La reparación del ADN es un conjunto de procesos mediante los cuales una célula identifica y corrige el daño a las moléculas de ADN que codifica su genoma . [1] En las células humanas, tanto las actividades metabólicas normales como los factores ambientales como la radiación pueden causar daños en el ADN, lo que resulta en decenas de miles de lesiones moleculares individuales por célula por día. [2] 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 la mitosis . Como consecuencia, el proceso de reparación del ADN está constantemente activo ya que responde al daño en la estructura del ADN. Cuando los procesos de reparación normales fallan y cuando no se produce la apoptosis celular, puede producirse un daño irreparable en el ADN. Esto eventualmente puede conducir a tumores malignos o cáncer según la hipótesis de los dos golpes .
La tasa 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 tres estados posibles:
La capacidad de reparación del ADN de una célula es vital para la integridad de su genoma y, por tanto, para la funcionalidad normal de ese organismo. Muchos genes que inicialmente se demostró que influyeban en la duración de la vida resultaron estar involucrados en la reparación y protección del daño del ADN. [3]
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. [4] [5]
El daño al ADN, debido a factores ambientales y procesos metabólicos normales dentro de la célula, ocurre a un ritmo de 10.000 a 1.000.000 de lesiones moleculares por célula por día. [2] Si bien esto constituye como máximo sólo el 0,0003125% de los aproximadamente 3.200 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 tumoral .
La gran mayoría de los daños en el ADN afectan a la estructura primaria de la doble hélice; es decir, las propias bases están modificadas químicamente. Estas modificaciones, a su vez, pueden alterar la estructura helicoidal regular de las moléculas mediante la introducción de 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 suele carecer de estructura terciaria y por tanto no se produce daño o alteración a ese nivel. Sin embargo, el ADN está superenrollado y enrollado alrededor de proteínas "envasadoras" llamadas histonas (en eucariotas), y ambas superestructuras son vulnerables a los efectos del daño del ADN.
El daño al ADN se puede subdividir en dos tipos principales:
La replicación del ADN dañado antes de la división celular puede provocar la incorporación de bases erróneas frente a las dañadas. Las células hijas que heredan estas bases incorrectas portan mutaciones de las cuales la secuencia de ADN original es irrecuperable (excepto en el raro caso de una retromutación , por ejemplo, mediante conversión genética ).
Existen varios tipos de daño al ADN debido a procesos celulares endógenos:
Los daños causados por agentes exógenos se presentan de muchas formas. Algunos ejemplos son:
El daño ultravioleta, 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 de los anillos de azúcar y desplazamiento tautomérico. El daño constitutivo (espontáneo) del ADN causado por oxidantes endógenos se puede detectar como un bajo nivel de fosforilación de la histona H2AX en células no tratadas. [9]
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 (ADN-n) 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 cuentas llamadas histonas . Siempre que una célula necesita expresar la información genética codificada en su ADN-n, se desentraña la región cromosómica requerida, se expresan los genes ubicados en ella y luego la región se condensa nuevamente 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 varias 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) mediante la fosforilación oxidativa , crean un entorno altamente oxidativo que se sabe que daña el ADNmt. 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.
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 (consulte el límite de Hayflick ). [10] 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 requiere la presencia física de una célula por razones espaciales, [11] que sirve como mecanismo de "último recurso" para evitar que una célula con ADN dañado se replique. de manera inapropiada en 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 contra el cáncer. [12]
Es importante distinguir entre daño y mutación del ADN, los dos tipos principales de error en el ADN. El daño y la mutación del ADN son fundamentalmente diferentes. El daño produce anomalías físicas en el ADN, como roturas de una o dos cadenas, residuos de 8-hidroxidesoxiguanosina y aductos de hidrocarburos aromáticos policíclicos. Los daños en el ADN pueden ser reconocidos por enzimas y, por lo tanto, pueden repararse correctamente si se dispone de información redundante, como la secuencia no dañada en la cadena de ADN complementaria o en un cromosoma homólogo, para copiar. Si una célula conserva daños en el ADN, se puede impedir la transcripción de un gen y, por 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. Las enzimas no pueden reconocer una mutación 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, las células mutantes aumentarán o disminuirán en frecuencia según los efectos de la mutación sobre la capacidad de la célula para sobrevivir y reproducirse.
Aunque claramente diferentes entre sí, el daño y la mutación del ADN están relacionados porque el daño del ADN a menudo causa errores en la síntesis del 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 al ADN es un problema especial en 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 no reparado del ADN que no mata a la célula bloqueando la replicación tenderá a provocar errores de replicación y, por tanto, mutaciones. La gran mayoría de las mutaciones que no son neutrales en su efecto son perjudiciales para la supervivencia de una célula. Así, en una población de células que componen un tejido con células replicantes, 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 dichas células mutantes pueden dar lugar a cáncer. Por lo tanto, el daño al 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 al ADN en células que se dividen con poca frecuencia es probablemente una causa importante del envejecimiento. [13]
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 siguen siendo superficialmente funcionales cuando faltan genes no esenciales o están dañados). Dependiendo del tipo de daño infligido a la estructura de doble hélice del ADN, se han desarrollado diversas estrategias de reparación para restaurar la información perdida. Si es posible, las células utilizan la cadena complementaria no modificada del ADN o la cromátida hermana como plantilla para recuperar la información original. Sin acceso a una plantilla, las células utilizan como último recurso un mecanismo de recuperación propenso a errores conocido como síntesis de translesión.
El daño al ADN altera la configuración espacial de la hélice y la célula puede detectar dichas alteraciones. Una vez localizado el daño, moléculas específicas de reparación del ADN se unen en el sitio del daño o cerca de él, lo que induce a otras moléculas a unirse y formar un complejo que permite que se lleve a cabo la reparación real.
