Una lesión molecular o lesión puntual es un daño a la estructura de una molécula biológica como el ADN , el ARN o una proteína . Este daño puede resultar en la reducción o ausencia de la función normal y, en casos raros, en la obtención de una nueva función. Las lesiones en el ADN pueden consistir en roturas u otros cambios en la estructura química de la hélice, impidiendo en última instancia la transcripción. Mientras tanto, las lesiones en las proteínas consisten tanto en enlaces rotos como en un plegamiento inadecuado de la cadena de aminoácidos . Si bien muchas lesiones de los ácidos nucleicos son generales en el ADN y el ARN, algunas son específicas de uno de ellos, como los dímeros de timina que se encuentran exclusivamente en el ADN. Existen varios mecanismos de reparación celular , que van desde los globales a los específicos, para evitar daños duraderos resultantes de las lesiones.
Existen dos grandes causas de lesiones de ácidos nucleicos: factores endógenos y exógenos. Los factores endógenos, o endogenia , se refieren a las condiciones resultantes que se desarrollan dentro de un organismo. Esto contrasta con los factores exógenos que se originan fuera del organismo. Las lesiones de ADN y ARN causadas por factores endógenos generalmente ocurren con mayor frecuencia que los daños causados por factores exógenos. [1]
Las fuentes endógenas de daño específico del ADN incluyen vías como la hidrólisis , oxidación , alquilación , desajuste de bases de ADN, depurinación , despirimidinación, roturas de doble cadena (DSS) y desaminación de citosina . Las lesiones del ADN también pueden ocurrir naturalmente a partir de la liberación de compuestos específicos como especies reactivas de oxígeno (ROS) , especies reactivas de nitrógeno (RNS) , especies reactivas de carbonilo (RCS) , productos de peroxidación lipídica , aductos y agentes alquilantes a través de procesos metabólicos. ROS es una de las principales fuentes endógenas de daño al ADN y el aducto de ADN oxidativo más estudiado es 8-oxo-dG . Otros aductos que se sabe que se forman son aductos de ADN derivados de eteno, propano y malondialdehído. Los aldehídos formados a partir de la peroxidación lipídica también plantean otra amenaza para el ADN. [2] Las proteínas como las proteínas "de aumento de daño" (DDP) pueden promover lesiones endógenas del ADN ya sea aumentando la cantidad de oxígeno reactivo por los transportadores transmembrana, perdiendo cromosomas por la unión del replisoma y deteniendo la replicación por factores de transcripción. [3] En el caso específico de las lesiones del ARN, los tipos más abundantes de daño endógeno incluyen la oxidación, la alquilación y la cloración . [4] Las células fagocíticas producen especies radicales que incluyen ácido hipocloroso (HOCl), óxido nítrico (NO•) y peroxinitrito (ONOO−) para combatir infecciones, y muchos tipos de células utilizan el óxido nítrico como molécula de señalización. Sin embargo, estas especies radicales también pueden causar las vías que forman las lesiones del ARN. [5]
La luz ultravioleta, en particular la radiación no ionizante de longitud de onda más corta, como la UVC y la UVB, causa daño directo al ADN al iniciar una reacción de síntesis entre dos moléculas de timina. El dímero resultante es muy estable. Aunque se pueden eliminar mediante reparaciones por escisión, cuando el daño causado por la luz ultravioleta es extenso, la molécula de ADN entera se descompone y la célula muere. Si el daño no es demasiado extenso, se crean células precancerosas o cancerosas a partir de células sanas. [6]
Los fármacos quimioterapéuticos, por diseño, inducen daño al ADN y están dirigidos a las células cancerosas que se dividen rápidamente. [7] Sin embargo, estos medicamentos no pueden diferenciar entre células enfermas y sanas, lo que provoca el daño de las células normales. [8]
Los agentes alquilantes son un tipo de fármaco quimioterapéutico que impide que la célula realice la mitosis dañando su ADN. Actúan en todas las fases del ciclo celular. El uso de agentes alquilantes puede provocar leucemia debido a que pueden atacar las células de la médula ósea. [8]
Se sabe que los carcinógenos causan una serie de lesiones en el ADN, como roturas de cadenas simples y dobles, y aductos químicos de ADN unidos covalentemente. Los productos de tabaco son uno de los agentes cancerígenos más frecuentes en la actualidad. [9] Otros agentes cancerígenos y dañinos para el ADN incluyen el amianto, que puede causar daños a través de la interacción física con el ADN o activando indirectamente una especie reactiva del oxígeno, [10] la exposición excesiva al níquel, que puede reprimir las vías de reparación del daño del ADN, [11] las aflatoxinas, que se encuentran en los alimentos, [9] y muchos más.
