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Reticulación del ADN

Reticulación intracatenaria e intercatenaria del ADN

En genética , la reticulación del ADN se produce cuando diversos agentes exógenos o endógenos reaccionan con dos nucleótidos del ADN , formando un enlace covalente entre ellos. Esta reticulación puede producirse dentro de la misma hebra (intrahebra) o entre hebras opuestas de ADN bicatenario (interhebra). Estos aductos interfieren en el metabolismo celular, como la replicación y transcripción del ADN , desencadenando la muerte celular . Sin embargo, estas reticulaciones pueden repararse mediante vías de escisión o recombinación.

La reticulación del ADN también tiene un valor útil en la quimioterapia y en la focalización de células cancerosas para la apoptosis , [1] así como para comprender cómo interactúan las proteínas con el ADN.

Agentes de reticulación

Muchos agentes de reticulación caracterizados tienen dos grupos reactivos independientes dentro de la misma molécula, cada uno de los cuales es capaz de unirse a un residuo de nucleótido del ADN. Estos agentes se separan en función de su fuente de origen y se etiquetan como exógenos o endógenos. Los agentes de reticulación exógenos son sustancias químicas y compuestos, tanto naturales como sintéticos, que se originan a partir de exposiciones ambientales como productos farmacéuticos y humo de cigarrillo o gases de escape de automóviles. Los agentes de reticulación endógenos son compuestos y metabolitos que se introducen a partir de vías celulares o bioquímicas dentro de una célula u organismo.

Agentes exógenos

Agentes endógenos

Tabla resumen de agentes reticulantes

Reparación de enlaces cruzados de ADN

El ADN reticulado se repara en las células mediante una combinación de enzimas y otros factores de la vía de reparación por escisión de nucleótidos (NER), la recombinación homóloga y la vía de reparación por escisión de bases (BER). Para reparar los enlaces cruzados entre cadenas en eucariotas, una endonucleasa de solapa 3' de la NER, XPF-ERCC1 , se recluta al ADN reticulado, donde ayuda a "desenganchar" el ADN al escindir la cadena 3' en el sitio de enlace cruzado. Luego, la cadena 5' se escinde, ya sea por XPF-ERCC1 u otra endonucleasa , formando una rotura de doble cadena (DSB), que luego puede repararse mediante la vía de recombinación homóloga . [17]

Los enlaces cruzados de ADN generalmente causan la pérdida de información de secuencia superpuesta de las dos hebras de ADN. Por lo tanto, la reparación precisa del daño depende de la recuperación de la información perdida de un cromosoma homólogo no dañado en la misma célula. La recuperación puede ocurrir mediante el emparejamiento con una cromátida hermana producida durante una ronda de replicación anterior. En una célula diploide, la recuperación también puede ocurrir mediante el emparejamiento con un cromosoma homólogo no hermano , como ocurre especialmente durante la meiosis . [ cita requerida ] Una vez que se ha producido el emparejamiento, el enlace cruzado se puede eliminar e introducir la información correcta en el cromosoma dañado mediante recombinación homóloga.

La ruptura del enlace entre un azúcar desoxirribosa en la cadena principal de azúcar-fosfato del ADN y su nucleobase asociada deja un sitio abásico en el ADN bicatenario. Estos sitios abásicos a menudo se generan como intermediarios y luego se restauran en la reparación por escisión de bases. Sin embargo, si se permite que estos sitios persistan, pueden inhibir la replicación y transcripción del ADN. [18] Los sitios abásicos pueden reaccionar con grupos amina en proteínas para formar enlaces cruzados ADN-proteína o con aminas exocíclicas de otras nucleobases para formar enlaces cruzados entre cadenas. Para evitar los enlaces cruzados entre cadenas o ADN-proteína, las enzimas de la vía BER unen firmemente el sitio abásico y lo secuestran de los grupos reactivos cercanos, como se demostró en la alquiladenina ADN glicosilasa humana (AAG) y la 3-metiladenina ADN glicosilasa II (AlkA) de E. coli . [19] La evidencia in vitro demostró que los enlaces cruzados entre enlaces inducidos por un sitio básico (DOB-ICL) son una lesión que bloquea la replicación y codifica de forma errónea. En comparación con otras polimerasas TLS examinadas, es probable que la pol η contribuya a la reparación mediada por TLS de la DOB-ICL in vivo . [20] Mediante el uso de lesiones de ADN de O6-2' -desoxiguanosina-butileno-O6-2' - desoxiguanosina (O6-dG-C4-O6-dG), que es una estructura químicamente estable, se investigó la actividad de derivación de varias polimerasas de ADN y los resultados demostraron que la pol η exhibió la actividad de derivación más alta; sin embargo, el 70% de los productos de derivación eran sustituciones o deleciones que contenían mutagénicos. El aumento en el tamaño de los intermediarios de reparación desenganchados eleva la frecuencia de mutación por deleción. [21]

