Mecanismos de reparación del ADN

Como acabamos de ver, la estabilidad de la copia del material genético en un entorno celular

considerado como normal está muy comprometida, por lo que si no hay nada que se oponga a ello, el número

de mutaciones por célula y generación sería de tal calibre que la vida resultaría difícil o imposible en tales

circunstancias. Sin embargo, como ya se adelantó, la célula ha adquirido a lo largo de la evolución toda una

serie de mecanismos que tienden a reducir el daño que se produce en el ADN (Wood, 1996). En ocasiones

estos actúan haciendo desaparecer el agente inductor del daño, como es el caso de las enzimas antioxidantes:

superóxido dismutasa (SOD), catalasa, etc., neutralizando de esta forma especies reactivas del oxígeno, que de

otra forma podrían atacar el ADN, mientras que otros mecanismos (tal vez los más variados) tratarían de

reparar el daño producido en esta molécula. Las características generales de estos sistemas de reparación

aparecen comentadas en la Tabla 2.

– Ubicuidad: en todas las células.

– Redundancia: varios sistemas por célula.

– Complejidad: numerosos elementos intercambiables en la mayoría de los casos.

– Eficiencia: nunca al 100% (unos más que otros).

– Variabilidad funcional: un mismo sistema podría actuar de manera diferente en cada tipo

de célula.

– Homología interespecífica: por lo general bien conservados evolutivamente.

Tabla 2. Características generales de los sistemas de reparación y supervisión del ADN.

La importancia que tiene el mantener una copia “sana” del material genético para la célula, ha hecho que

desde una etapa muy temprana, los seres vivos desarrollasen toda una serie de estrategias para reparar los

daños que se producen de manera constante en el ADN. Los primeros estudios que analizaron estos

mecanismos se llevaron a cabo en procariotas, más tarde el campo se amplió a eucariotas. En ambos casos se

observó que dichos mecanismos son redundantes, es decir que la célula no confía la supervisión y reparación

de su genoma a uno sólo de ellos, sino que dispone de varios que en muchos casos interaccionan. Se calcula

que una célula de mamífero dispone de al menos 130 genes involucrados en tales funciones, y no resultaría

extraño que, a medida que se conozca mejor el papel de los distintos genes humanos, aparezcan nuevos loci

relacionados con la reparación del ADN. Estos datos, por sí solos, dan una idea de la importancia que para una

célula tiene el mantener su genoma sin defectos. Pero el aspecto más representativo de la importancia de los

mecanismos de reparación del ADN tal vez sea el gran número de patologías cuya etiología se asocia a fallos

en elementos moleculares en dichos mecanismos.

En la mayoría de los casos, en estos mecanismos intervienen numerosos componentes, por lo que su

modo de acción no deja de ser complejo. En nuestro caso presentaremos los más relevantes (Tabla 3), y dentro

de cada uno se presenta de forma simplificada su mecanismo de acción.

REPARACIÓN DIRECTA

Por estos mecanismos se reparan: metilación de guanina, y en algunos vertebrados dímeros de pirimidina. No

intervienen nucleasas ni ADN-polimerasas.

REPARACIÓN INDIRECTA

Hay intervención de nucleasas y ADN-polimerasas. Se necesita hebra “molde” perteneciente al mismo

cromosoma o al homólogo.

Escisión de base. Reparan casos de alteraciones puntuales en bases nitrogenadas. Se origina un “sitio

AP” y luego se retira el nucleótido “AP” y se resintetiza la hebra.

Escisión de nucleótido. Reparan alteraciones que distorsionan la conformación del dúplex y que

obstaculizarían la transcripción y replicación. Generalmente inducidos por bases alteradas o mal

apareadas. Una nucleasa escinde una porción de la hebra próxima al lugar del daño. Inmediatamente se

resintetiza una nueva siguiendo el molde complementario.

Recombinación de regiones homólogas/ Unión de fragmentos terminales de hebras rotas. Reparan

lesiones en las que se ven afectadas ambas hebras, o en las que no existe una hebra complementaria

que pueda actuar de molde fiable. Mecanismo más complejo que los anteriores.

Tabla 3. Diferentes sistemas de reparación del ADN en eucariotas según su mecanismo de acción.

La etapa más importante del proceso tal vez sea aquella en la que se detecta el punto o puntos del

genoma donde se localiza la alteración. Se cree que una de las condiciones para que esto se pueda llevar a

cabo es que la molécula de ADN se encuentre descompactada, lo que permitiría al sistema de detección

“rastrear” dicha región en busca de errores, que se localizarían por la distorsión estructural que un

apareamiento de bases incorrecto produce en el dúplex. En este sentido hay evidencias de que tanto la

replicación como la transcripción del ADN son etapas donde se lleva a cabo una intensa actividad por parte de

los sistemas de reparación.

