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Replicación, reparación y recombinación del DNA. Capítulo 5 [BIOLOGÍA MOLECULAR DE LA CÉLULA AL DICTADO] Lo que a continuación prosigue es la primera fase, previa a esa lectura anterior que ya se realiza sin interrupciones, y que da origen a la transcripción que observas y sucederá, en su mayor parte, a ritmo de dictado [con gran lentitud], por si tú deseas realizarla, para ir familiarizándote con los contenidos a una velocidad de procesamiento que permite la intervención del pensamiento, yo me limito a reproducir mi proceso: . EL MANTENIMIENTO DE LAS SECUENCIAS DEL ADN Las frecuencias de mutación son extremadamente bajas. - Para que exista la vida tal como la conocemos son necesarias bajas frecuencias de mutación. . RESUMEN PRIMERO <<En cualquier célula, las secuencias de DNA se mantienen y se replican con una alta fidelidad. La frecuencia de mutación, alrededor de 1 cambio de nucleótido por cada nucleótidos cada vez que se replica el DNA, es aproximadamente la misma para organismos tan distintos como las bacterias y los humanos. Dada esta alta fidelidad, la secuencia del genoma humano [aproximadamente 3 x pares de nucleótidos] sólo cambia en 3 nucleótidos cada vez que la célula se divide. Este hecho permite a la mayoría de los humanos transmitir de
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Replicación, reparación y recombinación del
DNA. Capítulo 5 [BIOLOGÍA MOLECULAR DE
LA CÉLULA AL DICTADO]
Lo que a continuación prosigue es la primera fase, previa a esa lectura anterior que ya se
realiza sin interrupciones, y que da origen a la transcripción que observas y sucederá, en su
mayor parte, a ritmo de dictado [con gran lentitud], por si tú deseas realizarla, para ir
familiarizándote con los contenidos a una velocidad de procesamiento que permite la
intervención del pensamiento, yo me limito a reproducir mi proceso:
.EL MANTENIMIENTO DE LAS SECUENCIAS DEL ADN
Las frecuencias de mutación son extremadamente bajas.
- Para que exista la vida tal como la conocemos son necesarias bajas frecuencias de
mutación.
.
RESUMEN PRIMERO
<<En cualquier célula, las secuencias de DNA se mantienen y se replican con una alta
fidelidad. La frecuencia de mutación, alrededor de 1 cambio de nucleótido por cada
nucleótidos cada vez que se replica el DNA, es aproximadamente la misma para organismos
tan distintos como las bacterias y los humanos. Dada esta alta fidelidad, la secuencia del
genoma humano [aproximadamente 3 x pares de nucleótidos] sólo cambia en 3
nucleótidos cada vez que la célula se divide. Este hecho permite a la mayoría de los humanos
transmitir de forma cuidadosa las instrucciones genéticas de una generación a la siguiente y
también evitar los cambios en las células somáticas que llevarían a un cáncer.>>
.
.
MECANISMOS DE REPLICACIÓN DEL DNA- El apareamiento de bases es la esencia de la replicación y de la reparación del DNA.
- La horquilla de replicación es asimétrica.
- El elevado grado de fidelidad del mecanismo de replicación del DNA requiere la
existencia de un mecanismo de ”corrección de pruebas”.
- Sólo la replicación del DNA en sentido 5′ a 3′ permite la existencia de un proceso
eficiente de corrección de errores.
- Una enzima especial que polimeriza nucleótidos sintetiza moléculas cebadoras de
RNA cortas sobre la cadena retrasada.
.
*Fuente de la imagen: Wikipedia [Fragmentos de Okazaki, cadena conductora ycadena
retrasada]
.
- Unas proteínas especiales ayudan a abrir la doble hélice del DNA por delante de la
horquilla de replicación.
- Una abrazadera deslizante mantiene unida al DNA una molécula de DNA polimerasa
móvil.
- En la horquilla de replicación, una serie de proteínas cooperan entre sí formando una
”maquinaria de replicación” .
- Un sistema de corrección de errores de apareamiento elimina los errores de
replicación producidos por la maquinaria de replicación.
