Reparacion del DNA

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MUTACIONES Y MECANISMOS DE REPARACIÓN DEL DNA

El mantenimiento de la estabilidad del genoma es de gran importancia para prevenir la aparición de mutaciones, y consecuentemente la oncogénesis. A pesar de las numerosas enzimas de reparación de DNA con que cuenta la célula eucariótica, ésta acumula mutaciones, siendo ello parte de la fuerza impulsora de la evolución de los organismos.

Cuando una molécula de DNA sufre un daño (por rayos X, luz UV, agentes alquilantes, reacciones espontáneas, especies reactivas del oxígeno…), o presenta un error de replicación, la célula debe intentar reparar ese daño, y lo hace mediante síntesis localizada de pequeños fragmentos de DNA. Además, la célula tiene perfectamente coordinada la activación de estos sistemas de reparación con la detención del ciclo celular, de forma que si el daño se soluciona, se pone en marcha de nuevo el ciclo celular, y si no es así la célula morirá (apoptosis). Cuando la célula escapa de la apoptosis, aun teniendo mutaciones, puede dar lugar a patologías genéticas esporádicas y al cáncer.

El daño en el DNA no crea la mutación, sino que ésta ocurre cuando la célula intenta reparar el daño. Es la propia maquinaria de reparación la que, por ineficiencia, produce las mutaciones en el DNA.

Existen DNA polimerasas implicadas en reparar que intentan reparar el daño formado en el DNA. Pero cuando el daño del DNA no es muy alto puede existir una tolerancia frente al daño permitiendo que la célula continue el ciclo celular y posteriormente sea reparado el daño.

El proceso de la replicación es bastante fiel, obteniendo un muy bajo riesgo de error. En la replicación del DNA todo un complejo de proteínas se ajustan de modo impecable sobre el DNA creando un complejo ternario que es capaz de introducir el nucleótido apropiado y realizar la reacción de catalización necesaria para la introducción del nucleótido. Cuando existe un error en la replicación se debe de crear una escisión en la cadena que conllevará la modificación del complejo terciario hacia un modo de edición. Esta nueva configuración permitirá la escisión del nucleótido y la introducción del nucleótido apropiado.

Existen distintos complejos que llevan a cabo esta función según el organismo, el complejo se puede encontrar también con estructura de anillo por donde atravesará el DNA. La DNApol del  29 sin necesidad de acomplejarse es capaz también de llevar a cabo la replicación.

