Tema 4. Reparación del DNA PDF

Tema 4. Reparación del DNA ¿Qué vamos a ver? - Daños causados al DNA. Tipos - Reparación directa o fotorreparación - Reparación por eliminación de bases - Reparación por eliminación de nucleótidos - Reparación de apareamientos erróneos Daños causados al DNA: mutaciones Una mutación es cua...

Tema 4. Reparación del DNA ¿Qué vamos a ver? - Daños causados al DNA. Tipos - Reparación directa o fotorreparación - Reparación por eliminación de bases - Reparación por eliminación de nucleótidos - Reparación de apareamientos erróneos Daños causados al DNA: mutaciones Una mutación es cualquier cambio en la secuencia de nucleótidos del ADN Si pensamos en el genoma humano: 6.400 (diploide) millones de bases (3000 Quijotes) Durante la vida de un individuo tienen lugar unas 10 billones de divisiones celulares Se pueden producir errores en la replicación que dan lugar a mutaciones. La tasa de errores es baja à 0,32 mutaciones por replicación Existen mecanismos para corregir estos errores, aunque no todos se corrigen y dan lugar a una acumulación de mutaciones durante la vida Enfermedades que pueden ser hereditarias o no Pueden no tener consecuencias Son la base de la evolución Daños causados al DNA: mutaciones Tipos de mutaciones Según el tipo celular: Según el efecto en la proteína: - Mutaciones germinales - Mutaciones somáticas - Según el tamaño de la mutación: - Mutaciones pequeñas o puntuales - Grandes mutaciones o anomalías cromosómicas Según la región afectada: - Regiones codificantes - Regiones no codificantes Silenciosas Sentido alterado Sin sentido Sin terminación De cambio de fase de lectura Según origen: - Errores durante la replicación Inestabilidad molécula de DNA Mutágenos endógenos Mutágenos exógenos Daños causados al DNA: mutaciones Tipos de mutaciones Según el tipo celular: Según el efecto en la proteína: - Mutaciones germinales - Mutaciones somáticas - Según el tamaño de la mutación: - Mutaciones pequeñas o puntuales - Grandes mutaciones o anomalías cromosómicas Según la región afectada: - Regiones codificantes - Regiones no codificantes Silenciosas Sentido alterado Sin sentido Sin terminación De cambio de fase de lectura Según origen: - Errores durante la replicación Inestabilidad molécula de DNA Mutágenos endógenos Mutágenos exógenos Daños causados al DNA. Según el tipo celular Células germinales: son las células encargadas de formar gametos (óvulos y espermatozoides) Este tipo de mutaciones son las que dan origen a las enfermedades genéticas heredables Afectan a todas las células del nuevo individuo Relativamente infrecuentes Muchas inocuas, pocas son origen de enfermedades genéticas hereditarias Daños causados al DNA. Según el tipo celular Células somáticas: cualquier célula no germinal Son las mutaciones mayoritarias Cambios no heredables Pueden afectar a cualquier lugar de un organismo (órganos, tejidos) Pueden aparecer en cualquier momento (desde el embrión hasta el individuo adulto) Posibilidad de Mosaicos genéticos Daños causados al DNA: mutaciones Tipos de mutaciones Según el tipo celular: Según el efecto en la proteína: - Mutaciones germinales - Mutaciones somáticas - Según el tamaño de la mutación: - Mutaciones pequeñas o puntuales - Grandes mutaciones o anomalías cromosómicas Según la región afectada: - Regiones codificantes - Regiones no codificantes Silenciosas Sentido alterado Sin sentido Sin terminación De cambio de fase de lectura Según origen: - Errores durante la replicación Inestabilidad molécula de DNA Mutágenos endógenos Mutágenos exógenos Daños causados al DNA. Según el tamaño de la mutación Mutaciones pequeñas o puntuales Afectan a un número reducido de nucleótidos (normalmente entre 1 y 3). Son los tipos de mutaciones más comunes. Se pueden clasificar en: • Sustituciones (de un nucleótido por otro) • Inserciones (adiciones de nucleótidos) • Delecciones (eliminaciones de nucleótidos) • Inversiones (alteración en la posición de nucleótidos) Deleciones e inserciones pueden dar lugar a un cambio de fase de lectura Sustituciones e inversiones generalmente