- Las DNA topoisomerasas evitan que el DNA se enrede durante la replicación.
- La replicación del DNA en los eucariotas es básicamente similar a la de los
procariotas.
.
<<La replicación del DNA tiene lugar en una estructura en forma de Y llamadahorquilla de
replicación. Una DNA polimerasa autoconectora cataliza la polimerización de nucleótidos
en sentido 5′ a 3′, copiando un patrón de DNA con una fidelidad notable. Puesto que las dos
cadenas de una doble hélice de DNA son antiparalelas, esta síntesis 5′ a 3′ del DNA sólo
puede ocurrir de forma continua en una de las dos cadenas (la cadena conductora) de la
horquilla de replicación. En la cadena retrasada se sintetizan pequeños fragmentos de DNA
mediante un proceso de ”punto hacia atrás”. Debido a que la DNA polimerasa
autocorrectora no puede iniciar la síntesis de una cadena de DNA estos fragmentos de DNA
sobre la cadena retrasada se inician mediante cortas moléculas de cebador de RNA, las
cuales serán eliminadas más tarde y sustituidas por DNA.
La replica del DNA requiere la cooperación de muchas proteínas, entre las cuales se
encuentran:
1) Una DNA polimerasa y una DNA primasa que catalizan la polimerización de nucleósidos
trifosfato.
2) DNA helicasas y proteínas de unión a DNA de cadena sencilla, que colaboran en la
apertura de la hélice de DNA que se va a copiar.
3) Una DNA ligasa y una enzima que degrada los cebadores de RNA, uniendo los
fragmentos de DNA de la cadena retrasada sintetizados de forma discontinua.
4) DNA topoisomerasas que actúan solventado problemas de enrollamiento y
enmarañamiento de la hélice. Muchas de estas proteínas se asocian unas con otras en la
horquilla de replicación formando una ”maquinaria de replicación” altamente eficiente,
mediante la cual se coordinan las actividades y los movimientos especiales de los
componentes individuales.>>
.INICIACION Y TERMINACION DE LA REPLICACION DEL ADN EN LOS CROMOSOMAS
La síntesis de DNA empieza en los orígenes de la replicación.
- Los cromosomas bacterianos normalmente tienen un sólo origen de replicación del
DNA.
- Los cromosomas de las células eucariotas tienen varios orígenes de replicación.
- En eucariotas la replicación de DNA sólo tiene lugar durante una parte del ciclo
celular.
- En la fase S se replican distintas regiones de un mismo cromosoma a distintos
tiempos.
- La cromatina altamente condensada se replica de forma tardía, mientras que los genes
presentes en la cromatina menos condensada tienden a replicarse antes.
- Unas secuencias bien definidas de DNA actúan como origen de la replicación en
eucariotas sencillos como la levadura.
- En los orígenes de replicación de eucariotas se unen grandes complejos formados por
muchas subunidades.
- Dificultad para identificar las secuencias del DNA que especifican el inicio de la replicación
en mamíferos.
- Detrás de la horquilla de replicación se ensamblan nuevos nucleosomas.
- Los mecanismos de duplicación cromosómica en eucariotas aseguran que los patrones de
modificación de histonas se pueden heredar.
- La telomerasa replica a los extremos de los cromosomas.
- Las células y los organismos regulan la longitud del telómero.
.SEGUNDO RESUMEN
<<Las proteínas que inician la replicación del DNA se unen a secuencias de DNA en el origen
de replicación y catalizan la formación de una burbuja de replicación con dos horquillas de
replicación que se desplazan en sentidos opuestos. El proceso empieza cuando se forma
un complejo iniciador proteína-DNA y posteriormente carga unaDNA helicasa al patrón de
DNA. Después se añaden otras proteínas formando la”maquinaria de replicación”
multienzimática que en cada horquilla de replicación cataliza la síntesis del DNA.
En bacterias y en algunos organismos eucariotas sencillos, los orígenes de replicación están
determinados por secuencias de DNA específicas que tienen una longitud de unos centenares
de pares de bases. En otros organismos eucariotas, como los humanos, parece que las
secuencias necesarias, para especificar el origen de replicación del DNA no están tan bien
definidas y el origen puede abarcar varios miles de pares de bases.
