductos de ADN: etenobases, bases oxidadas, fosfotriésteres alquilados y entrecruzamiento del ADN , solo por nombrar algunos. .

El daño por rayos UV, la alquilación / metilación, el daño por rayos X y el daño oxidativo son ejemplos de daño inducido. El daño espontáneo puede incluir la pérdida de una base, desaminación, fruncimiento del anillo de azúcar y cambio tautomérico. El daño constitutivo (espontáneo) del ADN causado por oxidantes endógenos puede detectarse como un nivel bajo de fosforilación de histona H2AX en células no tratadas.

Nuclear versus mitocondrial

En las células humanas y en las células eucariotas en general, el ADN se encuentra en dos ubicaciones celulares: dentro del núcleo y dentro de las mitocondrias . El ADN nuclear (ADNn) existe como cromatina durante las etapas no replicativas del ciclo celular y se condensa en estructuras agregadas conocidas como cromosomas durante la división celular . En cualquier estado, el ADN está muy compactado y enrollado alrededor de proteínas en forma de perlas llamadas histonas . Siempre que una célula necesita expresar la información genética codificada en su ADNn, la región cromosómica requerida se desentraña, los genes ubicados en ella se expresan y luego la región se condensa de nuevo a su conformación en reposo. El ADN mitocondrial (ADNmt) se encuentra dentro de los orgánulos mitocondriales , existe en múltiples copias y también está estrechamente asociado con una serie de proteínas para formar un complejo conocido como nucleoide. Dentro de las mitocondrias, las especies reactivas de oxígeno (ROS) o radicales libres , subproductos de la producción constante de trifosfato de adenosina (ATP) a través de la fosforilación oxidativa , crean un entorno altamente oxidativo que se sabe que daña el mtDNA. Una enzima fundamental para contrarrestar la toxicidad de estas especies es la superóxido dismutasa , que está presente tanto en las mitocondrias como en el citoplasma de las células eucariotas.

Senescencia y apoptosis

La senescencia, un proceso irreversible en el que la célula ya no se divide , es una respuesta protectora al acortamiento de los extremos de los cromosomas, llamados telómeros . Los telómeros son regiones largas de ADN repetitivo no codificante que cubren los cromosomas y sufren una degradación parcial cada vez que una célula se divide (ver el límite de Hayflick ). Por el contrario, la quiescencia es un estado reversible de latencia celular que no está relacionado con el daño del genoma (ver ciclo celular ). La senescencia en las células puede servir como una alternativa funcional a la apoptosis en los casos en que el organismo requiera la presencia física de una célula por razones espaciales, lo que sirve como un mecanismo de "último recurso" para evitar que una célula con ADN dañado se replique de manera inapropiada en el ausencia de señalización celular pro-crecimiento . La división celular no regulada puede conducir a la formación de un tumor (ver cáncer ), que es potencialmente letal para un organismo. Por tanto, la inducción de senescencia y apoptosis se considera parte de una estrategia de protección frente al cáncer.

Mutación

Es importante distinguir entre el daño y la mutación del ADN, los dos tipos principales de error en el ADN. El daño y la mutación del ADN son fundamentalmente diferentes. El daño da lugar a anomalías físicas en el ADN, como roturas de una o dos hebras, residuos de 8-hidroxidesoxiguanosina y aductos de hidrocarburos aromáticos policíclicos. El daño del ADN puede ser reconocido por enzimas y, por lo tanto, puede repararse correctamente si se dispone de información redundante, como la secuencia no dañada en la hebra de ADN complementaria o en un cromosoma homólogo, para copiar. Si una célula retiene el ADN dañado, se puede prevenir la transcripción de un gen y, por lo tanto, también se bloqueará la traducción a una proteína. La replicación también puede bloquearse o la célula puede morir.

A diferencia del daño del ADN, una mutación es un cambio en la secuencia de bases del ADN. Una mutación no puede ser reconocida por las enzimas una vez que el cambio de base está presente en ambas cadenas de ADN y, por lo tanto, una mutación no puede repararse. A nivel celular, las mutaciones pueden provocar alteraciones en la función y regulación de las proteínas. Las mutaciones se replican cuando la célula se replica. En una población de células, la frecuencia de las células mutantes aumentará o disminuirá según los efectos de la mutación sobre la capacidad de la célula para sobrevivir y reproducirse.

Aunque son claramente diferentes entre sí, el daño y la mutación del ADN están relacionados porque el daño del ADN a menudo causa errores de síntesis de ADN durante la replicación o reparación; estos errores son una fuente importante de mutación.

Dadas estas propiedades del daño y la mutación del ADN, se puede ver que el daño del ADN es un problema especial en las células que no se dividen o que se dividen lentamente, donde el daño no reparado tenderá a acumularse con el tiempo. Por otro lado, en las células que se dividen rápidamente, el daño del ADN no reparado que no mata a la célula bloqueando la replicación tenderá a causar errores de replicación y, por lo tanto, mutación. La gran mayoría de las mutaciones que no son neutrales en su efecto son perjudiciales para la supervivencia de una célula. Por tanto, en una población de células que componen un tejido con células en replicación, las células mutantes tenderán a perderse. Sin embargo, las mutaciones poco frecuentes que proporcionan una ventaja de supervivencia tenderán a expandirse clonalmente a expensas de las células vecinas en el tejido. Esta ventaja para la célula es desventajosa para todo el organismo porque tales células mutantes pueden dar lugar a cáncer. Por lo tanto, el daño del ADN en células que se dividen con frecuencia, debido a que da lugar a mutaciones, es una causa importante de cáncer. Por el contrario, el daño del ADN en las células que se dividen con poca frecuencia es probablemente una causa importante del envejecimiento.

Mecanismos

Las células no pueden funcionar si el daño del ADN corrompe la integridad y la accesibilidad de la información esencial en el genoma (pero las células permanecen superficialmente funcionales cuando faltan o están dañados genes no esenciales). Dependiendo del tipo de daño infligido a la estructura de doble hélice del ADN, se han desarrollado una variedad de estrategias de reparación para restaurar la información perdida. Si es posible, las células utilizan la hebra complementaria no modificada del ADN o la cromátida hermana como plantilla para recuperar la información original. Sin acceso a una plantilla, las células utilizan un mecanismo de recuperación propenso a errores conocido como síntesis de translesión como último recurso.

El daño al ADN altera la configuración espacial de la hélice, y la célula puede detectar tales alteraciones. Una vez que se localiza el daño, las moléculas de reparación de ADN específicas se unen en o cerca del sitio del daño, lo que induce a otras moléculas a unirse y formar un complejo que permite que tenga lugar la reparación real.

