Los dímeros de pirimidina representan lesiones moleculares que se originan a partir de bases de timina o citosina dentro del ADN y que resultan de reacciones fotoquímicas . [1] [2] Estas lesiones, comúnmente relacionadas con daño directo al ADN , [3] son inducidas por la luz ultravioleta (UV), particularmente UVC , y dan como resultado la formación de enlaces covalentes entre bases nitrogenadas adyacentes a lo largo de la cadena de nucleótidos cerca de su carbono. dobles enlaces de carbono, [4] los dímeros fotoacoplados son fluorescentes . [5] Dicha dimerización , que también puede ocurrir en el ARN bicatenario (ARNds) que involucra uracilo o citosina , conduce a la creación de dímeros de ciclobutano-pirimidina (CPD) y de 6 a 4 fotoproductos . Estas lesiones premutagénicas modifican la estructura de la hélice del ADN , lo que resulta en un emparejamiento anormal de bases no canónicas y, en consecuencia, las timinas o citosinas adyacentes en el ADN formarán un anillo de ciclobutano cuando se unan y causarán una distorsión en el ADN. Esta distorsión impide los mecanismos de replicación y transcripción del ADN más allá del sitio de dimerización. [6]
Si bien pueden ocurrir hasta 100 reacciones de este tipo por segundo en una célula de la piel expuesta a la luz solar, lo que provoca daños en el ADN , normalmente se rectifican rápidamente mediante la reparación del ADN , como la reactivación de la fotoliasa o la reparación por escisión de nucleótidos , siendo esta última prevalente en los seres humanos. Por el contrario, ciertas bacterias utilizan la fotoliasa, impulsada por la luz solar, para reparar el daño en el ADN inducido por el dímero de pirimidina. Las lesiones no reparadas pueden provocar una incorporación errónea de nucleótidos por parte de la maquinaria de la polimerasa . Un daño abrumador en el ADN puede precipitar mutaciones dentro del genoma de un organismo , culminando potencialmente en la formación de células cancerosas . [7] Las lesiones no rectificadas también pueden interferir con la función de la polimerasa, inducir errores de transcripción o replicación , o detener la replicación. En particular, los dímeros de pirimidina contribuyen a las quemaduras solares y a la producción de melanina , y son un factor principal en el desarrollo del melanoma en humanos.
Los dímeros de pirimidina abarcan varios tipos, cada uno con estructuras distintas e implicaciones para la integridad del ADN.
El dímero de ciclobutano-pirimidina (CPD) es un dímero que presenta un anillo de cuatro miembros formado por la fusión de dos carbonos con doble enlace de pirimidinas adyacentes. Los CPD interrumpen la formación del par de bases durante la replicación del ADN , lo que potencialmente conduce a mutaciones . [8] [9] [10]
El fotoproducto 6-4 (6-4 pirimidina- pirimidona o 6-4 pirimidina-pirimidinona) es una configuración de dímero alternativa que consiste en un enlace covalente único que une el carbono en la posición 6 (C6) de un anillo de pirimidina y el carbono en la posición 6-4 de un anillo de pirimidina. 4 (C4) posición del aro de la base contigua. [11] Este tipo de conversión ocurre con un tercio de la frecuencia de las CPD y tiene un mayor riesgo mutagénico . [12]
Un tercer tipo de lesión molecular es la pirimidinona de Dewar , que resulta de la isomerización reversible de un fotoproducto 6-4 bajo exposición adicional a la luz. [13]
La mutagénesis, el proceso de formación de mutaciones, está significativamente influenciado por las polimerasas de translesión que a menudo introducen mutaciones en sitios de dímeros de pirimidina. Este hecho se observa tanto en procariotas , a través de la respuesta SOS a la mutagénesis, como en eucariotas . A pesar de que las CPD de timina-timina son las lesiones más comunes inducidas por los rayos UV, las polimerasas de translesión muestran una tendencia a incorporar adeninas , lo que resulta en la replicación precisa de los dímeros de timina en la mayoría de los casos. Por el contrario, las citosinas que forman parte de las CPD son susceptibles a la desaminación , lo que lleva a una transición de citosina a timina, contribuyendo así al proceso de mutación. [14]
Los dímeros de pirimidina introducen cambios conformacionales locales en la estructura del ADN , que permiten el reconocimiento de la lesión por parte de las enzimas reparadoras. [15] En la mayoría de los organismos (excluyendo los mamíferos placentarios como los humanos) pueden repararse mediante fotorreactivación. [16] La fotoreactivación es un proceso de reparación en el que las enzimas fotoliasas revierten las CPD mediante reacciones fotoquímicas . Además, algunas fotoliasas también pueden reparar de 6 a 4 fotoproductos del daño al ADN inducido por los rayos UV. Las enzimas fotoliasas utilizan flavina adenina dinucleótido (FAD) como cofactor en el proceso de reparación. [17]
La dosis de UV que reduce una población de células de levadura de tipo salvaje a un 37% de supervivencia es equivalente (suponiendo una distribución de impactos de Poisson) a la dosis de UV que causa un promedio de un impacto letal en cada una de las células de la población. [18] El número de dímeros de pirimidina inducidos por genoma haploide a esta dosis se midió en 27.000. [18] También se analizó la sensibilidad a los rayos UV de una cepa de levadura mutante defectuosa en las tres vías mediante las cuales se sabía que los dímeros de pirimidina se reparaban en la levadura. En este caso se descubrió que sólo uno o, como máximo, dos dímeros de pirimidina no reparados por genoma haploide son letales para la célula. [18] Por lo tanto, estos hallazgos indican que la reparación de los dímeros de timina en la levadura de tipo salvaje es altamente eficiente.
