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Reparación del DNA DNA como cualquier otra molécula puede sufrir una variedad de reacciones químicas. Cambios en la estructura del genoma, trae mayores consecuencias que alteraciones en cualquier otro componente celular. “The perpetuation of the genetic material from generation to generat...

Reparación del DNA DNA como cualquier otra molécula puede sufrir una variedad de reacciones químicas. Cambios en la estructura del genoma, trae mayores consecuencias que alteraciones en cualquier otro componente celular. “The perpetuation of the genetic material from generation to generation depends on maintaining rate of mutation at low levels. High rates of mutation in the germ line would destroy the species, and high rates of mutation in the soma would destroy the individual”. (Chapter 9, Molecular biology of the gene)  Fuentes de mutación 1. Inexactitud en replicación del DNA (proofreading) La replicación puede ocasionalmente dañar la información contenida en el DNA con la introducción de bases erradas (G-T) 2. Daños químicos y la radiación. Daños espontáneos o inducidos 3. Inserciones generadas por transposones CONSECUENCIAS Cambios permanentes del DNA (mutación) Alteraciones químicas del DNA impiden su uso como molde para la duplicación y la transcripción Mutación Un cambio que no se repara es un cambio que pasa a la progenie MUTACIÓN: Cambio permanente en la secuencia del DNA Mutación silenciosa: cuando afecta una región no esencial o tiene un efecto insignificante en la función de un gen Rara vez la mutación confiere una ventaja biológica  El genoma de una célula típica de mamífero acumula millones de lesiones durante un periodo de 24 h Por sistema de reparación menos de 1 en 1000 llega a ser mutación  Desafío celular Detectar daños (scanner) repararlos https://www.researchgate.net/figure/Deoxyribonucleic-acid-damage-and- repair-mechanisms-Various-DNA-damaging-agents-cause-a_fig3_324458697 Sistemas de reparación  1. Errores en replicación del DNA y su reparación Errores que escapan de proofreading Mutación puntual (un solo nucleótido) 10-6 a 10-11 : mutaciones nuevas por ronda de replicación. Hot spot en cromosomas DNA microsatélites (CA) longitud polimorfica Sistema de reparación de los apareamientos incorrectos o no complementarios (mismatch repair) Reconoce bases que son mal incorporadas durante la replicación del DNA Muchas son removidas por la actividad “proofreading” correctora de la DNA polimerasa Se hace una revisión del DNA sintetizado para verificar la presencia de errores Como reconoce la célula en cual de las dos cadenas se debe cambiar el nucleótido? Sistema de reparación de los apareados incorrectos en procariotes Dirigida por Metilación : Se metila la hebra parental para diferenciarla de la hebra sintetizada (Dam metilasa) Metilación de N6 adenina en la secuencia 5´-GATC-3´ 6-metil adenina Post-replicativa Proteínas reparadoras procariotes MutS dimero (escaneo por distorsión) Reclutamiento de Mut L y Mut H (causa Nick) Helicasa (UvrD) y exonucleasa) Gap completado por DNA pol III DNA ligasa Estructura 3D MutS  Sistema de reparación de los apareamientos incorrectos en eucariotes MSH proteins (MutS homologs) MLH y PMS (MutL homologs) La cadena molde no es metilada como en procariotes Hay presencia de quiebras en la cadena sencilla (F.O), reclutamiento de PCNA MSH (mismatch, deletion, insertion) Mutaciones en los genes de los homólogos humanos de la MutS causa predisposición genética al cáncer de colon. 