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 las bacterias. [1] En los organismos multicelulares, la inestabilidad del genoma es fundamental para la carcinogénesis, [2] y en los seres humanos también es un factor en algunas enfermedades neurodegenerativas como la esclerosis lateral amiotrófica o la enfermedad neuromuscular distrofia miotónica .
Las fuentes de la inestabilidad del genoma apenas han comenzado a dilucidarse. Una alta frecuencia de daño al ADN causado externamente [3] puede ser una fuente de inestabilidad del genoma, ya que el daño al ADN puede causar una translesión inexacta en la síntesis del ADN más allá del daño o errores en la reparación, lo que lleva a una mutación . Otra fuente de inestabilidad del genoma pueden ser las reducciones epigenéticas o mutacionales en la expresión de los genes reparadores 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 del genoma.
Habitualmente, todas las células de un individuo de una determinada especie (vegetal o animal) presentan un número constante de cromosomas , que constituyen lo que se conoce como el cariotipo que define a esta especie (ver también Lista del número de cromosomas de diversos organismos ), aunque algunas especies Presentan una variabilidad cariotípica muy alta. En los seres humanos, las mutaciones que cambiarían un aminoácido dentro de la región codificante de proteínas del genoma ocurren en un promedio de sólo 0,35 por generación (menos de una proteína mutada por generación). [4]
En ocasiones, en una especie con un cariotipo estable se pueden observar variaciones aleatorias que modifican el número normal de cromosomas. En otros casos, existen 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 del genoma conduce muchas veces a una situación de aneuploidía , en la que las células presentan un número cromosómico superior o 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 fuertemente enrollada con proteínas unidas y roturas de cadena simple y doble que pueden provocar el estancamiento de la bifurcación 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 alteraciones en la replicación y provocar 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 y evitar su colapso. Las mutaciones en la helicasa Tel1, Mec1 y Rmr3 dan como resultado un aumento significativo de la recombinación cromosómica. ATR responde específicamente a las bifurcaciones de replicación detenidas y a las roturas monocatenarias resultantes del daño de los rayos UV, mientras que ATM responde directamente a las roturas bicatenarias. Estas proteínas también previenen la progresión hacia la mitosis al inhibir la activación de los orígenes de replicación tardía hasta que las roturas del 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 monocatenarias, la replicación se produce hasta la ubicación de la rotura, luego la otra cadena se corta para formar una rotura bicatenaria, que luego puede repararse mediante replicación inducida por rotura o recombinación homóloga utilizando la cromátida hermana como error. plantilla gratis. [7] Además de los puntos de control de la fase S, existen puntos de control G1 y G2 para comprobar si hay daños transitorios en el ADN que podrían ser causados por mutágenos como el daño de los rayos UV. Un ejemplo es el gen rad9 de Saccharomyces pombe, que detiene las células en la fase S/G2 tardía en presencia de daño en el ADN causado por la radiación. Las células de levadura con rad9 defectuoso no lograron detenerse después de la irradiación, continuaron con 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 completamente. [8]
Hay puntos críticos en el genoma donde las secuencias de ADN son propensas a sufrir espacios y roturas después de la inhibición de la síntesis de ADN, como en la detención del punto de control antes mencionada. Estos sitios se denominan sitios frágiles y pueden ocurrir comúnmente como presentes de forma natural en la mayoría de los genomas de los mamíferos o ocurrir raramente como resultado de mutaciones, como la expansión repetida del ADN. Los sitios frágiles raros pueden provocar enfermedades genéticas como el síndrome de retraso mental del cromosoma X frágil, la distrofia miotónica, la ataxia de Friedrich y la enfermedad de Huntington, la mayoría de las cuales son causadas por la expansión de repeticiones a nivel de ADN, ARN o proteínas. [9] Aunque aparentemente dañinos, estos sitios frágiles comunes se conservan hasta las levaduras 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 daños adicionales en el ADN, se pueden formar roturas y espacios en el ADN en estos sitios frágiles. Usar una cromátida hermana como reparación no es una copia de seguridad infalible, ya que la información del ADN circundante de las repeticiones n y n+1 es prácticamente la misma, lo que lleva a una variación en el número de copias. Por ejemplo, la copia número 16 de CGG podría asignarse a la copia número 13 de CGG en la cromátida hermana, ya que el ADN circundante es CGGCGGCGG..., lo que genera 3 copias adicionales de CGG en la secuencia final de ADN. [ cita necesaria ]