Por lo general, las bacterias tienen un único origen de replicación en un cromosoma circular.
Pueden replicar su genoma en menos de una hora, con una horquilla de replicación que se
desplaza a una velocidad de 1000 nucleótidos por segundo. La replicación del DNA en células
eucariotas sólo tiene lugar durante una parte del ciclo celular, la fase S. La horquilla de
replicación se desplaza aproximadamente 10 veces más despacio que la horquilla de
replicación de bacterias; debido a la mayor longitud de los cromosomas es necesaria la
presencia de varios orígenes de replicación para completar la replicación de la fase S, que
suele durar unas 8 horas en las células humanas. En estos cromosomas eucariotas, los
diferentes orígenes de replicación se activan siguiendo una secuencia, determinada en parte
por la estructura de la cromatina, replicándose en último lugar las regiones de la cromatina
más condensada.
Después de pasar la horquilla de replicación, la estructura de la cromatina vuelve a formar con
la adición de nuevas histonas a las histonas ya existentes que hereda cada molécula de DNA
hija. El mecanismo de duplicación de los cromosomas permite que el patrón de modificación
de histonas paterno se transmita a los cromosomas hijos y proporcione así un medio de
transmisión de la herencia epigenética. Los eucariotas resuelven el problema de la
replicación de sus extremos de los cromosomas lineales con una estructura especializada en
el extremo, el telómero, que se mantiene gracias a unaenzima polimerasa especial llamada
telomerasa. La telomerasa alarga una de las cadenas de DNA del final del cromosoma
mediante un patrón de RNA que es parte integral de la propia enzima; el resultado es una
secuencia de DNA altamente repetidade algunas unidades de pares de nucleótidos al final
de cada cromosoma.>>
.
.
REPARACIÓN DEL DNA
- Si no fueran corregidas las alteraciones espontáneas del DNA podrían cambiar rápidamente
las secuencias del DNA.
- La doble hélice de DNA es reparada con rapidez.
- Las alteraciones del DNA pueden ser eliminadas por más de una vía.
- El acoplamiento de la reparación del DNA a la transcripción asegura que el DNA más
importante de la célula se repara de forma eficiente.
- Las propiedades químicas de las bases del DNA facilitan la detección de las
alteraciones.
- Se utilizan DNA polimerasas para reparar el DNA en casos de emergencia.
- Las roturas en la doble cadena son reparadas de forma eficiente.
- Las alteraciones del DNA retrasan la progresión del ciclo celular.
.
La información genética puede ser almacenada de forma estable en las secuencias de DNA,
solamente porque un gran conjunto de enzimas reparadoras rastrean de forma continua el
DNA y reemplazan cualquier nucleótido alterado. La mayoría de los tipos de reparación del
DNA dependen de la presencia de una copia separada de la información genética en cada
una de las dos cadenas de la doble hélice del DNA. De este modo, una enzima reparadora
elimina una lesión accidental en una de las células y resintetiza la cadena utilizando como
referencia la información contenida en la cadena no alterada.
La mayor parte de las alteraciones en bases del DNA son eliminadas por una de las dos
principales vías de reparación del DNA. En la reparación por eliminación de bases, la base
alterada es eliminada por una enzima DNA glucosilasa y a continuación se corta el azúcar
fosfato resultante. En la reparación por eliminación de nucleótidos, se elimina de la doble
hélice de DNA una pequeña sección de la cadena de DNA que rodea la alteración en forma de
oligonucleótido. En ambos casos, el hueco dejado en la hélice del DNA se rellena mediante la
acción secuencial de una DNA polimerasa y una DNA ligasa, utilizando la cadena de DNA no
alterada como patrón. Algunos tipos de daño del DNA se reparan mediante una estrategia
diferente: la reversión química directa del daño, la cual es llevada a cabo por proteínas de
reparación especializadas.