Inversión directa

Se sabe que las células eliminan tres tipos de daño a su ADN revirtiéndolo químicamente. Estos mecanismos no requieren una plantilla, ya que los tipos de daño que contrarrestan pueden ocurrir solo en una de las cuatro bases. Dichos mecanismos de inversión directa son específicos del tipo de daño incurrido y no implican la rotura de la columna vertebral del fosfodiéster. La formación de dímeros de pirimidina tras la irradiación con luz ultravioleta da como resultado un enlace covalente anormal entre bases de pirimidina adyacentes. El proceso de fotorreactivación revierte directamente este daño mediante la acción de la enzima fotoliasa , cuya activación depende obligatoriamente de la energía absorbida por la luz azul / UV ( longitud de onda de 300 a 500 nm ) para promover la catálisis. La fotoliasa, una vieja enzima presente en bacterias , hongos y la mayoría de los animales, ya no funciona en los seres humanos, que en su lugar utilizan la reparación por escisión de nucleótidos para reparar el daño de la irradiación ultravioleta. Otro tipo de daño, la metilación de las bases de guanina, es revertido directamente por la proteína metil guanina metil transferasa (MGMT), cuyo equivalente bacteriano se llama ogt . Este es un proceso costoso porque cada molécula de MGMT se puede usar solo una vez; es decir, la reacción es estequiométrica en lugar de catalítica . Una respuesta generalizada a los agentes metilantes en bacterias se conoce como respuesta adaptativa y confiere un nivel de resistencia a los agentes alquilantes tras la exposición sostenida por regulación al alza de las enzimas reparadoras de alquilación. El tercer tipo de daño del ADN revertido por las células es cierta metilación de las bases citosina y adenina.

Daño de una sola hebra

Estructura de la enzima reparadora de escisión de base uracilo-ADN glicosilasa que escinde un residuo de uracilo producido hidrolíticamente del ADN. El residuo de uracilo se muestra en amarillo.

Cuando solo una de las dos hebras de una doble hélice tiene un defecto, la otra hebra se puede utilizar como plantilla para guiar la corrección de la hebra dañada. Para reparar el daño a una de las dos moléculas emparejadas de ADN, existen varios mecanismos de reparación por escisión que eliminan el nucleótido dañado y lo reemplazan con un nucleótido no dañado complementario al que se encuentra en la hebra de ADN intacta.

1. Reparación por escisión de base (BER): las bases individuales o los nucleótidos dañados se reparan con mayor frecuencia eliminando la base o el nucleótido involucrado y luego insertando la base o el nucleótido correcto. En la reparación por escisión de la base, una enzima glicosilasa elimina la base dañada del ADN al escindir el enlace entre la base y la desoxirribosa. Estas enzimas eliminan una sola base para crear un sitio apurínico o apirimidínico ( sitio AP ). Enzimas llamadas AP endonucleasas de nick la columna vertebral del ADN dañado en el sitio AP. La ADN polimerasa luego elimina la región dañada usando su actividad exonucleasa 5 'a 3' y sintetiza correctamente la nueva hebra usando la hebra complementaria como plantilla. Luego, el espacio se sella con la enzima ADN ligasa.
2. Reparación por escisión de nucleótidos (NER): el daño voluminoso que distorsiona la hélice, como la dimerización de pirimidina causada por la luz ultravioleta, generalmente se repara mediante un proceso de tres pasos. Primero se reconoce el daño, luego se eliminan hebras de ADN de 12-24 nucleótidos de longitud tanto aguas arriba como aguas abajo del sitio de daño mediante endonucleasas , y luego se resintetiza la región de ADN eliminada. NER es un mecanismo de reparación altamente conservado evolutivamente y se usa en casi todas las células eucariotas y procariotas. En los procariotas, la NER está mediada por proteínas Uvr . En eucariotas, están involucradas muchas más proteínas, aunque la estrategia general es la misma.
3. Los sistemas de reparación de desajustes están presentes en prácticamente todas las celdas para corregir errores que no se corrigen mediante la revisión . Estos sistemas constan de al menos dos proteínas. Uno detecta el desajuste y el otro recluta una endonucleasa que escinde la cadena de ADN recién sintetizada cerca de la región dañada. En E. coli , las proteínas involucradas son las proteínas de la clase Mut: MutS, MutL y MutH. En la mayoría de los eucariotas, el análogo de MutS es MSH y el análogo de MutL es MLH. MutH solo está presente en bacterias. A esto le sigue la eliminación de la región dañada por una exonucleasa, la resíntesis por la ADN polimerasa y el sellado de muescas por la ADN ligasa.

Roturas de doble hebra

Modelos de vías de reparación de roturas de doble hebra

Las roturas de doble hebra, en las que se cortan ambas hebras de la doble hélice, son particularmente peligrosas para la célula porque pueden conducir a reordenamientos del genoma. De hecho, cuando una rotura de doble hebra se acompaña de un entrecruzamiento que une las dos hebras en el mismo punto, ninguna hebra puede utilizarse como plantilla para los mecanismos de reparación, de modo que la célula no podrá completar la mitosis cuando luego se divide y morirá o, en casos raros, sufrirá una mutación. Existen tres mecanismos para reparar roturas de doble hebra (DSB): unión de extremos no homólogos (NHEJ), unión de extremos mediada por microhomología (MMEJ) y recombinación homóloga (HR). En un sistema in vitro , MMEJ se produjo en células de mamíferos a niveles del 10-20% de la HR cuando también se disponía de mecanismos de HR y NHEJ.

La ADN ligasa, que se muestra arriba reparando el daño cromosómico, es una enzima que une los nucleótidos rotos al catalizar la formación de un enlace éster internucleotídico entre la cadena principal de fosfato y los nucleótidos de desoxirribosa.

En NHEJ, DNA Ligase IV , una DNA ligasa especializada que forma un complejo con el cofactor XRCC4 , une directamente los dos extremos. Para guiar la reparación precisa, NHEJ se basa en secuencias homólogas cortas llamadas microhomologías presentes en las colas monocatenarias de los extremos del ADN que se van a unir. Si estos voladizos son compatibles, la reparación suele ser precisa. NHEJ también puede introducir mutaciones durante la reparación. La pérdida de nucleótidos dañados en el sitio de ruptura puede provocar deleciones y la unión de terminales que no coinciden forma inserciones o translocaciones. El NHEJ es especialmente importante antes de que la célula haya replicado su ADN, ya que no hay una plantilla disponible para la reparación mediante recombinación homóloga. Hay rutas NHEJ "de respaldo" en eucariotas superiores . Además de su función como cuidador del genoma, el NHEJ es necesario para unir las roturas de doble hebra en horquilla inducidas durante la recombinación V (D) J , el proceso que genera diversidad en los receptores de células B y T en el sistema inmunológico de los vertebrados .

La recombinación homóloga requiere la presencia de una secuencia idéntica o casi idéntica que se utilizará como molde para reparar la rotura. La maquinaria enzimática responsable de este proceso de reparación es casi idéntica a la maquinaria responsable del cruce cromosómico durante la meiosis. Esta vía permite reparar un cromosoma dañado utilizando una cromátida hermana (disponible en G2 después de la replicación del ADN) o un cromosoma homólogo como plantilla. Los DSB causados ​​por la maquinaria de replicación que intenta sintetizar a través de una rotura de una sola hebra o una lesión no reparada provocan el colapso de la horquilla de replicación y, por lo general, se reparan mediante recombinación.