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 plantilla. Esto se debe al hecho de que la cadena codificante es monocatenaria durante la transcripción, lo que es químicamente más inestable que el ADN bicatenario. Durante el alargamiento de la transcripción, puede producirse un superenrollamiento detrás de una ARN polimerasa que se alarga, lo que provoca roturas de una sola cadena. Cuando la cadena codificante es monocatenaria, también puede hibridarse consigo misma, creando estructuras secundarias de ADN que pueden comprometer la replicación. En E. coli, cuando se intenta transcribir tripletes GAA como los que se encuentran en la ataxia de Friedrich, el ARN resultante y la cadena plantilla pueden formar bucles no coincidentes 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 temporalmente independientes; pueden ocurrir al mismo tiempo y provocar colisiones entre la horquilla de replicación y el complejo de 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 conducir a un aumento del estrés en la cromatina que abarca la corta distancia entre la horquilla de replicación desenrollada y el sitio de inicio de la transcripción, causando potencialmente roturas del ADN monocatenario. En la levadura, las proteínas actúan como barreras en el extremo 3' de la unidad de transcripción para evitar un mayor recorrido de la horquilla de replicación del ADN. [11]
En algunas partes del genoma, la variabilidad es esencial para la supervivencia. Uno de esos lugares 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 unirlos para formar el gen final, que es catalizado por las recombinasas RAG1 y RAG2. La citidina desaminasa inducida por activación (AID) luego convierte la citidina en uracilo. El uracilo normalmente no existe en el ADN y, por lo tanto, se corta la base y la mella se convierte en una rotura bicatenaria que se repara mediante una unión de extremos no homólogos (NHEJ). Este procedimiento es muy propenso a errores y conduce a una 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 de células B únicos; sin embargo, la reparación aleatoria por parte de 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 con 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 de un aumento del estrés oxidativo y de la incapacidad de la vía de reparación por escisión de bases para manejar el daño al ADN que esto causa. Cuatro de ellos (la enfermedad de Huntington, varias ataxias espinocerebelosas , la ataxia de Friedreich y la distrofia miotónica tipos 1 y 2) a menudo tienen 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) tienen genes defectuosos implicados en la reparación de roturas de doble cadena del ADN. En general, parece que el estrés oxidativo es una causa importante 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 necesaria ]
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 una sola hebra en el ADN, roturas de doble hebra en el ADN, intercalación de sustancias extrañas en el ADN doble. hélice, o cualquier cambio anormal en la estructura terciaria del ADN que pueda causar la pérdida de ADN o la expresión errónea de genes. Las situaciones de inestabilidad del genoma (así como aneuploidía) son comunes en las células cancerosas y se consideran una "señal distintiva" de estas células. La naturaleza impredecible de estos eventos también contribuye de manera importante a la heterogeneidad observada entre las células tumorales. [ cita necesaria ]
Actualmente se acepta que los tumores esporádicos (no familiares) se originan por la acumulación de varios errores genéticos. [16] Un cáncer promedio de mama o colon puede tener alrededor de 60 a 70 mutaciones que alteran las proteínas, de las cuales alrededor de 3 o 4 pueden ser mutaciones "impulsoras" y las restantes pueden ser mutaciones "pasajeras" [17] Cualquier tipo de cáncer genético o Una lesión epigenética aumentando la tasa de mutación 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 cuidadores ), así como en genes que controlan directamente la proliferación celular ( genes guardianes ). [19] La inestabilidad genética puede originarse por deficiencias en la reparación del ADN, o por pérdida o ganancia de cromosomas, o por 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 entorno. [20]
El microambiente tumoral tiene un efecto inhibidor sobre las vías de reparación del ADN que contribuyen a la inestabilidad genómica, lo que promueve la supervivencia, proliferación y transformación maligna del tumor. [21]
Las regiones codificantes de proteínas del genoma humano, denominadas colectivamente exoma , constituyen sólo el 1,5% del genoma total. [22] Como se señaló anteriormente, normalmente hay sólo un promedio de 0,35 mutaciones en el exoma por generación (de padres a hijos) en humanos. En todo el genoma (incluidas las regiones no codificantes de proteínas) sólo se producen unas 70 nuevas mutaciones por generación en humanos. [23] [24]