Se sabe que las células eliminan tres tipos de daño a su ADN revirtiéndolo químicamente. Estos mecanismos no requieren plantilla, ya que los tipos de daño que contrarrestan pueden ocurrir sólo en una de las cuatro bases. Estos mecanismos de reversión directa son específicos del tipo de daño sufrido y no implican la rotura de la columna vertebral de 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 de la luz azul/UV ( longitud de onda de 300 a 500 nm ) para promover la catálisis. [14] La fotoliasa, una antigua enzima presente en bacterias , hongos y la mayoría de los animales , ya no funciona en los humanos, [15] quienes, en cambio, utilizan la reparación por escisión de nucleótidos para reparar el daño causado por la irradiación ultravioleta. Otro tipo de daño, la metilación de bases de guanina, se revierte directamente mediante la enzima metil guanina metil transferasa (MGMT), cuyo equivalente bacteriano se llama ogt . Este es un proceso costoso porque cada molécula de MGMT sólo puede usarse una vez; es decir, la reacción es estequiométrica en lugar de catalítica . [16] 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 una exposición sostenida mediante la regulación positiva de las enzimas reparadoras de la alquilación. [17] El tercer tipo de daño al ADN revertido por las células es cierta metilación de las bases citosina y adenina.
Cuando sólo uno de los dos hilos de una doble hélice tiene un defecto, el otro hilo puede usarse como plantilla para guiar la corrección del hilo dañado. Para reparar el daño a una de las dos moléculas de ADN emparejadas, 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 cadena de ADN no dañada. [dieciséis]
Las roturas de doble hebra, en las que se cortan ambas hebras de la doble hélice, son especialmente peligrosas para la célula porque pueden provocar reordenamientos del genoma . De hecho, cuando una rotura de doble hebra va acompañada de un entrecruzamiento que une las dos hebras en el mismo punto, ninguna de ellas 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. [22] [23] Existen tres mecanismos para reparar roturas de doble cadena (DSB): unión de extremos no homólogos (NHEJ), unión de extremos mediada por microhomología (MMEJ) y recombinación homóloga (HR): [16] [24]
En un sistema in vitro , MMEJ se produjo en células de mamíferos en niveles del 10 al 20% de HR cuando los mecanismos HR y NHEJ también estaban disponibles. [32]
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 aleatorias del ADN, pueden formar fragmentos de ADN mediante recocido . Luego, los fragmentos parcialmente superpuestos se utilizan para la síntesis de regiones homólogas a través de un bucle D en movimiento que puede continuar la extensión hasta que se encuentren cadenas complementarias. En el paso final se produce un cruce mediante recombinación homóloga dependiente de RecA . [35]
Las topoisomerasas introducen roturas tanto de una como de dos cadenas en el curso del cambio del estado de superenrollamiento del ADN , lo cual es especialmente común en regiones cercanas a una bifurcación de replicación abierta. Estas 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 la doble cadena del ADN se origina en los sitios del ADN sensibles al calor o termolábiles. Estos sitios de ADN no son DSB iniciales. Sin embargo, se convierten en DSB después de tratarlos con temperatura elevada. La irradiación ionizante puede inducir una forma muy compleja de daño al ADN como daño agrupado. Consiste en diferentes tipos de lesiones del ADN en varias ubicaciones de la hélice del ADN. Algunas de estas lesiones ubicadas muy cerca probablemente puedan convertirse en DSB por exposición a altas temperaturas. Pero aún no se conoce la naturaleza exacta de estas lesiones y sus interacciones [36].
La síntesis de translesión (TLS) es un proceso de tolerancia al daño del ADN que permite que la maquinaria de replicación del ADN replique lesiones pasadas del ADN, como los dímeros de timina o los sitios AP . [37] Implica cambiar las ADN polimerasas regulares por polimerasas de translesión especializadas (es decir, ADN polimerasa IV o V, de la familia de las polimerasas 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 intactas en comparación con las polimerasas regulares. Sin embargo, muchos son extremadamente eficientes a la hora de insertar bases correctas frente a tipos específicos de daños. Por ejemplo, Pol η media en la derivación sin errores de las lesiones inducidas por la 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 de 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 la translesión puede ser preferible a recurrir a mecanismos más drásticos de reparación del ADN, que pueden causar graves aberraciones cromosómicas o muerte celular. En resumen, el proceso implica polimerasas especializadas que evitan o reparan lesiones en lugares donde la replicación del ADN está estancada. Por ejemplo, la ADN polimerasa eta humana puede evitar lesiones complejas del ADN como el entrecruzamiento intracadena de guanina-timina, G[8,5-Me]T, aunque puede causar mutaciones dirigidas y semidirigidas. [38] Paromita Raychaudhury y Ashis Basu [39] estudiaron la toxicidad y mutagénesis de la misma lesión en Escherichia coli replicando un plásmido modificado con G[8,5-Me]T en E. coli con inactivaciones específicas de la ADN polimerasa. La viabilidad fue muy baja en una cepa que carecía de pol II, pol IV y pol V, las tres ADN polimerasas inducibles por SOS, lo que indica que la síntesis de translesiones se lleva a cabo principalmente por estas ADN polimerasas especializadas. El antígeno nuclear de células en proliferación (PCNA) proporciona una plataforma de derivación a estas polimerasas . En circunstancias normales, el PCNA unido a polimerasas replica el ADN. En el sitio de la lesión , el PCNA es ubiquitinado o modificado por las proteínas RAD6/ RAD18. proporcionar una plataforma para que las polimerasas especializadas eviten la lesión y reanuden la replicación del ADN. [40] [41] Después de la síntesis de la 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 produce una falta de coincidencia, se necesita una polimerasa especializada para extenderlo; Polζ . Pol ζ es único porque 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.
