Reparación de ADN

La reparación del ADN es un conjunto de procesos mediante los cuales una célula identifica y corrige el daño a las moléculas de ADN que codifican su genoma. En las células humanas, tanto las actividades metabólicas normales como los factores ambientales, como la radiación, pueden causar daños en el ADN, lo que da como resultado decenas de miles de lesiones moleculares individuales por célula por día.Muchas de estas lesiones provocan daños estructurales en la molécula de ADN y pueden alterar o eliminar la capacidad de la célula para transcribir el gen que codifica el ADN afectado. Otras lesiones inducen mutaciones potencialmente dañinas en el genoma de la célula, que afectan la supervivencia de sus células hijas después de sufrir la mitosis. Como consecuencia, el proceso de reparación del ADN está constantemente activo ya que responde al daño en la estructura del ADN. Cuando fallan los procesos normales de reparación y cuando no se produce la apoptosis celular, pueden producirse daños irreparables en el ADN, incluidas roturas de doble cadena y entrecruzamientos de ADN (entrecruzamientos entre cadenas o ICL). Esto eventualmente puede conducir a tumores malignos o cáncer según la hipótesis de los dos éxitos.

La tasa de reparación del ADN depende de muchos factores, incluido el tipo de célula, la edad de la célula y el entorno extracelular. Una célula que ha acumulado una gran cantidad de daño en el ADN, o una que ya no repara eficazmente el daño sufrido en su ADN, puede entrar en uno de los tres estados posibles:

1. un estado irreversible de latencia, conocido como senescencia
2. suicidio celular, también conocido como apoptosis o muerte celular programada
3. división celular no regulada, que puede conducir a la formación de un tumor canceroso

La capacidad de reparación del ADN de una célula es vital para la integridad de su genoma y, por lo tanto, para la funcionalidad normal de ese organismo. Muchos genes que inicialmente se demostró que influían en la duración de la vida han resultado estar involucrados en la reparación y protección del daño del ADN.

El Premio Nobel de Química 2015 fue otorgado a Tomas Lindahl, Paul Modrich y Aziz Sancar por su trabajo sobre los mecanismos moleculares de los procesos de reparación del ADN.

Daño en el ADN

El daño al ADN, debido a factores ambientales y procesos metabólicos normales dentro de la célula, ocurre a un ritmo de 10 000 a 1 000 000 de lesiones moleculares por célula por día. Si bien esto constituye solo el 0,000165 % de los aproximadamente 6 000 millones de bases del genoma humano, las lesiones no reparadas en genes críticos (como los genes supresores de tumores) pueden impedir la capacidad de una célula para llevar a cabo su función y aumentar considerablemente la probabilidad de formación de tumores y contribuir a la heterogeneidad del tumor..

La gran mayoría de los daños en el ADN afectan a la estructura primaria de la doble hélice; es decir, las propias bases se modifican químicamente. Estas modificaciones pueden, a su vez, alterar la estructura helicoidal regular de las moléculas mediante la introducción de enlaces químicos no nativos o aductos voluminosos que no encajan en la doble hélice estándar. A diferencia de las proteínas y el ARN, el ADN generalmente carece de estructura terciaria y, por lo tanto, no se produce daño ni alteración a ese nivel. Sin embargo, el ADN está superenrollado y enrollado alrededor de proteínas de "empaquetamiento" llamadas histonas (en eucariotas), y ambas superestructuras son vulnerables a los efectos del daño del ADN.

Fuentes

El daño del ADN se puede subdividir en dos tipos principales:

1. daño endógeno como el ataque de especies reactivas de oxígeno producidas a partir de subproductos metabólicos normales (mutación espontánea), especialmente el proceso de desaminación oxidativa
   1. también incluye errores de replicación
2. daños exógenos causados ​​por agentes externos como
   1. radiación ultravioleta [UV 200–400 nm] del sol u otras fuentes de luz artificial
   2. otras frecuencias de radiación, incluidos los rayos X y los rayos gamma
   3. hidrólisis o disrupción térmica
   4. ciertas toxinas vegetales
   5. productos químicos mutagénicos hechos por humanos, especialmente compuestos aromáticos que actúan como agentes intercalantes de ADN
   6. virus

La replicación del ADN dañado antes de la división celular puede conducir a la incorporación de bases equivocadas frente a las dañadas. Las células hijas que heredan estas bases incorrectas portan mutaciones de las que la secuencia de ADN original es irrecuperable (excepto en el raro caso de una retromutación, por ejemplo, a través de la conversión de genes).

Tipos

Hay varios tipos de daño al ADN debido a procesos celulares endógenos:

1. oxidación de bases [p. ej., 8-oxo-7,8-dihidroguanina (8-oxoG)] y generación de interrupciones de cadenas de ADN a partir de especies reactivas de oxígeno,
2. alquilación de bases (generalmente metilación), como la formación de 7-metilguanosina, 1-metiladenina, 6-O-metilguanina
3. hidrólisis de bases, tales como desaminación, depuración y despirimidinación.
4. "formación de aductos voluminosos" (p. ej., aducto de epóxido-dG de benzo[a]pireno diol, aducto de aristolactama I-dA)
5. desajuste de bases, debido a errores en la replicación del ADN, en el que la base de ADN incorrecta se une en su lugar en una hebra de ADN recién formada, o una base de ADN se salta o se inserta por error.
6. Daño de monoaducto causado por cambio en una sola base nitrogenada de ADN
7. daño del diaducto

El daño causado por agentes exógenos se presenta de muchas formas. Algunos ejemplos son:

1. La luz UV-B provoca el entrecruzamiento entre las bases adyacentes de citosina y timina creando dímeros de pirimidina. Esto se llama daño directo al ADN.
2. La luz UV-A crea principalmente radicales libres. El daño causado por los radicales libres se denomina daño indirecto del ADN.
3. La radiación ionizante, como la creada por la desintegración radiactiva o en los rayos cósmicos, provoca roturas en las hebras de ADN. La radiación ionizante de nivel intermedio puede inducir daños irreparables en el ADN (lo que provoca errores de replicación y transcripción necesarios para la neoplasia o puede desencadenar interacciones virales) que conducen al envejecimiento prematuro y al cáncer.
4. La disrupción térmica a temperatura elevada aumenta la tasa de depuración (pérdida de bases de purina del esqueleto del ADN) y roturas de cadena sencilla. Por ejemplo, la depuración hidrolítica se observa en las bacterias termófilas, que crecen en aguas termales a 40–80 °C. La tasa de depuración (300 residuos de purina por genoma por generación) es demasiado alta en estas especies para ser reparada por la maquinaria de reparación normal, por lo que no se puede descartar la posibilidad de una respuesta adaptativa.
5. Los productos químicos industriales, como el cloruro de vinilo y el peróxido de hidrógeno, y los productos químicos ambientales, como los hidrocarburos aromáticos policíclicos que se encuentran en el humo, el hollín y el alquitrán, crean una gran diversidad de aductos de ADN: etenobases, bases oxidadas, fosfotriésteres alquilados y entrecruzamiento de ADN, solo por nombrar algunos..

El daño UV, la alquilación/metilación, el daño por rayos X y el daño oxidativo son ejemplos de daño inducido. El daño espontáneo puede incluir la pérdida de una base, desaminación, arrugamiento del anillo de azúcar y cambio tautomérico. El daño al ADN constitutivo (espontáneo) causado por oxidantes endógenos puede detectarse como un nivel bajo de fosforilación de histona H2AX en células no tratadas.

