Los dímeros de pirimidina son lesiones moleculares formadas a partir de bases de timina o citosina en el ADN mediante reacciones fotoquímicas , [1] [2] comúnmente asociadas con daño directo al ADN . [3] La luz ultravioleta (UV; particularmente UVC ) induce la formación de enlaces covalentes entre bases consecutivas a lo largo de la cadena de nucleótidos en las proximidades de sus dobles enlaces carbono-carbono. [4] Los dímeros fotoacoplados son fluorescentes. [5] La reacción de dimerización también puede ocurrir entre las bases de pirimidina en el ARNbc (ARN bicatenario): uracilo o citosina. Dos productos UV comunes son los dímeros de ciclobutano-pirimidina (CPD) y 6-4 fotoproductos . Estas lesiones premutagénicas alteran la estructura de la hélice del ADN y provocan un emparejamiento de bases no canónico. Específicamente, las timinas o citosinas adyacentes en el ADN formarán un anillo de ciclobutano cuando se unan y causarán una distorsión en el ADN. Esta distorsión impide la replicación o la maquinaria de transcripción más allá del sitio de la dimerización. [6] Pueden ocurrir hasta 50 a 100 reacciones de este tipo por segundo en una célula de la piel durante la exposición a la luz solar, pero generalmente se corrigen en segundos mediante la reactivación de la fotoliasa o la reparación por escisión de nucleótidos . En los seres humanos, la forma más común de reparación del ADN es la reparación por escisión de nucleótidos (NER). Por el contrario, organismos como las bacterias pueden, de manera contraintuitiva, recolectar energía del sol para reparar el daño en el ADN causado por los dímeros de pirimidina mediante la actividad fotoliasa. Si estas lesiones no se reparan, la maquinaria de la polimerasa puede leer mal o agregar el nucleótido incorrecto a la cadena. Si el daño al ADN es abrumador, pueden surgir mutaciones dentro del genoma de un organismo y conducir a la producción de células cancerosas. [7] Las lesiones no corregidas pueden inhibir las polimerasas , causar lecturas erróneas durante la transcripción o replicación , o provocar la detención de la replicación. Provoca quemaduras solares y desencadena la producción de melanina . [8] Los dímeros de pirimidina son la causa principal de melanomas en humanos.
Un dímero de ciclobutano-pirimidina (CPD) contiene un anillo de cuatro miembros que surge del acoplamiento de los dos carbonos con doble enlace de cada una de las pirimidinas. [9] [10] [11] Estos dímeros interfieren con el emparejamiento de bases durante la replicación del ADN , lo que provoca mutaciones.
Un fotoproducto 6–4 (6–4 pirimidina– pirimidona o 6–4 pirimidina–pirimidinona) es un dímero alternativo que consiste en un enlace covalente simple entre el carbono en la posición 6 de un anillo y el carbono en la posición 4 del anillo en la siguiente base. [12] Este tipo de conversión ocurre con un tercio de la frecuencia de las CPD, pero es más mutagénica. [13]
Un tercer tipo de lesión es una pirimidinona de Dewar , formada por una isomerización reversible del fotoproducto 6-4 tras una mayor exposición a la luz. [14]
Las polimerasas de translesión introducen frecuentemente mutaciones en los dímeros de pirimidina, tanto en procariotas ( mutagénesis SOS ) como en eucariotas. Aunque los CPD de timina-timina (dímeros de timina) son las lesiones más frecuentes causadas por la luz ultravioleta, las polimerasas de translesión están sesgadas hacia la introducción de As, de modo que los dímeros TT a menudo se replican correctamente. Por otro lado, cualquier citosina involucrada en las CPD es propensa a desaminarse, induciendo una transición de C a T. [15]
Los dímeros de pirimidina introducen cambios conformacionales locales en la estructura del ADN , que permiten el reconocimiento de la lesión por parte de las enzimas reparadoras. [16] En la mayoría de los organismos (excluyendo los mamíferos placentarios como los humanos) pueden repararse mediante fotorreactivación. [17] La fotoreactivación es un proceso de reparación en el que las enzimas fotoliasas revierten las CPD mediante reacciones fotoquímicas . Además, algunas fotoliasas también pueden reparar de 6 a 4 fotoproductos del daño al ADN inducido por los rayos UV. Las enzimas fotoliasas utilizan flavina adenina dinucleótido (FAD) como cofactor en el proceso de reparación. [18]
La dosis de UV que reduce una población de células de levadura de tipo salvaje a un 37% de supervivencia es equivalente (suponiendo una distribución de impactos de Poisson ) a la dosis de UV que causa un promedio de un impacto letal en cada una de las células de la población. [19] El número de dímeros de pirimidina inducidos por genoma haploide a esta dosis se midió en 27.000. [19] También se analizó la sensibilidad a los rayos UV de una cepa de levadura mutante defectuosa en las tres vías mediante las cuales se sabía que los dímeros de pirimidina se reparaban en la levadura. En este caso se descubrió que sólo uno o, como máximo, dos dímeros de pirimidina no reparados por genoma haploide son letales para la célula. [19] Por lo tanto, estos hallazgos indican que la reparación de los dímeros de timina en la levadura de tipo salvaje es altamente eficiente.