MMEJ comienza con la resección del extremo de corto alcance por la nucleasa MRE11 a cada lado de una rotura de doble hebra para revelar regiones de microhomología. En pasos posteriores, se requiere poli (ADP-ribosa) polimerasa 1 (PARP1) y puede ser un paso temprano en MMEJ. Hay un emparejamiento de regiones de microhomología seguido del reclutamiento de la endonucleasa 1 específica de la estructura del colgajo (FEN1) para eliminar los colgajos que sobresalen. A esto le sigue el reclutamiento de XRCC1 - LIG3 en el sitio para ligar los extremos del ADN, lo que lleva a un ADN intacto. MMEJ siempre va acompañado de una deleción, por lo que MMEJ es una vía mutagénica para la reparación del ADN.

El extremófilo Deinococcus radiodurans tiene una capacidad notable para sobrevivir al daño del ADN causado por la radiación ionizante y otras fuentes. Al menos dos copias del genoma, con roturas de ADN aleatorias, pueden formar fragmentos de ADN mediante el apareamiento . Los fragmentos que se superponen parcialmente se utilizan luego para la síntesis de regiones homólogas a través de un bucle D en movimiento que puede continuar la extensión hasta que encuentran cadenas asociadas complementarias. En el paso final hay un cruce mediante recombinación homóloga dependiente de RecA .

Las topoisomerasas introducen roturas de hebra simple y doble en el curso del cambio del estado de superenrollamiento del ADN , que es especialmente común en regiones cercanas a una bifurcación de replicación abierta. Tales roturas no se consideran daños en el ADN porque son un intermediario natural en el mecanismo bioquímico de la topoisomerasa y son reparadas inmediatamente por las enzimas que las crearon.

Otro tipo de roturas de doble hebra del ADN se origina en los sitios sensibles al calor o lábiles al calor del ADN. Estos sitios de ADN no son DSB iniciales. Sin embargo, se convierten en DSB después de un tratamiento con temperatura elevada. La irradiación ionizante puede inducir una forma muy compleja de daño del ADN como daño agrupado. Consiste en diferentes tipos de lesiones de ADN en varias ubicaciones de la hélice de ADN. Algunas de estas lesiones localizadas cerca probablemente se pueden convertir en DSB por exposición a altas temperaturas. Pero la naturaleza exacta de estas lesiones y sus interacciones aún no se han descubierto.

Síntesis de translesión

Síntesis translesion (TLS) es un proceso de tolerancia al daño de ADN que permite la replicación del ADN maquinaria para replicar las lesiones del ADN últimos tales como dímeros de timina o sitios de AP . Implica cambiar las ADN polimerasas regulares por polimerasas de translesión especializadas (es decir, ADN polimerasa IV o V, de la familia de la polimerasa Y), a menudo con sitios activos más grandes que pueden facilitar la inserción de bases opuestas a los nucleótidos dañados. Se cree que el cambio de polimerasa está mediado, entre otros factores, por la modificación postraduccional del factor de procesividad de replicación PCNA . Las polimerasas de síntesis de translesión a menudo tienen baja fidelidad (alta propensión a insertar bases incorrectas) en plantillas no dañadas en relación con las polimerasas regulares. Sin embargo, muchos son extremadamente eficientes para insertar bases correctas frente a tipos específicos de daño. Por ejemplo, Pol η media el desvío sin errores de las lesiones inducidas por irradiación UV , mientras que Pol ι introduce mutaciones en estos sitios. Se sabe que Pol η agrega la primera adenina a través del fotodímero T ^ T usando el emparejamiento de bases Watson-Crick y la segunda adenina se agregará en su conformación syn usando el emparejamiento de bases de Hoogsteen . Desde una perspectiva celular, arriesgarse a la introducción de mutaciones puntuales durante la síntesis de translesión puede ser preferible a recurrir a mecanismos más drásticos de reparación del ADN, que pueden causar grandes aberraciones cromosómicas o muerte celular. En resumen, el proceso implica polimerasas especializadas que evitan o reparan lesiones en lugares de replicación del ADN estancada. Por ejemplo, la ADN polimerasa eta humana puede eludir lesiones complejas del ADN como la reticulación intracatenaria de guanina-timina, G [8,5-Me] T, aunque puede causar mutaciones dirigidas y semidirigidas. Paromita Raychaudhury y Ashis Basu estudiaron la toxicidad y mutagénesis de la misma lesión en Escherichia coli mediante la replicación de un plásmido modificado con G [8,5-Me] T en E. coli con knockouts específicos de la ADN polimerasa. La viabilidad fue muy baja en una cepa que carece de pol II, pol IV y pol V, las tres ADN polimerasas inducibles por SOS, lo que indica que la síntesis de translesión se realiza principalmente por estas ADN polimerasas especializadas. Se proporciona una plataforma de derivación a estas polimerasas mediante el antígeno nuclear de células proliferantes (PCNA). En circunstancias normales, el PCNA unido a las polimerasas replica el ADN. En el sitio de la lesión , el PCNA es ubiquitinado o modificado por las proteínas RAD6 / RAD18 para proporcionar una plataforma para que las polimerasas especializadas eludan la lesión y reanuden la replicación del ADN. Después de la síntesis de translesión, se requiere extensión. Esta extensión puede llevarse a cabo mediante una polimerasa replicativa si el TLS está libre de errores, como en el caso de Pol η, pero si el TLS da como resultado un desajuste, se necesita una polimerasa especializada para extenderlo; Pol ζ . Pol ζ es único en el sentido de que puede extender los desajustes terminales, mientras que las polimerasas más procesivas no pueden. Entonces, cuando se encuentra una lesión, la bifurcación de replicación se detendrá, PCNA cambiará de una polimerasa procesiva a una polimerasa TLS como Pol ι para reparar la lesión, luego PCNA puede cambiar a Pol ζ para extender el desajuste, y el último PCNA cambiará a la polimerasa procesiva para continuar la replicación.

Respuesta global al daño del ADN

Las células expuestas a radiación ionizante , luz ultravioleta o productos químicos son propensas a adquirir múltiples sitios de lesiones voluminosas del ADN y roturas de doble hebra. Además, los agentes que dañan el ADN pueden dañar otras biomoléculas como proteínas , carbohidratos , lípidos y ARN . La acumulación de daño, para ser específicos, roturas de doble hebra o aductos que detienen las horquillas de replicación , se encuentran entre las señales de estimulación conocidas para una respuesta global al daño del ADN. La respuesta global al daño es un acto dirigido hacia la propia preservación de las células y desencadena múltiples vías de reparación macromolecular, derivación de lesiones, tolerancia o apoptosis . Las características comunes de la respuesta global son la inducción de múltiples genes , la detención del ciclo celular y la inhibición de la división celular .

Pasos iniciales

El empaquetado de ADN eucariota en cromatina presenta una barrera para todos los procesos basados ​​en ADN que requieren el reclutamiento de enzimas en sus sitios de acción. Para permitir la reparación del ADN, se debe remodelar la cromatina . En eucariotas, los complejos remodeladores de cromatina dependientes de ATP y las enzimas modificadoras de histonas son dos factores predominantes empleados para lograr este proceso de remodelado.