Las células expuestas a radiaciones ionizantes , luz ultravioleta o productos químicos son propensas a adquirir múltiples sitios de lesiones voluminosas en el ADN y roturas de doble cadena. Además, los agentes que dañan el ADN pueden dañar otras biomoléculas como proteínas , carbohidratos , lípidos y ARN . La acumulación de daños, concretamente roturas de doble cadena o aductos que bloquean las horquillas de replicación , se encuentran entre las señales de estimulación conocidas para una respuesta global al daño del ADN. [42] La respuesta global al daño es un acto dirigido a 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 .
El empaquetamiento del ADN eucariota en cromatina presenta una barrera para todos los procesos basados en el ADN que requieren el reclutamiento de enzimas en sus sitios de acción. Para permitir la reparación del ADN, es necesario remodelar la cromatina . En eucariotas, los complejos de remodelación de la cromatina dependientes de ATP y las enzimas modificadoras de histonas son dos factores predominantes empleados para lograr este proceso de remodelación. [43]
La relajación de la cromatina ocurre rápidamente en el sitio de daño del ADN. [44] [45] En uno de los primeros pasos, la proteína quinasa activada por estrés, la quinasa N-terminal c-Jun (JNK) , fosforila SIRT6 en la serina 10 en respuesta a roturas de doble cadena u otros daños en el ADN. [46] Esta modificación postraduccional facilita la movilización de SIRT6 a los sitios de daño del ADN y es necesaria para el reclutamiento eficiente de la poli (ADP-ribosa) polimerasa 1 (PARP1) a los sitios de rotura del ADN y para la reparación eficiente de los DSB. [46] La proteína PARP1 comienza a aparecer en los sitios dañados del ADN en menos de un segundo, con una acumulación máxima de la mitad dentro de 1,6 segundos después de que se produce el daño. [47] PARP1 sintetiza cadenas poliméricas de adenosina difosfato ribosa (poli (ADP-ribosa) o PAR) sobre sí misma. A continuación, el remodelador de cromatina ALC1 se une rápidamente al producto de la acción de PARP1, una cadena de poli-ADP ribosa, y ALC1 completa su llegada al daño del ADN dentro de los 10 segundos posteriores a la aparición del daño. [45] Aproximadamente la mitad de la relajación máxima de la cromatina, presumiblemente debido a la acción de ALC1, ocurre en 10 segundos. [45] Esto permite el reclutamiento de la enzima reparadora del ADN MRE11 , para iniciar la reparación del ADN, en 13 segundos. [47]
γH2AX, la forma fosforilada de H2AX , también participa en los primeros pasos que conducen a la descondensación de la cromatina después de que se rompe la doble cadena del ADN. La variante de histona H2AX constituye aproximadamente el 10% de las histonas H2A en la cromatina humana. [48] γH2AX (H2AX fosforilado en serina 139) se puede detectar tan pronto como 20 segundos después de la irradiación de las células (con formación de rotura de la doble cadena del ADN), y la mitad de la acumulación máxima de γH2AX ocurre en un minuto. [48] La extensión de la cromatina con γH2AX fosforilado es de aproximadamente dos millones de pares de bases en el sitio de una rotura de la doble hebra del ADN. [48] γH2AX por sí solo no causa la descondensación de la cromatina, pero dentro de los 30 segundos posteriores a la irradiación, la proteína RNF8 se puede detectar en asociación con γH2AX. [49] RNF8 media la descondensación extensa de la cromatina, a través de su interacción posterior con CHD4 , [50] un componente de la remodelación del nucleosoma y el complejo de desacetilasa NuRD .
DDB2 se presenta en un complejo heterodimérico con DDB1 . Este complejo forma complejos adicionales con la proteína ubiquitina ligasa CUL4A [51] y con PARP1 . [52] Este complejo más grande se asocia rápidamente con el daño inducido por los rayos UV dentro de la cromatina, con la mitad de la asociación máxima completada en 40 segundos. [51] La proteína PARP1, unida tanto a DDB1 como a DDB2, luego PARila (crea una cadena de poli-ADP ribosa) en DDB2 que atrae a la proteína remodeladora del ADN ALC1 . [52] 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 ingresen a la cromatina y reparen los daños del dímero de pirimidina de ciclobutano inducidos por los rayos UV .
Después de una rápida remodelación 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 posteriores al daño del ADN. A esto le sigue la fosforilación de la proteína Chk1 del punto de control del ciclo celular , iniciando su función, aproximadamente 10 minutos después de que se daña el ADN. [53]
Después del daño al 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 célula para reparar el daño antes de continuar dividiéndose. Los puntos de control de daños en el ADN se producen 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 la doble hebra del ADN y a alteraciones en la estructura de la cromatina, [54] mientras que ATR responde principalmente a horquillas de replicación estancadas . Estas quinasas fosforilan objetivos posteriores en una cascada de transducción de señales , lo que eventualmente 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 . [55] Estas proteínas parecen ser necesarias para transmitir la señal de activación del punto de control a las proteínas posteriores.
El punto de control del daño del ADN es una vía de transducción de señales que bloquea la progresión del ciclo celular en G1, G2 y la metafase y ralentiza la velocidad de progresión de la fase S cuando el ADN está dañado. Conduce a una pausa en el ciclo celular, lo que le da tiempo a la célula para reparar el daño antes de continuar dividiéndose.