La reparación por escisión de nucleótidos , a veces denominada "reactivación oscura", es un mecanismo más general para la reparación de lesiones y es la forma más común de reparación del ADN de los dímeros de pirimidina en humanos. Este proceso funciona mediante el uso de maquinaria celular para localizar los nucleótidos dimerizados y extirpar la lesión. Una vez que se elimina el CPD, queda un espacio en la cadena de ADN que debe llenarse. La maquinaria del ADN utiliza la cadena complementaria no dañada para sintetizar nucleótidos y, en consecuencia, llenar el espacio en la cadena previamente dañada. [6]
El xeroderma pigmentoso (XP) es una enfermedad genética rara en humanos en la que los genes que codifican las proteínas NER están mutados y dan como resultado una menor capacidad para combatir los dímeros de pirimidina que se forman como resultado del daño de los rayos UV. Las personas con XP también tienen un riesgo mucho mayor de cáncer que otras, con un riesgo 5.000 veces mayor de desarrollar cáncer de piel. [7] Algunas características y síntomas comunes de XP incluyen la decoloración de la piel y la formación de múltiples tumores debido a la exposición a los rayos UV.
Algunos organismos tienen otras formas de realizar reparaciones:
Otro tipo de mecanismo de reparación que se conserva en humanos y otros no mamíferos es la síntesis de translesión. Por lo general, la lesión asociada con el dímero de pirimidina bloquea la síntesis de la maquinaria celular más allá del sitio dañado. Sin embargo, en la síntesis de translesión, las polimerasas de translesión evitan la CPD y la maquinaria de replicación o transcripción puede continuar más allá de la lesión. Una ADN polimerasa de translesión específica, la ADN polimerasa η, es deficiente en personas con XPD. [20]
El daño directo al ADN se reduce con el protector solar, que también reduce el riesgo de sufrir quemaduras solares. Cuando el protector solar está en la superficie de la piel, filtra los rayos UV, lo que atenúa su intensidad. Incluso cuando las moléculas de protector solar han penetrado en la piel, protegen contra el daño directo del ADN, porque la luz ultravioleta es absorbida por el protector solar y no por el ADN. [21] El protector solar funciona principalmente absorbiendo la luz ultravioleta del sol mediante el uso de compuestos orgánicos, como la oxibenzona o la avobenzona. Estos compuestos pueden absorber la energía ultravioleta del sol y pasar a estados de mayor energía. Con el tiempo, estas moléculas regresan a estados de energía más bajos y, al hacerlo, la energía inicial de la luz ultravioleta puede transformarse en calor. Este proceso de absorción funciona para reducir el riesgo de daño al ADN y la formación de dímeros de pirimidina. La luz UVA constituye el 95% de la luz ultravioleta que llega a la Tierra, mientras que la luz UVB representa sólo alrededor del 5%. La luz UVB es la forma de luz ultravioleta responsable del bronceado y las quemaduras. Los protectores solares actúan para proteger de los rayos UVA y UVB. En general, las quemaduras solares ejemplifican el daño al ADN causado por los rayos ultravioleta, y este daño puede presentarse en forma de especies de radicales libres, así como de dimerización de nucleótidos adyacentes. [22]