REPARACIÓN DE LESIONES EN EL MATERIAL GENÉTICO

Transcripción

1 El ININ hoy REPARACIÓN DE LESIONES EN EL MATERIAL GENÉTICO Por Jorge Serment Guerrero, Departamento de Biología Como sabemos, los seres vivos tienen la capacidad de transmitir sus características de una generación a otra. Esto va más allá del aspecto externo (color de ojos, forma de la cara, estatura) sino que incluye también todos los mecanismos y funciones tanto a nivel celular como de tejidos, órganos, sistemas y organismos completos. El responsable de esto es el genoma, que está formado por el ácido desoxirribonucleico o ADN. Se puede considerar a esta molécula como una de las más importantes ya que en ella se guarda toda la información necesaria para que se realicen todas las funciones en los seres vivientes. nitrogenadas: dos purinas con estructura de dos anillos, guanina y adenina; y dos pirimidinas con un solo anillo, timina y citosina. Cada una se aparea con la de la hebra complementaria, siempre de la misma manera, guanina (G) con citosina (C) y adenina (A) con timina (T). El ADN es una larga cadena helicoidal parecida a una escalera de caracol, formada por dos hebras unidas entre sí de manera complementaria. Cada una está constituida por nucleótidos, formados a su vez por un grupo fosfato, un azúcar llamado desoxirribosa y una base nitrogenada. Los nucleótidos se unen entre sí mediante enlaces estéricos con el carbono 3 y el 5 del azúcar, formando así una larga hebra en forma de doble hélice (fig. 1). Como se aprecia a detalle en la figura 2, el ADN contiene cuatro distintas bases igura 1. Molécula de ADN 20 Contacto Nuclear

2 osfato Azúcar Base Base Azúcar osfato igura 2. Esquema estructural de una sección de ADN Esta restricción es importante porque la información genética está dada por el orden de las bases a lo largo de las cadenas de ADN, organizado a su vez en determinadas regiones o paquetes llamados genes. Un gen se define como el tramo de ADN con información suficiente para formar una unidad funcional (generalmente una proteína) en un lenguaje que tiene sólo cuatro letras (las bases) que se combinan para formar palabras de tres, llamadas tripletes. Cada uno de ellos representa una clave específica para reconocer alguno de los 20 diferentes aminoácidos que integran a todas las proteínas de los seres vivientes. El hecho de que el ADN esté formado por dos hebras complementarias asegura que se conserve la información cada vez que la molécula se duplica, dado que el apareamiento entre bases es restringido de tal modo que cada una de estas hebras sirve de molde para sintetizar una nueva hebra complementaria, asegurando así que cada célula nueva conserve la misma información que aquélla de la cual proviene. No obstante el ADN es susceptible de sufrir cambios, tanto en su estructura química básica como en la secuencia de bases, ya sea de manera espontánea a consecuencia del metabolismo o de errores ocurridos durante la síntesis del ADN, o bien por el ataque de diversos agentes físicos o químicos. El ataque químico ocurre por reacción con alguno de los componentes del ADN modificando o destruyendo su estructura química básica, lo que posteriormente podría ocasionar mutaciones o muerte celular (fig. 3). igura 3.-Posibles consecuencias del daño genético Contacto Nuclear 21