2. Daños en el ADN espontáneos o inducidos Daños espontáneos por Inducidos hidrólisis (desaminaciones y (radiación y agentes depurinaciones) mutagénicos) A. Desaminaciones Cambios espontáneos por hidrólisis: errores de apareamientos  Cambios espontáneos por hidrólisis B. Depurinación (pérdida de bases de Purina). Pérdidas 2000-10000/24h Cambios inducidos por agentes ambientales 1. Alquilación 2. Oxidación 3. Radiación 4. Agentes intercalantes 1. Agentes alquilantes: errores de apareamiento Sustancias químicas transfieren grupos metilo y etilo a una base de ADN (modificación química). Metilación de la guanina en posición O6 O6 metilguanina se aparea con Timina en lugar de Citosina. Sustancias químicas alquilantes: Nitrosaminas (conservantes, comida frita (altas T°), tabaco y en el humo del tabaco) N-metil-N1-nitro –N-nitrosoguanidina  2. Daños por especies reactivas de oxígeno Especies reactivas de oxígeno: O2-, H2O2, OH Surgen por la acción de radiaciones ionizates y sustancias químicas productoras de radicales libres. Subproducto durante el metabolismo normal de la célula. Oxidación de la guanina genera oxoG (aparea con A) ERRORES DE APAREAMIENTO 3. Daños por luz Ultravioleta 260 nm absorbida por bases: fusión fotoquímica de dos pirimidinas adyacentes (dímeros timinas o TC) anillo ciclobutano Consecuencia: Estas bases unidas entre sí son incapaces de aparearse con sus complementarias y hacen que la DNA polimerasa se detenga durante la duplicación. Dímeros de timina. La luz ultravioleta induce la formación de un anillo ciclobutano generado por enlaces entre los átomos de carbono 5 y 6 de timinas contiguas. UV Es la mayor fuente de daño del DNA y la más estudiada Importancia exposición prolongada a luz solar causa casi todos los tipos de cáncer de piel 3. Otros daños por radiación gamma y rayos X (ionizantes) Consecuencias: causan roturas bicatenarias en el DNA. Terapia rápida de cáncer Bleomicina Difracción de rayos X: exposición prolongada Rayos gamma Accidentes nucleares 4. Análogos de bases y agentes intercalantes Análogos de bases Consecuencias: Errores de apareamiento Agentes intercalantes Anillos policíclicos Proflavina Acridina Bromuro de Etidio Consecuencias: Delecciones y adiciones al frente de la molécula intercalada Agentes intercalantes Benzopireno (en alquitrán) reacciona con las bases del ADN Es pro-cancerígeno: en las células pulmonares se transforma en benzopireno-diol-epóxido que se une covalentemente al DNA Consecuencias: Detiene replicación y transcripción Acrylamide Aspergillus Aflatoxinas (activación de procarcinógenos) Citocromo P450  Reparación de las lesiones del DNA 1. REVERSIÓN DIRECTA DE LA LESIÓN 1.1 FOTORREACTIVACIÓN 1.2 METILTRANSFERASAS 2. REPARACIÓN POR ESCISIÓN/REMOCIÓN 2.1. Reparación por ESCISIÓN DE BASE (BER) 2.2. Reparación por ESCISIÓN DE NUCLEÓTIDO (NER) 3. REPARACIÓN POR RECOMBINACIÓN 3.1 Reparación de roturas de cadena doble (Double-strand break DBS) 3.2. Síntesis de lesión por recombinación 4. REPARACIÓN PROPENSA AL ERROR: sistema SOS 1.1. Reversión directa de la lesión: fotoreparación o fotorreactivación Dímeros de pirimidina: distorsionan la estructura de la cadena de ADN se bloquea la replicación o transcripción. inducidos por UV DNA fotoliasas La energía derivada de la luz visible se utiliza para romper el anillo ciclobutano. Las bases originales de pirimidina continúan en el ADN, ahora en su estado normal. Humanos carecen de este mecanismo de reparación (mamíferos) Procariotes (E. coli), levaduras, plantas y algunos animales  1.2. metiltransferasas: otra forma de reparación directa O6 metilguanosina puede ser reparada por enzima: O6 metilguanina-metiltransferasa Transfiere el grupo metilo de la O6 metilG a sitio activo de un residuo de Cys … finalmente se restaura la guanina original. Enzimas encontradas en procariotes y eucariotes (humanos) 2. Reparación por escisión/remoción El ADN dañado es reconocido y eliminado, como bases independientes o como nucleótidos. Sistema en eucariotes y procariotes El espacio vacío generado se rellena con la síntesis de una nueva cadena de ADN, utilizando la complementaria no dañada como molde. 