Otros sistemas de reparación cruciales -basados en mecanismos de unión en extremos no
homólogos o en la recombinación homólogaa- son capaces de corregir las roturas
accidentales de la doble cadena que ocurren en la hélice de DNA. En la mayoría de las
células, un nivel elevado de alteraciones en el DNA provoca un retraso en el ciclo celular
mediante los puntos de control, los cuales aseguran que el DNA sea reparado antes de que la
célula se divida.>>
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RECOMBINACIÓN HOMÓLOGA
- La recombinación homóloga tiene muchas utilidades en la célula.
- La recombinación homóloga tiene características comunes en todas las células.
- El apareamiento de bases de DNA guía la recombinación homóloga.
- La proteína RecA y sus homólogas permiten que una molécula de una sola cadena de DNA
se aparee con una región homóloga en una doble hélice.
- La migración de cadenas puede alargar las regiones de heterodúplex o dejar el DNA de
nueva síntesis como DNA de cadena sencilla.
- La recombinación homóloga puede reparar de forma perfecta roturas en la doble cadena de
DNA.
- Las células regulan estrechamente la utilización de la recombinación homóloga en la
reparación del DNA.
- Las uniones tipo Holliday a menudo se forman durante las recombinaciones homólogas.
- La recombinación meiótica empieza con una rotura programada de la doble cadena.
- La recombinación homóloga genera a menudo una conversión génica.
- La corrección de errores de apareamiento evita la recombinación promiscua entre dos
secuencias de DNA mal apareadas.
<<La recombinación homóloga [también llamada recombinación general] da lugar a la
transferencia de información genética entre dos segmentos dúplex de DNA de secuencia
nucleotídica similar. Este proceso es esencial para la reparación sin errores del daño
cromosómico en todas las células y también es el responsable del entrecruzamiento de
cromosomas que tiene lugar durante la meiosis. Los fenómenos de recombinación están
dirigidos por un conjunto especializado de proteínas. A pesar de que puede ocurrir en
cualquier parte de la molécula de DNA, siempre requieren interacciones de apareamiento en
regiones extensas entre las cadenas complementarias de los dos dúplex de DNA que
interaccionan. En la meiosis, la recombinación homóloga se inicia con la rotura de la doble
cadena llevada a cabo de forma intencionada en cada cromosoma. Estas roturas son
transformadas en extremos 3′ los cuales, mediante una reacción catalizada por la familia
de proteínas RecA, invaden la cadena homóloga en la pareja de dúplex. La migración de
cadenas acompañada de las síntesis limitada de DNA conduce a la formación de estructuras
de cuatro cadenas conocidas con el nombre de uniones de Holliday.
Cada reacción de recombinación termina cuando se resuelven estos intermediarios de la
recombinación. El resultado puede ser o bien dos cromosomas que se han entrecruzado (es
decir, cromosomas en los que el DNA a cada lado del punto de bifurcación procede de dos
homólogos diferentes) O bien dos cromosomas que no se han entrecruzado. En el último
caso, los dos cromosomas resultantes son idénticos a los dos homólogos originales, excepto
por la cantidad de cambios de secuencia relativamente menores en el punto de
recombinación. Con excepción de la meiosis, las reacciones de recombinación homóloga que
reparan con precisión las roturas de la doble cadena casi nunca producen productos de
entrecruzamiento.>>
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TRANSPOSICIÓN Y RECOMBINACIÓN CONSERVATIVA ESPECÍFICA DE LUGAR.
- Los elementos genéticos móviles se pueden insertar en cualquier secuencia de DNA
mediante transposición.
- Los transposones sólo de DNA se desplazan mediante mecanismos de corte y unión y
mecanismos replicativos.
- Algunos virus utilizan mecanismos de transposición para desplazarse a cromosomas de la
célula huésped.
- Los retrotransposones retrovirales se parecen a los retrovirus pero no tienen proteína de
cubierta.
- Una gran proporción del genoma humano está compuesto de retrotransposones no
retrovirales.
- En distintos organismos predominan distintos elementos transponibles
- La secuenciación del genoma permite conocer aproximadamente cuándo se han desplazado
los elementos transponibles.
- La recombinación conservativa específica de lugar puede reordenar el DNA de forma
reversible.
