La inestabilidad del genoma (también inestabilidad genética o inestabilidad genómica ) se refiere a una alta frecuencia de mutaciones dentro del genoma de un linaje celular . Estas mutaciones pueden incluir cambios en las secuencias de ácidos nucleicos , reordenamientos cromosómicos o aneuploidía . La inestabilidad del genoma ocurre en bacterias. [1] En los organismos multicelulares, la inestabilidad del genoma es central para la carcinogénesis, [2] y en los humanos también es un factor en algunas enfermedades neurodegenerativas como la esclerosis lateral amiotrófica o la enfermedad neuromuscular distrofia miotónica .
Las fuentes de inestabilidad genómica recién han comenzado a dilucidarse. Una alta frecuencia de daño al ADN causado externamente [3] puede ser una fuente de inestabilidad genómica, ya que el daño al ADN puede causar una síntesis de ADN translesional inexacta más allá del daño o errores en la reparación, lo que lleva a la mutación . Otra fuente de inestabilidad genómica puede ser la reducción epigenética o mutacional en la expresión de genes de reparación del ADN. Debido a que el daño endógeno (causado metabólicamente) al ADN es muy frecuente, y ocurre en promedio más de 60.000 veces al día en los genomas de las células humanas, cualquier reparación reducida del ADN es probablemente una fuente importante de inestabilidad genómica.
Por lo general, todas las células de un individuo de una especie determinada (planta o animal) presentan un número constante de cromosomas , que constituyen lo que se conoce como el cariotipo que define a esa especie (véase también Lista de número de cromosomas de varios organismos ), aunque algunas especies presentan una variabilidad cariotípica muy elevada. En los seres humanos, las mutaciones que cambiarían un aminoácido dentro de la región codificante de proteínas del genoma ocurren a una media de tan solo 0,35 por generación (menos de una proteína mutada por generación). [4]
En ocasiones, en una especie con un cariotipo estable, pueden observarse variaciones aleatorias que modifican el número normal de cromosomas. En otros casos, hay alteraciones estructurales (p. ej., translocaciones cromosómicas , deleciones ) que modifican el complemento cromosómico estándar. En estos casos, se indica que el organismo afectado presenta inestabilidad genómica (también inestabilidad genética , o incluso inestabilidad cromosómica ). El proceso de inestabilidad genómica conduce a menudo a una situación de aneuploidía , en la que las células presentan un número cromosómico o bien superior o bien inferior al complemento normal para la especie.
En el ciclo celular, el ADN suele ser más vulnerable durante la replicación. El replisoma debe ser capaz de sortear obstáculos como la cromatina muy enrollada con proteínas unidas, roturas de cadena simple y doble que pueden provocar el estancamiento de la horquilla de replicación. Cada proteína o enzima del replisoma debe realizar bien su función para dar como resultado una copia perfecta del ADN. Las mutaciones de proteínas como la ADN polimerasa o la ADN ligasa pueden provocar un deterioro de la replicación y dar lugar a intercambios cromosómicos espontáneos. [5] Proteínas como Tel1 y Mec1 (ATR, ATM en humanos) pueden detectar roturas de cadena simple y doble y reclutar factores como la helicasa Rmr3 para estabilizar la horquilla de replicación a fin de evitar su colapso. Las mutaciones en las helicasas Tel1, Mec1 y Rmr3 dan como resultado un aumento significativo de la recombinación cromosómica. ATR responde específicamente a las horquillas de replicación estancadas y a las roturas de cadena simple resultantes del daño por rayos UV, mientras que ATM responde directamente a las roturas de cadena doble. Estas proteínas también previenen la progresión a la mitosis al inhibir la activación de los orígenes de replicación tardía hasta que las roturas de ADN se fijan mediante la fosforilación de CHK1 y CHK2, lo que da como resultado una cascada de señalización que detiene la célula en la fase S. [6] Para las roturas de cadena sencilla, la replicación ocurre hasta la ubicación de la rotura, luego la otra cadena se corta para formar una rotura de doble cadena, que luego puede repararse mediante replicación inducida por rotura o recombinación homóloga utilizando la cromátida hermana como una plantilla libre de errores. [7] Además de los puntos de control de la fase S, existen puntos de control G1 y G2 para verificar el daño transitorio del ADN que podría ser causado por mutágenos como el daño UV. Un ejemplo es el gen rad9 de Saccharomyces pombe que detiene las células en la fase S/G2 tardía en presencia de daño del ADN causado por la radiación. Las células de levadura con rad9 defectuoso no se detuvieron después de la irradiación, continuaron la división celular y murieron rápidamente; Las células con rad9 de tipo salvaje se detuvieron con éxito en la fase S/G2 tardía y permanecieron viables. Las células que se detuvieron pudieron sobrevivir debido al mayor tiempo en la fase S/G2, lo que permitió que las enzimas reparadoras del ADN funcionaran por completo. [8]
