Reparación del ADN: Tipos, enzimas y vías

¿Qué es la reparación del ADN?

El ácido desoxirribonucleico, o ADN, es una macromolécula que codifica la información genética y hereditaria de muchos organismos vivos. Se puede encontrar en todas las células procariotas y eucariotas y en algunos virus. Su estructura se caracteriza por ser una doble hélice, que consta de dos hebras enrolladas entre sí. Una larga cadena de nucleótidos comprende cada hebra de molécula de ADN. Cada nucleótido consta de un grupo fosfato, una base nitrogenada y un azúcar de cinco carbonos (pentosa). Las bases nitrogenadas pueden ser purina (adenina (A), guanina (G)) o pirimidina (citosina (C) y timina (T)). Una de las cuatro bases está unida a cada azúcar.

El daño al ADN es cualquier forma de cambio, alteración o modificación que afecte las propiedades o el funcionamiento normal de la molécula de ADN. Ocurre debido a la exposición constante y la susceptibilidad de las células a agentes endógenos y exógenos. En promedio, se estima que la frecuencia con la que se produce daño en el ADN es de entre 1.000 y 1.000.000 de lesiones por célula al día. Dependiendo del origen, el daño al ADN se puede clasificar en: (a) endógeno y (b) exógeno.

El daño endógeno al ADN es causado por agentes como las especies reactivas de oxígeno (ROS) y las especies reactivas de nitrógeno (RNS). Por otro lado, el daño exógeno al ADN involucra factores externos y/o agentes ambientales como productos químicos, radiaciones ionizantes y metales pesados. El daño al ADN puede presentarse en forma de daño oxidativo, alquilación de bases, formación de aductos voluminosos, entrecruzamiento del ADN y roturas de cadenas de ADN (incluidas roturas de cadenas simples y dobles).

La reparación del ADN abarca mecanismos mediante los cuales la célula preserva la integridad y estabilidad genómica. Implica vías sobre cómo las células manejan y corrigen los errores y alteraciones en la molécula de ADN. No corregir estos errores puede provocar muerte celular, inestabilidad genómica, aberraciones cromosómicas y mutaciones, entre otras. Hay genes específicos de reparación del ADN implicados en el mecanismo de respuesta al daño de la célula. Estos genes sirven específicamente para el reconocimiento y eliminación de lesiones, la tolerancia al daño y la protección contra errores durante la reparación o replicación, entre otros.

Tipos de reparación del ADN

Las células han desarrollado varios mecanismos de reparación del ADN para hacer frente a los efectos nocivos del daño del ADN, garantizar la supervivencia y la funcionalidad adecuada de las células y mantener la integridad genómica de los organismos vivos. Generalmente, los tipos de proceso de reparación del ADN incluyen los siguientes.

Reversión directa

La reversión directa se considera la forma más simple de reparación del ADN. No implica la eliminación, escisión o reemplazo de bases y/o nucleótidos, ni la escisión de enlaces químicos para corregir el daño del ADN. Las bases alquiladas y las lesiones inducidas por rayos UV son ejemplos de daños en el ADN que pueden repararse mediante reversión directa utilizando enzimas (es decir, O6-alquilguanina-ADN alquiltransferasa (AGT), dioxigenasas relacionadas con AlkB) y mediante fotorreactivación, respectivamente.

Reparación por escisión

La reparación por escisión abarca la escisión y el reemplazo de la base o nucleótido dañado de la molécula de ADN. En resumen, se somete a los siguientes pasos: 1) reconocimiento del daño, 2) escisión de la cadena, 3) eliminación y reparación del segmento de ADN que contiene el daño y 4) ligadura. Se puede subdividir en: (1) reparación por escisión de base (BER), (2) reparación por escisión de nucleótidos (NER) y (3) reparación de falta de coincidencia (MMR).

Reparación posterior a la replicación

Durante la replicación del ADN, un grupo de proteínas forma un complejo en una estructura conocida como horquilla de replicación (RF). El desenrollado y la síntesis del ADN se producen en la RF. Las lesiones del ADN pueden hacer que la RF se detenga o haga una pausa en sus actividades. Cuando esto sucede y se bloquea la replicación, se denomina bloqueo de bifurcación.