Las lesiones oxidativas son una categoría general de lesiones causadas por especies reactivas de oxígeno (ROS), especies reactivas de nitrógeno (RNS), otros subproductos del metabolismo celular y factores exógenos como la radiación ionizante o ultravioleta . [12] Los subproductos de la respiración oxidativa son la principal fuente de especies reactivas que causan un nivel de fondo de lesiones oxidativas en la célula. Tanto el ADN como el ARN se ven afectados por esto, y se ha encontrado que las lesiones oxidativas del ARN son más abundantes en humanos en comparación con el ADN. Esto puede deberse a que el ARN citoplasmático tiene una mayor proximidad a la cadena de transporte de electrones . [13] Las lesiones oxidativas conocidas caracterizadas en el ADN y el ARN son muchas en número, ya que los productos oxidados son inestables y pueden resolverse rápidamente. El radical hidroxilo y el oxígeno singlete son especies reactivas de oxígeno comunes responsables de estas lesiones. [14] La 8-oxo-guanina (8-oxoG) es la lesión oxidativa más abundante y bien caracterizada, que se encuentra tanto en el ARN como en el ADN. La acumulación de 8-oxoG puede causar graves daños en las mitocondrias y se cree que es un factor clave en el proceso de envejecimiento. [15] La oxidación del ARN tiene consecuencias directas en la producción de proteínas . El ARNm afectado por lesiones oxidativas aún es reconocido por el ribosoma , pero el ribosoma sufrirá un bloqueo y disfunción. Esto da como resultado proteínas con una expresión reducida o truncadas, lo que conduce a la agregación y disfunción general. [16]
Las roturas de cadena sencilla (SSB) se producen cuando una cadena de la doble hélice de ADN sufre la rotura de un único nucleótido acompañado de daños en los extremos 5' y/o 3' en este punto. Una fuente común de SSB se debe al ataque oxidativo de las especies reactivas de oxígeno (ROS) fisiológicas, como el peróxido de hidrógeno. El H 2 O 2 causa SSB con una frecuencia tres veces mayor que las roturas de cadena doble (DSB). Los métodos alternativos de adquisición de SSB incluyen la desintegración directa del azúcar oxidado o mediante la reparación por escisión de bases (BER) de bases dañadas en el ADN. Además, las enzimas celulares pueden realizar una actividad errónea que conduzca a SSB o DSB mediante una variedad de mecanismos. Un ejemplo de ello sería cuando el complejo de escisión formado por la ADN topoisomerasa 1 (TOP1) relaja el ADN durante la transcripción y la replicación mediante la formación transitoria de una mella . Si bien TOP1 normalmente vuelve a sellar esta mella poco después, estos complejos de escisión pueden colisionar con las polimerasas de ARN o ADN o ser proximales a otras lesiones, lo que da lugar a SSB ligados a TOP1 o DSB ligados a TOP1. [20]
Un aducto de ADN es un segmento de ADN que se une a un carcinógeno químico. Algunos aductos que causan lesiones al ADN incluyen bases modificadas oxidativamente, aductos inducidos por propano, eteno y MDA. [2] El 5-hidroximetiluracilo es un ejemplo de una base modificada oxidativamente donde ocurre la oxidación del grupo metilo de la timina. [21] Este aducto interfiere con la unión de factores de transcripción al ADN, lo que puede desencadenar la apoptosis o dar como resultado mutaciones por deleción. [21] Los aductos de propano se derivan de especies generadas por la peroxidación lipídica. Por ejemplo, HNE es un producto tóxico importante del proceso. [22] Regula la expresión de genes que están involucrados en la regulación del ciclo celular y la apoptosis. Algunos de los aldehídos de la peroxidación lipídica pueden convertirse en aldehídos epoxi mediante reacciones de oxidación. [23] Estos aldehídos epoxi pueden dañar el ADN al producir aductos de eteno. Un aumento de este tipo de lesión del ADN presenta condiciones que resultan en estrés oxidativo , que se sabe que está asociado con un mayor riesgo de cáncer. [24] El malondialdehído (MDA) es otro producto altamente tóxico de la peroxidación lipídica y también en la síntesis de prostaglandina. El MDA reacciona con el ADN para formar el aducto M1dG que causa lesiones en el ADN. [2]