Las proteínas Checkpoint se pueden separar en cuatro grupos: proteína quinasa similar a la fosfatidilinositol 3-quinasa (PI3K) , grupo similar al antígeno nuclear de células proliferantes (PCNA), dos quinasas de serina/treonina (S/T) y sus adaptadores. Central para todas las respuestas de puntos de control inducidas por daños en el ADN es 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 (relacionadas con 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 de ATM y ATR es p53 , ya que es necesario para inducir la apoptosis después de un daño en el ADN. [56] El inhibidor de la quinasa dependiente de ciclina p21 es inducido por mecanismos dependientes e independientes de p53 y puede detener el ciclo celular en los puntos de control G1/S y G2/M desactivando los complejos de quinasa ciclina / dependiente de ciclina . [57]
La respuesta SOS son los cambios en la expresión genética de Escherichia coli y otras bacterias en respuesta a un daño extenso en el ADN. El sistema SOS procariótico está regulado por dos proteínas clave: LexA y RecA . El homodímero LexA es un represor transcripcional que se une a secuencias operadoras comúnmente denominadas cajas SOS. En Escherichia coli se sabe que LexA regula la transcripción de aproximadamente 48 genes, incluidos los genes lexA y recA. [58] Se sabe que la respuesta SOS está muy extendida en el dominio Bacteria, pero en su mayor parte está ausente en algunos filos bacterianos, como las espiroquetas . [59] Las señales celulares más comunes que activan la respuesta SOS son regiones de ADN monocatenario (ADNss), que surgen de horquillas de replicación estancadas o roturas de doble hebra, que son procesadas por la ADN helicasa para separar las dos hebras de ADN. [42] 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 de la autoproteasa LexA , lo que finalmente conduce a la escisión del dímero 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, la inhibición de la división celular y un aumento en los niveles de proteínas responsables del procesamiento de daños.
En Escherichia coli , las cajas SOS son secuencias de 20 nucleótidos de largo cerca de promotores con estructura palindrómica y un alto grado de conservación de 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. [59] El alto contenido de información de las cajas SOS permite la unión diferencial de LexA a diferentes promotores y permite cronometrar 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 más tarde como último recurso. [60] Una vez que el daño del ADN se repara o se evita mediante polimerasas o mediante recombinación, la cantidad de ADN monocatenario en las células disminuye, la reducción de la cantidad de filamentos RecA disminuye la actividad de escisión del homodímero LexA, que luego se une a las cajas SOS cercanas. promotores y restaura la expresión genética normal.
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 de los puntos de control del ciclo celular , el tráfico y la degradación de proteínas. Esta respuesta transcripcional de todo el genoma es muy compleja y está estrechamente 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 shock ambiental indican que existe una vía general de respuesta al estrés global en el nivel de activación transcripcional. Por el contrario, los diferentes tipos de células humanas responden al daño de manera diferente, lo que indica una ausencia de una respuesta global común. La probable explicación de esta diferencia entre las células de levadura y las humanas puede estar en la heterogeneidad de las células de los mamíferos . En un animal, diferentes tipos de células se distribuyen entre diferentes órganos que han desarrollado diferentes sensibilidades al daño del ADN. [61]
En general, la respuesta global al daño del ADN implica la expresión de múltiples genes responsables de la reparación de la 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 a costa de vivir 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 mutagénesis mejorada durante una respuesta global al daño del ADN en eucariotas. [42]
Los animales de experimentación con deficiencias genéticas en la reparación del ADN a menudo muestran una menor esperanza de vida y una mayor incidencia de cáncer. [13] 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. [62] De manera similar, los ratones con deficiencia de 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 esperanza de vida. [63] Sin embargo, no todas las deficiencias en la reparación del ADN crean exactamente los efectos previstos; los ratones deficientes en la vía NER exhibieron una esperanza de vida más corta sin tasas de mutación correspondientemente más altas. [64]
La esperanza de vida máxima de ratones , ratas topo desnudas y humanos es respectivamente de ~3, ~30 y ~129 años. [65] De estas, la especie de vida más corta, el ratón, expresa genes de reparación del ADN, incluidos genes centrales en varias vías de reparación del ADN, a un nivel más bajo que los humanos y las ratas topo desnudas. [65] Además, varias vías de reparación del ADN en humanos y ratas topo desnudas están reguladas positivamente en comparación con los ratones. Estas observaciones sugieren que una reparación elevada del ADN facilita una mayor longevidad . [sesenta y cinco]
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 provocar senescencia temprana, apoptosis o cáncer. Las enfermedades hereditarias asociadas con un funcionamiento defectuoso de la reparación del ADN provocan un envejecimiento prematuro, [13] 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 la rotura de la doble cadena , probablemente debido a una mayor eficiencia de la reparación del ADN y especialmente NHEJ. [66]
Se ha identificado que varios genes individuales influyen en las variaciones en la duración de la vida dentro de una población de organismos. La acción de estos genes depende 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 menor tasa metabólica . Los mecanismos moleculares por los cuales dicha restricción da como resultado una mayor esperanza de vida aún no están claros (ver [67] para una 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 que tienen propiedades antienvejecimiento atenúan el nivel constitutivo de señalización mTOR , una evidencia de reducción de la actividad metabólica , y al mismo tiempo reducen el nivel constitutivo de daño al ADN inducido por especies reactivas de oxígeno generadas endógenamente. [68]
Por ejemplo, aumentar la dosis del gen SIR-2, que regula el empaquetado del ADN en el gusano nematodo Caenorhabditis elegans , puede prolongar significativamente la vida útil. [69] Se sabe que el homólogo mamífero de SIR-2 induce factores de reparación del ADN posteriores implicados en NHEJ, una actividad que se promueve especialmente en condiciones de restricción calórica. [70] La restricción calórica se ha relacionado estrechamente con la tasa de reparación por escisión de bases en el ADN nuclear de roedores, [71] aunque no se han observado efectos similares en el ADN mitocondrial. [72]
El gen AGE-1 de C. elegans , un efector ascendente 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. [73] Esta observación apoya la teoría de la pleiotropía de los orígenes biológicos del envejecimiento , que sugiere que los genes que confieren una gran ventaja de supervivencia en las primeras etapas de la vida serán seleccionados incluso si conllevan una desventaja correspondiente en las etapas posteriores de la vida.