Este mecanismo de reparación funciona en las lesiones del ADN que se estancan en la bifurcación cuando la replicación se bloquea en el sitio real del daño. Permite que la replicación avance mediante la síntesis de segmentos cortos de ADN llamados fragmentos de Okazaki. Poco después, la reparación por recombinación repara el segmento que contiene la lesión. O bien la secuencia de un cromosoma hermano no dañado o la cadena dañada se utiliza como plantilla para el proceso de reparación. La síntesis de translesión y el cambio de plantilla son ejemplos del mecanismo de reparación posterior a la replicación.

Mecanismos de reparación del ADN

La respuesta celular al daño del ADN puede implicar senescencia o estado de detención irreversible del ciclo celular, reparación del daño del ADN y apoptosis o muerte celular programada. Los mecanismos de reparación de la célula pueden subdividirse en cambios estructurales en el ADN.

Para daños en el ADN monocatenario

El daño al ADN monocatenario afecta solo a una hebra de la doble hélice del ADN. Dado que la cadena complementaria no sufre daños, se puede utilizar como plantilla para corregir los errores en el ADN. Este tipo de daño al ADN es muy común. Los mecanismos de reparación del daño del ADN monocatenario se describen a continuación.

Reparación por escisión de base (BER)

BER implica el reconocimiento y eliminación de la base dañada cortando el enlace N-glucosídico que une la base a la columna vertebral de azúcar-fosfato del ADN. Las glicosilasas son las enzimas responsables de romper los enlaces N-glicosilo. En consecuencia, esto da como resultado la formación de un sitio apurínico/apirimidínico (AP), también llamado sitio abásico.

Luego, una endonucleasa AP escinde la cadena principal de azúcar-fosfato en el sitio abásico. Después de esto, la ADN polimerasa inicia la síntesis de reparación e inserta la base correcta. Para completar el proceso de reparación, la ADN ligasa sella la mella en la columna vertebral del ADN. Tenga en cuenta que existen glicosilasas específicas que pueden tener actividad tanto glicosilasa como endonucleasa AP.

Reparación por escisión de nucleótidos (NER)

NER es el mecanismo de reparación más versátil, ya que elimina un amplio espectro de daños químicos y estructurales en el ADN, incluidos los aductos químicos grandes y voluminosos. Una vez reconocido el daño, se produce una burbuja debido al desenrollamiento de la molécula de ADN. La lesión se elimina cortando ambos lados del sitio dañado. A continuación sigue la resíntesis de los nucleótidos correctos utilizando la cadena intacta como plantilla. La ligadura de la mella en la columna vertebral mediante la ADN ligasa concluye el mecanismo NER. Hay dos subvías NER: (1) la reparación global del genoma (GGR) está involucrada en el reconocimiento y eliminación de daños voluminosos en todo el genoma, y ​​(2) la reparación acoplada a la transcripción (TCR) opera para reparar lesiones en la cadena de ADN transcrita..

Reparación de discrepancias (MMR)

MMR detecta y repara errores de incorporación errónea durante la replicación y recombinación del ADN, que incluyen nucleótidos no coincidentes, errores de inserción y eliminación y desalineaciones de cadenas. El mutador S (MutS) es responsable del reconocimiento y la unión a los desajustes del ADN. Luego recluta a MutL y MutH para el complejo de desajuste. MutL participa en el reconocimiento de qué cadena es la nueva copia. Por otro lado, MutH es esencial en la escisión de hebras. Después de escindir la cadena de ADN que contiene el nucleótido incorrecto, la ADN polimerasa lleva a cabo la resíntesis del espacio resultante. A continuación, la ligasa vuelve a sellar la hebra.

Para daños en el ADN de doble cadena

El daño del ADN de doble hebra afecta a ambas hebras de la molécula de ADN. Por lo tanto, las vías de reparación del daño del ADN de doble hebra no dependen del uso de la hebra complementaria como plantilla para el proceso de reparación. Las vías de reparación de roturas de doble hebra se describen a continuación.