2.1 Reparación por escisión de base 2.2 Reparación por escisión de nucleótido Desaminación de la citocina 2.1 Reparación por escisión de base Reparación de un ADN que contiene uracilo. La escisión del uracilo es catalizada por la DNA glicosilasa DNA glicosilasas son específicas para cada lesión 11 en humanos: reconocimiento de uracilos, oxoG, purinas alquiladas oxoG glicosilasa Sistema de reparación por Escisión de bases: AP glicosilasa puede llegar a reconocer y eliminar: 1. Uracilos 2. hipoxantinas (por desaminación de adeninas) 3. purinas alquiladas 4. bases dañadas por oxidación o radiación ionizante 2.2 Reparación por escisión de nucleótido Escisión de oligonucleótido Procariotes: brecha de 12- 13 bp Complejo UvrA, UvrB, UvrC (escinucleasa) UrvD Helicasa DNA polimerasa I DNA Ligasa Eucariotes: brecha de 24- 32 bp Complejo RAD (levaduras) Complejo XP (humanos) DNA polimerasa ɖ/ DNA Ligasa Escisión de nucleótidos en procariotes Escaneo de distorsión : UvrA- UvrB Formación de nicks/quiebras: UvrC Actividad helicasa: UvrD  Enzimas Involucradas en reparación por escisión de nucleótidos en eucariotes Humano Levadura Función XPA RAD14 Reconoce daño XPB RAD25 Helicasa XPC RAD4 Unión DNA XPD RAD3 Helicasa XPF RAD1 5´ endonucleasa XPG RAD2 3´ endonucleasa ERCC1 RAD10 Dimero con XPF Reparación del DNA por escisión de nucleótidos en eucariotes Enfermedad humanas asociada a daño en el sistema de reparación por escisión de nucleótidos PROTEÍNAS XP : Xeroderma Pigmentoso Xeroderma pigmentoso: desorden genético Afecta 1 en 250.000 personas Mutantes para los genes de reparación de DNA  cáncer Estudio de proteínas de reparación  Taiyō no Uta Los Otros, 2001  Por la vía de reparación por escisión de nucleótidos se reparan muchos tipos de lesiones incluyendo los dímeros de pirimidinas (LUV) y bases G con adiciones de benzopirenos, agentes intercalantes Comparación del evento de escisión de nucleótidos en procariotes y eucariotes Reparación del ADN acoplado a la transcripción Cuando hay una lesión en el ADN la RNA polimerasa se detiene y cesa la transcripción. La RNA polimerasa recluta las proteínas de la reparación por escisión de nucleótido hacia el sitio de la lesión. 3. REPARACIÓN por recombinación 3.1 Reparación de roturas de cadena doble (Double-strand break DBS) desde el DNA no dañado 3.2. Síntesis de lesión por recombinación 3.1 Reparación de roturas de cadena doble por recombinación homóloga Reparación por recombinación de cadenas homólogas de DNA introducidas por radiación ionizante (rayos X y gama) Mutaciones en proteínas de reparación BRCA1 y BRCA2 llevan al cáncer mas común en la mujer: cáncer de seno 3.2 reparación de errores en replicación del DNA por recombinación Y si no hay cadenas homólogas ? NHEJ: nonhomologous end joining (uniones de extremos no homólogos) No hay recombinación homóloga Degradación de cadenas sencillas (nucleasas) Adición de nucleótidos por DNApol Ku (proteínas conservadas) Delecciones de gran tamaño  4. Reparación propensa al error a través de lesión (síntesis translesión) La célula tiene DNA polimerasas capaces de replicar cruzando el sitio del daño, así hay Respuesta SOS incorporación de bases al azar. Sistema de rescate: evita muerte celular programada (alta tasa mutagénica) DNA polimerasas familia Y E. coli: Proteínas UmuC (DinB/pol IV), UmuD (Pol V) sintetizan DNA atravesando una región traslesión (con dímero de timina (A:A), sitio apurínico)