La relajación de la cromatina se produce rápidamente en el lugar del daño del ADN. En uno de los primeros pasos, la proteína cinasa activada por estrés, c-Jun N-terminal cinasa (JNK) , fosforila SIRT6 en la serina 10 en respuesta a roturas de doble cadena u otros daños en el ADN. Esta modificación postraduccional facilita la movilización de SIRT6 a los sitios de daño del ADN y es necesaria para el reclutamiento eficaz de la poli (ADP-ribosa) polimerasa 1 (PARP1) en los sitios de rotura del ADN y para la reparación eficaz de los DSB. La proteína PARP1 comienza a aparecer en los sitios de daño del ADN en menos de un segundo, con la mitad de la acumulación máxima en 1,6 segundos después de que ocurre el daño. PARP1 sintetiza cadenas poliméricas de adenosina difosfato ribosa (poli (ADP-ribosa) o PAR) sobre sí misma. A continuación, el remodelador de cromatina ALC1 se adhiere rápidamente al producto de la acción de PARP1, una cadena de ribosa de poli-ADP, y ALC1 completa la llegada al daño del ADN dentro de los 10 segundos posteriores a la aparición del daño. Aproximadamente la mitad de la relajación máxima de la cromatina, presumiblemente debido a la acción de ALC1, se produce a los 10 segundos. Esto luego permite el reclutamiento de la enzima de reparación del ADN MRE11 , para iniciar la reparación del ADN, en 13 segundos.

γH2AX, la forma fosforilada de H2AX también participa en los primeros pasos que conducen a la descondensación de la cromatina después de la rotura de la doble cadena del ADN. La variante de histona H2AX constituye aproximadamente el 10% de las histonas H2A en la cromatina humana. γH2AX (H2AX fosforilado en serina 139) puede detectarse tan pronto como 20 segundos después de la irradiación de las células (con formación de rotura de doble hebra del ADN), y la mitad de la acumulación máxima de γH2AX ocurre en un minuto. El grado de cromatina con γH2AX fosforilado es de aproximadamente dos millones de pares de bases en el sitio de una ruptura de la doble hebra del ADN. El γH2AX no causa, por sí mismo, la descondensación de la cromatina, pero dentro de los 30 segundos posteriores a la irradiación, la proteína RNF8 puede detectarse en asociación con γH2AX. RNF8 media la descondensación extensa de cromatina, a través de su interacción posterior con CHD4 , un componente de la remodelación del nucleosoma y del complejo de desacetilasa NuRD .

DDB2 ocurre en un complejo heterodimérico con DDB1 . Este complejo se vuelve más complejo con la proteína ligasa de ubiquitina CUL4A y con PARP1 . Este complejo más grande se asocia rápidamente con el daño inducido por los rayos ultravioleta dentro de la cromatina, con la mitad de la asociación máxima completada en 40 segundos. La proteína PARP1, unida a DDB1 y DDB2, luego PARila (crea una cadena de ribosa poli-ADP) en DDB2 que atrae a la proteína de remodelación del ADN ALC1 . La acción de ALC1 relaja la cromatina en el sitio del daño UV al ADN. Esta relajación permite que otras proteínas en la vía de reparación por escisión de nucleótidos entren en la cromatina y repare los daños del dímero de pirimidina de ciclobutano inducidos por UV .

Después de la remodelación rápida de la cromatina , los puntos de control del ciclo celular se activan para permitir que se produzca la reparación del ADN antes de que avance el ciclo celular. Primero, dos quinasas , ATM y ATR se activan dentro de los 5 o 6 minutos después de que se daña el ADN. A esto le sigue la fosforilación de la proteína del punto de control del ciclo celular Chk1 , que inicia su función, aproximadamente 10 minutos después de que el ADN se daña.

Puntos de control de daños en el ADN

Después del daño del ADN, se activan los puntos de control del ciclo celular . La activación del punto de control detiene el ciclo celular y le da tiempo a la celda para reparar el daño antes de continuar dividiéndose. Los puntos de control de daños en el ADN ocurren en los límites G1 / S y G2 / M. También existe un punto de control intra- S . La activación del punto de control está controlada por dos quinasas maestras , ATM y ATR . ATM responde a roturas de doble cadena de ADN y alteraciones en la estructura de la cromatina, mientras que ATR responde principalmente a las bifurcaciones de replicación estancadas . Estas quinasas fosforilan los objetivos aguas abajo en una cascada de transducción de señales , lo que finalmente conduce a la detención del ciclo celular. También se ha identificado una clase de proteínas mediadoras de puntos de control que incluyen BRCA1 , MDC1 y 53BP1 . Estas proteínas parecen ser necesarias para transmitir la señal de activación del punto de control a las proteínas posteriores.

El punto de control de daño del ADN es una vía de transducción de señales que bloquea la progresión del ciclo celular en G1, G2 y metafase y ralentiza la velocidad de progresión de la fase S cuando el ADN está dañado. Conduce a una pausa en el ciclo celular que le da tiempo a la célula para reparar el daño antes de continuar dividiéndose.

Checkpoint Las proteínas se pueden separar en cuatro grupos: fosfatidilinositol 3-quinasa (PI3K) -como la proteína quinasa , antígeno nuclear de proliferación celular (PCNA) -como grupo, dos serina / treonina (S / T) quinasas y sus adaptadores. En el centro de todas las respuestas de los puntos de control inducidos por daños en el ADN se encuentra un par de proteínas quinasas grandes que pertenecen al primer grupo de proteínas quinasas similares a PI3K: las quinasas ATM ( Ataxia telangiectasia mutada ) y ATR (Ataxia y Rad), cuya secuencia y funciones se han conservado bien en la evolución. Toda respuesta al daño del ADN requiere ATM o ATR porque tienen la capacidad de unirse a los cromosomas en el sitio del daño del ADN, junto con proteínas accesorias que son plataformas en las que se pueden ensamblar los componentes de la respuesta al daño del ADN y los complejos de reparación del ADN.

Un objetivo importante aguas abajo de ATM y ATR es p53 , ya que es necesario para inducir la apoptosis después del daño del ADN. El inhibidor de la quinasa dependiente de ciclina p21 es inducido por mecanismos tanto dependientes de p53 como independientes de p53 y puede detener el ciclo celular en los puntos de control G1 / S y G2 / M desactivando los complejos de quinasa dependientes de ciclina / ciclina .

La respuesta SOS procariota

La respuesta SOS son los cambios en la expresión génica de Escherichia coli y otras bacterias en respuesta a un daño extenso del ADN. El sistema procariótico SOS está regulado por dos proteínas clave: LexA y RecA . El homodímero LexA es un represor de la transcripción que se une a las secuencias del operador comúnmente denominadas cajas SOS. En Escherichia coli se sabe que LexA regula la transcripción de aproximadamente 48 genes, incluidos los genes lexA y recA. Se sabe que la respuesta SOS está muy extendida en el dominio de las bacterias, pero en su mayoría está ausente en algunos filos bacterianos, como las espiroquetas . Las señales celulares más comunes que activan la respuesta SOS son regiones de ADN monocatenario (ssDNA), que surgen de bifurcaciones de replicación estancadas o roturas de doble cadena, que son procesadas por la helicasa de ADN para separar las dos cadenas de ADN. En el paso de iniciación, la proteína RecA se une al ssDNA en una reacción impulsada por la hidrólisis de ATP creando filamentos RecA-ssDNA. Los filamentos RecA-ssDNA activan la actividad autoproteasa de LexA , que en última instancia conduce a la escisión del dímero de LexA y la posterior degradación de LexA. La pérdida del represor LexA induce la transcripción de los genes SOS y permite una mayor inducción de señales, inhibición de la división celular y un aumento en los niveles de proteínas responsables del procesamiento del daño.