Unión de extremos no homólogos (NHEJ)

NHEJ es el mecanismo más rápido para reparar roturas de doble hebra. Sella directamente los dos extremos rotos de la molécula de ADN. Además, no requiere una plantilla de ADN homóloga. El dímero Ku70-Ku80 inicia la vía NHEJ uniéndose a los dos extremos de la rotura del ADN. Luego se le une la ADN proteína quinasa (DNA-PK), la proteína 4 de complemento cruzado de reparación de rayos X (XRCC4), el factor similar a XRCC4 (XLF) y la ADN ligasa IV para formar el complejo NHEJ y continuar con el ADN. finaliza el procesamiento.

Recombinación homóloga (HR)

Esta vía utiliza la secuencia de ADN homóloga de la cromátida hermana intacta como plantilla para reemplazar el segmento de ADN dañado. En comparación con NHEJ, esta vía suele estar libre de errores.

Unión de extremos mediada por microhomología (MMEJ)

MMEJ es una forma de NHEJ alternativo (alt-NHEJ) que también es muy propenso a errores. Implica los siguientes pasos: 1) resección final, 2) emparejamiento de regiones de microhomología, 3) eliminación de colgajos colgantes, 4) síntesis para rellenar espacios y 5) ligadura.

Síntesis de translesión

En los casos en que algunas lesiones del ADN no se reparan de manera precisa y eficiente, las células se someten a un mecanismo conocido como síntesis de translesión (TLS). La ADN polimerasa, cuando se encuentra con una lesión, detiene la síntesis antes del sitio real del daño en el ADN. Posteriormente, es reemplazada por la TLS polimerasa (una ADN polimerasa especializada) y continúa con la síntesis de derivación a través de la lesión. La polimerasa TLS tiene una baja fidelidad de replicación; por lo tanto, suele ser propenso a errores.

Enzimas reparadoras del ADN

Las enzimas reparadoras del ADN operan para facilitar diversas vías de reparación en la célula. Algunas de las enzimas esenciales involucradas son:

• ADN polimerasa: Es responsable de la síntesis de nuevas cadenas de ADN.
• ADN ligasa: crea un enlace fosfodiéster que ayuda a sellar la muesca en la columna vertebral del ADN.
• Fotoliasas: invierte los dímeros de pirimidina nuevamente en pirimidinas normales.
• ADN glicosilasa: Es responsable de escindir el enlace base-azúcar de bases alteradas o dañadas en el ADN.
• Endonucleasa AP: escinde la columna vertebral del ADN precisamente en el sitio AP.
• Exonucleasa: Escinde el enlace fosfodiéster de los extremos de la hebra.
• Enzima reparadora de desajustes: el complejo proteico mutS, mutL y mutH detecta y elimina los pares de bases incorrectos.
• Polimerasa TLS: realiza una síntesis de derivación a través del daño del ADN.

Resumen de la lección

El ADN es la unidad básica de herencia que porta el código genético que se transmite de padres a hijos. Cualquier forma de cambio, alteración o modificación en las propiedades, función y estructura de la molécula de ADN se denomina daño en el ADN. El ADN genómico sufre daños tanto por factores endógenos como exógenos. Estos daños espontáneos pueden presentarse de diversas formas y ocurrir con diferente frecuencia. Las consecuencias asociadas con las moléculas de ADN comprometidas incluyen enfermedades como cáncer y tumores, mutaciones, cambios en la expresión genética, irregularidades en las funciones celulares y otras. La reparación del ADN, la respuesta celular para tratar y corregir el daño del ADN, es integral para que las células tengan una replicación del ADN precisa y eficiente para preservar la integridad genómica de los organismos vivos.

En cierto modo, las células se han equipado con múltiples mecanismos de reparación para superar el daño al ADN provocado por fuentes endógenas y exógenas. Dependiendo del tipo de lesión, las células activan un mecanismo distinto para reparar el daño. Las vías de reparación del ADN se clasifican en reversión directa, reparación por escisión (que incluye reparación por escisión de bases, reparación por escisión de nucleótidos y reparación de errores de coincidencia) y reparación posterior a la replicación (que incluye síntesis de translesión y cambio de plantilla). Varias enzimas participan en el inicio y la progresión de estas vías de reparación.