3 Uno de los agentes físicos más importantes es la radiación, que al interactuar con el material genético produce una gran cantidad de lesiones. De acuerdo con su energía la radiación puede ser ionizante o no ionizante. La radiación ionizante puede atacar a la molécula de ADN produciendo lesiones en cualquiera de sus componentes, en función de dos alternativas conocidas como efectos directo e indirecto. El primero se refiere a la interacción de los fotones y/o partículas ionizantes con el ADN, mientras que el segundo se debe a reacciones químicas con los radicales producidos principalmente por la radiólisis del agua en donde ocurre la mayoría de las ionizaciones, ya que es el componente más abundante de la materia viva. A través de cualquiera de ambas alternativas, se llega a la ruptura del ADN que no solamente implica pérdida de la integridad molecular sino también de información y consecuentemente muerte de las células, especialmente aquéllas en proceso de división que son particularmente sensibles. Esta característica explica los efectos dañinos de la radiación ionizante en los tejidos epitelial o hematopoyético. En cuanto a la radiación no ionizante, la única que realmente tiene efecto sobre el ADN es la luz ultravioleta, que al incidir sobre esta molécula excita a los electrones orbitales de pirimidinas contiguas en una de las hebras las cuales reaccionan entre sí formando un anillo de ciclobutano o dímero de pirimidina (fig. 4) que bloquea la duplicación del ADN y que, de no eliminarse, conduce a ruptura de aquél y a muerte celular En vista de que el funcionamiento de los organismos depende de la integridad del material genético, gradualmente éstos han desarrollado diferentes estrategias para enfrentar o contrarrestar los daños por medio de dos alternativas, la protección contra tales ataques o bien la reparación de las lesiones que aquéllos causen en el genoma. Dentro de los primeros están diversos sistemas enzimáticos que neutralizan el efecto de los agentes tóxicos, inhibiendo su actividad o destruyéndolos antes de que puedan ejercer su acción sobre el genoma. Los más importantes son los que atrapan o eliminan radicales oxidantes evitando así que reaccionen con el ADN mediante enzimas como las peroxidasas o las superoxidodismutasas. igura 4. Sección de ADN en donde se muestra en el centro, al dímero que forman dos pirimidinas adyacentes Los segundos son los sistemas de reparación, que actúan directamente sobre el material genético ya dañado y poseen diferentes grados de especificidad. Algunos eliminan directamente a la lesión restituyendo de inmediato a la estructura original del ADN y en general reconocen un solo tipo de daño. Un ejemplo clásico de mecanismo de reparación específi- 22 Contacto Nuclear

4 co es la fotorreactivación, proceso que realiza la enzima fotoliasa que reconoce los dímeros de pirimidina (ejemplificados en la figura 4) y simplemente rompe los enlaces que se formaron entre las dos pirimidinas adyacentes restaurando la estructura original del ADN. Otro ejemplo de este grupo es el de eliminación de grupos alquilo anormales mediante las enzimas alquil-transferasas, que sacan a estos grupos del ADN restaurando al mismo tiempo a la estructura original. Hay otros procesos menos específicos que pueden reconocer diferentes tipos de daños y genéricamente se conocen como mecanismos de escisión. Esto implica el reconocimiento, corte y eliminación de la o las regiones de ADN que contengan lesiones, eliminando una sola base o nucleótido (REB) o bien de tramos que incluyen varios nucleótidos (REN). El primero se inicia con la eliminación de la base dañada, con lo que queda un espacio libre denominado sitio AP, al que reconocen enzimas, por lo mismo llamadas endonucleasas AP, que al romper los enlaces éster-fosfato dejan una ruptura en la hebra de ADN que posteriormente reparará una polimerasa (fig. 5). igura 5. Reparación por escisión de bases Contacto Nuclear 23

5 Reconocimiento de la lesión y cortes a ambos lados de éste Eliminación del daño en un oligonucleótido Hueco en el DNA Restablecimiento de la doble hélice igura 6. Reparación por escisión de nucleótidos El proceso REN por su parte implica la liberación de los tramos de ADN de una sola banda que contienen el daño. Es la principal respuesta celular a las modificaciones químicas en el ADN causadas por agentes muy diversos y por lo mismo puede reconocer una amplia gama de lesiones. Los pasos del proceso son: 1) reconocimiento de la lesión, 2) corte a ambos lados de ésta y 3) separación del tramo que contiene a la lesión. Los huecos resultantes son posteriormente resintetizados por una polimerasa (fig. 6). El ADN partido no solamente implica pérdida de la integridad molecular sino también de información, así que la única manera de reparar esta lesión es a través de parches provenientes de moléculas similares ya que por lo general la célula dispone de varias copias o réplicas de ADN. A estos procesos de parchado, esquematizados en la figura 7, se les conoce como reparación por recombinación e implican la transferencia de tramos de ADN de una molécula a otra, ya sea de regiones homólogas, es decir, con información similar a la faltante o bien, no homólogas, en donde la información es distinta. El primero es el camino seguido por las bacterias mientras que el segundo es el más frecuente en organismos multicelulares y es el que da lugar a las llamadas aberraciones cromosómicas. Lo importante es que en ambos casos se recupera la integridad del genoma y la célula sobrevive a la radiación. El fenómeno de recombinación se presenta en todos los seres vivientes y su único requisito es que haya al menos dos copias de ADN. 24 Contacto Nuclear