afectan a uno o dos codones (excepciones cuando afecta a codones de inicio o stop) Deleciones e inserciones afectan al marco de lectura: efectos sobre multitud de codones. Efectos más graves Daños causados al DNA. Según el tamaño de la mutación Mutaciones grandes o anomalías cromosómicas Afectan a grandes regiones del ADN (hasta Mb) Intracromosómicas Intracromosómicas o intercromosómicas Se pueden clasificar a su vez en: - Deleciones - Duplicaciones - Inversiones - Inserciones - Translocaciones Intercromosómicas Daños causados al DNA: mutaciones Tipos de mutaciones Según el tipo celular: Según el efecto en la proteína: - Mutaciones germinales - Mutaciones somáticas - Según el tamaño de la mutación: - Mutaciones pequeñas o puntuales - Grandes mutaciones o anomalías cromosómicas Según la región afectada: - Regiones codificantes - Regiones no codificantes Silenciosas Sentido alterado Sin sentido Sin terminación De cambio de fase de lectura Según origen: - Errores durante la replicación Inestabilidad molécula de DNA Mutágenos endógenos Mutágenos exógenos Daños causados al DNA. Según afecten a regiones codificantes o no codificantes Mutaciones en regiones codificantes: Pueden afectar a la secuencia de aminoácidos de una proteína (en bacterias, el 98% del genoma es codificante. En humanos sólo el 3%) Mutaciones en regiones no codificantes: Regiones intergénicas Regiones génicas no codificantes (intrones, promotor, 3´y 5´UTR, secuencias reguladoras). Salvo excepciones, este tipo de mutaciones no afectan a las proteínas. Excepciones: - Si afectan al procesamiento de los intrones - Si afectan a los promotores, regiones reguladoras, 3´UTR y 5´UTR. No se altera la secuencia de aminoácidos, pero pueden afectar a la abundancia de la proteína en la célula (expresión génica) Daños causados al DNA: mutaciones Tipos de mutaciones Según el tipo celular: Según el efecto en la proteína: - Mutaciones germinales - Mutaciones somáticas - Según el tamaño de la mutación: - Mutaciones pequeñas o puntuales - Grandes mutaciones o anomalías cromosómicas Según la región afectada: - Regiones codificantes - Regiones no codificantes Silenciosas Sentido alterado Sin sentido Sin terminación De cambio de fase de lectura Según origen: - Errores durante la replicación Inestabilidad molécula de DNA Mutágenos endógenos Mutágenos exógenos Daños causados al DNA. Según el efecto en la proteína Mutaciones silenciosas - A pesar de haber un cambio de nucleótido no se altera la secuencia amino ácidos - Esto es posible debido a la degeneración del código genético: el nuevo codón generado por mutación codifica el mismo amino acido que el codón silvestre - Provocadas normalmente por sustituciones Mutaciones de sentido alterado - Se altera la secuencia de un único codón: se altera un único amino ácido - Provocadas normalmente por sustituciones o inversiones - Suelen tener efectos leves o moderados (hay excepciones) Ejemplo: anemia falciforme Daños causados al DNA. Según el efecto en la proteína Mutaciones sin sentido - Terminación prematura de la proteína por la aparición de un codón de stop (TAG, TAA, TGA). - Surgen proteínas truncadas (acortadas) - Se puede ver alterada severamente la funcionalidad de la proteína codificada - Provocadas por inserciones, deleciones, sustituciones o inversiones Mutaciones sin terminación - Supresión de un codón de stop (TAG, TAA, TGA) - Se generan proteínas mayores que pueden tener alterada su funcionalidad - Provocadas por inserciones, deleciones, sustituciones o inversiones Daños causados al DNA. Según el efecto en la proteína Mutaciones de cambio de fase de lectura - Se altera la “marco abierto de lectura” (ORF, Open Reading Frame) y cambia completamente la secuencia de amino ácidos de la proteína - Producen modificaciones graves en las proteínas, y a menudo anulan totalmente su actividad - Se producen con inserciones o deleciones Daños causados al DNA: mutaciones Tipos de mutaciones Según el tipo celular: Según el efecto en la proteína: - Mutaciones germinales - Mutaciones somáticas - Según el tamaño de la mutación: - Mutaciones