Hay puntos calientes en el genoma donde las secuencias de ADN son propensas a huecos y roturas después de la inhibición de la síntesis de ADN, como en el arresto del punto de control mencionado anteriormente. Estos sitios se llaman sitios frágiles y pueden ocurrir comúnmente como presentes naturalmente en la mayoría de los genomas de mamíferos o ocurrir raramente como resultado de mutaciones, como la expansión de repeticiones de ADN. Los sitios frágiles raros pueden conducir a enfermedades genéticas como el síndrome de retraso mental del cromosoma X frágil, distrofia miotónica, ataxia de Friedrich y enfermedad de Huntington, la mayoría de las cuales son causadas por la expansión de repeticiones a nivel de ADN, ARN o proteína. [9] Aunque, aparentemente dañinos, estos sitios frágiles comunes se conservan hasta la levadura y las bacterias. Estos sitios ubicuos se caracterizan por repeticiones de trinucleótidos, más comúnmente CGG, CAG, GAA y GCN. Estas repeticiones de trinucleótidos pueden formar horquillas, lo que dificulta la replicación. Bajo estrés de replicación , como maquinaria defectuosa o daño adicional al ADN, se pueden formar roturas y huecos de ADN en estos sitios frágiles. El uso de una cromátida hermana como reparación no es una solución infalible, ya que la información del ADN circundante de las repeticiones n y n+1 es prácticamente la misma, lo que genera una variación en el número de copias. Por ejemplo, la 16.ª copia de CGG podría estar asociada a la 13.ª copia de CGG en la cromátida hermana, ya que el ADN circundante es CGGCGGCGG..., lo que genera 3 copias adicionales de CGG en la secuencia de ADN final. [ cita requerida ]
Tanto en E. coli como en Saccharomyces pombe, los sitios de transcripción tienden a tener tasas de recombinación y mutación más altas. La cadena codificante o no transcrita acumula más mutaciones que la cadena molde. Esto se debe al hecho de que la cadena codificante es monocatenaria durante la transcripción, que es químicamente más inestable que el ADN bicatenario. Durante la elongación de la transcripción, puede producirse un superenrollamiento detrás de una ARN polimerasa que se elonga, lo que lleva a roturas monocatenarias. Cuando la cadena codificante es monocatenaria, también puede hibridarse consigo misma, creando estructuras secundarias de ADN que pueden comprometer la replicación. En E. coli, al intentar transcribir tripletes GAA como los que se encuentran en la ataxia de Friedrich, el ARN resultante y la cadena molde pueden formar bucles desapareados entre diferentes repeticiones, dejando el segmento complementario en la cadena codificante disponible para formar sus propios bucles que impiden la replicación. [10] Además, la replicación del ADN y la transcripción del ADN no son independientes en el tiempo; Pueden ocurrir al mismo tiempo y provocar colisiones entre la horquilla de replicación y el complejo de la ARN polimerasa. En S. cerevisiae, la helicasa Rrm3 se encuentra en genes altamente transcritos en el genoma de la levadura, que se recluta para estabilizar una horquilla de replicación estancada como se describió anteriormente. Esto sugiere que la transcripción es un obstáculo para la replicación, lo que puede provocar un mayor estrés en la cromatina que abarca la corta distancia entre la horquilla de replicación desenrollada y el sitio de inicio de la transcripción, lo que potencialmente causa roturas de ADN monocatenario. En la levadura, las proteínas actúan como barreras en el extremo 3' de la unidad de transcripción para evitar un mayor desplazamiento de la horquilla de replicación del ADN. [11]