Nuclear versus mitocondrial

En las células humanas y en las células eucariotas en general, el ADN se encuentra en dos ubicaciones celulares: dentro del núcleo y dentro de las mitocondrias. El ADN nuclear (nDNA) existe como cromatina durante las etapas no replicativas del ciclo celular y se condensa en estructuras agregadas conocidas como cromosomas durante la división celular. En cualquiera de los dos estados, el ADN está muy compactado y enrollado alrededor de proteínas parecidas a perlas llamadas histonas. Cada vez que una célula necesita expresar la información genética codificada en su nDNA, la región cromosómica requerida se desentraña, los genes ubicados en ella se expresan y luego la región se condensa de nuevo a su conformación en reposo. El ADN mitocondrial (ADNmt) se encuentra dentro de los orgánulos mitocondriales, existe en múltiples copias y también está estrechamente asociado con una serie de proteínas para formar un complejo conocido como nucleoide. Dentro de las mitocondrias, las especies reactivas de oxígeno (ROS), o radicales libres, subproductos de la producción constante de trifosfato de adenosina (ATP) a través de la fosforilación oxidativa, crean un entorno altamente oxidativo que se sabe que daña el ADNmt. Una enzima crítica para contrarrestar la toxicidad de estas especies es la superóxido dismutasa, que está presente tanto en la mitocondria como en el citoplasma de las células eucariotas.

Senescencia y apoptosis

La senescencia, un proceso irreversible en el que la célula ya no se divide, es una respuesta protectora al acortamiento de los extremos de los cromosomas, llamados telómeros. Los telómeros son regiones largas de ADN no codificante repetitivo que rematan los cromosomas y se degradan parcialmente cada vez que una célula se divide (ver límite de Hayflick). Por el contrario, la quiescencia es un estado reversible de latencia celular que no está relacionado con el daño del genoma (ver ciclo celular). La senescencia en las células puede servir como una alternativa funcional a la apoptosis en los casos en que el organismo requiera la presencia física de una célula por razones espaciales,que sirve como un mecanismo de "último recurso" para evitar que una célula con ADN dañado se replique de manera inapropiada en ausencia de señalización celular a favor del crecimiento. La división celular no regulada puede conducir a la formación de un tumor (ver cáncer), que es potencialmente letal para un organismo. Por lo tanto, la inducción de senescencia y apoptosis se considera parte de una estrategia de protección contra el cáncer.

Mutación

Es importante distinguir entre el daño y la mutación del ADN, los dos tipos principales de error en el ADN. El daño y la mutación del ADN son fundamentalmente diferentes. El daño da como resultado anomalías físicas en el ADN, como roturas de una y dos cadenas, residuos de 8-hidroxideoxiguanosina y aductos de hidrocarburos aromáticos policíclicos. Las enzimas pueden reconocer el daño del ADN y, por lo tanto, puede repararse correctamente si se dispone de información redundante, como la secuencia no dañada en la cadena de ADN complementaria o en un cromosoma homólogo, para copiar. Si una célula retiene el ADN dañado, se puede prevenir la transcripción de un gen y, por lo tanto, también se bloqueará la traducción a una proteína. La replicación también puede bloquearse o la célula puede morir.

A diferencia del daño en el ADN, una mutación es un cambio en la secuencia de bases del ADN. Las enzimas no pueden reconocer una mutación una vez que el cambio de base está presente en ambas cadenas de ADN y, por lo tanto, no se puede reparar una mutación. A nivel celular, las mutaciones pueden causar alteraciones en la función y regulación de las proteínas. Las mutaciones se replican cuando la célula se replica. En una población de células, las células mutantes aumentarán o disminuirán en frecuencia según los efectos de la mutación sobre la capacidad de la célula para sobrevivir y reproducirse.

Aunque claramente diferentes entre sí, el daño y la mutación del ADN están relacionados porque el daño del ADN a menudo provoca errores en la síntesis del ADN durante la replicación o la reparación; estos errores son una fuente importante de mutación.

Dadas estas propiedades del daño y la mutación del ADN, se puede ver que el daño del ADN es un problema especial en las células que no se dividen o se dividen lentamente, donde el daño no reparado tenderá a acumularse con el tiempo. Por otro lado, en las células que se dividen rápidamente, el daño del ADN no reparado que no mata a la célula al bloquear la replicación tenderá a causar errores de replicación y, por lo tanto, mutaciones. La gran mayoría de las mutaciones que no son neutrales en su efecto son perjudiciales para la supervivencia de una célula. Así, en una población de células que componen un tejido con células en replicación, las células mutantes tenderán a perderse. Sin embargo, las mutaciones poco frecuentes que proporcionan una ventaja de supervivencia tenderán a expandirse clonalmente a expensas de las células vecinas en el tejido. Esta ventaja para la célula es una desventaja para todo el organismo porque tales células mutantes pueden provocar cáncer. Por lo tanto, el daño del ADN en células que se dividen con frecuencia, debido a que da lugar a mutaciones, es una causa importante de cáncer. Por el contrario, el daño del ADN en las células que se dividen con poca frecuencia es probablemente una causa importante del envejecimiento.

Mecanismos

Las células no pueden funcionar si el daño en el ADN corrompe la integridad y la accesibilidad de la información esencial en el genoma (pero las células siguen siendo superficialmente funcionales cuando faltan genes no esenciales o están dañados). Dependiendo del tipo de daño infligido a la estructura de doble hélice del ADN, han evolucionado una variedad de estrategias de reparación para restaurar la información perdida. Si es posible, las células utilizan la hebra complementaria no modificada del ADN o la cromátida hermana como plantilla para recuperar la información original. Sin acceso a una plantilla, las células utilizan un mecanismo de recuperación propenso a errores conocido como síntesis de translesión como último recurso.

El daño al ADN altera la configuración espacial de la hélice, y la célula puede detectar dichas alteraciones. Una vez que se localiza el daño, las moléculas específicas de reparación del ADN se unen en el sitio del daño o cerca de él, lo que induce a otras moléculas a unirse y formar un complejo que permite que se lleve a cabo la reparación real.

Inversión directa

Se sabe que las células eliminan tres tipos de daño en su ADN al revertirlo químicamente. Estos mecanismos no requieren de plantilla, ya que los tipos de daño que contrarrestan pueden ocurrir solo en una de las cuatro bases. Dichos mecanismos directos de inversión son específicos del tipo de daño sufrido y no implican la rotura del esqueleto de fosfodiéster. La formación de dímeros de pirimidina tras la irradiación con luz ultravioleta da como resultado un enlace covalente anormal entre bases de pirimidina adyacentes. El proceso de fotorreactivación invierte directamente este daño por la acción de la enzima fotoliasa, cuya activación depende necesariamente de la energía absorbida de la luz azul/UV (300–500 nm de longitud de onda) para promover la catálisis. La fotoliasa, una antigua enzima presente en las bacterias, los hongos y la mayoría de los animales, ya no funciona en los humanos.quienes en cambio usan la reparación por escisión de nucleótidos para reparar el daño causado por la radiación UV. Otro tipo de daño, la metilación de las bases de guanina, es directamente revertido por la proteína metil guanina metil transferasa (MGMT), cuyo equivalente bacteriano se llama ogt. Este es un proceso costoso porque cada molécula de MGMT se puede usar solo una vez; es decir, la reacción es estequiométrica en lugar de catalítica. Una respuesta generalizada a los agentes de metilación en las bacterias se conoce como respuesta adaptativa y confiere un nivel de resistencia a los agentes de alquilación tras una exposición sostenida mediante la regulación al alza de las enzimas reparadoras de la alquilación. El tercer tipo de daño del ADN que revierten las células es cierta metilación de las bases citosina y adenina.

Daño de una sola hebra

Cuando solo una de las dos hebras de una doble hélice tiene un defecto, la otra hebra se puede utilizar como plantilla para guiar la corrección de la hebra dañada. Para reparar el daño a una de las dos moléculas emparejadas de ADN, existe una serie de mecanismos de reparación por escisión que eliminan el nucleótido dañado y lo reemplazan con un nucleótido no dañado complementario al que se encuentra en la cadena de ADN no dañada.

