La 8-oxo-2'-desoxiguanosina ( 8-oxo-dG ) es un derivado oxidado de la desoxiguanosina . La 8-oxo-dG es uno de los principales productos de la oxidación del ADN . [1] Las concentraciones de 8-oxo-dG dentro de una célula son una medida del estrés oxidativo .
En el ADN
Los niveles de daño del ADN en estado estacionario representan el equilibrio entre la formación y la reparación. Swenberg et al. [3] midieron las frecuencias promedio de daños endógenos del ADN en estado estacionario en células de mamíferos. El daño oxidativo del ADN más frecuente que normalmente se presenta en el ADN es el 8-oxo-dG, que se produce con una frecuencia promedio de 2400 por célula.
Cuando un agente que daña el ADN induce la 8-oxo-dG, esta se repara rápidamente. Por ejemplo, la 8-oxo-dG aumentó diez veces en los hígados de ratones sometidos a radiación ionizante , pero el exceso de 8-oxo-dG se eliminó rápidamente con una vida media de 11 minutos. [4]
Como analizaron Valavanidis et al. [5], los niveles elevados de 8-oxo-dG en un tejido pueden servir como biomarcador del estrés oxidativo. También observaron que los niveles elevados de 8-oxo-dG se encuentran con frecuencia durante la carcinogénesis .
En la figura que se muestra en esta sección, el epitelio colónico de un ratón con una dieta normal tiene un nivel bajo de 8-oxo-dG en sus criptas colónicas (panel A). Sin embargo, un ratón que probablemente esté experimentando tumorigénesis colónica (debido al desoxicolato agregado a su dieta [2] ) tiene un nivel alto de 8-oxo-dG en su epitelio colónico (panel B). El desoxicolato aumenta la producción intracelular de oxígeno reactivo, lo que resulta en un mayor estrés oxidativo, [6] [7] y esto conduce a tumorigénesis y carcinogénesis . De 22 ratones alimentados con la dieta suplementada con desoxicolato , 20 (91%) desarrollaron tumores colónicos después de 10 meses con la dieta, y los tumores en 10 de estos ratones (45% de los ratones) incluyeron un adenocarcinoma (cáncer). [2]
En el envejecimiento
La 8-oxo-dG aumenta con la edad en el ADN de los tejidos de los mamíferos. [8] La 8-oxo-dG aumenta tanto en el ADN mitocondrial como en el ADN nuclear con la edad. [9] Fraga et al. [10] estimaron que en el riñón de rata, por cada 54 residuos de 8-oxo-dG reparados, queda un residuo sin reparar. (Véase también la teoría del daño del ADN en el envejecimiento ).
En la carcinogénesis
El aumento del estrés oxidativo inactiva temporalmente la enzima OGG1 (oxoguanina glicosilasa) en sitios con 8-oxo-dG, que recluta el factor de transcripción NFkB a las secuencias de ADN promotoras de los genes inflamatorios y activa la expresión genética , induciendo mecanismos de inmunidad innata que contribuyen a la carcinogénesis pulmonar. [11]
Valavanidis et al. [5] señalaron que el daño oxidativo del ADN, como el 8-oxo-dG, probablemente contribuye a la carcinogénesis mediante dos mecanismos. El primer mecanismo implica la modulación de la expresión génica, mientras que el segundo es a través de la inducción de mutaciones.
En individuos con infección crónica por el virus de la hepatitis C , la expresión aumentada de 8-oxo-dG es un factor de riesgo para el desarrollo de carcinoma hepatocelular . [12] [13]
Alteraciones epigenéticas
La alteración epigenética , por ejemplo, mediante la metilación de islas CpG en una región promotora de un gen, puede reprimir la expresión del gen (ver metilación del ADN ). En general, la alteración epigenética puede modular la expresión génica. Como revisaron Bernstein y Bernstein, [14] la reparación de varios tipos de daños en el ADN puede, con baja frecuencia, dejar restos de los diferentes procesos de reparación y, por lo tanto, causar alteraciones epigenéticas. 8-Oxo-dG se repara principalmente mediante reparación por escisión de bases (BER). [15] Li et al. [16] revisaron estudios que indicaban que una o más proteínas BER también participan en alteraciones epigenéticas que involucran metilación de ADN, desmetilación o reacciones acopladas a la modificación de histonas. Nishida et al. [17] examinaron los niveles de 8-oxo-dG y también evaluaron la metilación del promotor de 11 genes supresores de tumores (TSG) en 128 muestras de biopsia de hígado. Estas biopsias se tomaron de pacientes con hepatitis C crónica, una enfermedad que causa daños oxidativos en el hígado. Entre los 5 factores evaluados, solo los niveles elevados de 8-oxo-dG se correlacionaron en gran medida con la metilación del promotor de los TSG (p<0,0001). Esta metilación del promotor podría haber reducido la expresión de estos genes supresores de tumores y haber contribuido a la carcinogénesis .