Existen muchos sistemas para reparar las lesiones del ADN y del ARN, pero es posible que las lesiones escapen a estas medidas. Esto puede dar lugar a mutaciones o grandes anomalías genómicas, que pueden amenazar la capacidad de la célula o del organismo para vivir. Varios cánceres son resultado de lesiones del ADN. Incluso los mecanismos de reparación para curar el daño pueden acabar provocando más daños. Los defectos de reparación de desajustes , por ejemplo, causan inestabilidad que predispone a los carcinomas colorrectales y endometriales. [9]
Las lesiones del ADN en las neuronas pueden provocar trastornos neurodegenerativos como el Alzheimer , Huntington y Parkinson . Estas son consecuencia de que las neuronas suelen estar asociadas a una alta respiración mitocondrial y producción de especies redox, que pueden dañar el ADN nuclear. Dado que estas células a menudo no pueden reemplazarse después de sufrir daños, el daño que se les inflige tiene consecuencias nefastas. Otros trastornos derivados de las lesiones del ADN y su asociación con las neuronas incluyen, entre otros, el síndrome del cromosoma X frágil, la ataxia de Friedreich y las ataxias espinocerebelosas . [9]
Durante la replicación , las polimerasas de ADN normalmente no pueden pasar más allá del área lesionada, sin embargo, algunas células están equipadas con polimerasas especiales que permiten la síntesis translesional (TLS). Las polimerasas TLS permiten la replicación del ADN más allá de las lesiones y corren el riesgo de generar mutaciones con una alta frecuencia. Las mutaciones comunes que ocurren después de sufrir este proceso son las mutaciones puntuales y las mutaciones por cambio de marco de lectura . Varias enfermedades son el resultado de este proceso, incluidos varios cánceres y el xeroderma pigmentosum . [25]
El efecto del ARN dañado por oxidación ha provocado una serie de enfermedades humanas y está especialmente asociado con la degeneración crónica. Este tipo de daño se ha observado en muchas enfermedades neurodegenerativas como la esclerosis lateral amiotrófica , [9] Alzheimer, Parkinson, demencia con cuerpos de Lewy y varias enfermedades priónicas. [26] Es importante señalar que esta lista está creciendo rápidamente y los datos sugieren que la oxidación del ARN ocurre temprano en el desarrollo de estas enfermedades, en lugar de ser un efecto de la descomposición celular. [9] Las lesiones del ARN y del ADN están asociadas con el desarrollo de la diabetes mellitus tipo 2. [9]
Cuando el ADN se daña, como por ejemplo debido a una lesión, se activa una vía de transducción de señales compleja que es responsable de reconocer el daño e instigar la respuesta de la célula para su reparación. En comparación con los otros mecanismos de reparación de lesiones, DDR es el nivel más alto de reparación y se emplea para las lesiones más complejas. DDR consta de varias vías, las más comunes de las cuales son las cascadas de señalización de la quinasa DDR. Estas están controladas por las quinasas relacionadas con la fosfatidilinositol 3-quinasa (PIKK), y van desde la proteína quinasa dependiente de ADN (DNA-PKcs) y la ataxia telangiectasia-mutada (ATM) más involucrada en la reparación de DSB hasta la más versátil relacionada con Rad3 (ATR). La ATR es crucial para la viabilidad de las células humanas, mientras que las mutaciones de ATM causan