1. Reparación por escisión de bases (BER): las bases individuales o los nucleótidos dañados se reparan más comúnmente eliminando la base o el nucleótido involucrado y luego insertando la base o el nucleótido correcto. En la reparación por escisión de base, una enzima glicosilasa elimina la base dañada del ADN rompiendo el enlace entre la base y la desoxirribosa. Estas enzimas eliminan una sola base para crear un sitio apurínico o apirimidínico (sitio AP). Unas enzimas llamadas endonucleasas AP cortan el esqueleto de ADN dañado en el sitio AP. Luego, la ADN polimerasa elimina la región dañada utilizando su actividad de exonucleasa de 5' a 3' y sintetiza correctamente la nueva cadena utilizando la cadena complementaria como plantilla. Luego, la brecha se sella con la enzima ADN ligasa.
2. Reparación por escisión de nucleótidos (NER): el daño voluminoso que distorsiona la hélice, como la dimerización de pirimidina causada por la luz ultravioleta, generalmente se repara mediante un proceso de tres pasos. Primero se reconoce el daño, luego se eliminan cadenas de ADN de 12 a 24 nucleótidos de longitud tanto aguas arriba como aguas abajo del sitio dañado mediante endonucleasas, y la región de ADN eliminada se vuelve a sintetizar. NER es un mecanismo de reparación altamente conservado evolutivamente y se usa en casi todas las células eucariotas y procariotas. En procariotas, NER está mediada por proteínas Uvr. En los eucariotas intervienen muchas más proteínas, aunque la estrategia general es la misma.
3. Los sistemas de reparación de desajustes están presentes en prácticamente todas las celdas para corregir errores que no se corrigen mediante la revisión. Estos sistemas constan de al menos dos proteínas. Uno detecta el desajuste y el otro recluta una endonucleasa que escinde la hebra de ADN recién sintetizada cerca de la región dañada. En E. coli, las proteínas implicadas son las proteínas de la clase Mut: MutS, MutL y MutH. En la mayoría de los eucariotas, el análogo de MutS es MSH y el análogo de MutL es MLH. MutH solo está presente en bacterias. A esto le sigue la eliminación de la región dañada por una exonucleasa, la resíntesis por la ADN polimerasa y el sellado de la muesca por la ADN ligasa.

Roturas de doble hebra

Las roturas de doble hebra, en las que se cortan ambas hebras de la doble hélice, son particularmente peligrosas para la célula porque pueden conducir a reordenamientos del genoma. De hecho, cuando una ruptura de la doble hebra se acompaña de un entrecruzamiento que une las dos hebras en el mismo punto, ninguna de las hebras puede usarse como molde para los mecanismos de reparación, por lo que la célula no podrá completar la mitosis cuando luego se divide y morirá o, en casos raros, sufrirá una mutación. Existen tres mecanismos para reparar roturas de doble cadena (DSB): unión de extremos no homólogos (NHEJ), unión de extremos mediada por microhomología (MMEJ) y recombinación homóloga (HR). En un sistema in vitro, se produjo MMEJ en células de mamíferos a niveles de 10 a 20 % de HR cuando también estaban disponibles los mecanismos HR y NHEJ.

En NHEJ, la ADN ligasa IV, una ADN ligasa especializada que forma un complejo con el cofactor XRCC4, une directamente los dos extremos. Para guiar la reparación precisa, NHEJ se basa en secuencias homólogas cortas llamadas microhomologías presentes en las colas monocatenarias de los extremos del ADN que se van a unir. Si estos voladizos son compatibles, la reparación suele ser precisa. NHEJ también puede introducir mutaciones durante la reparación. La pérdida de nucleótidos dañados en el sitio de rotura puede provocar deleciones, y la unión de extremos que no coinciden forma inserciones o translocaciones. NHEJ es especialmente importante antes de que la célula haya replicado su ADN, ya que no hay una plantilla disponible para la reparación por recombinación homóloga. Hay vías NHEJ de "respaldo" en eucariotas superiores.Además de su papel como guardián del genoma, el NHEJ es necesario para unir las roturas de doble hebra en forma de horquilla inducidas durante la recombinación V(D)J, el proceso que genera diversidad en los receptores de células B y células T en el sistema inmunitario de los vertebrados.

La recombinación homóloga requiere la presencia de una secuencia idéntica o casi idéntica para ser utilizada como plantilla para la reparación de la ruptura. La maquinaria enzimática responsable de este proceso de reparación es casi idéntica a la maquinaria responsable del cruce cromosómico durante la meiosis. Esta vía permite reparar un cromosoma dañado utilizando una cromátida hermana (disponible en G2 después de la replicación del ADN) o un cromosoma homólogo como plantilla. Los DSB causados ​​por la maquinaria de replicación que intenta sintetizar a través de una rotura de una sola hebra o una lesión no reparada provocan el colapso de la horquilla de replicación y, por lo general, se reparan mediante recombinación.

MMEJ comienza con una resección final de corto alcance por la nucleasa MRE11 en cualquier lado de una ruptura de doble cadena para revelar regiones de microhomología. En pasos posteriores, se requiere poli (ADP-ribosa) polimerasa 1 (PARP1) y puede ser un paso inicial en MMEJ. Hay emparejamiento de regiones de microhomología seguido del reclutamiento de la endonucleasa 1 específica de la estructura del colgajo (FEN1) para eliminar los colgajos sobresalientes. A esto le sigue el reclutamiento de XRCC1-LIG3 al sitio para ligar los extremos del ADN, lo que lleva a un ADN intacto. MMEJ siempre va acompañado de una deleción, por lo que MMEJ es una vía mutagénica para la reparación del ADN.

El extremófilo Deinococcus radiodurans tiene una notable capacidad para sobrevivir al daño del ADN por la radiación ionizante y otras fuentes. Al menos dos copias del genoma, con roturas aleatorias de ADN, pueden formar fragmentos de ADN mediante hibridación. Los fragmentos parcialmente superpuestos se utilizan luego para la síntesis de regiones homólogas a través de un bucle D en movimiento que puede continuar la extensión hasta que se encuentran cadenas asociadas complementarias. En el paso final, hay cruce por medio de recombinación homóloga dependiente de RecA.

Las topoisomerasas introducen roturas de cadena simple y doble en el curso del cambio del estado de superenrollamiento del ADN, que es especialmente común en regiones cercanas a una horquilla de replicación abierta. Tales roturas no se consideran daños en el ADN porque son un intermediario natural en el mecanismo bioquímico de la topoisomerasa y son reparadas inmediatamente por las enzimas que las crearon.

Otro tipo de roturas de doble cadena de ADN se origina en los sitios sensibles al calor o lábiles al calor del ADN. Estos sitios de ADN no son DSB iniciales. Sin embargo, se convierten en DSB después de tratarlos con temperatura elevada. La irradiación ionizante puede inducir una forma muy compleja de daño en el ADN como daño agrupado. Consiste en diferentes tipos de lesiones de ADN en varios lugares de la hélice de ADN. Es probable que algunas de estas lesiones cercanas se conviertan en DSB por exposición a altas temperaturas. Pero aún no se conoce la naturaleza exacta de estas lesiones y sus interacciones.