Mutagénesis
Yasui et al. [18] examinaron el destino de 8-oxo-dG cuando este derivado oxidado de desoxiguanosina se insertó en el gen de la timidina quinasa en un cromosoma dentro de células linfoblastoides humanas en cultivo. Insertaron 8-oxo-dG en aproximadamente 800 células y pudieron detectar los productos que se produjeron después de la inserción de esta base alterada, según lo determinado a partir de los clones producidos después del crecimiento de las células. 8-oxo-dG se restauró a G en el 86% de los clones, probablemente reflejando una reparación precisa por escisión de bases o síntesis de translesión sin mutación. Las transversiones de G:C a T:A ocurrieron en el 5,9% de los clones, deleciones de una sola base en el 2,1% y transversiones de G:C a C:G en el 1,2%. Juntas, estas mutaciones más comunes totalizaron el 9,2% del 14% de las mutaciones generadas en el sitio de la inserción de 8-oxo-dG. Entre las otras mutaciones en los 800 clones analizados, también se encontraron 3 deleciones mayores, de tamaños 6, 33 y 135 pares de bases. Por lo tanto, el 8-oxo-dG, si no se repara, puede causar directamente mutaciones frecuentes, algunas de las cuales pueden contribuir a la carcinogénesis .
En la formación de la memoria
Dos revisiones [19] [20] resumen el gran cuerpo de evidencia, reportado principalmente entre 1996 y 2011, sobre el papel crítico y esencial de las ROS en la formación de la memoria . Un reciente cuerpo de evidencia adicional indica que tanto la formación como el almacenamiento de la memoria dependen de modificaciones epigenéticas en las neuronas, incluidas alteraciones en la metilación del ADN neuronal . [21] [22] Los dos cuerpos de información sobre la formación de la memoria parecen estar conectados en 2016 por el trabajo de Zhou et al, [23] quienes demostraron que 8-oxo-dG, un producto principal de la interacción de ROS con el ADN, [24] [25] tiene un papel central en la desmetilación epigenética del ADN .
La activación de la transcripción de algunos genes por factores de transcripción depende de la presencia de 8-oxo-dG en las regiones promotoras y de su reconocimiento por la glicosilasa reparadora del ADN OGG1. [26] [25]
Como analizaron Duke et al., la metilación y desmetilación del ADN neuronal se modifican con la actividad neuronal. Las metilaciones y desmetilaciones activas del ADN son necesarias para la plasticidad sináptica , se modifican con las experiencias y son necesarias para la formación y el mantenimiento de la memoria. [27]
En los mamíferos, las metiltransferasas de ADN (que añaden grupos metilo a las bases de ADN) exhiben una fuerte preferencia de secuencia por las citosinas dentro de la secuencia particular de ADN citosina-fosfato-guanina ( sitios CpG ). [28] En el cerebro del ratón, el 4,2% de todas las citosinas están metiladas, principalmente en el contexto de los sitios CpG, formando 5mCpG. [29] La mayoría de los sitios 5mCpG hipermetilados aumentan la represión de los genes asociados. [29] Como lo demostraron Zhou et al., [23] y se ilustra a continuación, la oxidación de la guanina en el sitio CpG metilado, para formar 5mCp-8-oxo-dG es el primer paso en la desmetilación.