Los sistemas de reparación indirecta intervienen sobre el ADN, en replicación (fase S), transcripción o

sobre hebras de ADN seccionadas. Como ya se comentó anteriormente, la propia polimerasa del ADN, o

algunos de los componentes del mecanismo transcripcional, llevan a cabo la supervisión de la copia recién

sintetizada. En otros casos hay complejos moleculares que cooperan con la polimerasa del ADN resolviendo

casos en los que esta ha de replicar o transcribir una determinada zona del genoma en la que se detecta una

alteración. A pesar de la gran cantidad de mecanismos y moléculas que intervienen en estos procesos hay un

denominador común en todos ellos, y es que la mayoría están conservados evolutivamente.

Otros de los mecanismos que actuarían para preservar la integridad del material genético serían

aquellos que, en lugar de intervenir reparando la copia del ADN, lo harían supervisando la integridad de los

desoxirribonucleótidos que serán utilizados para la síntesis del ADN, ya que algunos derivados de estos

pueden ser incorporados por la polimerasa en lugar del d-ribonucleótido normal pudiendo dar lugar a una

mutación , tal es el caso del 8-hidroxi-dGTP.

8.3.1 Mecanismos de reparación directa

8.3.1.1 Recuperación de guaninas metiladas

Una de las alteraciones que se conocen en el ADN es el caso de la metilación de restos de guanina para

formar O6-metilguanina; en este caso la célula dispone de una enzima “suicida” que localiza el lugar de la

alteración y seguidamente transfiere el grupo metilo desde la guanina a un resto de cisteína en su centro

activo, la enzima queda ahora inactivada, ya que este proceso no es reversible (Figura 4).

Figura 4. Recuperación de guaninas metiladas por acción de la guanina metil-transferasa.

8.3.1.2 Reparación de dímeros de pirimidina

Un sistema similar actúa en procariotas y en muchos eucariotas, en él interviene una enzima que detecta

dímeros de pirimidina que se producen en restos adyacentes C-C, C-T (siendo el más frecuente T-T). En

procariotas la enzima que repara esta alteración es la fotoliasa. En primer lugar la enzima localiza el punto

donde se ubica el dímero y seguidamente se posiciona sobre él y repara la alteración (Figura 5).

Figura 5. Reparación de dímeros de pirimidina.

Esta enzima además tiene una interesante peculiaridad, y es que se activa por irradiación con

longitudes de onda visibles próximas al U.V. Aunque en algunos vertebrados se han detectado enzimas que

actúan de manera similar a la fotoliasa no se ha descrito todavía para el caso del ser humano, donde este tipo

de alteraciones se repara por otros mecanismos. En este caso, los dímeros de pirimidina (que se supone un tipo

de lesión frecuente que produciría el envejecimiento de la piel) se pueden reparar por otro mecanismo

(escisión de nucleótido) que se describirá más adelante.

8.3.2 Mecanismos de reparación indirecta

En general estos mecanismos actúan eliminando la base alterada utilizando diferentes estrategias:

8.3.2.1 Reparación por escisión de base

En este caso la base alterada es retirada del ADN por un tipo de enzimas denominados glicosidasas.

Hay varias y cada una se ocupa de un tipo de modificación (Hipoxantina-ADN glicosidasa, uracil-ADN -

glicosidasa, etc.). Cuando estas retiran la base dañada se genera un sitio AP (también se pueden generar sitios

AP por otras causas), que resultaría muy mutagénico si se dejase sin reparar, ya que bloquearía la replicación

o transcripción del ADN en ese punto, por lo que seguidamente interviene una endonucleasa que retira el resto

de ribosa fosfato del sitio AP, dejando un hueco de un nucleótido que es rellenado inmediatamente por la

acción de una polimerasa del ADN, por último la hebra es sellada por la ligasa (Figura 6).

Figura 6. Mecanismo de reparación por escisión de base.

8.3.2.2 Reparación por escisión de nucleótido o hebra

Este mecanismo de reparación es muy similar al anterior, y de hecho comparte con aquél algunos de sus

elementos moleculares. En una primera etapa, el sistema reconoce el punto de la lesión. Seguidamente actúa

una endonucleasa que corta un pequeño fragmento de la hebra que presenta la lesión a ambos lados de la

misma dejando entre el nucleótido afectado y ambos puntos de corte varios nucleótidos. Luego se retira esta

porción de la hebra al tiempo que una polimerasa de ADN comienza la síntesis del fragmento que sustituirá al

eliminado, tomando como molde la hebra “sana” (Figura 7).