6 RDB 7, abajo derecha). Apareamiento Entrecruzamiento igura 7. Reparación por recombinación homóloga En esencia el proceso se refiere al paso de secciones de una molécula de ADN a otra diferente, ya sea en forma recíproca, es decir que haya intercambio entre ambas (en la figura, abajo izquierda) o no recíproca, en donde solamente una de ellas recibe material nuevo. El proceso es muy importante ya que la recombinación es la única posibilidad de componer el daño en el caso de rupturas en la doble banda de ADN (RDB), puesto que al perderse la continuidad de la hebra de ADN no hay un molde a partir del cual resintetizarla, lo cual conduce a la muerte de la célula. Puede también intervenir para resolver los huecos que deja la polimerasa encargada del copiado de ADN, enfrente de los sitios donde se hallan lesiones que no puede reconocer. En este caso, la célula lleva a cabo un evento de recombinación no recíproca, en el que una molécula homóloga de ADN cede el fragmento homólogo para rellenar el hueco que quedó en el ADN recién sintetizado, evitando así la fragmentación del material genético (figura Además de los sistemas que corrigen le- Procesamiento siones inducidas al genoma por agentes externos, hay otros que Invasión de cadena se pueden definir como de mantenimiento más que de reparación. Uno de éstos es lo que se conoce en inglés como: Methyl-directed mismatch repair, que se puede traducir más o menos como Reparación o compostura de disparidades guiada por metilaciones. Este sistema tiene dos objetivos, a) lograr que los errores ocurridos durante la duplicación y copiado de ADN sean eliminados a tiempo y, b) impedir que se introduzcan y copien moléculas de ADN ajenas a la célula. Se puede decir que este es uno de los mecanismos de respuesta inmunológica más antiguos ya que todas las especies vivientes, de bacterias a mamíferos o plantas superiores, cuentan con tal sistema. Se efectúa regularmente al finalizar el evento de duplicación de ADN y sirve también para eliminar errores ocurridos durante la reparación del material genético. Terminada la síntesis de ADN nuevo, y según la especie de que se trate, se introducen grupos metilo en bases específicas situadas periódicamente a lo largo de la cadena, para marcar al material genético nuevo como propio y poder así diferenciarlo del ajeno que, al no tener la marca, es inmediatamente destruido por enzimas que reconocen y cortan las regiones no metiladas. Contacto Nuclear 25

7 El proceso consiste de dos etapas: 1) reconocimiento de alguno de los ocho posibles apareamientos erróneos o de las asas de ADN que resulten de pérdidas o inserciones de bases y 2) selección y eliminación del tramo incorrecto, utilizando de guía a las metilaciones que se localizan periódicamente a lo largo de la hebra que sirve de molde para la síntesis de la nueva. Más adelante se resintetiza la fracción que, ya corregida, es oportunamente metilada junto con el resto del ADN recién sintetizado (fig.8). Por último hay que mencionar a los grandes sistemas en los que interviene una gran cantidad de genes, tanto de reparación como de tolerancia y que se activan cuando se detecta un ambiente adverso para la célula y cuyo funcionamiento no está todavía totalmente dilucidado. En esta categoría están las diferentes respuestas de adaptación a cambios ambientales, como la del choque térmico o al estrés oxidante, entre otras, que en términos generales confieren mayores probabilidades de supervivencia enfrentando a los elementos nocivos del entorno. Dentro de estos sistemas globales tenemos en Escherichia coli a la respuesta SOS, un conjunto de aproximadamente 60 genes que en circunstancias normales están apagados, pero que al haber lesiones en el ADN se activa su expresión. Estos genes participan en la reparación o incluso en la tolerancia al daño de tal modo que en esas circunstancias confieren a la bacteria mayores oportunidades de sobrevivencia aún cuando el daño no haya sido totalmente eliminado, traduciéndose todo esto en un aumento en la frecuencia de mutaciones. Se ha sugerido por otra parte que tal aumento tiene también un significado evolutivo, ya que entre las mutaciones que surjan puede haber alguna que represente para la célula una ventaja para enfrentar mejor el ambiente adverso. igura 8. Reparación de disparidades guiada por metilaciones 26 Contacto Nuclear