Síntesis de translesión

La síntesis de translesión (TLS) es un proceso de tolerancia al daño del ADN que permite que la maquinaria de replicación del ADN reproduzca lesiones anteriores del ADN, como dímeros de timina o sitios AP.Implica cambiar las ADN polimerasas regulares por polimerasas de translesión especializadas (es decir, ADN polimerasa IV o V, de la familia de las polimerasas Y), a menudo con sitios activos más grandes que pueden facilitar la inserción de bases opuestas a los nucleótidos dañados. Se cree que el cambio de polimerasa está mediado, entre otros factores, por la modificación postraduccional del factor de procesividad de replicación PCNA. Las polimerasas de síntesis de translesión a menudo tienen baja fidelidad (alta propensión a insertar bases incorrectas) en plantillas no dañadas en relación con las polimerasas regulares. Sin embargo, muchos son extremadamente eficientes insertando bases correctas frente a tipos específicos de daño. Por ejemplo, Pol η media en la derivación sin errores de las lesiones inducidas por la radiación UV, mientras que Pol ι introduce mutaciones en estos sitios. Se sabe que Pol η agrega la primera adenina a través del fotodímero T^T usando el emparejamiento de bases de Watson-Crick y la segunda adenina se agregará en su conformación sin usando el emparejamiento de bases de Hoogsteen. Desde una perspectiva celular, puede ser preferible arriesgarse a la introducción de mutaciones puntuales durante la síntesis de la translesión que recurrir a mecanismos más drásticos de reparación del ADN, que pueden causar grandes aberraciones cromosómicas o muerte celular. En resumen, el proceso implica polimerasas especializadas que evitan o reparan lesiones en lugares donde la replicación del ADN se ha estancado. Por ejemplo, la ADN polimerasa humana eta puede eludir lesiones de ADN complejas como el entrecruzamiento intracatenario de guanina-timina, G[8,5-Me]T, aunque puede causar mutaciones dirigidas y semidirigidas.Paromita Raychaudhury y Ashis Basu estudiaron la toxicidad y la mutagénesis de la misma lesión en Escherichia coli mediante la replicación de un plásmido modificado con G[8,5-Me]T en E. coli con inactivaciones específicas de ADN polimerasa. La viabilidad fue muy baja en una cepa que carecía de pol II, pol IV y pol V, las tres ADN polimerasas inducibles por SOS, lo que indica que la síntesis de la translesión la realizan principalmente estas ADN polimerasas especializadas. Se proporciona una plataforma de derivación a estas polimerasas mediante el antígeno nuclear de células en proliferación (PCNA). En circunstancias normales, el PCNA unido a las polimerasas replica el ADN. En un sitio de lesión, PCNA es ubiquitinado o modificado por las proteínas RAD6/RAD18 para proporcionar una plataforma para que las polimerasas especializadas pasen por alto la lesión y reanuden la replicación del ADN.Después de la síntesis de translesión, se requiere extensión. Esta extensión puede llevarse a cabo mediante una polimerasa replicativa si el TLS está libre de errores, como en el caso de Pol η, pero si el TLS da como resultado un desajuste, se necesita una polimerasa especializada para extenderlo; Pol ζ. Pol ζ es único en el sentido de que puede extender los desajustes terminales, mientras que las polimerasas más procesivas no pueden. Entonces, cuando se encuentra una lesión, la horquilla de replicación se detiene, PCNA cambiará de una polimerasa procesiva a una polimerasa TLS como Pol ι para reparar la lesión, luego PCNA puede cambiar a Pol ζ para extender el desajuste, y el último PCNA cambiará a la polimerasa procesiva para continuar la replicación.

Respuesta global al daño del ADN

Las células expuestas a radiación ionizante, luz ultravioleta o productos químicos son propensas a adquirir múltiples sitios de lesiones voluminosas de ADN y roturas de doble cadena. Además, los agentes que dañan el ADN pueden dañar otras biomoléculas como proteínas, carbohidratos, lípidos y ARN. La acumulación de daños, para ser específicos, roturas de doble cadena o aductos que bloquean las horquillas de replicación, se encuentran entre las señales de estimulación conocidas para una respuesta global al daño del ADN. La respuesta global al daño es un acto dirigido a la preservación de las propias células y desencadena múltiples vías de reparación macromolecular, derivación de lesiones, tolerancia o apoptosis. Las características comunes de la respuesta global son la inducción de múltiples genes, la detención del ciclo celular y la inhibición de la división celular.

Pasos iniciales

El empaquetamiento del ADN eucariótico en la cromatina presenta una barrera para todos los procesos basados ​​en el ADN que requieren el reclutamiento de enzimas en sus sitios de acción. Para permitir la reparación del ADN, la cromatina debe remodelarse. En eucariotas, los complejos de remodelación de cromatina dependientes de ATP y las enzimas modificadoras de histonas son dos factores predominantes empleados para lograr este proceso de remodelación.

La relajación de la cromatina ocurre rápidamente en el sitio de un daño en el ADN. En uno de los primeros pasos, la proteína quinasa activada por estrés, c-Jun N-terminal quinasa (JNK), fosforila SIRT6 en la serina 10 en respuesta a roturas de doble cadena u otros daños en el ADN. Esta modificación postraduccional facilita la movilización de SIRT6 a los sitios dañados del ADN y es necesaria para el reclutamiento eficiente de la poli (ADP-ribosa) polimerasa 1 (PARP1) en los sitios de ruptura del ADN y para la reparación eficiente de los DSB. La proteína PARP1 comienza a aparecer en los sitios dañados del ADN en menos de un segundo, con la mitad de la acumulación máxima dentro de los 1,6 segundos posteriores al daño. PARP1 sintetiza cadenas poliméricas de adenosina difosfato ribosa (poli (ADP-ribosa) o PAR) sobre sí mismo. A continuación, el remodelador de cromatina ALC1 se une rápidamente al producto de la acción de PARP1, una cadena de ribosa poli-ADP, y ALC1 completa la llegada al daño en el ADN dentro de los 10 segundos posteriores a la ocurrencia del daño. Aproximadamente la mitad de la relajación máxima de la cromatina, presumiblemente debido a la acción de ALC1, ocurre a los 10 segundos. Esto permite entonces el reclutamiento de la enzima de reparación del ADN MRE11, para iniciar la reparación del ADN, en 13 segundos.

γH2AX, la forma fosforilada de H2AX, también participa en los primeros pasos que conducen a la descondensación de la cromatina después de que se rompa la doble cadena del ADN. La variante de histona H2AX constituye aproximadamente el 10% de las histonas H2A en la cromatina humana. El γH2AX (H2AX fosforilado en la serina 139) se puede detectar tan pronto como 20 segundos después de la irradiación de las células (con la formación de roturas de doble cadena de ADN), y la mitad de la acumulación máxima de γH2AX se produce en un minuto. La extensión de la cromatina con γH2AX fosforilada es de aproximadamente dos millones de pares de bases en el sitio de una ruptura de doble cadena de ADN. γH2AX no provoca, por sí mismo, la descondensación de la cromatina, pero dentro de los 30 segundos posteriores a la irradiación, la proteína RNF8 se puede detectar en asociación con γH2AX. RNF8 media la descondensación extensiva de la cromatina, a través de su posterior interacción con CHD4, un componente del complejo de remodelación de nucleosomas y desacetilasa NuRD.

DDB2 ocurre en un complejo heterodimérico con DDB1. Este complejo forma complejos adicionales con la proteína ubiquitina ligasa CUL4A y con PARP1. Este complejo más grande se asocia rápidamente con el daño inducido por UV dentro de la cromatina, y la mitad de la asociación máxima se completa en 40 segundos. La proteína PARP1, unida tanto a DDB1 como a DDB2, luego se PARila (crea una cadena de poli-ADP ribosa) en DDB2 que atrae a la proteína de remodelación de ADN ALC1. La acción de ALC1 relaja la cromatina en el sitio del daño UV al ADN. Esta relajación permite que otras proteínas en la ruta de reparación por escisión de nucleótidos entren en la cromatina y reparen los daños del dímero de pirimidina de ciclobutano inducidos por UV.