En Escherichia coli , las cajas SOS son secuencias de 20 nucleótidos de largo cerca de los promotores con estructura palindrómica y un alto grado de conservación de la secuencia. En otras clases y filos, la secuencia de cajas SOS varía considerablemente, con diferente longitud y composición, pero siempre está muy conservada y es una de las señales cortas más fuertes del genoma. El alto contenido de información de las cajas SOS permite la unión diferencial de LexA a diferentes promotores y permite la sincronización de la respuesta SOS. Los genes de reparación de lesiones se inducen al comienzo de la respuesta SOS. Las polimerasas de translesión propensas a errores, por ejemplo, UmuCD'2 (también llamada ADN polimerasa V), se inducen posteriormente como último recurso. Una vez que se repara o evita el daño en el ADN mediante polimerasas o mediante recombinación, la cantidad de ADN monocatenario en las células disminuye, al disminuir las cantidades de filamentos de RecA se reduce la actividad de escisión del homodímero LexA, que luego se une a las cajas SOS cerca de los promotores y se restaura. expresión génica normal.

Respuestas transcripcionales eucariotas al daño del ADN

Las células eucariotas expuestas a agentes que dañan el ADN también activan importantes vías defensivas al inducir múltiples proteínas involucradas en la reparación del ADN, el control del punto de control del ciclo celular , el tráfico y la degradación de proteínas. Esta respuesta transcripcional de todo el genoma es muy compleja y está estrictamente regulada, lo que permite una respuesta global coordinada al daño. La exposición de la levadura Saccharomyces cerevisiae a agentes que dañan el ADN da como resultado perfiles transcripcionales superpuestos pero distintos. Las similitudes con la respuesta al choque ambiental indican que existe una vía de respuesta al estrés global general en el nivel de activación transcripcional. Por el contrario, los diferentes tipos de células humanas responden al daño de manera diferente, lo que indica la ausencia de una respuesta global común. La explicación probable de esta diferencia entre las células de levadura y humanas puede estar en la heterogeneidad de las células de mamíferos . En un animal, diferentes tipos de células se distribuyen entre diferentes órganos que han desarrollado diferentes sensibilidades al daño del ADN.

En general, la respuesta global al daño del ADN implica la expresión de múltiples genes responsables de la reparación posreplicación , la recombinación homóloga, la reparación por escisión de nucleótidos, el punto de control del daño del ADN , la activación transcripcional global, los genes que controlan la descomposición del ARNm y muchos otros. Una gran cantidad de daño a una célula la deja con una decisión importante: sufrir apoptosis y morir, o sobrevivir al costo de vida con un genoma modificado. Un aumento de la tolerancia al daño puede conducir a una mayor tasa de supervivencia que permitirá una mayor acumulación de mutaciones. La levadura Rev1 y la polimerasa humana η son miembros de las ADN polimerasas de translesión de la familia [Y presentes durante la respuesta global al daño del ADN y son responsables de una mayor mutagénesis durante una respuesta global al daño del ADN en eucariotas.

Envejecimiento

Efectos patológicos de una mala reparación del ADN

La tasa de reparación del ADN es un determinante importante de la patología celular.

Los animales experimentales con deficiencias genéticas en la reparación del ADN a menudo muestran una menor esperanza de vida y una mayor incidencia de cáncer. Por ejemplo, los ratones deficientes en la vía NHEJ dominante y en los mecanismos de mantenimiento de los telómeros contraen linfoma e infecciones con más frecuencia y, como consecuencia, tienen una esperanza de vida más corta que los ratones de tipo salvaje. De manera similar, los ratones deficientes en una proteína clave de reparación y transcripción que desenrolla las hélices del ADN tienen una aparición prematura de enfermedades relacionadas con el envejecimiento y el consiguiente acortamiento de la vida útil. Sin embargo, no todas las deficiencias de reparación del ADN crean exactamente los efectos previstos; los ratones deficientes en la vía NER exhibieron una vida útil más corta sin tasas de mutación correspondientemente más altas.

Si la tasa de daño del ADN excede la capacidad de la célula para repararlo, la acumulación de errores puede abrumar a la célula y resultar en senescencia temprana, apoptosis o cáncer. Las enfermedades hereditarias asociadas con un funcionamiento defectuoso de la reparación del ADN dan como resultado un envejecimiento prematuro, una mayor sensibilidad a los carcinógenos y, en consecuencia, un mayor riesgo de cáncer (ver más abajo ). Por otro lado, los organismos con sistemas mejorados de reparación del ADN, como Deinococcus radiodurans , el organismo conocido más resistente a la radiación, exhiben una resistencia notable a los efectos de la radioactividad que inducen roturas de doble cadena , probablemente debido a la mayor eficiencia de la reparación del ADN y especialmente NHEJ.

Longevidad y restricción calórica

La mayoría de los genes que influyen en la vida útil afectan la tasa de daño del ADN

Se ha identificado que varios genes individuales influyen en las variaciones en la duración de la vida dentro de una población de organismos. Los efectos de estos genes dependen en gran medida del medio ambiente, en particular, de la dieta del organismo. La restricción calórica da como resultado de manera reproducible una vida útil prolongada en una variedad de organismos, probablemente a través de vías de detección de nutrientes y una tasa metabólica disminuida . Los mecanismos moleculares por los cuales tal restricción da como resultado una vida útil prolongada aún no están claros (ver para un poco de discusión); sin embargo, el comportamiento de muchos genes que se sabe que participan en la reparación del ADN se altera en condiciones de restricción calórica. Se ha demostrado que varios agentes de los que se ha informado que tienen propiedades antienvejecimiento atenúan el nivel constitutivo de señalización de mTOR , una evidencia de reducción de la actividad metabólica y, al mismo tiempo, reducen el nivel constitutivo de daño del ADN inducido por especies reactivas de oxígeno generadas de forma endógena.

Por ejemplo, el aumento de la dosis del gen SIR-2, que regula el empaquetamiento del ADN en el gusano nematodo Caenorhabditis elegans , puede prolongar significativamente la vida útil. Se sabe que el homólogo de mamífero de SIR-2 induce factores de reparación del ADN cadena abajo implicados en NHEJ, una actividad que se promueve especialmente en condiciones de restricción calórica. La restricción calórica se ha relacionado estrechamente con la tasa de reparación por escisión de bases en el ADN nuclear de roedores, aunque no se han observado efectos similares en el ADN mitocondrial.

El gen de C. elegans AGE-1, un efector corriente arriba de las vías de reparación del ADN, confiere una vida útil dramáticamente prolongada en condiciones de alimentación libre, pero conduce a una disminución de la capacidad reproductiva en condiciones de restricción calórica. Esta observación respalda la teoría de la pleiotropía de los orígenes biológicos del envejecimiento , que sugiere que los genes que confieren una gran ventaja de supervivencia en una etapa temprana de la vida serán seleccionados incluso si tienen una desventaja correspondiente en una etapa avanzada de la vida.