pequeñas o puntuales - Grandes mutaciones o anomalías cromosómicas Según la región afectada: - Regiones codificantes - Regiones no codificantes Silenciosas Sentido alterado Sin sentido Sin terminación De cambio de fase de lectura Según origen: - Errores durante la replicación Inestabilidad molécula de DNA Mutágenos endógenos Mutágenos exógenos Daños causados al DNA. Según su origen Errores durante la replicación Errores introducidos por la ADN polimerasa durante la replicación del ADN. Tasa de error: de 1 / 100 millones nucleótidos incorporados Modelo ADN pol III de E. coli 1) 2) Sitio actividad 3´exonucleasa 3) Centro catalítico 1) ADN pol III reconoce distorsiones formadas por malos apareamientos en la cadena de ADN2c en formación cerca del extremo 3´ 2) Cuando reconoce tales distorsiones, la ADN se frena, y dirige el extremo 3´ de la cadena hija hacia el sitio con actividad exonucleasa 3) Los últimos nucleótidos incorporados son retirados desde el extremo 3´ Una vez eliminados la replicación continua Daños causados al DNA. Según su origen Inestabilidad de la molécula de DNA La molécula de ADN presenta cierta tasa de inestabilidad y de forma espontánea su estructura química se puede ver alterada Existen 3 tipos de reacciones más importantes 1. Perdida de bases por inestabilidad del enlace N-glucosídico. Sobre todo en purinas (A y G): depurinización 2. Sustituciones por desaminación oxidativa de citosinas: Cambio de un grupo amino (NH2) por un carbonilo (C=O). Apareamientos erróneos 3. Tautomerización: cambio de forma ceto (C=O) por enol (OH), y amino (NH2) por imino (NH). Produce apareamientos incorrectos (T/G y C/A) Daños causados al DNA. Según su origen Mutágenos endógenos Son subproductos de metabolismo celular El caso más conocido son las mutaciones generadas por las Especies Reactivas del Oxigeno (ROS) (generadas por metabolismo oxidativo p.e. anión superóxido, radical hidroxilo, peróxido de hidrógeno,…) Actúan mediante rotura la hebra de ADN o bien por oxidación bases nitrogenadas Las células cuentan con mecanismos de defensa que se encargan de disminuir los niveles de ROS y evitar daños en el ADN P. ej. Enzimas superóxido dismutasa, peroxidasa y catalasa 8-oxoguania aparea con A 7,8-dihydro-8-oxoguanine Daños causados al DNA. Según su origen Agentes externos Agentes químicos (mucha variedad) Ejemplos: -Acido nitroso (desamiante, NH2 a C=O) -Agentes alquilantes (Bases metiladas o etiladas, apareamientos incorrectos) -Análogos de bases (Ej. 5-bromouracilo à análogo de T y puede aparear con G) -Agentes intercalantes (distorsiones en la estructura) Agentes físicos - Radiación ultravioleta (dímeros de T) - Radiaciones ionizantes (radiación gamma y la alfa): provocan apertura de anillos, fragmentación de bases o rotura del esqueleto covalente del ADN Mecanismos de reparación de mutaciones Mecanismos de reparación de mutaciones Las células han adquirido a lo largo de la evolución toda una serie de mecanismos de reparación de lesiones que se produce en el ADN. Características generales - Ubicuidad: están presentes en todas las células - Redundancia: varios sistemas por célula que funcionan simultáneamente. Algunos son específicos para ciertos tipos de lesiones otros son más generales - Complejidad: Algunos mecanismos están compuestos por numerosos elementos. Mamíferos al menos 130 proteínas involucradas - Eficiencia: nunca se reparan el 100% de las lesiones Mecanismos de reparación de mutaciones Las células han adquirido a lo largo de la evolución toda una serie de mecanismos de reparación de lesiones que se produce en el ADN. Tipos de mecanismos de reparación de mutaciones - Reparación directa: - Simples, con la participación de muy pocas enzimas (normalmente solo una) - No intervienen ADN polimerasas, nucleasas o ligasas - No se necesita cadena molde - Reparación indirecta: - Complejos, con la intervención de varias enzimas y complejos multienzimáticos - Hay intervención de nucleasas y ADN-polimerasas - Se necesita cadena molde Reparación directa Está presente en plantas, hongos, bacterias y algunos animales, pero