el trastorno grave ataxia-telangiectasia que conduce a neurodegeneración, cáncer e inmunodeficiencia. Estas tres quinasas DDR reconocen el daño a través de interacciones proteína-proteína que localizan las quinasas en las áreas dañadas. A continuación, otras interacciones proteína-proteína y modificaciones postraduccionales (PTM) completan la activación de la quinasa, y se produce una serie de eventos de fosforilación. Las quinasas DDR realizan la regulación de la reparación en tres niveles: a través de PTM, a nivel de la cromatina y a nivel del núcleo . [27]
La reparación por escisión de bases ( BER ) es responsable de eliminar las bases dañadas en el ADN. Este mecanismo funciona específicamente en la escisión de pequeñas lesiones de bases que no distorsionan la doble hélice del ADN, en contraste con la vía de reparación por escisión de nucleótidos que se emplea para corregir lesiones distorsionantes más prominentes. Las glicosilasas de ADN inician la BER al reconocer las bases defectuosas o incorrectas y luego eliminarlas, formando sitios AP que carecen de purina o pirimidina. La endonucleasa AP luego escinde el sitio AP, y la rotura de cadena simple es procesada por BER de parche corto para reemplazar un solo nucleótido o BER de parche largo para crear 2-10 nucleótidos de reemplazo. [28]
Las roturas de cadena sencilla (SSB) pueden amenazar gravemente la estabilidad genética y la supervivencia celular si no se reparan de forma rápida y adecuada, por lo que las células han desarrollado mecanismos de reparación de SSB (SSBR) rápidos y eficientes. Mientras que los sistemas SSBR globales extraen SSB en todo el genoma y durante la interfase, los procesos SSBR específicos de la fase S trabajan junto con la recombinación homóloga en las horquillas de replicación. [29]
Las roturas de doble cadena (DSB) son una amenaza para todos los organismos, ya que pueden causar la muerte celular y cáncer. Pueden ser causadas exógenamente como resultado de la radiación y endógenamente por errores en la replicación o encuentros con lesiones del ADN por parte de la horquilla de replicación. [30] La reparación de las DSB se produce a través de una variedad de vías y mecanismos diferentes para reparar correctamente estos errores.
La reparación por escisión de nucleótidos es uno de los principales mecanismos utilizados para eliminar aductos voluminosos de las lesiones del ADN causadas por fármacos de quimioterapia, mutágenos ambientales y, lo más importante, la radiación UV. [9] Este mecanismo funciona liberando un pequeño daño que contiene oligonucleótidos del sitio del ADN, y luego ese espacio se llena y repara mediante NER. [9] NER reconoce una variedad de lesiones del ADN estructuralmente no relacionadas debido a la flexibilidad del mecanismo en sí, ya que NER es muy sensible a los cambios en la estructura helicoidal del ADN . [31] Los aductos voluminosos parecen desencadenar NER. [31] El heterotrímero XPC-RAD23-CETN2 involucrado con NER tiene un papel crítico en el reconocimiento de lesiones del ADN. [32] Además de otras lesiones generales en el genoma, el complejo de proteína de unión al ADN dañado por UV (UV-DDB) también tiene un papel importante tanto en el reconocimiento como en la reparación de fotolesiones del ADN inducidas por UV. [32]
Los mecanismos de reparación de desajustes (MMR) dentro de la célula corrigen los desajustes de pares de bases que ocurren durante la replicación utilizando una variedad de vías. Tiene una alta afinidad para atacar las lesiones del ADN con especificidad, ya que las alteraciones en el apilamiento de pares de bases que ocurren en los sitios de lesión del ADN afectan la estructura helicoidal . [33] Esta es probablemente una de las muchas señales que desencadenan la MMR.