Después de la remodelación rápida de la cromatina, los puntos de control del ciclo celular se activan para permitir que se produzca la reparación del ADN antes de que progrese el ciclo celular. Primero, dos quinasas, ATM y ATR, se activan dentro de los 5 o 6 minutos posteriores al daño del ADN. A esto le sigue la fosforilación de la proteína del punto de control del ciclo celular Chk1, iniciando su función, aproximadamente 10 minutos después de que se dañe el ADN.

Puntos de control de daños en el ADN

Después del daño en el ADN, se activan los puntos de control del ciclo celular. La activación del punto de control detiene el ciclo celular y le da tiempo a la célula para reparar el daño antes de continuar dividiéndose. Los puntos de control de daños en el ADN ocurren en los límites G1/S y G2/M. También existe un punto de control intra-S. La activación del punto de control está controlada por dos quinasas maestras, ATM y ATR. ATM responde a roturas de doble cadena de ADN y alteraciones en la estructura de la cromatina, mientras que ATR responde principalmente a horquillas de replicación estancadas. Estas quinasas fosforilan los objetivos aguas abajo en una cascada de transducción de señales, lo que finalmente conduce a la detención del ciclo celular. También se ha identificado una clase de proteínas mediadoras de puntos de control que incluyen BRCA1, MDC1 y 53BP1. Estas proteínas parecen ser necesarias para transmitir la señal de activación del punto de control a las proteínas aguas abajo.

El punto de control del daño del ADN es una vía de transducción de señales que bloquea la progresión del ciclo celular en G1, G2 y metafase y reduce la velocidad de progresión de la fase S cuando el ADN está dañado. Conduce a una pausa en el ciclo celular que le da tiempo a la célula para reparar el daño antes de continuar dividiéndose.

Las proteínas Checkpoint se pueden separar en cuatro grupos: proteína quinasa similar a la fosfatidilinositol 3-quinasa (PI3K), grupo similar al antígeno nuclear de proliferación celular (PCNA), dos serina/treonina (S/T) quinasas y sus adaptadores. En el centro de todas las respuestas de los puntos de control inducidos por daños en el ADN se encuentra un par de proteínas quinasas grandes que pertenecen al primer grupo de proteínas quinasas similares a PI3K: las quinasas ATM (Ataxia telangiectasia mutada) y ATR (relacionadas con Ataxia y Rad), cuya secuencia y funciones han sido bien conservados en la evolución. Toda respuesta al daño del ADN requiere ATM o ATR porque tienen la capacidad de unirse a los cromosomas en el sitio del daño del ADN, junto con proteínas accesorias que son plataformas en las que se pueden ensamblar los componentes de la respuesta al daño del ADN y los complejos de reparación del ADN.

Un importante objetivo aguas abajo de ATM y ATR es p53, ya que se requiere para inducir la apoptosis tras el daño del ADN. El inhibidor de la cinasa dependiente de ciclina p21 es inducido tanto por mecanismos dependientes de p53 como independientes de p53 y puede detener el ciclo celular en los puntos de control G1/S y G2/M al desactivar los complejos ciclina/cinasa dependiente de ciclina.

La respuesta SOS procariótica

La respuesta SOS son los cambios en la expresión génica en Escherichia coli y otras bacterias en respuesta al daño extenso del ADN. El sistema SOS procariótico está regulado por dos proteínas clave: LexA y RecA. El homodímero LexA es un represor transcripcional que se une a secuencias de operadores comúnmente conocidas como cajas SOS. En Escherichia coli se sabe que LexA regula la transcripción de aproximadamente 48 genes, incluidos los genes lexA y recA. Se sabe que la respuesta SOS está muy extendida en el dominio de las bacterias, pero en su mayoría está ausente en algunos filos bacterianos, como las espiroquetas. Las señales celulares más comunes que activan la respuesta SOS son regiones de ADN monocatenario (ssDNA), que surgen de horquillas de replicación estancadas o roturas de doble cadena, que son procesadas por la ADN helicasa para separar las dos cadenas de ADN. En el paso de iniciación, la proteína RecA se une al ssDNA en una reacción impulsada por hidrólisis de ATP creando filamentos RecA-ssDNA. Los filamentos RecA-ssDNA activan la actividad de la autoproteasa LexA, lo que finalmente conduce a la escisión del dímero LexA y la posterior degradación de LexA. La pérdida del represor LexA induce la transcripción de los genes SOS y permite una mayor inducción de señales, inhibición de la división celular y un aumento en los niveles de proteínas responsables del procesamiento del daño.

En Escherichia coli, las cajas SOS son secuencias largas de 20 nucleótidos cerca de los promotores con estructura palindrómica y un alto grado de conservación de la secuencia. En otras clases y filos, la secuencia de cajas SOS varía considerablemente, con diferente longitud y composición, pero siempre está muy conservada y es una de las señales cortas más fuertes del genoma. El alto contenido de información de las cajas SOS permite la unión diferencial de LexA a diferentes promotores y permite la sincronización de la respuesta SOS. Los genes de reparación de lesiones se inducen al comienzo de la respuesta SOS. Las polimerasas de translesión propensas a errores, por ejemplo, UmuCD'2 (también llamada ADN polimerasa V), se inducen más tarde como último recurso.Una vez que el daño del ADN es reparado o evitado usando polimerasas o a través de la recombinación, la cantidad de ADN monocatenario en las células disminuye, la reducción de la cantidad de filamentos RecA disminuye la actividad de escisión del homodímero LexA, que luego se une a las cajas SOS cerca de los promotores y restaura expresión génica normal.

Respuestas transcripcionales eucarióticas al daño del ADN

Las células eucariotas expuestas a agentes que dañan el ADN también activan importantes vías defensivas al inducir múltiples proteínas involucradas en la reparación del ADN, el control del punto de control del ciclo celular, el tráfico y la degradación de proteínas. Tal respuesta transcripcional de todo el genoma es muy compleja y está estrictamente regulada, lo que permite una respuesta global coordinada al daño. Exposición de la levadura Saccharomyces cerevisiaea los agentes que dañan el ADN dan como resultado perfiles transcripcionales superpuestos pero distintos. Las similitudes con la respuesta de choque ambiental indican que existe una vía de respuesta de estrés global general a nivel de activación transcripcional. Por el contrario, diferentes tipos de células humanas responden al daño de manera diferente, lo que indica la ausencia de una respuesta global común. La explicación probable de esta diferencia entre las células de levadura y las humanas puede estar en la heterogeneidad de las células de mamíferos. En un animal, diferentes tipos de células se distribuyen entre diferentes órganos que han desarrollado diferentes sensibilidades al daño del ADN.

En general, la respuesta global al daño en el ADN implica la expresión de múltiples genes responsables de la reparación posterior a la replicación, la recombinación homóloga, la reparación por escisión de nucleótidos, el punto de control del daño en el ADN, la activación transcripcional global, los genes que controlan la descomposición del ARNm y muchos otros. Una gran cantidad de daño a una célula la deja con una decisión importante: sufrir apoptosis y morir, o sobrevivir a costa de vivir con un genoma modificado. Un aumento en la tolerancia al daño puede conducir a una mayor tasa de supervivencia que permitirá una mayor acumulación de mutaciones. La levadura Rev1 y la polimerasa humana η son miembros de las ADN polimerasas de translesión de la familia Y presentes durante la respuesta global al daño del ADN y son responsables de la mutagénesis mejorada durante una respuesta global al daño del ADN en eucariotas.

Envejecimiento

Efectos patológicos de la mala reparación del ADN

Los animales de experimentación con deficiencias genéticas en la reparación del ADN a menudo muestran una menor esperanza de vida y una mayor incidencia de cáncer. Por ejemplo, los ratones deficientes en la vía NHEJ dominante y en los mecanismos de mantenimiento de los telómeros contraen linfoma e infecciones con más frecuencia y, como consecuencia, tienen una esperanza de vida más corta que los ratones de tipo salvaje. De manera similar, los ratones deficientes en una proteína clave de reparación y transcripción que desenrolla las hélices del ADN tienen una aparición prematura de enfermedades relacionadas con el envejecimiento y el consiguiente acortamiento de la vida útil. Sin embargo, no todas las deficiencias en la reparación del ADN crean exactamente los efectos previstos; los ratones deficientes en la ruta NER exhibieron una vida útil más corta sin tasas de mutación correspondientemente más altas.