El tratamiento de E. coli con psoraleno más luz ultravioleta ( PUVA ) produce enlaces cruzados entre cadenas en el ADN de las células. Cole et al. [22] y Sinden y Cole [23] presentaron evidencia de que un proceso de reparación recombinacional homóloga que requiere los productos de los genes uvrA , uvrB y recA puede eliminar estos enlaces cruzados en E. coli . Este proceso parece ser bastante eficiente. Aunque uno o dos enlaces cruzados no reparados son suficientes para inactivar una célula, una célula bacteriana de tipo salvaje puede reparar y, por lo tanto, recuperarse de 53 a 71 enlaces cruzados de psoraleno. Las células de levadura eucariotas también se inactivan con un enlace cruzado restante, pero las células de levadura de tipo salvaje pueden recuperarse de 120 a 200 enlaces cruzados. [24]

Aplicaciones

Reticulación del ADN y las proteínas

Métodos de interacción bioquímica

La reticulación entre el ADN y las proteínas puede ser causada por una variedad de agentes químicos y físicos, incluidos los metales de transición, la radiación ionizante y los aldehídos endógenos, además de los agentes quimioterapéuticos . [25] De manera similar a la reticulación del ADN, las reticulaciones entre el ADN y las proteínas son lesiones en las células que frecuentemente son dañadas por la radiación UV. El efecto de la radiación UV puede conducir a interacciones reactivas y hacer que el ADN y las proteínas que están en contacto con él se reticulen. Estas reticulaciones son lesiones muy voluminosas y complejas. Ocurren principalmente en áreas de los cromosomas que están experimentando la replicación del ADN e interfieren con los procesos celulares.

Los métodos de identificación de estructuras han avanzado y la posibilidad de medir las interacciones entre el ADN y las proteínas es un requisito para comprender plenamente los procesos bioquímicos. La estructura de los complejos de ADN y proteínas se puede mapear mediante fotoentrecruzamiento, que es la formación fotoinducida de un enlace covalente entre dos macromoléculas o entre dos partes diferentes de una macromolécula. La metodología implica unir covalentemente un motivo de unión al ADN de la proteína de unión al ADN específica de la secuencia objetivo con un agente de reticulación fotoactivable capaz de reaccionar con los nucleótidos del ADN cuando se expone a la luz ultravioleta. Este método proporciona información sobre la interacción entre el ADN y la proteína en el entrecruzamiento. [26]

Tratamientos clínicos

Las vías de reparación del ADN pueden dar lugar a la formación de células tumorales . Se han diseñado tratamientos contra el cáncer utilizando agentes de reticulación del ADN para interactuar con las bases nitrogenadas del ADN y bloquear la replicación del ADN. Estos agentes de reticulación tienen la capacidad de actuar como terapias de un solo agente al dirigirse a nucleótidos específicos en las células cancerosas y destruirlos. Este resultado es detener el ciclo y el crecimiento de las células cancerosas; debido a que inhibe vías específicas de reparación del ADN, este enfoque tiene una ventaja potencial al tener menos efectos secundarios. [27]

En los seres humanos, la principal causa de muerte por cáncer en todo el mundo es el cáncer de pulmón, incluido el carcinoma de pulmón de células no pequeñas (CPCNP), que representa el 85 % de todos los casos de cáncer de pulmón en los Estados Unidos. [28] A menudo, las personas con CPCNP reciben tratamiento con compuestos terapéuticos de platino (por ejemplo, cisplatino, carboplatino u oxaliplatino) (consulte Quimioterapia para el cáncer de pulmón ) que provocan enlaces cruzados entre cadenas del ADN. Entre las personas con CPCNP, la baja expresión del gen 1 del cáncer de mama ( BRCA1 ) en el tumor primario se ha correlacionado con una mejor supervivencia después de la quimioterapia que contiene platino. [29] [30] Esta correlación implica que un bajo nivel de BRCA1 en el cáncer y el consiguiente bajo nivel de reparación del ADN provocan vulnerabilidad del cáncer al tratamiento con agentes de reticulación del ADN. Un alto nivel de BRCA1 puede proteger a las células cancerosas al actuar en la vía de reparación recombinatoria homóloga que elimina los daños en el ADN introducidos por los fármacos de platino. El nivel de expresión de BRCA1 es potencialmente una herramienta importante para adaptar la quimioterapia en el tratamiento del cáncer de pulmón. [29] [30]

Los agentes quimioterapéuticos clínicos pueden inducir enlaces cruzados enzimáticos y no enzimáticos entre el ADN y las proteínas. Un ejemplo de esta inducción es con derivados del platino, como el cisplatino y el oxaliplatino. Crean enlaces cruzados no enzimáticos entre el ADN y las proteínas a través de enlaces cruzados no específicos de las proteínas que interactúan con la cromatina al ADN. El enlace cruzado también es posible en otros agentes terapéuticos ya sea estabilizando los intermediarios de la reacción covalente entre el ADN y las proteínas o creando un pseudosustrato, que atrapa la enzima en el ADN. Los derivados de la camptotecina, como el irinotecán y el topotecán, se dirigen y atrapan la topoisomerasa 1 del ADN (TOP1) específica intercalándose dentro de la interfaz enzima-ADN. Debido a que la toxicidad de estos fármacos depende de la captura de TOP1, la sensibilidad celular a estos compuestos depende directamente de los niveles de expresión de TOP1. Como resultado, la función de estos fármacos es servir como venenos enzimáticos en lugar de inhibidores. Esto se puede aplicar para tratar células tumorales utilizando venenos enzimáticos TOP 2. [31]

Referencias

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