La principal causa subyacente probable de las mutaciones en el cáncer es el daño al ADN. [ cita necesaria ] Por ejemplo, en el caso del cáncer de pulmón, el daño al ADN es causado por agentes en el humo de tabaco genotóxico exógeno (p. ej., acroleína, formaldehído, acrilonitrilo , 1,3-butadieno, acetaldehído, óxido de etileno e isopreno). [25] El daño endógeno (causado metabólicamente) al ADN también es muy frecuente y ocurre en promedio más de 60.000 veces al día en los genomas de las células humanas (consulte Daño al ADN (que ocurre naturalmente) ). Los daños causados externa y endógenamente pueden convertirse en mutaciones mediante una síntesis de translesión inexacta o una reparación del ADN inexacta (por ejemplo, mediante unión de extremos no homólogos ). Además, los daños en el 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 señaló anteriormente, alrededor de 3 o 4 mutaciones conductoras y 60 mutaciones pasajeras ocurren en el exoma (región codificante de proteínas) de un cáncer. [17] Sin embargo, se produce un número mucho mayor de mutaciones en las regiones del ADN que no codifican proteínas . El número promedio de mutaciones en la secuencia de ADN en todo el genoma de una muestra de tejido de cáncer de mama es de aproximadamente 20.000. [29] En una muestra promedio de tejido de melanoma (donde los melanomas tienen una mayor frecuencia de mutación en el exoma [17] ), el número total de mutaciones en la secuencia de ADN es de aproximadamente 80.000. [30]
La alta frecuencia de mutaciones en el genoma total de los cánceres sugiere que, a menudo, una alteración cancerígena 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 errores de coincidencia del ADN [31] [32] o en la reparación del ADN recombinante homólogo . [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 en sí misma 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, una 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 misma no conferiría una ventaja selectiva, dicho defecto de reparación puede transmitirse como pasajero en una célula cuando la célula adquiere una mutación/epimutación adicional que sí proporciona una ventaja proliferativa. Estas 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 entre 20.000 y 80.000 mutaciones genómicas totales que se observan con frecuencia en los cánceres. [ cita necesaria ]
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, sólo 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 (consulte la sección "Epigenética de reparación del ADN en el cáncer") presentaron evidencia de que entre el 40 % y el 90 % de los cánceres colorrectales han reducido la expresión de MGMT debido a la metilación de la región promotora de MGMT.
De manera similar, de 119 casos de cánceres colorrectales clasificados como deficientes en la reparación de desajustes y sin 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 la metilación del promotor (la proteína PMS2 es inestable en ausencia de MLH1). [36] Los otros 10 casos de pérdida de 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. Estos 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 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 en la reparación del ADN pueden ser causadas por epimutaciones en los microARN , como se resume en la sección del artículo sobre microARN titulada miARN, reparación del ADN y cáncer .
Los cánceres suelen ser el resultado de la alteración de un represor tumoral o de la desregulación de un oncogén. Saber que las células B experimentan roturas en el ADN durante el desarrollo puede dar una idea del genoma de los linfomas. Muchos tipos de linfoma son causados por 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 traslada a una posición posterior al promotor del gen de la inmunoglobulina, lo que provoca una desregulación de la transcripción de c-myc. Dado que las inmunoglobulinas son esenciales para un linfocito y se expresan altamente para aumentar la detección de antígenos, c-myc también se expresa altamente, lo que lleva a la transcripción de sus objetivos , que participan en la proliferación celular. El linfoma de células del manto se caracteriza por la fusión de ciclina D1 con el locus de inmunoglobulina. La ciclina D1 inhibe Rb, un supresor de tumores, lo que conduce a la tumorigénesis. El linfoma folicular resulta de la translocación del promotor de la inmunoglobulina al gen Bcl-2, lo que da lugar a niveles elevados de proteína Bcl-2, que inhibe la apoptosis. Las células B dañadas en el ADN ya no sufren apoptosis, lo que provoca más mutaciones que podrían afectar a los genes impulsores y provocar tumorigénesis. [39] La ubicación de la translocación en el oncogén comparte propiedades estructurales de las regiones objetivo de la AID , lo que sugiere que el oncogén era un objetivo potencial de la AID, lo que provocó una rotura de doble cadena que se translocó al locus del gen de la inmunoglobulina mediante la reparación de NHEJ . [40]