Si la tasa de daño del ADN excede la capacidad de la célula para repararlo, la acumulación de errores puede abrumar a la célula y provocar senescencia temprana, apoptosis o cáncer. Las enfermedades hereditarias asociadas con el funcionamiento defectuoso de la reparación del ADN dan como resultado un envejecimiento prematuro, una mayor sensibilidad a los carcinógenos y, en consecuencia, un mayor riesgo de cáncer (ver más abajo). Por otra parte, los organismos con sistemas mejorados de reparación del ADN, como Deinococcus radiodurans, el organismo conocido más resistente a la radiación, muestran una resistencia notable a los efectos de la radiactividad que inducen la rotura de doble cadena, probablemente debido a la mayor eficiencia de la reparación del ADN y especialmente NHEJ.

Longevidad y restricción calórica

Se han identificado varios genes individuales que influyen en las variaciones en la duración de la vida dentro de una población de organismos. Los efectos de estos genes dependen en gran medida del medio ambiente, en particular, de la dieta del organismo. La restricción calórica da como resultado de manera reproducible una vida útil prolongada en una variedad de organismos, probablemente a través de vías de detección de nutrientes y una tasa metabólica disminuida. Los mecanismos moleculares por los cuales dicha restricción da como resultado una mayor esperanza de vida aún no están claros (verpara alguna discusión); sin embargo, el comportamiento de muchos genes que se sabe que están involucrados en la reparación del ADN se altera en condiciones de restricción calórica. Se ha demostrado que varios agentes que tienen propiedades antienvejecimiento atenúan el nivel constitutivo de la señalización de mTOR, una evidencia de reducción de la actividad metabólica y, al mismo tiempo, reducen el nivel constitutivo de daño en el ADN inducido por especies reactivas de oxígeno generadas endógenamente.

Por ejemplo, aumentar la dosis de genes del gen SIR-2, que regula el empaquetamiento del ADN en el gusano nematodo Caenorhabditis elegans, puede extender significativamente la vida útil. Se sabe que el homólogo de mamíferos de SIR-2 induce factores de reparación de ADN aguas abajo implicados en NHEJ, una actividad que se promueve especialmente en condiciones de restricción calórica. La restricción calórica se ha relacionado estrechamente con la tasa de reparación por escisión de bases en el ADN nuclear de roedores, aunque no se han observado efectos similares en el ADN mitocondrial.

El gen AGE-1 de C. elegans, un efector aguas arriba de las vías de reparación del ADN, confiere una esperanza de vida dramáticamente prolongada en condiciones de alimentación libre, pero conduce a una disminución de la aptitud reproductiva en condiciones de restricción calórica. Esta observación apoya la teoría de la pleiotropía de los orígenes biológicos del envejecimiento, que sugiere que los genes que confieren una gran ventaja de supervivencia en una etapa temprana de la vida serán seleccionados incluso si conllevan una desventaja correspondiente en una etapa posterior de la vida.

Medicina y modulación de la reparación del ADN

Trastornos hereditarios de la reparación del ADN

Los defectos en el mecanismo NER son responsables de varios trastornos genéticos, que incluyen:

• Xeroderma pigmentosum: hipersensibilidad a la luz solar/UV, lo que resulta en una mayor incidencia de cáncer de piel y envejecimiento prematuro
• Síndrome de Cockayne: hipersensibilidad a los rayos UV y agentes químicos
• Tricotiodistrofia: piel sensible, cabello y uñas quebradizas

El retraso mental a menudo acompaña a los dos últimos trastornos, lo que sugiere una mayor vulnerabilidad de las neuronas del desarrollo.

Otros trastornos de reparación del ADN incluyen:

• Síndrome de Werner: envejecimiento prematuro y retraso en el crecimiento
• Síndrome de Bloom: hipersensibilidad a la luz solar, alta incidencia de tumores malignos (especialmente leucemias).
• Ataxia telangiectasia: sensibilidad a las radiaciones ionizantes y a algunos agentes químicos

Todas las enfermedades anteriores a menudo se denominan "progerias segmentarias" ("enfermedades de envejecimiento acelerado") porque sus víctimas parecen ancianos y sufren enfermedades relacionadas con el envejecimiento a una edad anormalmente joven, sin manifestar todos los síntomas de la vejez.

Otras enfermedades asociadas con la función de reparación del ADN reducida incluyen la anemia de Fanconi, el cáncer de mama hereditario y el cáncer de colon hereditario.

Cáncer

Debido a las limitaciones inherentes a los mecanismos de reparación del ADN, si los humanos vivieran lo suficiente, eventualmente todos desarrollarían cáncer. Hay al menos 34 mutaciones genéticas hereditarias de reparación del ADN humano que aumentan el riesgo de cáncer. Muchas de estas mutaciones hacen que la reparación del ADN sea menos efectiva de lo normal. En particular, el cáncer colorrectal hereditario sin poliposis (HNPCC) está fuertemente asociado con mutaciones específicas en la vía de reparación de desajustes de ADN. BRCA1 y BRCA2, dos genes importantes cuyas mutaciones confieren un riesgo enormemente mayor de cáncer de mama a las portadoras, están asociados con un gran número de vías de reparación del ADN, especialmente NHEJ y recombinación homóloga.

Los procedimientos de terapia contra el cáncer, como la quimioterapia y la radioterapia, superan la capacidad de la célula para reparar el daño del ADN, lo que provoca la muerte celular. Las células que se dividen más rápidamente (por lo general, las células cancerosas) se ven afectadas de manera preferencial. El efecto secundario es que también se ven afectadas otras células no cancerosas pero que se dividen rápidamente, como las células progenitoras del intestino, la piel y el sistema hematopoyético. Los tratamientos modernos contra el cáncer intentan localizar el daño en el ADN de las células y los tejidos solo asociados con el cáncer, ya sea por medios físicos (concentrando el agente terapéutico en la región del tumor) o por medios bioquímicos (explotando una característica exclusiva de las células cancerosas en el cuerpo). En el contexto de las terapias dirigidas a los genes de respuesta al daño del ADN, este último enfoque se ha denominado "letalidad sintética".

Quizás el más conocido de estos medicamentos de 'letalidad sintética' es el inhibidor de la poli(ADP-ribosa) polimerasa 1 (PARP1) olaparib, que fue aprobado por la Administración de Alimentos y Medicamentos en 2015 para el tratamiento en mujeres con deficiencia de BRCA en los ovarios. cáncer. Las células tumorales con pérdida parcial de la respuesta al daño del ADN (específicamente, la reparación por recombinación homóloga) dependen de otro mecanismo, la reparación de ruptura de una sola hebra, que es un mecanismo que consiste, en parte, en el producto del gen PARP1.Olaparib se combina con quimioterapéuticos para inhibir la reparación de roturas de una sola hebra inducida por el daño en el ADN causado por la quimioterapia coadministrada. Las células tumorales que dependen de este mecanismo de reparación de ADN residual no pueden reparar el daño y, por lo tanto, no pueden sobrevivir y proliferar, mientras que las células normales pueden reparar el daño con el mecanismo de recombinación homóloga en funcionamiento.

Actualmente se están investigando muchos otros fármacos para su uso contra otros mecanismos de reparación del ADN residual que se encuentran comúnmente en el cáncer. Sin embargo, los enfoques terapéuticos de letalidad sintética han sido cuestionados debido a la evidencia emergente de resistencia adquirida, lograda mediante el recableado de las vías de respuesta al daño del ADN y la reversión de defectos previamente inhibidos.