Los defectos en el mecanismo NER son responsables de varios trastornos genéticos, entre ellos:
El retraso mental suele acompañar a los dos últimos trastornos, lo que sugiere una mayor vulnerabilidad de las neuronas del desarrollo.
Otros trastornos de reparación del ADN incluyen:
Todas las enfermedades mencionadas a menudo se denominan " progerias segmentarias " (" enfermedades de envejecimiento acelerado ") porque los afectados parecen ancianos y experimentan enfermedades relacionadas con el envejecimiento a una edad anormalmente temprana, sin manifestar todos los síntomas de la vejez.
Otras enfermedades asociadas con una función reducida de reparación del ADN incluyen la anemia de Fanconi , el cáncer de mama hereditario y el cáncer de colon hereditario .
Debido a las limitaciones inherentes a los mecanismos de reparación del ADN, si los humanos vivieran lo suficiente, eventualmente todos desarrollarían cáncer. [74] [75] 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 efectiva de lo normal. En particular, el cáncer colorrectal hereditario sin poliposis (HNPCC) está fuertemente asociado con mutaciones específicas en la vía de reparación de errores de coincidencia del ADN. BRCA1 y BRCA2 , dos genes importantes cuyas mutaciones confieren un riesgo enormemente mayor de cáncer de mama a los portadores, [76] están asociados con una gran cantidad de vías de reparación del ADN, especialmente NHEJ y recombinación homóloga.
Los procedimientos de terapia contra el cáncer, como la quimioterapia y la radioterapia , funcionan abrumando la capacidad de la célula para reparar el daño del ADN, lo que provoca la muerte celular. Las células que se dividen más rápidamente (por lo general, las células cancerosas) se ven afectadas preferentemente. El efecto secundario es que también se ven afectadas otras células no cancerosas pero que se dividen rápidamente, como las células progenitoras del intestino, la piel y el sistema hematopoyético. Los tratamientos modernos contra el cáncer intentan localizar el daño del ADN en 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". [77]
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 con problemas de ovario defectuosos en 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 de rotura de una sola hebra, que es un mecanismo que consiste, en parte, en el producto del gen PARP1. [78] Olaparib se combina con quimioterapéuticos para inhibir la reparación de roturas 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 no pueden 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 homóloga 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. [79]
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. [80] Estudios anteriores han demostrado una respuesta elevada al daño del ADN en modelos de cultivo celular con activación de oncogenes [81] y adenomas de colon preneoplásicos. [82] 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 celular/senescencia si la reparación no es posible. El estrés de replicación se observa en células preneoplásicas debido al aumento de las señales de proliferación de mutaciones oncogénicas. El estrés de replicación se caracteriza por: mayor iniciación de replicación/activación de origen; aumento de la transcripción y colisiones de complejos de transcripción-replicación; deficiencia de nucleótidos; aumento de especies reactivas de oxígeno (ROS). [83]
El estrés de replicación, junto con la selección de mutaciones inactivadoras en los genes de respuesta al daño del ADN en la evolución del tumor, [84] conduce a una regulación negativa y/o pérdida de algunos mecanismos de respuesta al daño del ADN y, por lo tanto, a la pérdida de la reparación del ADN y/o a la senescencia. muerte celular programada. En modelos experimentales de ratones, se observó pérdida de senescencia celular mediada por la respuesta al daño del ADN después de usar un ARN en horquilla corto (shRNA) para inhibir la respuesta de rotura de doble hebra quinasa ataxia telangiectasia ( ATM ), lo que lleva a un aumento del tamaño del tumor y de su invasividad. [82] Los seres humanos que nacen con defectos heredados en los mecanismos de reparación del ADN (por ejemplo, síndrome de Li-Fraumeni ) tienen un mayor riesgo de cáncer. [85]
La prevalencia de mutaciones en respuesta al daño del ADN difiere según los tipos de cáncer; por ejemplo, el 30% de los carcinomas invasivos de mama tienen mutaciones en genes implicados en la recombinación homóloga. [80] En el cáncer, se observa una regulación negativa en todos los mecanismos de respuesta al daño del ADN (reparación por escisión de bases (BER), reparación por escisión de nucleótidos (NER), reparación de errores de coincidencia de ADN (MMR), reparación por recombinación homóloga (HR), unión de extremos no homólogos ( NHEJ) y la síntesis de ADN por translesión (TLS) [86] Además de las mutaciones en los genes de reparación de daños en el 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 de daños en el ADN como en el control de los puntos de control del ciclo celular, por ejemplo, ATM y el punto de control quinasa 2 (CHEK2), un supresor de tumores que a menudo está ausente o regulado negativamente en el cáncer de pulmón de células no pequeñas .