En algunas partes del genoma, la variabilidad es esencial para la supervivencia. Una de esas regiones son los genes Ig. En una célula pre-B, la región consta de todos los segmentos V, D y J. Durante el desarrollo de la célula B, se elige un segmento V, D y J específico para empalmarlo y formar el gen final, que es catalizado por las recombinasas RAG1 y RAG2. La activación inducida por citidina desaminasa (AID) convierte la citidina en uracilo. El uracilo normalmente no existe en el ADN, y por lo tanto la base se escinde y la muesca se convierte en una rotura de doble cadena que se repara mediante la unión de extremos no homólogos (NHEJ). Este procedimiento es muy propenso a errores y conduce a la hipermutación somática. Esta inestabilidad genómica es crucial para garantizar la supervivencia de los mamíferos contra la infección. La recombinación V, D, J puede garantizar millones de receptores únicos de células B; Sin embargo, la reparación aleatoria por NHEJ introduce una variación que puede crear un receptor que puede unirse con mayor afinidad a los antígenos. [12]
De aproximadamente 200 trastornos neurológicos y neuromusculares, 15 tienen un vínculo claro con un defecto heredado o adquirido en una de las vías de reparación del ADN o un estrés oxidativo genotóxico excesivo. [13] [14] Cinco de ellos ( xeroderma pigmentoso , síndrome de Cockayne , tricotiodistrofia , síndrome de Down y síndrome triple A ) tienen un defecto en la vía de reparación por escisión de nucleótidos del ADN. Seis ( ataxia espinocerebelosa con neuropatía axonal-1, enfermedad de Huntington , enfermedad de Alzheimer , enfermedad de Parkinson , síndrome de Down y esclerosis lateral amiotrófica ) parecen ser el resultado del aumento del estrés oxidativo y la incapacidad de la vía de reparación por escisión de bases para manejar el daño al ADN que esto causa. Cuatro de ellas (enfermedad de Huntington, diversas ataxias espinocerebelosas , ataxia de Friedreich y distrofia miotónica tipos 1 y 2) suelen presentar una expansión inusual de secuencias repetidas en el ADN, probablemente atribuible a la inestabilidad del genoma. Cuatro ( ataxia-telangiectasia , trastorno similar a la ataxia-telangiectasia, síndrome de rotura de Nijmegen y enfermedad de Alzheimer) presentan defectos en los genes implicados en la reparación de roturas de doble cadena del ADN. En general, parece que el estrés oxidativo es una de las principales causas de inestabilidad genómica en el cerebro. Una enfermedad neurológica particular surge cuando una vía que normalmente previene el estrés oxidativo es deficiente, o una vía de reparación del ADN que normalmente repara el daño causado por el estrés oxidativo es deficiente. [ cita requerida ]
En el cáncer , la inestabilidad del genoma puede ocurrir antes o como consecuencia de la transformación. [15] La inestabilidad del genoma puede referirse a la acumulación de copias adicionales de ADN o cromosomas , translocaciones cromosómicas , inversiones cromosómicas , deleciones cromosómicas , roturas de cadena simple en el ADN, roturas de cadena doble en el ADN, la intercalación de sustancias extrañas en la doble hélice del ADN o cualquier cambio anormal en la estructura terciaria del ADN que pueda causar la pérdida de ADN o la expresión incorrecta de genes. Las situaciones de inestabilidad del genoma (así como la aneuploidía) son comunes en las células cancerosas y se consideran un "sello distintivo" de estas células. La naturaleza impredecible de estos eventos también es un contribuyente principal a la heterogeneidad observada entre las células tumorales. [ cita requerida ]
Actualmente se acepta que los tumores esporádicos (no familiares) se originan debido a la acumulación de varios errores genéticos. [16] Un cáncer promedio de mama o colon puede tener alrededor de 60 a 70 mutaciones que alteran proteínas, de las cuales alrededor de 3 o 4 pueden ser mutaciones "driver", y las restantes pueden ser mutaciones "pasajeras" [17] Cualquier lesión genética o epigenética que aumente la tasa de mutaciones tendrá como consecuencia un aumento en la adquisición de nuevas mutaciones, aumentando entonces la probabilidad de desarrollar un tumor. [18] Durante el proceso de tumorogénesis , se sabe que las células diploides adquieren mutaciones en genes responsables de mantener la integridad del genoma ( genes caretaker ), así como en genes que controlan directamente la proliferación celular ( genes gatekeeper ). [19] La inestabilidad genética puede originarse debido a deficiencias en la reparación del ADN, o debido a pérdida o ganancia de cromosomas, o debido a reorganizaciones cromosómicas a gran escala. La pérdida de estabilidad genética favorecerá el desarrollo de tumores, porque favorece la generación de mutantes que pueden ser seleccionados por el ambiente. [20]