Mecanismos de reparación del DNA

  1. Mismatch repair. Empleado para reparar los errores de las DNA polimerasas durante la replicación del genoma. El error es reconocido y eliminado de la cadena, introduciéndose el nucleótido correcto. Es un mecanismo importante en la reparación de los errores cometidos durante la replicación de microsatélites (secuencias repetidas): inestabilidad de microsatélites. Hay muchos síndromes humanos relacionados con defectos en este sistema de reparación, por ejemplo, un cierto porcentaje de cánceres de colon.
  2. Escisión de nucleótidos (NER). La radiación UV produce la formación de dímeros de timina, y esto bloquea tanto la replicación como la transcripción. Para subsanar el daño en el DNA existe un sistema de vigilancia que se basa en replicación acoplada a transcripción. Consiste en eliminar el fragmento de DNA que contiene el dímero de timina, con especial cuidado de cortarlo en la cadena correcta. Hay también síndromes en humanos que están relacionados con defectos en este mecanismo, entre ellos el Xeroderma pigmentoso.
  3. Escisión de bases (BER). En el genoma es muy frecuente la conversión de deoxicitosina (dC) a deoxiuracilo (dU), por desaminación. Se trata de un cambio importante, porque en la replicación, la polimerasa incorporará una adenina frente al uracilo (y no una G como había en un principio), generándose una mutación. Por ello debe repararse. El mecanismo se basa en la eliminación de la base afectada (pero no del azúcar y el fosfato) por parte de una uracil diglicosilasa (UDG), tras la que actúa una endonucleasa (APE), que corta la cadena a la altura del error, para que la polimerasa , incorpore el nucleótido correcto y elimine el azúcar y el fosfato, y al final una ligasa termine el proceso. Además de este caso concreto, el DNA sufre otro tipo de alteraciones porque las bases (A, G, C, T) son muy sensibles al daño oxidativo, Existen muchas glicosilasas distintas para comenzar la reparación de estos daños, por este sistema. BER implica el cambio de una sóla base, la oxidada.
  4. Reparación de roturas de banda doble. La rotura de banda doble del DNA tiene que repararse rápida y eficazmente. Si no se hace y ocurre una segunda rotura, hay un riesgo elevado de translocaciones y consecuentemente de generar un tumor. Hay dos vías para reparar una rotura de banda doble, la diferencia entre ambas es la parte del ciclo celular en la que operan. En la primera, la célula utiliza la recombinación como mecanismo de reparación utilizando la cromátida idéntica que la célula tiene disponible (sin errores). En la segunda, denominada end joining o mecanismo de reparación de rotura por pegamento de contacto, no se recurre a homología, no hay complementariedad (alto índice de errores). En este tipo de reparación, están implicadas unas proteínas que estabilizan los extremos y permiten la replicación. También hay síndromes humanos con defectos en este sistema de reparación, la mayoría de los cuales predisponen a la aparición de linfomas, por ejemplo la ataxia telangiectasia.

Enzimas implicadas en la reparación del DNA

Todas las ADN polimerasas comparten una serie de características básicas: introducen un nucleótido trifosfato complementario a la cadena molde en un extremo 3’OH libre.

Hay 4 familias distintas de DNA polimerasas eucarióticas, cada una con distintos miembros: A (gamma, thēta), B (dzēta, alfa, delta, épsilon), Y (ēta, iota, kappa), X (beta, lambda, my, sigma, TDT). Estas polimerasas están implicadas en distintos procesos de replicación y reparación del DNA:

a) Polimerasas de replicación (alfa, delta, épsilon) b) Polimerasas gamma: encargadas de replicar el DNA mitocondrial c) Polimerasa lambda y TDT

  • La polimerasa lambda está en reparación por escisión de bases. Las polimerasas beta, lambda, implicadas se encargan de la mayoría del daño oxidativo. La polimerasa beta usará el mecanismo BER para reparar daño, mientras que  unirá extremos homólogos y rellenara el hueco que se ha generado. Así llevara a cabo el mecanismo de reparación por DSBR y BER:
  • El TDT está implicado en generación de variedad en el genoma.

d) La polimerasa my es muy parecida a la polimerasa TDT. Está implicada en mecanismos de reparación del daño al DNA por luz UV y junto con la polimerasa lamda contribuye en la reparación de roturas de DNA de banda doble.

e) La polimerasa dzeta y las polimerasas de la familia Y interviene en la síntesis de DNA por mecanismos de bypass (síntesis translesión). Es un mecanismo similar a la “respuesta SOS” en bacterias, que consiste en colocar un nucleótido frente al daño sufrido en el DNA para que la replicación progrese sin que el DNA se repare. La síntesis translesión puede ser error-free pero también puede ser error-prone. Es un mecanismo que conlleva la aparición de mutaciones. Los niveles de la polimerasas de bypass en tumores son muy elevados.

Desregulación de las polimerasas my y TDT podrían ser responsables del mecanismos de mutación generales, como ocurre en la hipermutación somática llevada a cabo por TDT. Ambas polimerasas son capaces de introducir nucleótidos al azar gracias a un loop en su estructura que actuará como molde. La ventaja de la polimerasa my es que puede usar su loop como molde para introducir nucleótidos o el DNA celular. Además la polimerasa my puede realizar conexiones difíciles gracias a su capacidad más permisiva.