- La recombinación conservativa específica de lugar fue descubierta en el bacteriófago λ
- La recombinación conservativa específica de lugar se utiliza para activar o desactivar genes.
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RESUMEN SEXTO
<<Los genomas de prácticamente todos los organismos contienen elementos genéticos
móviles que pueden desplazarse desde una posición en el genoma a otra, mediante procesos
de recombinación transposicional o conservativa específica de lugar. En la mayoría de los
casos, este desplazamiento se produce al azar y ocurre con frecuencias muy bajas. Los
elementos genéticos móviles incluyen los transposones, que se desplazan dentro de una
misma célula (y sus descendientes), y todos aquellos virus cuyos genomas pueden integrarse
en los genomas de sus células huésped. Existen tres clases de transposones de DNA,
retrotransposones retrovirales y retrotransposones no retrovirales. Excepto los de la tercera
clase, todos los transposones tienen parientes muy cercanos entre los virus. A pesar de que
los virus y los elementos transponibles pueden considerarse como parásitos, muchos de los
nuevos ordenamientos de las secuencias del DNA que producen sus procesos de
recombinación específica de lugar han generado una variabilidad genética crucial para la
evolución de las células y los organismos.>>
.
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Introducción
Todas las células experimentan un ciclo de división durante su vida. Algunas células se están dividiendo continuamente (e.g. las células madre), otras se dividen un número específico de veces hasta que ocurre su muerte (apoptosis), y todavía otras se dividen unas pocas veces antes de entrar en un estado de diferenciación terminal o un estado de inactividad. La mayoría de las células del cuerpo caen en
esta última categoría. Durante el proceso de la división celular todo dentro de la célula se debe duplicar para asegurar la supervivencia de las dos células hijas resultantes. De particular importancia para la supervivencia celular es la duplicación exacta, eficiente y rápida del genoma celular. Este proceso se denomina replicación del ADN.
Regreso al inicio
Genomas Eucarióticos
El tamaño de los genomas eucarióticos es sumamente grande comparado con el de los procariotas. Esto es en parte debido a la complejidad de los organismos eucarióticos comparados con los procariotas. Sin embargo, el tamaño de un genoma eucariótico particular no se correlaciona directamente a la complejidad de los organismos. Éste es el resultado de la presencia de una gran cantidad de ADN no codificado. Las funciones de estas secuencias de ácidos nucleicos no codificadas no se comprenden completamente. Algunas secuencias están implicadas en el control de la expresión del gen mientras que otras pueden simplemente estar presentes en el genoma para actuar como un buffer evolucionario capaz de soportar la mutación del nucleotido sin la interrupción de la integridad del organismo.
Una clase abundante de ADN es denominado ADN repetitivo. Hay 2 diferentes subclases de ADN repetitivo, los altamente repetitivos y los
moderadamente repetitivos. El ADN altamente repetitivo consiste en secuencias cortas de 6-10 bp de largo reiterado desde 100.000–1.000.000 veces. El ADN del genoma que consiste en los genes (secuencias de codificación) se identifica como ADN no repetitivo, puesto que la mayoría de los genes ocurren una vez en un organismo de genoma aploide. Sin embargo, se debe precisar que varios genes existen como grupos secuenciales de múltiples copias del mismo gen que van desde 50 a 10.000 copias tal como es el caso de los genes de rRNA y los genes de histona.
Otra característica que distingue los genes eucarióticos de los procarióticos es la presencia de intrones. Los intrones son tramos de secuencias de acidos nucleícos que separan los exones de codificación de un gen. La existencia de intrones en los procariotas es extremadamente rara. Esencialmente todos los genes humanos contienen intrones. Una excepción notable son los genes de histona los cuales no tienen intrones. En muchos genes la presencia de intrones separa los exones en las regiones de codificación exhibiendo distintos dominios funcionales.