El microambiente tumoral tiene un efecto inhibidor sobre las vías de reparación del ADN , lo que contribuye a la inestabilidad genómica, lo que promueve la supervivencia, la proliferación y la transformación maligna del tumor. [21]
Las regiones codificantes de proteínas del genoma humano, llamadas colectivamente exoma , constituyen solo el 1,5% del genoma total. [22] Como se señaló anteriormente, por lo general solo hay un promedio de 0,35 mutaciones en el exoma por generación (de padre a hijo) en los seres humanos. En todo el genoma (incluidas las regiones no codificantes de proteínas) solo hay alrededor de 70 nuevas mutaciones por generación en los seres humanos. [23] [24]
La principal causa subyacente probable de las mutaciones en el cáncer es el daño del ADN. [ cita requerida ] Por ejemplo, en el caso del cáncer de pulmón, el daño del ADN es causado por agentes en el humo de tabaco genotóxico exógeno (por ejemplo, acroleína , formaldehído, acrilonitrilo , 1,3-butadieno, acetaldehído, óxido de etileno e isopreno). [25] El daño endógeno (causado metabólicamente) del ADN también es muy frecuente y ocurre en promedio más de 60.000 veces al día en los genomas de las células humanas (ver daño del ADN (de origen natural) ). Los daños causados externamente y endógenamente pueden convertirse en mutaciones por síntesis de translesión inexacta o reparación de ADN inexacta (por ejemplo, por unión de extremos no homólogos ). Además, los daños del ADN también pueden dar lugar a alteraciones epigenéticas durante la reparación del ADN. [26] [27] [28] Tanto las mutaciones como las alteraciones epigenéticas (epimutaciones) pueden contribuir a la progresión al cáncer .
Como se ha señalado anteriormente, en el exoma (región codificante de proteínas) de un cáncer se producen unas 3 o 4 mutaciones impulsoras y 60 mutaciones pasajeras. [17] Sin embargo, en las regiones no codificantes de proteínas del ADN se produce una cantidad mucho mayor de mutaciones. La cantidad media de mutaciones en la secuencia del ADN en todo el genoma de una muestra de tejido de cáncer de mama es de unas 20.000. [29] En una muestra media de tejido de melanoma (donde los melanomas tienen una mayor frecuencia de mutación en el exoma [17] ), la cantidad total de mutaciones en la secuencia del ADN es de unas 80.000. [30]
La alta frecuencia de mutaciones en el genoma total en los cánceres sugiere que, a menudo, una alteración carcinogénica temprana puede ser una deficiencia en la reparación del ADN. Las tasas de mutación aumentan sustancialmente (a veces hasta 100 veces) en células defectuosas en la reparación de desajustes del ADN [31] [32] o en la reparación del ADN por recombinación homóloga . [33] Además, los reordenamientos cromosómicos y la aneuploidía aumentan en humanos defectuosos en el gen de reparación del ADN BLM . [34]
Una deficiencia en la reparación del ADN puede permitir que se acumulen daños en el ADN, y la síntesis de translesiones propensa a errores más allá de algunos de esos daños puede dar lugar a mutaciones. Además, la reparación defectuosa de estos daños acumulados en el ADN puede dar lugar a alteraciones epigenéticas o epimutaciones . Si bien una mutación o epimutación en un gen de reparación del ADN en sí no conferiría una ventaja selectiva, dicho defecto de reparación puede ser transportado como pasajero en una célula cuando la célula adquiere una mutación/epimutación adicional que sí proporciona una ventaja proliferativa. Tales células, con ventajas proliferativas y uno o más defectos de reparación del ADN (que causan una tasa de mutación muy alta), probablemente dan lugar a las 20.000 a 80.000 mutaciones genómicas totales que se observan con frecuencia en los cánceres. [ cita requerida ]
En las células somáticas, las deficiencias en la reparación del ADN a veces surgen por mutaciones en los genes de reparación del ADN, pero mucho más a menudo se deben a reducciones epigenéticas en la expresión de los genes de reparación del ADN. Así, en una secuencia de 113 cánceres colorrectales, solo cuatro tenían mutaciones somáticas sin sentido en el gen de reparación del ADN MGMT, mientras que la mayoría de estos cánceres tenían una expresión reducida de MGMT debido a la metilación de la región promotora de MGMT. [35] Cinco informes, enumerados en el artículo Epigenética (ver sección "Epigenética de la reparación del ADN en el cáncer") presentaron evidencia de que entre el 40% y el 90% de los cánceres colorrectales tienen una expresión reducida de MGMT debido a la metilación de la región promotora de MGMT.