El complejo 8-oxo-dG con OGG1 probablemente tiene un papel importante en facilitar miles de desmetilaciones rápidas de citosinas metiladas en sitios CpG durante la formación de la memoria y desmetilaciones adicionales (durante un período de semanas) durante la consolidación de la memoria . Como lo demostraron en 2016 Halder et al. [30] usando ratones, y en 2017 Duke et al. [27] usando ratas, cuando se aplica el condicionamiento del miedo contextual a los roedores, lo que hace que se forme una memoria a largo plazo especialmente fuerte , en cuestión de horas hay miles de metilaciones y desmetilaciones en las neuronas de la región cerebral del hipocampo. Como se muestra con las ratas, el 9,2% de los genes en las neuronas del hipocampo de la rata están metilados de forma diferencial. En ratones examinados a las 4 semanas después del condicionamiento, las metilaciones y desmetilaciones del hipocampo estaban invertidas (el hipocampo es necesario para formar recuerdos, pero los recuerdos no se almacenan allí), mientras que se produjo una metilación y desmetilación diferencial sustancial de CpG en las neuronas corticales durante el mantenimiento de la memoria. Había 1.223 genes metilados diferencialmente en la corteza cingulada anterior de ratones cuatro semanas después del condicionamiento contextual del miedo. Cuando se producen desmetilaciones, la oxidación de la guanina en el sitio CpG para formar 8-oxo-dG es un primer paso importante. [23]
La desmetilación en los sitios CpG requiere 8-oxo-dG
La TET1 es una enzima clave que participa en la desmetilación de 5mCpG. Sin embargo, la TET1 solo puede actuar sobre 5mCpG si una ROS ha actuado primero sobre la guanina para formar 8-hidroxi-2'-desoxiguanosina (8-OHdG o su tautómero 8-oxo-dG), lo que da como resultado un dinucleótido 5mCp-8-OHdG (consulte la primera figura de esta sección). [23] Después de la formación de 5mCp-8-OHdG, la enzima de reparación por escisión de bases OGG1 se une a la lesión de 8-OHdG sin escisión inmediata. La adherencia de OGG1 al sitio 5mCp-8-OHdG recluta a la TET1 , lo que permite que la TET1 oxide el 5mC adyacente a 8-OHdG, como se muestra en la primera figura de esta sección. Esto inicia la vía de desmetilación que se muestra en la segunda figura de esta sección.
La expresión alterada de proteínas en las neuronas, controlada por la desmetilación dependiente de 8-oxo-dG de los sitios CpG en los promotores de genes dentro del ADN de las neuronas, es fundamental para la formación de la memoria. [32]
^ Nadja C. de Souza-Pinto; Lars Eide; Bárbara A. Hogue; Tanja Thybo; Tinna Stevnsner; Erling Seeberg; Arne Klungland y Vilhelm A. Bohr (julio de 2001). "La reparación de las lesiones de 8-oxodesoxiguanosina en el ADN mitocondrial depende del gen de la oxoguanina ADN glicosilasa (OGG1) y la 8-oxoguanina se acumula en el ADN mitocondrial de ratones con OGG1 defectuoso". Investigación del cáncer . 61 (14): 5378–5381. PMID 11454679.
^ abc Prasad AR, Prasad S, Nguyen H, Facista A, Lewis C, Zaitlin B, Bernstein H, Bernstein C (2014). "Nuevo modelo de cáncer de colon en ratones relacionado con la dieta que es paralelo al cáncer de colon humano". World J Gastrointest Oncol . 6 (7): 225–43. doi : 10.4251/wjgo.v6.i7.225 . PMC 4092339 . PMID 25024814.
^ Swenberg, JA; Lu, K.; Moeller, BC; Gao, L.; Upton, PB; Nakamura, J.; Starr, TB (2011). "Aductos de ADN endógenos versus exógenos: su papel en la carcinogénesis, la epidemiología y la evaluación de riesgos". Toxicological Sciences . 120 (Supl 1): S130–S145. doi :10.1093/toxsci/kfq371. PMC 3043087 . PMID 21163908.
^ Hamilton ML, Guo Z, Fuller CD, Van Remmen H, Ward WF, Austad SN, Troyer DA, Thompson I, Richardson A (2001). "Una evaluación confiable de los niveles de 8-oxo-2-desoxiguanosina en ADN nuclear y mitocondrial utilizando el método de yoduro de sodio para aislar ADN". Nucleic Acids Res . 29 (10): 2117–26. doi :10.1093/nar/29.10.2117. PMC 55450 . PMID 11353081.
^ ab Valavanidis A, Vlachogianni T, Fiotakis K, Loridas S (2013). "Estrés oxidativo pulmonar, inflamación y cáncer: material particulado respirable, polvos fibrosos y ozono como causas principales de carcinogénesis pulmonar a través de mecanismos de especies reactivas de oxígeno". Int J Environ Res Public Health . 10 (9): 3886–907. doi : 10.3390/ijerph10093886 . PMC 3799517 . PMID 23985773.
^ Tsuei, Jessica; Chau, Thinh; Mills, David; Wan, Yu-Jui Yvonne (2014). "Desregulación de los ácidos biliares, disbiosis intestinal y cáncer gastrointestinal". Experimental Biology and Medicine . 239 (11): 1489–1504. doi :10.1177/1535370214538743. PMC 4357421 . PMID 24951470.
^ Ajouz, Hana; Mukherji, Deborah; Shamseddine, Ali (2014). "Ácidos biliares secundarios: una causa poco reconocida de cáncer de colon". Revista mundial de oncología quirúrgica . 12 : 164. doi : 10.1186/1477-7819-12-164 . PMC 4041630 . PMID 24884764.