La reparación por escisión de nucleótidos , a veces denominada "reactivación oscura", es un mecanismo más general para la reparación de lesiones y es la forma más común de reparación del ADN de los dímeros de pirimidina en humanos. Este proceso funciona mediante el uso de maquinaria celular para localizar los nucleótidos dimerizados y extirpar la lesión. Una vez que se elimina el CPD, queda un espacio en la cadena de ADN que debe llenarse. La maquinaria del ADN utiliza la cadena complementaria no dañada para sintetizar nucleótidos y, en consecuencia, llenar el espacio en la cadena previamente dañada. [6]
El xeroderma pigmentoso (XP) es una enfermedad genética rara en humanos en la que los genes que codifican las proteínas NER están mutados y dan como resultado una menor capacidad para combatir los dímeros de pirimidina que se forman como resultado del daño de los rayos UV. Las personas con XP también tienen un riesgo mucho mayor de cáncer que otras, con un riesgo 5.000 veces mayor de desarrollar cáncer de piel. [7] Algunas características y síntomas comunes de XP incluyen la decoloración de la piel y la formación de múltiples tumores debido a la exposición a los rayos UV.
Algunos organismos tienen otras formas de realizar reparaciones:
Otro tipo de mecanismo de reparación que se conserva en humanos y otros no mamíferos es la síntesis de translesión. Por lo general, la lesión asociada con el dímero de pirimidina bloquea la síntesis de la maquinaria celular más allá del sitio dañado. Sin embargo, en la síntesis de translesión, las polimerasas de translesión evitan la CPD y la maquinaria de replicación o transcripción puede continuar más allá de la lesión. Una ADN polimerasa de translesión específica, la ADN polimerasa η, es deficiente en personas con XPD. [21]
El daño directo al ADN se reduce con el protector solar, que también reduce el riesgo de sufrir quemaduras solares. Cuando el protector solar está en la superficie de la piel, filtra los rayos UV, lo que atenúa su intensidad. Incluso cuando las moléculas de protector solar han penetrado en la piel, protegen contra el daño directo del ADN, porque la luz ultravioleta es absorbida por el protector solar y no por el ADN. [22] El protector solar funciona principalmente absorbiendo la luz ultravioleta del sol mediante el uso de compuestos orgánicos, como la oxibenzona o la avobenzona. Estos compuestos pueden absorber la energía ultravioleta del sol y pasar a estados de mayor energía. Con el tiempo, estas moléculas regresan a estados de energía más bajos y, al hacerlo, la energía inicial de la luz ultravioleta puede transformarse en calor. Este proceso de absorción funciona para reducir el riesgo de daño al ADN y la formación de dímeros de pirimidina. La luz UVA constituye el 95% de la luz ultravioleta que llega a la Tierra, mientras que la luz UVB representa sólo alrededor del 5%. La luz UVB es la forma de luz ultravioleta responsable del bronceado y las quemaduras. Los protectores solares actúan para proteger de los rayos UVA y UVB. En general, las quemaduras solares ejemplifican el daño al ADN causado por los rayos ultravioleta, y este daño puede presentarse en forma de especies de radicales libres, así como de dimerización de nucleótidos adyacentes. [23]