Clásicamente, el cáncer ha sido visto como un conjunto de enfermedades impulsadas por anomalías genéticas progresivas que incluyen mutaciones en genes y oncogenes supresores de tumores, y aberraciones cromosómicas. Sin embargo, se ha hecho evidente que el cáncer también está impulsado por alteraciones epigenéticas . [88]
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 , [89] cambios en la arquitectura cromosómica (causados por la expresión inapropiada de proteínas como HMGA2 o HMGA1 ) [90] y cambios causados por microARN . Cada una de estas alteraciones epigenéticas sirve para regular la expresión genética 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 en los cánceres se encuentran un gran número de alteraciones epigenéticas, las alteraciones epigenéticas en los genes reparadores del ADN, que causan una expresión reducida de las proteínas reparadoras del ADN, parecen ser particularmente importantes. Se cree que tales alteraciones ocurren en las primeras etapas de la progresión hacia el cáncer y que son una causa probable de la inestabilidad genética característica de los cánceres. [91] [92] [93]
La expresión reducida de los genes reparadores del ADN provoca una reparación deficiente del ADN. Cuando la reparación del ADN es deficiente, los daños en el ADN permanecen en las células a un nivel más alto de lo habitual y estos daños excesivos provocan una mayor frecuencia de mutaciones o epimutaciones. Las tasas de mutación aumentan sustancialmente en células defectuosas en la reparación de errores de coincidencia del ADN [94] [95] o en la reparación recombinacional homóloga (HRR). [96] Los reordenamientos cromosómicos y la aneuploidía también aumentan en las células defectuosas en HRR. [97]
Los niveles más altos de daño en el ADN no solo causan un aumento de mutaciones, sino también un aumento de epimutaciones. Durante la reparación de roturas de la doble cadena del ADN o la reparación de otros daños en el ADN, los sitios de reparación que no se han limpiado por completo pueden provocar el silenciamiento de genes epigenéticos. [98] [99]
La expresión deficiente de las proteínas reparadoras del ADN debido a una mutación hereditaria puede provocar un mayor riesgo de cáncer. Las personas con una deficiencia hereditaria en cualquiera de los 34 genes de reparación del ADN (consulte el artículo Trastorno por deficiencia de reparación del ADN ) tienen un mayor riesgo de cáncer, y algunos defectos causan hasta un 100% de posibilidades de padecer cáncer durante su vida (por ejemplo, mutaciones en p53). [100] Sin embargo, estas mutaciones de la línea germinal (que causan síndromes de cáncer altamente penetrantes) son la causa de sólo alrededor del 1 por ciento de los cánceres. [101]
Las deficiencias en las enzimas reparadoras del ADN son causadas ocasionalmente por una mutación somática de reciente aparición en un gen reparador del ADN, pero con mucha más frecuencia son causadas por alteraciones epigenéticas que reducen o silencian la expresión de los genes reparadores del ADN. Por ejemplo, cuando se examinaron en secuencia 113 cánceres colorrectales, 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). [102] 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. [103] [104] [105] [106] [107]
De manera similar, de 119 casos de cánceres colorrectales con reparación deficiente de coincidencias que carecían de expresión del gen de reparación del ADN PMS2 , PMS2 fue deficiente en 6 debido a mutaciones en el gen PMS2, mientras que en 103 casos la expresión de PMS2 fue 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). [108] En los otros 10 casos, la pérdida de la expresión de PMS2 probablemente se debió a la sobreexpresión epigenética del microARN , miR-155 , que regula negativamente MLH1. [109]
En otro ejemplo, se encontraron defectos epigenéticos en diversos cánceres (por ejemplo, de mama, de ovario, colorrectal y de 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. [110]
El cuadro de esta sección muestra algunos agentes que dañan el ADN con frecuencia, ejemplos de 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. [111] De estos, 83 se emplean directamente en la reparación de los cinco tipos de daños en el ADN ilustrados en el cuadro. [ cita necesaria ]
En el cuadro se muestran algunos de los genes mejor estudiados y fundamentales para estos procesos de reparación. Las designaciones de genes que se muestran en rojo, gris o cian indican genes frecuentemente alterados epigenéticamente en varios tipos de cáncer. 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 [112] y amplios artículos de encuestas experimentales [113] [114] también documentan la mayoría de estas deficiencias epigenéticas en la reparación del ADN en los cánceres.
Los genes resaltados en rojo con frecuencia se reducen o silencian mediante mecanismos epigenéticos en varios tipos de cáncer. 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 provocar un aumento de mutaciones y, en última instancia, 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 resaltados en gris, RAD51 y BRCA2 , 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 en la reparación probablemente provocarían un aumento de los daños no reparados en el ADN. La sobreexpresión de RAD51 y BRCA2 observada en estos cánceres puede reflejar presiones selectivas para la sobreexpresión compensatoria de RAD51 o BRCA2 y una mayor reparación recombinante homóloga para abordar al menos parcialmente dichos daños excesivos en el ADN. En aquellos casos en los que RAD51 o BRCA2 están subexpresados, esto conduciría a un aumento de los daños no reparados en el ADN. 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 subexpresión 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 imprecisa adicional propensa a errores para roturas de doble cadena. En la reparación MMEJ de una rotura de doble cadena, una homología de 5 a 25 pares de bases complementarias entre ambas cadenas emparejadas es suficiente para alinear las cadenas, pero generalmente hay extremos no coincidentes (flaps). MMEJ elimina los nucleótidos adicionales (flaps) 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. [24] FEN1 , la endonucleasa del colgajo en MMEJ, aumenta epigenéticamente mediante la hipometilación del promotor y se sobreexpresa en la mayoría de los cánceres de mama, [115] próstata, [116] estómago, [117] [118] neuroblastomas, [ 119] páncreas, [120] y pulmón. [121] PARP1 también se sobreexpresa cuando el sitio ETS de su región promotora está epigenéticamente hipometilado, y esto contribuye a la progresión al cáncer de endometrio [122] y al cáncer de ovario seroso con mutación BRCA. [123] Otros genes de la vía MMEJ también se sobreexpresan en varios tipos de cáncer (consulte MMEJ para obtener un resumen) y también se muestran en cian.