^ Nie B, Gan W, Shi F, Hu GX, Chen LG, Hayakawa H, Sekiguchi M, Cai JP (2013). "Acumulación dependiente de la edad de 8-oxoguanina en el ADN y el ARN en varios tejidos de rata". Oxid Med Cell Longev . 2013 : 303181. doi : 10.1155/2013/303181 . PMC 3657452 . PMID 23738036.
^ Hamilton ML, Van Remmen H, Drake JA, Yang H, Guo ZM, Kewitt K, Walter CA, Richardson A (2001). "¿Aumenta el daño oxidativo del ADN con la edad?". Proc. Natl. Sci. USA . 98 (18): 10469–74. Bibcode :2001PNAS...9810469H. doi : 10.1073/pnas.171202698 . PMC 56984 . PMID 11517304.
^ Fraga CG, Shigenaga MK, Park JW, Degan P, Ames BN (1990). "Daño oxidativo al ADN durante el envejecimiento: 8-hidroxi-2'-desoxiguanosina en el ADN de órganos de ratas y en la orina". Proc. Natl. Sci. USA . 87 (12): 4533–7. Bibcode :1990PNAS...87.4533F. doi : 10.1073/pnas.87.12.4533 . PMC 54150 . PMID 2352934.
^ Vlahopoulos, S.; Adamaki, M.; Khoury, N.; Zoumpourlis, V.; Boldogh, I. (2019). "Funciones de la enzima reparadora del ADN OGG1 en la inmunidad innata y su importancia para el cáncer de pulmón". Farmacología y terapéutica . 194 : 59–72. doi :10.1016/j.pharmthera.2018.09.004. PMC 6504182 . PMID 30240635.
^ Chuma M, Hige S, Nakanishi M, Ogawa K, Natsuizaka M, Yamamoto Y, Asaka M. La 8-hidroxi-2'-desoxi-guanosina es un factor de riesgo para el desarrollo de carcinoma hepatocelular en pacientes con infección crónica por el virus de la hepatitis C. J Gastroenterol Hepatol. 2008 Sep;23(9):1431-6. doi: 10.1111/j.1440-1746.2008.05502.x. PMID: 18854000
^ Shimoda R, Nagashima M, Sakamoto M, Yamaguchi N, Hirohashi S, Yokota J, Kasai H. Aumento de la formación de daño oxidativo del ADN, 8-hidroxidesoxiguanosina, en hígados humanos con hepatitis crónica. Cancer Res. 15 de junio de 1994;54(12):3171-2. PMID: 8205535
^ Bernstein C, Bernstein H (2015). "Reducción epigenética de la reparación del ADN en la progresión del cáncer gastrointestinal". World J Gastrointest Oncol . 7 (5): 30–46. doi : 10.4251/wjgo.v7.i5.30 . PMC 4434036 . PMID 25987950.
^ Scott TL, Rangaswamy S, Wicker CA, Izumi T (2014). "Reparación del daño oxidativo del ADN y el cáncer: progreso reciente en la reparación por escisión de bases del ADN". Antioxid. Redox Signal . 20 (4): 708–26. doi :10.1089/ars.2013.5529. PMC 3960848 . PMID 23901781.
^ Li J, Braganza A, Sobol RW (2013). "La reparación por escisión de bases facilita una relación funcional entre la oxidación de guanina y la desmetilación de histonas". Antioxid. Redox Signal . 18 (18): 2429–43. doi :10.1089/ars.2012.5107. PMC 3671628 . PMID 23311711.
^ Nishida N, Arizumi T, Takita M, Kitai S, Yada N, Hagiwara S, Inoue T, Minami Y, Ueshima K, Sakurai T, Kudo M (2013). "Las especies reactivas de oxígeno inducen inestabilidad epigenética a través de la formación de 8-hidroxidesoxiguanosina en la hepatocarcinogénesis humana". Dig Dis . 31 (5–6): 459–66. doi : 10.1159/000355245 . PMID 24281021.
^ Yasui M, Kanemaru Y, Kamoshita N, Suzuki T, Arakawa T, Honma M (2014). "Rastreando el destino de los aductos de ADN introducidos en sitios específicos en el genoma humano". Reparación de ADN (Amst.) . 15 : 11–20. doi : 10.1016/j.dnarep.2014.01.003 . PMID 24559511.
^ Massaad CA, Klann E (mayo de 2011). "Especies reactivas de oxígeno en la regulación de la plasticidad sináptica y la memoria". Antioxid. Redox Signal . 14 (10): 2013–54. doi :10.1089/ars.2010.3208. PMC 3078504 . PMID 20649473.