De manera similar, en 119 casos de cáncer colorrectal clasificados como deficientes en la reparación de desajustes y carentes de expresión del gen de reparación de 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 pareja de emparejamiento MLH1 fue reprimida debido a la metilación del promotor (la proteína PMS2 es inestable en ausencia de MLH1). [36] Los otros 10 casos de pérdida de la expresión de PMS2 probablemente se debieron a la sobreexpresión epigenética del microARN, miR-155, que regula negativamente MLH1. [37]
En la epigenética del cáncer (ver sección Frecuencias de epimutaciones en genes de reparación del ADN ), existe una lista parcial de deficiencias epigenéticas encontradas en genes de reparación del ADN en cánceres esporádicos. Estas incluyen frecuencias de entre el 13 y el 100 % de defectos epigenéticos en los genes BRCA1 , WRN , FANCB , FANCF , MGMT , MLH1 , MSH2 , MSH4 , ERCC1 , XPF, NEIL1 y ATM ubicados en cánceres que incluyen el de mama, ovario, colorrectal y cabeza y cuello. Se encontró que dos o tres deficiencias epigenéticas en la expresión de ERCC1, XPF y/o PMS2 ocurrían simultáneamente en la mayoría de los 49 cánceres de colon evaluados. [38] Algunas de estas deficiencias de reparación del ADN pueden ser causadas por epimutaciones en microARN, como se resume en la sección del artículo MicroARN titulada miARN, reparación del ADN y cáncer .
Los cánceres suelen ser consecuencia de la alteración de un represor tumoral o de la desregulación de un oncogén. Saber que las células B experimentan roturas del ADN durante el desarrollo puede darnos una idea del genoma de los linfomas. Muchos tipos de linfoma son causados por la translocación cromosómica, que puede surgir de roturas en el ADN, lo que lleva a una unión incorrecta. En el linfoma de Burkitt, c-myc , un oncogén que codifica un factor de transcripción, se transloca a una posición después del promotor del gen de inmunoglobulina, lo que lleva a la desregulación de la transcripción de c-myc. Dado que las inmunoglobulinas son esenciales para un linfocito y se expresan en gran medida para aumentar la detección de antígenos, c-myc también se expresa en gran medida, lo que lleva a la transcripción de sus objetivos , que están involucrados en la proliferación celular. El linfoma de células del manto se caracteriza por la fusión de ciclina D1 al locus de inmunoglobulina. La ciclina D1 inhibe a Rb, un supresor tumoral, lo que lleva a la tumorigénesis. El linfoma folicular resulta de la translocación del promotor de inmunoglobulina al gen Bcl-2, dando lugar a altos niveles de proteína Bcl-2, que inhibe la apoptosis. Las células B dañadas en el ADN ya no experimentan apoptosis, lo que lleva a más mutaciones que podrían afectar a los genes impulsores, lo que lleva a la tumorogénesis. [39] La ubicación de la translocación en el oncogén comparte propiedades estructurales de las regiones objetivo de AID , lo que sugiere que el oncogén era un objetivo potencial de AID, lo que llevó a una ruptura de doble cadena que se translocó al locus del gen de inmunoglobulina a través de la reparación NHEJ . [40]