no en mamíferos Fotorreactivación: sistema de reparación directa de los daños producidos por la luz UV. La luz UV produce dímeros de pirimidinas, fundamentalmente dímeros de Timina. La enzima Fotoliasa reconoce los dímeros de Timina y se une a ellos deshaciendo el dímero de Timina. Reparación de daños por agentes alquilantes: mediantes alquiltransferasas, elimina grupos metilo/etilo. (Alquiltransferasas) Mecanismos de reparación indirecta - Por eliminación de bases - Por eliminación de nucleótidos - De apareamientos erróneos Reparación indirecta. Por eliminación de bases (BER) Mecanismo de eliminación de bases anómalas en el ADN (p.ej, uracilo, 8oxoguanina, metilguanina, etc). Importante en daños causados por ROS. 1. Una ADN N-glicosidasa reconoce el nucleótido anómalo y retira la base nitrogenada del nucleótido (rompe enlace N-glucosídico) • Cada base anómala requiere de un tipo de ADN N-glicosidasa específica 2. Una AP endonucleasa reconoce los sitios sin base nitrogenadas y corta la hebra por el lado 5´ del sitio sin base nitrogenada, y se genera un “Nick” (corte en una de las hebras) A partir de este punto diferentes organismos tiene diferente variantes Reparación indirecta. Por eliminación de bases (BER) En E. coli una ADN pol I con actividad 5´-3´ exonucleasa elimina la zona dañada y al mismo tiempo la re-sintetiza usando la otra cadena como molde (actividad polimerasa 5´-3´) En eucariotas hay dos variantes 1. ADN pol β retira nucleótido sin base y lo reemplaza con el correcto E. coli 2. ADN pol δ o ε, actividad polimerasa 5´-3´ que sintetiza a partir del extremo 3´ del nick un fragmento que levanta parte de la secuencia de la cadena dañada. Una flap endoculeasa eliminas las solapas. Eucariotas 1 Eucariotas 2 Finalmente, en todos los casos, una ADN ligasa une covalentemente la hebra de ADN que presenta el corte (nick) (restaura enlace fosfodiéster) Reparación indirecta. Por eliminación de nucleótidos (NER) Mecanismo de reparación de bases anómalas en el ADN, incluyendo dímeros de T. Más versátil que BER. 1. Un complejo de proteínas recorre el ADN2c en busca de anomalías estructurales. • En E. coli está formado por 3 subunidades UvrA (2x) y UvrB. • En mamíferos está formado por más de 16 subunidades. 2. Cuando este complejo encuentra una anomalía se para, y (en E. coli), se une una nueva proteína UvrC y las subunidades UvrA se desprenden. 3. UvrC tiene actividad endonucleasa y corta la cadena dañada (en las posiciones -8 y +5 del sitio dañado) 4. A continuación se une la unidad UvrD que tiene actividad helicasa, y elimina el segmento de ADN que contiene el daño (14-15 nucleótdidos). Tanto la subunidad Uvrc como UvrB se desprenden también del ADN. 5. Una ADN polimersa rellena el hueco usando la otra cadena como molde, y una ADN ligasa restaura el enlace fosfodiester. Reparación indirecta. De apareamientos erróneos Reconoce cualquier apareamiento que no sea A/T o G/C Funciona de forma parecida al NER. La diferencia con NER se basa en el tipo de lesiones que reconocen: NER para nucleótidos anómalos, esta para apareamientos incorrectos ¿Cuál de las dos bases es la incorrecta? Para poder distinguir cual de las dos hebras es la correcta, este mecanismo localiza la hebra de ADN que presenta mayor grado de metilación (más antigua) y repara la hebra sin metilar (más reciente). Se reconocen sitios GATC Reparación indirecta. De apareamientos erróneos Reconoce cualquier apareamiento que no sea A/T o G/C (mismatch) MutU exonucleasa 1. MutS recorre el ADN2c en busca de apareamientos incorrectos 2. Una vez localizados se unen MutL y MutH y se fuerza la formación de un bucle en el ADN 3. MutH reconoce el grado de metilación del ADN2c (sitios GATC), y “decide” que cadena será la correcta y cual la incorrecta. MutH funciona además con endonucleasa y cortará la cadena incorrecta (nick) 4. MutU (helicasa) separa el ADN2c y una exonucleasa (3´-5´) digiere la cadena incorrecta hacia el mismatch (y lo sobrepasa unos nucleótidos) 5. Una ADN polimerasa y una ADN ligasa rellenan el hueco y lo sellan, respectivamente Bibliografía