Defectos en la reparación del ADN en el cáncer

Se ha hecho evidente en los últimos años que la respuesta al daño del ADN actúa como una barrera para la transformación maligna de las células preneoplásicas. Estudios anteriores han mostrado una respuesta elevada al daño del ADN en modelos de cultivo celular con activación de oncogenes y adenomas de colon preneoplásicos. Los mecanismos de respuesta al daño del ADN desencadenan la detención del ciclo celular e intentan reparar las lesiones del ADN o promover la muerte/senescencia celular si la reparación no es posible. El estrés de replicación se observa en las células preneoplásicas debido al aumento de las señales de proliferación de las mutaciones oncogénicas. El estrés de la replicación se caracteriza por: aumento de la iniciación de la replicación/activación del origen; aumento de la transcripción y colisiones de complejos de transcripción-replicación; deficiencia de nucleótidos; aumento de las especies reactivas de oxígeno (ROS).

El estrés de replicación, junto con la selección para inactivar mutaciones en los genes de respuesta al daño del ADN en la evolución del tumor, conduce a la regulación a la baja y/o a la pérdida de algunos mecanismos de respuesta al daño del ADN y, por lo tanto, a la pérdida de la reparación del ADN y/o a la senescencia/muerte celular programada.. En modelos experimentales de ratones, se observó la pérdida de la senescencia celular mediada por la respuesta al daño del ADN después de usar un ARN de horquilla corta (shRNA) para inhibir la respuesta de ruptura de doble cadena quinasa ataxia telangiectasia (ATM), lo que lleva a un aumento del tamaño del tumor y la invasividad. Los humanos que nacen con defectos hereditarios en los mecanismos de reparación del ADN (por ejemplo, el síndrome de Li-Fraumeni) tienen un mayor riesgo de cáncer.

La prevalencia de las mutaciones de respuesta al daño del ADN difiere entre los tipos de cáncer; por ejemplo, el 30% de los carcinomas invasivos de mama tienen mutaciones en genes implicados en la recombinación homóloga. En el cáncer, se observa regulación a la baja en todos los mecanismos de respuesta al daño del ADN (reparación por escisión de base (BER), reparación por escisión de nucleótidos (NER), reparación de desajustes de ADN (MMR), reparación de recombinación homóloga (HR), unión de extremos no homólogos (NHEJ) y síntesis de translesión de ADN (TLS).Además de las mutaciones en los genes de reparación de daños en el ADN, también surgen mutaciones en los genes responsables de detener el ciclo celular para permitir el tiempo suficiente para que se produzca la reparación del ADN, y algunos genes están involucrados tanto en la reparación de daños en el ADN como en el control del punto de control del ciclo celular, por ejemplo. ATM y punto de control quinasa 2 (CHEK2): un supresor de tumores que a menudo está ausente o regulado a la baja en el cáncer de pulmón de células no pequeñas.

	HORA	NHEJ	SSA	FA	BER	NER	MMR
Cajero automático
ATR
PAXIP
RPA
BRCA1
BRCA2
RAD51
RFC
XRCC1
PCNA
PARP1
ERCC1
MSH3

Defectos epigenéticos en la reparación del ADN en el cáncer

Clásicamente, el cáncer se ha visto como un conjunto de enfermedades impulsadas por anormalidades genéticas progresivas que incluyen mutaciones en genes supresores de tumores y oncogenes, y aberraciones cromosómicas. Sin embargo, se ha hecho evidente que el cáncer también es impulsado por alteraciones epigenéticas.

Las alteraciones epigenéticas se refieren a modificaciones funcionalmente relevantes del genoma que no implican un cambio en la secuencia de nucleótidos. Ejemplos de dichas modificaciones son los cambios en la metilación del ADN (hipermetilación e hipometilación) y la modificación de las histonas, los cambios en la arquitectura cromosómica (causados ​​por la expresión inapropiada de proteínas como HMGA2 o HMGA1) y los cambios causados ​​por los microARN. Cada una de estas alteraciones epigenéticas sirve para regular la expresión génica sin alterar la secuencia de ADN subyacente. Estos cambios generalmente permanecen a través de divisiones celulares, duran múltiples generaciones de células y pueden considerarse epimutaciones (equivalentes a mutaciones).

Si bien se encuentran un gran número de alteraciones epigenéticas en los cánceres, las alteraciones epigenéticas en los genes de reparación del ADN, que causan una expresión reducida de las proteínas reparadoras del ADN, parecen ser particularmente importantes. Se cree que tales alteraciones ocurren temprano en la progresión del cáncer y que son una causa probable de la inestabilidad genética característica de los cánceres.

La expresión reducida de los genes de reparación del ADN provoca una reparación deficiente del ADN. Cuando la reparación del ADN es deficiente, los daños en el ADN permanecen en las células a un nivel superior al habitual y estos daños excesivos provocan un aumento de las frecuencias de mutación o epimutación. Las tasas de mutación aumentan sustancialmente en las células defectuosas en la reparación de errores de apareamiento de ADN o en la reparación de recombinación homóloga (HRR). Los reordenamientos cromosómicos y la aneuploidía también aumentan en las células defectuosas de HRR.

Los niveles más altos de daño en el ADN no solo causan una mayor mutación, sino que también provocan una mayor epimutación. Durante la reparación de roturas de doble cadena de ADN, o la reparación de otros daños en el ADN, los sitios de reparación que no se limpian por completo pueden provocar el silenciamiento génico epigenético.

La expresión deficiente de las proteínas de reparación del ADN debido a una mutación hereditaria puede aumentar el riesgo de cáncer. Las personas con una deficiencia hereditaria en cualquiera de los 34 genes de reparación del ADN (consulte el artículo Trastorno por deficiencia en la reparación del ADN) tienen un mayor riesgo de cáncer, y algunos defectos causan hasta un 100 % de probabilidad de cáncer de por vida (p. ej., mutaciones en p53). Sin embargo, tales mutaciones de la línea germinal (que causan síndromes de cáncer altamente penetrantes) son la causa de solo alrededor del 1 por ciento de los cánceres.

Frecuencias de epimutaciones en genes de reparación de ADN

Las deficiencias en las enzimas de reparación del ADN son causadas ocasionalmente por una mutación somática de reciente aparición en un gen de reparación del ADN, pero con mucha más frecuencia son causadas por alteraciones epigenéticas que reducen o silencian la expresión de los genes de reparación del ADN. Por ejemplo, cuando se examinaron secuencialmente 113 cánceres colorrectales, solo cuatro tenían una mutación sin sentido en el gen de reparación del ADN MGMT, mientras que la mayoría tenía una expresión reducida de MGMT debido a la metilación de la región promotora de MGMT (una alteración epigenética). Cinco estudios diferentes encontraron 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, de 119 casos de cánceres colorrectales deficientes en la reparación de errores de emparejamiento que carecían de la 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 fue reprimido debido a a la metilación del promotor (la proteína PMS2 es inestable en ausencia de MLH1). En los otros 10 casos, la pérdida de expresión de PMS2 probablemente se debió a la sobreexpresión epigenética del microARN, miR-155, que regula a la baja MLH1.

En otro ejemplo, se encontraron defectos epigenéticos en varios tipos de cáncer (p. ej., de mama, de ovario, colorrectal y de cabeza y cuello). Dos o tres deficiencias en la expresión de ERCC1, XPF o PMS2 ocurren simultáneamente en la mayoría de los 49 cánceres de colon evaluados por Facista et al.