Modulación de la reparación de la medicina y el ADN

Trastornos hereditarios de reparación del ADN

Los defectos en el mecanismo NER son responsables de varios trastornos genéticos, que incluyen:

• Xeroderma pigmentosum : hipersensibilidad a la luz solar / UV, lo que resulta en una mayor incidencia de cáncer de piel y envejecimiento prematuro.
• Síndrome de Cockayne : hipersensibilidad a los rayos UV y a los agentes químicos.
• Tricotiodistrofia : piel sensible, cabello y uñas quebradizos

El retraso mental a menudo acompaña a los dos últimos trastornos, lo que sugiere una mayor vulnerabilidad de las neuronas del desarrollo.

Otros trastornos de reparación del ADN incluyen:

• Síndrome de Werner : envejecimiento prematuro y retraso en el crecimiento
• Síndrome de Bloom : hipersensibilidad a la luz solar, alta incidencia de neoplasias (especialmente leucemias ).
• Ataxia telangiectasia : sensibilidad a las radiaciones ionizantes y algunos agentes químicos

Todas las enfermedades anteriores se denominan a menudo " progerias segmentarias " (" enfermedades de envejecimiento acelerado ") porque sus víctimas parecen ancianos y padecen enfermedades relacionadas con el envejecimiento a una edad anormalmente joven, sin manifestar todos los síntomas de la vejez.

Otras enfermedades asociadas con la función de reparación del ADN reducida incluyen la anemia de Fanconi , el cáncer de mama hereditario y el cáncer de colon hereditario .

Cáncer

Debido a las limitaciones inherentes en los mecanismos de reparación del ADN, si los humanos vivieran lo suficiente, eventualmente todos desarrollarían cáncer. Hay al menos 34 mutaciones genéticas hereditarias de reparación del ADN humano que aumentan el riesgo de cáncer . Muchas de estas mutaciones hacen que la reparación del ADN sea menos eficaz de lo normal. En particular, el cáncer colorrectal hereditario sin poliposis (HNPCC) está fuertemente asociado con mutaciones específicas en la ruta de reparación del desajuste del ADN. BRCA1 y BRCA2 , dos genes importantes cuyas mutaciones confieren un riesgo enormemente mayor de cáncer de mama a las portadoras, están asociados con un gran número de vías de reparación del ADN, especialmente NHEJ y recombinación homóloga.

Los procedimientos de terapia del cáncer, como la quimioterapia y la radioterapia, funcionan al sobrepasar la capacidad de la célula para reparar el daño del ADN, lo que resulta en la muerte celular. Las células que se dividen más rápidamente, por lo general las células cancerosas, se ven afectadas de manera preferencial. El efecto secundario es que también se ven afectadas otras células no cancerosas pero que se dividen rápidamente, como las células progenitoras en el intestino, la piel y el sistema hematopoyético. Los tratamientos modernos contra el cáncer intentan localizar el daño del ADN en las células y tejidos asociados únicamente con el cáncer, ya sea por medios físicos (concentrando el agente terapéutico en la región del tumor) o por medios bioquímicos (explotando una característica única de las células cancerosas en el cuerpo). . En el contexto de las terapias dirigidas a los genes de respuesta al daño del ADN, este último enfoque se ha denominado "letalidad sintética".

Quizás el más conocido de estos fármacos de 'letalidad sintética' es el inhibidor de la poli (ADP-ribosa) polimerasa 1 ( PARP1 ) olaparib , que fue aprobado por la Administración de Alimentos y Medicamentos en 2015 para el tratamiento en mujeres de ovario con defectos de BRCA. cáncer. Las células tumorales con pérdida parcial de la respuesta al daño del ADN (específicamente, reparación por recombinación homóloga ) dependen de otro mecanismo, la reparación por rotura de una sola hebra, que es un mecanismo que consiste, en parte, en el producto del gen PARP1. Olaparib se combina con quimioterapéuticos para inhibir la reparación de rotura de una sola hebra inducida por el daño del ADN causado por la quimioterapia coadministrada. Las células tumorales que dependen de este mecanismo de reparación del ADN residual son incapaces de reparar el daño y, por lo tanto, no pueden sobrevivir ni proliferar, mientras que las células normales pueden reparar el daño con el mecanismo de recombinación homólogo en funcionamiento.

Actualmente se están investigando muchos otros fármacos para su uso contra otros mecanismos de reparación del ADN residual que se encuentran comúnmente en el cáncer. Sin embargo, los enfoques terapéuticos de letalidad sintética han sido cuestionados debido a la evidencia emergente de resistencia adquirida, lograda mediante el recableado de las vías de respuesta al daño del ADN y la reversión de defectos previamente inhibidos.

Defectos de reparación del ADN en el cáncer

En los últimos años se ha hecho evidente que la respuesta al daño del ADN actúa como una barrera para la transformación maligna de las células preneoplásicas. Estudios previos han demostrado una respuesta elevada al daño del ADN en modelos de cultivo celular con activación de oncogén y adenomas de colon preneoplásicos. Los mecanismos de respuesta al daño del ADN desencadenan la detención del ciclo celular e intentan reparar las lesiones del ADN o promover la muerte / senescencia celular si la reparación no es posible. Se observa estrés de replicación en células preneoplásicas debido al aumento de las señales de proliferación de mutaciones oncogénicas. El estrés de replicación se caracteriza por: aumento del inicio de la replicación / disparo del origen; aumento de la transcripción y colisiones de complejos de transcripción-replicación; deficiencia de nucleótidos; aumento de especies reactivas de oxígeno (ROS).

El estrés de replicación, junto con la selección para inactivar mutaciones en los genes de respuesta al daño del ADN en la evolución del tumor, conduce a la regulación a la baja y / o la pérdida de algunos mecanismos de respuesta al daño del ADN y, por lo tanto, a la pérdida de la reparación del ADN y / o senescencia / muerte celular programada. . En modelos experimentales de ratón, se observó pérdida de la senescencia celular mediada por la respuesta al daño del ADN después de usar un ARN en horquilla corta (ARNhc) para inhibir la respuesta de ruptura de doble cadena quinasa ataxia telangiectasia ( ATM ), lo que conduce a un aumento del tamaño del tumor y de la invasividad. Los seres humanos que nacen con defectos hereditarios en los mecanismos de reparación del ADN (por ejemplo, síndrome de Li-Fraumeni ) tienen un mayor riesgo de cáncer.

La prevalencia de mutaciones de respuesta al daño del ADN difiere entre los tipos de cáncer; por ejemplo, el 30% de los carcinomas invasores de mama tienen mutaciones en genes implicados en la recombinación homóloga. En el cáncer, se observa una regulación a la baja en todos los mecanismos de respuesta al daño del ADN (reparación por escisión de bases (BER), reparación por escisión de nucleótidos (NER), reparación de desajustes de ADN (MMR), reparación de recombinación homóloga (HR), unión de extremos no homólogos (NHEJ) y Síntesis de translesión de ADN (TLS). Además de las mutaciones en los genes de reparación del daño del ADN, también surgen mutaciones en los genes responsables de detener el ciclo celular para permitir el tiempo suficiente para que se produzca la reparación del ADN, y algunos genes están involucrados tanto en la reparación del daño del ADN como en la control de punto de control del ciclo celular, por ejemplo ATM y punto de control quinasa 2 (CHEK2): un supresor de tumores que a menudo está ausente o regulado a la baja en el cáncer de pulmón de células no pequeñas.