La actividad diferencial de las vías de reparación del ADN en varias regiones del genoma humano provoca que las mutaciones se distribuyan de manera muy desigual dentro de los genomas tumorales. [124] [125] En particular, las regiones del genoma humano ricas en genes y de replicación temprana exhiben frecuencias de mutación más bajas que la heterocromatina de replicación tardía y pobre en genes . Un mecanismo subyacente a esto implica la modificación de histonas H3K36me3 , que puede reclutar proteínas reparadoras de errores de coincidencia , [126] reduciendo así las tasas de mutación en las regiones marcadas con H3K36me3 . [127] Otro mecanismo importante se refiere a la reparación por escisión de nucleótidos , que puede ser reclutado por la maquinaria de transcripción, lo que reduce las tasas de mutación somática en genes activos [125] y otras regiones abiertas de la cromatina. [128]
El daño al ADN es muy común y se repara constantemente. Las alteraciones epigenéticas pueden acompañar a la reparación del daño oxidativo o roturas de doble cadena del ADN. En las células humanas, el daño oxidativo del ADN ocurre aproximadamente 10,000 veces al día y las roturas de la doble hebra del ADN ocurren aproximadamente de 10 a 50 veces por ciclo celular en las células somáticas que se replican (consulte Daño al ADN (que ocurre naturalmente) ). La ventaja selectiva de la reparación del ADN es permitir que la célula sobreviva frente al daño del ADN. La ventaja selectiva de las alteraciones epigenéticas que ocurren con la reparación del ADN no está clara. [ cita necesaria ]
En el estado estacionario (con daños endógenos que se producen y se reparan), hay alrededor de 2.400 guaninas dañadas por oxidación que forman 8-oxo-2'-desoxiguanosina (8-OHdG) en el ADN de una célula de mamífero promedio. [129] El 8-OHdG constituye aproximadamente el 5% de los daños oxidativos comúnmente presentes en el ADN. [130] Las guaninas oxidadas no se encuentran al azar entre todas las guaninas en el ADN. Existe una preferencia de secuencia por la guanina en un sitio CpG metilado (una citosina seguida de guanina a lo largo de su dirección 5' → 3' y donde la citosina está metilada (5-mCpG)). [131] Un sitio 5-mCpG tiene el potencial de ionización más bajo para la oxidación de guanina.
La guanina oxidada tiene potencial de desacoplamiento y es mutagénica. [133] La oxoguanina glicosilasa (OGG1) es la principal enzima responsable de la escisión de la guanina oxidada durante la reparación del ADN. OGG1 encuentra y se une a un 8-OHdG en unos pocos segundos. [134] Sin embargo, OGG1 no elimina inmediatamente el 8-OHdG. En las células HeLa, la mitad de la eliminación máxima de 8-OHdG se produce en 30 minutos, [135] y en ratones irradiados, los 8-OHdG inducidos en el hígado del ratón se eliminan con una vida media de 11 minutos. [130]
Cuando OGG1 está presente en una guanina oxidada dentro de un sitio CpG metilado , recluta TET1 en la lesión de 8-OHdG (ver Figura). Esto permite que TET1 desmetile una citosina metilada adyacente. La desmetilación de la citosina es una alteración epigenética. [ cita necesaria ]
Por ejemplo, cuando se trataron células epiteliales mamarias humanas con H 2 O 2 durante seis horas, la 8-OHdG aumentó aproximadamente 3,5 veces en el ADN y esto provocó aproximadamente un 80% de desmetilación de las 5-metilcitosinas en el genoma. [132] La desmetilación de CpG en un promotor de gen mediante la actividad de la enzima TET aumenta la transcripción del gen en ARN mensajero. [136] En las células tratadas con H 2 O 2 , se examinó un gen particular, BACE1 . [132] El nivel de metilación de la isla CpG de BACE1 se redujo (una alteración epigenética) y esto permitió un aumento de aproximadamente 6,5 veces en la expresión del ARN mensajero de BACE1 . [ cita necesaria ]
Mientras que la incubación de seis horas con H 2 O 2 causa una desmetilación considerable de los sitios 5-mCpG, tiempos más cortos de incubación con H 2 O 2 parecen promover otras alteraciones epigenéticas. El tratamiento de las células con H 2 O 2 durante 30 minutos hace que el heterodímero MSH2-MSH6 de la proteína reparadora de errores de coincidencia reclute la ADN metiltransferasa 1 (DNMT1) en los sitios de algunos tipos de daño oxidativo del ADN. [137] Esto podría causar una mayor metilación de citosinas (alteraciones epigenéticas) en estos lugares.