Figura 7. Mecanismo de reparación por escisión de nucleótido.

Como en el caso anterior la ligasa sellará la hebra nueva, dejando de esta forma reparada la alteración

(en la descripción de estos mecanismos, y para su simplificación, se omiten otras proteínas que intervienen en

el proceso, y que son también importantes para que este se lleve a cabo). Son muchas las alteraciones que se

reparan por este mecanismo, entre ellas los dímeros de pirimidina, bases alteradas, etc. En bacterias este

sistema está muy bien estudiado y se parece mucho al que actúa en levaduras (eucariotas unicelulares), aunque

en estas últimas consta de más elementos y es por ello más complejo. En mamíferos el sistema es similar al de

levaduras lo que demuestra que está evolutivamente bien conservado.

8.3.3 Mecanismos de reparación por recombinación

Este mecanismo es complejo, y a diferencia de los hasta ahora estudiados, utiliza una estrategia de

recombinación similar a la que opera en el intercambio de cromátidas que se da en la meiosis, uniendo

regiones homólogas de los cromosomas paternos y maternos. El tipo de alteraciones que se reparan mediante

este mecanismo suelen ser aquellas que, por diferentes razones, no permiten disponer de hebra molde (rotura

de hebras, apareamientos anómalos entre bases, etc.). Este último tipo de anomalía ha de ser reparada antes de

que la zona sea replicada por la polimerasa, ya que de no ser así se podría bloquear el proceso replicativo en

dicho punto o inducir una mutación permanente en la descendencia celular. Si durante la fase S del ciclo

celular, la polimerasa de ADN se encuentra una alteración que no ha sido reparada anteriormente, puede

ocurrir que introduzca un nucleótido al azar con el consiguiente riesgo de mutación, o continúe su labor

dejando sin replicar la zona alterada hasta su reparación. En este último caso la solución al problema consiste

en retirar la porción de una de las hebras no replicadas y seguidamente sintetizar una hebra nueva de ADN por

un mecanismo que toma como molde la hebra complementaria del cromosoma homólogo (Figura 8). Se han

descrito varias polimerasas del ADN que participan en la resolución de problemas de este tipo. En general

estas polimerasas no poseen la alta fidelidad de copia de la polimerasa normal (la que replica el genoma en la

fase S del ciclo celular), por lo que cabe esperar una tasa de error incrementada con respecto al que presenta

esta última, y parece que cada una de ellas se especializa en solucionar un tipo específico de alteración.

Figura 8. Mecanismo de reparación de cromosomas fragmentados. Reparación mediante recombinación.

En general la fase S del ciclo celular resulta crítica para la vida de la célula, ya que en ella el material

genético a replicar ha de estar en las mejores condiciones posibles antes de ser transferida a la descendencia,

de tal forma que si dicha copia está muy dañada podría bloquear el proceso replicativo, hasta el punto de que

la célula opte por el “suicidio” (apoptosis) para evitar que pasen genes defectuosos a la descendencia. El

mismo sistema que regula la entrada en apoptosis alerta a los mecanismos de reparación de errores en la copia

del ADN celular a transcribir. En caso de que este sistema falle podrían acumularse un número excesivo de

mutaciones en la célula. En este sistema de control participan numerosas proteínas, aunque una de ellas, la

denominada p53 juega un papel decisivo en el mismo. Una prueba evidente de la importancia de esta proteína

en el control del ciclo celular la tenemos en el hecho de que una de las mutaciones más frecuentes en tumores

afecta a dicha proteína, este aspecto se tratará más en detalle en el siguiente apartado.

El sistema de reparación por recombinación homóloga se cree que es utilizado con frecuencia por la

célula para llevar a cabo la reparación de cromosomas rotos. Este tipo de lesión, como ya se ha comentado,

puede producirse por ataque de radicales hidroxilo sobre el dúplex de ADN. De no repararse, la presencia de

tales alteraciones provocará graves daños a la célula, y su descendencia será con toda probabilidad inviable

debido a la pérdida de una cantidad importante de material genético. Por ello la célula es particularmente

sensible a este tipo de lesión, y para remediarlo pone en marcha complejos mecanismos de reparación en los

que intervienen un elevado número de proteínas.

Además de esta estrategia de reparación que se basa en la recombinación homóloga, se sabe que la célula

dispone de otra no menos sofisticada (aunque menos estudiada) para reparar el mismo tipo de lesión. En este

mecanismo la reparación de la rotura se produce por empalme entre los extremos de los fragmentos del dúplex

truncado (Barnes, 2001).