Tabla: Genes implicados en las vías de respuesta al daño del ADN y que mutan con frecuencia en el cáncer (HR = recombinación homóloga; NHEJ = unión de extremos no homólogos; SSA = hibridación de una sola hebra; FA = vía de anemia de fanconi; BER = reparación por escisión de bases; NER = nucleótido reparación por escisión; MMR = reparación de desajustes)

Defectos de reparación del ADN epigenético en el cáncer

Clásicamente, el cáncer se ha visto como un conjunto de enfermedades impulsadas por anomalías genéticas progresivas que incluyen mutaciones en genes supresores de tumores y oncogenes, y aberraciones cromosómicas. Sin embargo, se ha hecho evidente que el cáncer también es impulsado por alteraciones epigenéticas .

Las alteraciones epigenéticas se refieren a modificaciones funcionalmente relevantes del genoma que no implican un cambio en la secuencia de nucleótidos. Ejemplos de tales modificaciones son cambios en la metilación del ADN (hipermetilación e hipometilación) y modificación de histonas , cambios en la arquitectura cromosómica (causados ​​por la expresión inapropiada de proteínas como HMGA2 o HMGA1 ) y cambios causados ​​por microARN . Cada una de estas alteraciones epigenéticas sirve para regular la expresión génica sin alterar la secuencia de ADN subyacente . Estos cambios generalmente permanecen a través de divisiones celulares , duran múltiples generaciones de células y pueden considerarse epimutaciones (equivalentes a mutaciones).

Si bien se encuentran grandes cantidades de alteraciones epigenéticas en los cánceres, las alteraciones epigenéticas en los genes de reparación del ADN, que causan una expresión reducida de las proteínas de reparación del ADN, parecen ser particularmente importantes. Se cree que tales alteraciones ocurren temprano en la progresión al cáncer y son una causa probable de la inestabilidad genética característica de los cánceres.

La expresión reducida de los genes de reparación del ADN provoca una reparación deficiente del ADN. Cuando la reparación del ADN es deficiente, los daños del ADN permanecen en las células a un nivel superior al habitual y estos daños excesivos provocan un aumento de la frecuencia de mutación o epimutación. Las tasas de mutación aumentan sustancialmente en células defectuosas en la reparación de desajustes de ADN o en la reparación recombinacional homóloga (HRR). Los reordenamientos cromosómicos y la aneuploidía también aumentan en las células defectuosas de HRR.

Los niveles más altos de daño del ADN no solo causan un aumento de la mutación, sino que también causan un aumento de la epimutación. Durante la reparación de roturas de doble hebra de ADN, o la reparación de otros daños en el ADN, los sitios de reparación que no se borran por completo pueden causar silenciamiento del gen epigenético.

La expresión deficiente de las proteínas de reparación del ADN debido a una mutación hereditaria puede aumentar el riesgo de cáncer. Las personas con un deterioro hereditario en cualquiera de los 34 genes de reparación del ADN (ver artículo Trastorno por deficiencia de reparación del ADN ) tienen un mayor riesgo de cáncer, y algunos defectos causan hasta un 100% de posibilidades de cáncer de por vida (por ejemplo, mutaciones de p53). Sin embargo, tales mutaciones de la línea germinal (que causan síndromes de cáncer de alta penetración) son la causa de solo alrededor del 1 por ciento de los cánceres.

Frecuencias de epimutaciones en genes de reparación del ADN

Un cuadro de los agentes comunes que dañan el ADN, ejemplos de las lesiones que causan en el ADN y las vías utilizadas para reparar estas lesiones. También se muestran muchos de los genes en estas vías, una indicación de qué genes están regulados epigenéticamente para tener una expresión reducida (o aumentada) en varios cánceres. También muestra genes en la vía de unión de extremos mediada por microhomología propensa a errores con expresión aumentada en varios cánceres.

Las deficiencias en las enzimas de reparación del ADN son causadas ocasionalmente por una mutación somática de reciente aparición en un gen de reparación del ADN, pero con mucha más frecuencia son causadas por alteraciones epigenéticas que reducen o silencian la expresión de los genes de reparación del ADN. Por ejemplo, cuando se examinaron 113 cánceres colorrectales en secuencia, solo cuatro tenían una mutación sin sentido en el gen de reparación del ADN MGMT , mientras que la mayoría tenía una expresión reducida de MGMT debido a la metilación de la región promotora de MGMT (una alteración epigenética). Cinco estudios diferentes encontraron que entre el 40% y el 90% de los cánceres colorrectales tienen una expresión reducida de MGMT debido a la metilación de la región promotora de MGMT.

De manera similar, de 119 casos de cánceres colorrectales deficientes en reparación de desajustes que carecían de expresión del gen de reparación del ADN PMS2 , PMS2 era deficiente en 6 debido a mutaciones en el gen PMS2, mientras que en 103 casos la expresión de PMS2 era deficiente porque su compañero de emparejamiento MLH1 estaba reprimido debido a a la metilación del promotor (la proteína PMS2 es inestable en ausencia de MLH1). En los otros 10 casos, la pérdida de expresión de PMS2 probablemente se debió a la sobreexpresión epigenética del microARN , miR-155 , que regula negativamente MLH1.

En otro ejemplo, se encontraron defectos epigenéticos en varios cánceres (por ejemplo, mama, ovario, colorrectal y cabeza y cuello). Dos o tres deficiencias en la expresión de ERCC1 , XPF o PMS2 ocurren simultáneamente en la mayoría de los 49 cánceres de colon evaluados por Facista et al.

El cuadro de esta sección muestra algunos agentes que dañan el ADN con frecuencia, ejemplos de las lesiones del ADN que causan y las vías que se ocupan de estos daños en el ADN. Al menos 169 enzimas se emplean directamente en la reparación del ADN o influyen en los procesos de reparación del ADN. De estos, 83 se emplean directamente en la reparación de los 5 tipos de daños en el ADN ilustrados en la tabla.

En la tabla se muestran algunos de los genes más estudiados que son fundamentales para estos procesos de reparación. Las designaciones de genes que se muestran en rojo, gris o cian indican genes con frecuencia alterados epigenéticamente en varios tipos de cánceres. Los artículos de Wikipedia sobre cada uno de los genes resaltados en rojo, gris o cian describen las alteraciones epigenéticas y los cánceres en los que se encuentran estas epimutaciones. Los artículos de revisión y los artículos de encuestas experimentales generales también documentan la mayoría de estas deficiencias de reparación del ADN epigenético en los cánceres.

Los genes resaltados en rojo con frecuencia se reducen o silencian mediante mecanismos epigenéticos en varios cánceres. Cuando estos genes tienen una expresión baja o nula, se pueden acumular daños en el ADN. Los errores de replicación más allá de estos daños (ver síntesis de translesión ) pueden conducir a un aumento de las mutaciones y, en última instancia, al cáncer. La represión epigenética de los genes de reparación del ADN en vías precisas de reparación del ADN parece ser fundamental para la carcinogénesis .