Jiang et al. [138] trataron células HEK 293 con agentes que causaban daño oxidativo al ADN ( bromato de potasio (KBrO3) o cromato de potasio (K2CrO4)). La reparación por escisión de bases (BER) del daño oxidativo se produjo con la enzima reparadora del ADN polimerasa beta localizándose en guaninas oxidadas. La polimerasa beta es la principal polimerasa humana en el BER de parche corto de daño oxidativo del ADN. Jiang et al. [138] también encontraron que la polimerasa beta reclutó la proteína ADN metiltransferasa DNMT3b en los sitios de reparación de BER. Luego evaluaron el patrón de metilación a nivel de un solo nucleótido en una pequeña región del ADN, incluida la región promotora y la región de transcripción temprana del gen BRCA1 . El daño oxidativo del ADN causado por el bromato moduló el patrón de metilación del ADN (causó alteraciones epigenéticas) en los sitios CpG dentro de la región del ADN estudiada. En las células no tratadas, los CpG ubicados en −189, −134, −29, −19, +16 y +19 del gen BRCA1 tenían citosinas metiladas (donde la numeración proviene del sitio de inicio de la transcripción del ARN mensajero y los números negativos indican los nucleótidos en la región promotora aguas arriba ). La oxidación inducida por el tratamiento con bromato resultó en la pérdida de metilación de citosina en −189, −134, +16 y +19, al tiempo que condujo a la formación de nueva metilación en los CpG ubicados en −80, −55, −21 y +8 después. Se permitió la reparación del ADN. [ cita necesaria ]
Al menos cuatro artículos informan sobre el reclutamiento de ADN metiltransferasa 1 (DNMT1) en sitios de roturas de doble cadena de ADN. [139] [140] [98] [141] Durante la reparación recombinante homóloga (HR) de la rotura de la doble hebra, la participación de DNMT1 hace que las dos hebras de ADN reparadas tengan diferentes niveles de citosinas metiladas. Una cadena se metila con frecuencia en aproximadamente 21 sitios CpG aguas abajo de la rotura de la doble cadena reparada. La otra cadena de ADN pierde metilación en aproximadamente seis sitios CpG que previamente estaban metilados aguas abajo de la rotura de la doble hebra, además de perder metilación en aproximadamente cinco sitios CpG que previamente estaban metilados aguas arriba de la rotura de la doble hebra. Cuando el cromosoma se replica, esto da lugar a un cromosoma hijo que está muy metilado aguas abajo del sitio de ruptura anterior y otro que no está metilado en la región tanto aguas arriba como aguas abajo del sitio de ruptura anterior. Con respecto al gen que fue roto por la rotura de la doble hebra, la mitad de las células de la progenie expresan ese gen a un nivel alto y en la otra mitad de las células de la progenie la expresión de ese gen está reprimida. Cuando los clones de estas células se mantuvieron durante tres años, los nuevos patrones de metilación se mantuvieron durante ese período. [142]
En ratones con una inserción de recombinación dirigida por homología mediada por CRISPR en su genoma, hubo una gran cantidad de metilaciones aumentadas de sitios CpG dentro de la inserción asociada a la rotura de la doble hebra. [143]
La reparación por unión de extremos no homólogos (NHEJ) de una rotura de doble cadena puede causar una pequeña cantidad de desmetilaciones de metilaciones de ADN de citosina preexistentes aguas abajo de la rotura de doble cadena reparada. [140] Trabajos adicionales de Allen et al. [144] demostraron que el NHEJ de una rotura de la doble hebra del ADN en una célula podría dar lugar a que algunas células de la progenie tuvieran la expresión reprimida del gen que alberga la rotura de la doble hebra inicial y que alguna progenie tuviera una alta expresión de ese gen debido a alteraciones epigenéticas asociadas. con reparación NHEJ. La frecuencia de alteraciones epigenéticas que causan la represión de un gen después de una reparación NHEJ de una rotura de la doble hebra del ADN en ese gen puede ser aproximadamente del 0,9%. [98]
Los procesos básicos de reparación del ADN están altamente 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 correspondientemente mecanismos de reparación más complejos. [145] La capacidad de un gran número de motivos estructurales de proteínas para catalizar reacciones químicas relevantes ha desempeñado 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. [146]
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 reconociblemente moderna. Los ácidos nucleicos se convirtieron en el medio único y universal para codificar 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 una atmósfera rica en oxígeno en la Tierra (conocida como la " catástrofe del oxígeno ") debido a los organismos fotosintéticos , así como la presencia de radicales libres potencialmente dañinos en la célula debido a la fosforilación oxidativa , hizo necesaria la evolución de mecanismos de reparación del ADN que actúan específicamente. para contrarrestar los tipos de daño inducido por el estrés oxidativo . Sin embargo, el mecanismo por el cual esto ocurrió no está claro. [ cita necesaria ]
En algunas ocasiones, el daño del ADN no se repara o se repara mediante un mecanismo propenso a errores que resulta en 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 ocurriera 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 función de la tasa de mutación. Como consecuencia, la velocidad y precisión de los mecanismos de reparación del ADN influyen en el proceso de cambio evolutivo. [147] La protección y reparación de daños en el ADN no influye en la tasa de adaptación mediante la regulación genética y la recombinación y selección de alelos. Por otro lado, la reparación y protección del daño del ADN influye en la tasa de acumulación de mutaciones hereditarias, irreparables, ventajosas, que expanden el código y ralentizan el mecanismo evolutivo para la expansión del genoma de los organismos con nuevas funcionalidades. La tensión entre la capacidad de evolución y la reparación y protección de las mutaciones necesita más investigación. [ cita necesaria ]
En 2012 se descubrió una tecnología denominada repetición palindrómica corta agrupada regularmente interespaciada (abreviada como CRISPR -Cas9). La nueva tecnología permite a cualquier persona con formación en biología molecular alterar los genes de cualquier especie con precisión, induciendo daño en el ADN en un punto específico y luego alterar los mecanismos de reparación del ADN para insertar nuevos genes. [148] Es más barata, más eficiente y más precisa que otras tecnologías. Con la ayuda de CRISPR-Cas9, los científicos pueden editar partes de un genoma eliminando, agregando o alterando partes de una secuencia de ADN. [ cita necesaria ]
Si viviéramos lo suficiente, tarde o temprano todos padeceríamos cáncer.
Es de esperar una cierta incidencia de fondo irreducible de cáncer, independientemente de las circunstancias: las mutaciones nunca pueden evitarse por completo, porque son una consecuencia ineludible de limitaciones fundamentales a la exactitud de la replicación del ADN, como se analiza en el Capítulo 5. Si un ser humano pudiera vivir mucho tiempo suficiente, es inevitable que al menos una de sus células acabe acumulando un conjunto de mutaciones suficientes para que se desarrolle el cáncer.
Medios relacionados con la reparación del ADN en Wikimedia Commons