^ Beckhauser TF, Francis-Oliveira J, De Pasquale R (2016). "Especies reactivas de oxígeno: efectos fisiológicos y fisiopatológicos sobre la plasticidad sináptica". J Exp Neurosci . 10 (Supl 1): 23–48. doi :10.4137/JEN.S39887. PMC 5012454 . PMID 27625575.
^ Day JJ, Sweatt JD (enero de 2011). "Las modificaciones epigenéticas en las neuronas son esenciales para la formación y el almacenamiento de la memoria conductual". Neuropsicofarmacología . 36 (1): 357–8. doi :10.1038/npp.2010.125. PMC 3055499 . PMID 21116250.
^ Sweatt JD (octubre de 2016). "Plasticidad neuronal y comportamiento: sesenta años de avances conceptuales". J. Neurochem . 139 (Supl 2): 179–199. doi : 10.1111/jnc.13580 . PMID 26875778.
^ abcde Zhou X, Zhuang Z, Wang W, He L, Wu H, Cao Y, Pan F, Zhao J, Hu Z, Sekhar C, Guo Z (septiembre de 2016). "OGG1 es esencial en la desmetilación del ADN inducida por estrés oxidativo". Cell. Signal . 28 (9): 1163–71. doi :10.1016/j.cellsig.2016.05.021. PMID 27251462.
^ Jena NR (julio de 2012). "Daños en el ADN por especies reactivas: mecanismos, mutación y reparación". J. Biosci . 37 (3): 503–17. doi :10.1007/s12038-012-9218-2. PMID 22750987. S2CID 14837181.
^ ab Ba X, Boldogh I (abril de 2018). "8-Oxoguanina ADN glicosilasa 1: más allá de la reparación de las lesiones de bases modificadas oxidativamente". Redox Biol . 14 : 669–678. doi :10.1016/j.redox.2017.11.008. PMC 5975208. PMID 29175754 .
^ Seifermann M, Epe B (junio de 2017). "Modificaciones de bases generadas oxidativamente en el ADN: ¿no solo un factor de riesgo cancerígeno sino también una marca reguladora?". Free Radic. Biol. Med . 107 : 258–265. doi :10.1016/j.freeradbiomed.2016.11.018. PMID 27871818.
^ ab Duke CG, Kennedy AJ, Gavin CF, Day JJ, Sweatt JD (julio de 2017). "Reorganización epigenómica dependiente de la experiencia en el hipocampo". Learn. Mem . 24 (7): 278–288. doi :10.1101/lm.045112.117. PMC 5473107. PMID 28620075 .
^ Ziller MJ, Müller F, Liao J, Zhang Y, Gu H, Bock C, Boyle P, Epstein CB, Bernstein BE, Lengauer T, Gnirke A, Meissner A (diciembre de 2011). "Distribución genómica y variación entre muestras de la metilación no CpG en distintos tipos de células humanas". PLOS Genet . 7 (12): e1002389. doi : 10.1371/journal.pgen.1002389 . PMC 3234221 . PMID 22174693.
^ ab Fasolino M, Zhou Z (mayo de 2017). "El papel crucial de la metilación del ADN y MeCP2 en la función neuronal". Genes (Basilea) . 8 (5): 141. doi : 10.3390/genes8050141 . PMC 5448015. PMID 28505093.
^ Halder R, Hennion M, Vidal RO, Shomroni O, Rahman RU, Rajput A, Centeno TP, van Bebber F, Capece V, Garcia Vizcaino JC, Schuetz AL, Burkhardt S, Benito E, Navarro Sala M, Javan SB, Haass C, Schmid B, Fischer A, Bonn S (enero de 2016). "Los cambios en la metilación del ADN en los genes de plasticidad acompañan la formación y el mantenimiento de la memoria". Nat. Neurosci . 19 (1): 102–10. doi :10.1038/nn.4194. PMC 4700510 . PMID 26656643.
^ Bayraktar G, Kreutz MR (2018). "El papel de la desmetilación del ADN dependiente de la actividad en el cerebro adulto y en los trastornos neurológicos". Front Mol Neurosci . 11 : 169. doi : 10.3389/fnmol.2018.00169 . PMC 5975432 . PMID 29875631.
^ Day JJ, Sweatt JD (noviembre de 2010). "Metilación del ADN y formación de la memoria". Nat. Neurosci . 13 (11): 1319–23. doi :10.1038/nn.2666. PMC 3130618 . PMID 20975755.