Los dos genes, RAD51 y BRCA2 , resaltados en gris , son necesarios para la reparación recombinacional homóloga . A veces se sobreexpresan epigenéticamente y, a veces, se subexpresan en ciertos cánceres. Como se indica en los artículos de Wikipedia sobre RAD51 y BRCA2 , estos cánceres normalmente tienen deficiencias epigenéticas en otros genes de reparación del ADN. Estas deficiencias de reparación probablemente causarían mayores daños en el ADN no reparado. La sobreexpresión de RAD51 y BRCA2 observada en estos cánceres puede reflejar presiones selectivas para la sobreexpresión compensatoria de RAD51 o BRCA2 y una reparación recombinacional homóloga aumentada para tratar al menos parcialmente tales daños en exceso de ADN. En aquellos casos en los que RAD51 o BRCA2 están subexpresados , esto en sí mismo conduciría a un aumento de los daños del ADN no reparado. Los errores de replicación más allá de estos daños (ver síntesis de translesión ) podrían causar un aumento de mutaciones y cáncer, por lo que la expresión insuficiente de RAD51 o BRCA2 sería cancerígena en sí misma.

Los genes resaltados en cian se encuentran en la vía de unión de extremos mediada por microhomología (MMEJ) y están regulados positivamente en el cáncer. MMEJ es una vía de reparación inexacta propensa a errores adicional para roturas de doble hebra. En la reparación MMEJ de una rotura de doble hebra, una homología de 5 a 25 pares de bases complementarias entre ambas hebras emparejadas es suficiente para alinear las hebras, pero los extremos no coincidentes (solapas) suelen estar presentes. MMEJ elimina los nucleótidos adicionales (solapas) donde se unen las hebras y luego liga las hebras para crear una doble hélice de ADN intacta. MMEJ casi siempre implica al menos una pequeña deleción, por lo que es una vía mutagénica. FEN1 , la endonucleasa de colgajo en MMEJ, aumenta epigenéticamente por la hipometilación del promotor y se sobreexpresa en la mayoría de los cánceres de mama, próstata, estómago, neuroblastomas, páncreas y pulmón. PARP1 también se sobreexpresa cuando su sitio ETS de la región promotora está epigenéticamente hipometilado, y esto contribuye a la progresión al cáncer de endometrio y al cáncer de ovario seroso mutado en BRCA. Otros genes de la vía MMEJ también se sobreexpresan en varios cánceres (ver MMEJ para un resumen) y también se muestran en cian.

Distribución de la reparación del ADN en todo el genoma en células somáticas humanas

La actividad diferencial de las vías de reparación del ADN en varias regiones del genoma humano hace que las mutaciones se distribuyan de manera muy desigual dentro de los genomas tumorales. En particular, las regiones ricas en genes que se replican temprano del genoma humano exhiben frecuencias de mutación más bajas que la heterocromatina de replicación tardía y pobres en genes . Un mecanismo subyacente a esto implica la modificación de la histona H3K36me3 , que puede reclutar proteínas de reparación de desajustes , reduciendo así las tasas de mutación en las regiones marcadas con H3K36me3. Otro mecanismo importante se refiere a la reparación por escisión de nucleótidos , que puede ser captada por la maquinaria de transcripción, reduciendo las tasas de mutación somática en genes activos y otras regiones de cromatina abiertas.

Evolución

Los procesos básicos de reparación del ADN están muy conservados tanto entre procariotas como eucariotas e incluso entre bacteriófagos ( virus que infectan bacterias ); sin embargo, los organismos más complejos con genomas más complejos tienen mecanismos de reparación correspondientemente más complejos. La capacidad de un gran número de motivos estructurales de proteínas para catalizar reacciones químicas relevantes ha jugado un papel importante en la elaboración de mecanismos de reparación durante la evolución. Para una revisión extremadamente detallada de las hipótesis relacionadas con la evolución de la reparación del ADN, consulte.

El registro fósil indica que la vida unicelular comenzó a proliferar en el planeta en algún momento durante el período Precámbrico , aunque no está claro exactamente cuándo surgió por primera vez la vida moderna reconocible. Los ácidos nucleicos se convirtieron en el medio único y universal de codificar la información genética, requiriendo mecanismos de reparación del ADN que en su forma básica han sido heredados por todas las formas de vida existentes de su ancestro común. La aparición de la atmósfera rica en oxígeno de la Tierra (conocida como la " catástrofe del oxígeno ") debido a organismos fotosintéticos , así como la presencia de radicales libres potencialmente dañinos en la célula debido a la fosforilación oxidativa , requirió la evolución de mecanismos de reparación del ADN que actúan específicamente. para contrarrestar los tipos de daño inducidos por el estrés oxidativo .

Tasa de cambio evolutivo

En algunas ocasiones, el daño del ADN no se repara o se repara mediante un mecanismo propenso a errores que da como resultado un cambio de la secuencia original. Cuando esto ocurre, las mutaciones pueden propagarse a los genomas de la progenie de la célula. Si tal evento ocurre en una célula de la línea germinal que eventualmente producirá un gameto , la mutación tiene el potencial de transmitirse a la descendencia del organismo. La tasa de evolución en una especie particular (o, en un gen particular) es una función de la tasa de mutación. Como consecuencia, la velocidad y la precisión de los mecanismos de reparación del ADN influyen en el proceso de cambio evolutivo. La protección y reparación del daño del ADN no influye en la tasa de adaptación por regulación génica y por recombinación y selección de alelos. Por otro lado, la reparación y protección del daño del ADN influye en la tasa de acumulación de mutaciones heredables, irreparables, ventajosas, de expansión de código y ralentiza el mecanismo evolutivo para la expansión del genoma de organismos con nuevas funcionalidades. La tensión entre la capacidad de evolución y la reparación y protección de mutaciones necesita más investigación.

Tecnología

Una tecnología denominada repetición palindrómica corta agrupada regularmente interespaciada (abreviado como CRISPR -Cas9) fue descubierta en 2012. La nueva tecnología permite a cualquier persona con entrenamiento en biología molecular alterar los genes de cualquier especie con precisión, induciendo daño al ADN en un punto específico y luego alterar los mecanismos de reparación del ADN para insertar nuevos genes. Es más barato, más eficiente y más preciso que otras tecnologías. Con la ayuda de CRISPR-Cas9, los científicos pueden editar partes de un genoma quitando, agregando o alterando partes en una secuencia de ADN.

Ver también

Referencias

enlaces externos

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• Medios relacionados con la reparación del ADN en Wikimedia Commons
• Conferencias sobre reparación del ADN del Instituto del Cáncer de Roswell Park
• Una lista completa de genes de reparación del ADN humano
• Estructuras 3D de algunas enzimas reparadoras del ADN
• Enfermedades de reparación del ADN humano
• Grupo de interés especial de reparación de ADN
• Reparación de ADN
• Daño y reparación del ADN
• Progeria segmentaria
• Reparación de daños en el ADN; Lo bueno, lo malo y lo feo