El gráfico de esta sección muestra algunos agentes que dañan el ADN con frecuencia, ejemplos de lesiones en el ADN que causan y las vías que se encargan de estos daños en el ADN. Al menos 169 enzimas se emplean directamente en la reparación del ADN o influyen en los procesos de reparación del ADN. De estos, 83 se emplean directamente en la reparación de los 5 tipos de daños en el ADN ilustrados en el gráfico.

En el gráfico se muestran algunos de los genes centrales mejor estudiados para estos procesos de reparación. Las designaciones de genes que se muestran en rojo, gris o cian indican genes frecuentemente alterados epigenéticamente en varios tipos de cáncer. Los artículos de Wikipedia sobre cada uno de los genes resaltados en rojo, gris o cian describen las alteraciones epigenéticas y los cánceres en los que se encuentran estas epimutaciones. Los artículos de revisión y los artículos de encuestas experimentales amplias también documentan la mayoría de estas deficiencias epigenéticas de reparación del ADN en los cánceres.

Los genes resaltados en rojo se reducen o silencian con frecuencia por mecanismos epigenéticos en varios tipos de cáncer. Cuando estos genes tienen una expresión baja o nula, los daños en el ADN pueden acumularse. Los errores de replicación más allá de estos daños (consulte la síntesis de translesión) pueden conducir a un aumento de las mutaciones y, en última instancia, al cáncer. La represión epigenética de los genes de reparación del ADN en vías precisas de reparación del ADN parece ser fundamental para la carcinogénesis.

Los dos genes resaltados en gris, RAD51 y BRCA2, son necesarios para la reparación recombinacional homóloga. A veces se sobreexpresan epigenéticamente y, a veces, se subexpresan en ciertos tipos de cáncer. Como se indica en los artículos de Wikipedia sobre RAD51 y BRCA2, estos tipos de cáncer suelen tener deficiencias epigenéticas en otros genes de reparación del ADN. Estas deficiencias de reparación probablemente causarían un aumento de los daños en el ADN no reparado. La sobreexpresión de RAD51 y BRCA2 observada en estos cánceres puede reflejar presiones selectivas para la sobreexpresión compensatoria de RAD51 o BRCA2 y una mayor reparación de recombinación homóloga para tratar, al menos parcialmente, con tales daños excesivos en el ADN. En aquellos casos en queRAD51 o BRCA2 están subexpresados, esto en sí mismo conduciría a un aumento de los daños en el ADN no reparados. Los errores de replicación más allá de estos daños (consulte la síntesis de translesión) podrían causar un aumento de las mutaciones y el cáncer, por lo que la subexpresión de RAD51 o BRCA2 sería cancerígena en sí misma.

Los genes resaltados en cian se encuentran en la vía de unión de extremos mediada por microhomología (MMEJ) y están regulados al alza en el cáncer. MMEJ es una ruta de reparación inexacta propensa a errores adicional para roturas de doble cadena. En la reparación MMEJ de una rotura de doble cadena, una homología de 5 a 25 pares de bases complementarias entre ambas cadenas emparejadas es suficiente para alinear las cadenas, pero por lo general hay extremos no coincidentes (aletas). MMEJ elimina los nucleótidos adicionales (aletas) donde se unen las hebras y luego liga las hebras para crear una doble hélice de ADN intacta. MMEJ casi siempre implica al menos una pequeña deleción, por lo que es una vía mutagénica. FEN1, la endonucleasa del colgajo en MMEJ, aumenta epigenéticamente por la hipometilación del promotor y se sobreexpresa en la mayoría de los cánceres de mama.próstata, estómago, neuroblastomas, páncreas y pulmón. PARP1 también se sobreexpresa cuando el sitio ETS de su región promotora está epigenéticamente hipometilado, y esto contribuye a la progresión hacia el cáncer de endometrio y el cáncer de ovario seroso con mutación BRCA. Otros genes en la vía MMEJ también están sobreexpresados ​​en varios tipos de cáncer (consulte MMEJ para obtener un resumen) y también se muestran en cian.

Distribución en todo el genoma de la reparación del ADN en células somáticas humanas

La actividad diferencial de las vías de reparación del ADN en varias regiones del genoma humano hace que las mutaciones se distribuyan de manera muy desigual dentro de los genomas tumorales. En particular, las regiones ricas en genes y de replicación temprana del genoma humano exhiben frecuencias de mutación más bajas que la heterocromatina de replicación tardía y pobre en genes. Un mecanismo subyacente implica la modificación de la histona H3K36me3, que puede reclutar proteínas reparadoras de errores de emparejamiento, lo que reduce las tasas de mutación en las regiones marcadas con H3K36me3. Otro mecanismo importante se refiere a la reparación por escisión de nucleótidos, que puede ser reclutada por la maquinaria de transcripción, lo que reduce las tasas de mutación somática en genes activos y otras regiones de cromatina abierta.

Evolución

Los procesos básicos de reparación del ADN están altamente conservados entre procariotas y eucariotas e incluso entre bacteriófagos (virus que infectan bacterias); sin embargo, los organismos más complejos con genomas más complejos tienen mecanismos de reparación correspondientemente más complejos. La capacidad de un gran número de motivos estructurales de proteínas para catalizar reacciones químicas relevantes ha jugado un papel importante en la elaboración de mecanismos de reparación durante la evolución. Para una revisión extremadamente detallada de las hipótesis relacionadas con la evolución de la reparación del ADN, consulte.

El registro fósil indica que la vida unicelular comenzó a proliferar en el planeta en algún momento durante el período Precámbrico, aunque no está claro exactamente cuándo surgió la vida moderna reconocible. Los ácidos nucleicos se convirtieron en el medio único y universal de codificar información genética, lo que requiere mecanismos de reparación del ADN que, en su forma básica, han sido heredados por todas las formas de vida existentes de su ancestro común. La aparición de la atmósfera rica en oxígeno de la Tierra (conocida como la "catástrofe del oxígeno") debido a los organismos fotosintéticos, así como la presencia de radicales libres potencialmente dañinos en la célula debido a la fosforilación oxidativa, hizo necesaria la evolución de los mecanismos de reparación del ADN que actúan específicamente para contrarrestar los tipos de daño inducidos por el estrés oxidativo.

Tasa de cambio evolutivo

En algunas ocasiones, el daño del ADN no se repara o se repara mediante un mecanismo propenso a errores que da como resultado un cambio de la secuencia original. Cuando esto ocurre, las mutaciones pueden propagarse en los genomas de la progenie de la célula. Si tal evento ocurre en una célula de la línea germinal que eventualmente producirá un gameto, la mutación tiene el potencial de transmitirse a la descendencia del organismo. La tasa de evolución en una especie particular (o, en un gen particular) es una función de la tasa de mutación. Como consecuencia, la velocidad y la precisión de los mecanismos de reparación del ADN influyen en el proceso de cambio evolutivo.La protección y reparación del daño del ADN no influye en la tasa de adaptación mediante la regulación génica y la recombinación y selección de alelos. Por otro lado, la reparación y protección del daño en el ADN influye en la tasa de acumulación de mutaciones hereditarias irreparables, ventajosas, expansivas de código y ralentiza el mecanismo evolutivo para la expansión del genoma de organismos con nuevas funcionalidades. La tensión entre la capacidad de evolución y la reparación y protección de mutaciones necesita más investigación.

Tecnología

En 2012 se descubrió una tecnología denominada repetición palindrómica corta agrupada regularmente interespaciada (abreviada como CRISPR-Cas9). La nueva tecnología permite que cualquier persona con formación en biología molecular altere los genes de cualquier especie con precisión, induciendo daño en el ADN en un punto específico y luego alterar los mecanismos de reparación del ADN para insertar nuevos genes. Es más barato, más eficiente y más preciso que otras tecnologías. Con la ayuda de CRISPR-Cas9, los científicos pueden editar partes de un genoma eliminando, agregando o alterando partes en una secuencia de ADN.