Regreso al inicio
Estructura de la Cromatina
La cromatina es un término que designa la estructura en la cual el ADN existe dentro de las células. La estructura de la cromatina es determinada y estabilizada con la interacción del ADN con las proteínas ligadoras del ADN. Hay 2 clases de proteínas ligadoras del ADN. Las histonas son la principal clase de proteínas ligadoras involucradas en mantener la estructura compacta de la cromatina. Hay 5 diferentes proteínas de histona identificadas como H1, H2A, H2B, H3 y H4.
La otra clase de proteínas ligadoras del ADN es un diverso grupo de proteínas llamadas simplemente, proteínas no histonas. Esta clase de proteínas incluyen los distintos factores de transcripción, polimerasas, receptores hormonales y otras enzimas nucleares. En cualquier célula dada hay más de 1000 diferentes tipos de proteínas no histonas unidas al ADN.
La unión del ADN por las histonas genera una estructura llamada nucleosoma. La parte central del nucleosoma contiene una estructura
octamera de la proteína que consiste en 2 subunidades cada una de H2A, H2B, H3 y H4. La histona H1 ocupa el ADN internucleosomal y es identificado como la histona ligadora. La parte central del nucleosoma contiene aproximadamente 150 bp de ADN. El enlace de ADN entre cada nucleosoma puede variar de 20 a más de 200 bp. Estas estructuras de la parte central nucleosomal aparecen como "bolas en una cadena" si el ADN fuera extendido en una estructura lineal.
Representación de diagrama de un nucleosome
Los propios nucleosome núcleos en una bobina solenoide de forma que a su vez a más bobinas compacta el ADN. Estas bobinas final son más compactada en la característica cromatina visto en un metafase Cariotipador propagación. La proteína ADN-estructura de la cromatina está estabilizado por apego a un no-proteínas histonas andamio llamado matriz nuclear.
Jerarquía de estructura de la cromatina
En una consideración amplia de la estructura de la cromatina hay dos formas: heterocromatina y euchromatin que originalmente fueron designados sobre la base de citológico observaciones de la forma oscura las dos regiones fueron teñidos. Heterocromatina es más densamente euchromatin y que se encuentra a menudo cerca de los centrómeros de los cromosomas. Heterocromatina es en general transcriptionally silencio. Euchromatin por otra parte, es poco más embalados y es que activa la transcripción de genes que se encuentran a estar tomando lugar.
Existen dos mecanismos primarios que operan en una forma dinámica para modificar la cromatina. Estos mecanismos de metilación de citidina residuos en el ADN que se encuentran en la dinucleótido,–CG–(la mayoría de las veces escrito como un dinucleótido CpG) y la histona modificación. Citidina metilación de los residuos como un después de la modificación de la replicación del ADN es que se mencionan a continuación y se examinarán aquí.
La hora de determinar que los residuos C en el ADN son objetivos de metilación se descubrió que más de un 90% de metil-C se encuentra en el dinucleótido, CpG. Esto no quiere decir que todos los CpG dinucleotides contener una metilado C de residuos. Al examinar la estructura de los genes eucariotas y la identificación de las regiones del CpG dinucleotides es el caso de que el promotor de las regiones contienen genes 10-20 como muchas veces CpGs en comparación con el resto del genoma. En un sentido general lo que se conoce acerca de metilación del ADN y la transcripción es la condición de que cuando
regiones de un gen que puede ser metilado son, el gen se asocia transcriptionally en silencio y, cuando la región es bajo-metilado el gen es transcriptionally activa o se puede activar. Al someterse a la diferenciación de las células se ha observado que los genes que se activan transcriptionally exposición una reducción en la metilación estado en relación con el nivel previo a la activación y en virtud de que esta metilación-sigue siendo incluso después de la transcripción cesa. La metilación del ADN es la catalizada por las diferentes ADN methyltransferases (abreviado Dnmt). La función crítica de la metilación del ADN en controlar el desarrollo destinos se demostró en ratones ya sea por inactivar Dnmt3a o Dnmt3b. Pérdida de genes, ya sea causado la muerte poco después del nacimiento. Cuando las células dividen el ADN contiene un capítulo de los padres del ADN y un capítulo de el recién replicado el ADN (la hija del capítulo). Si contiene el ADN metilado cytidines CPG dinucleotides en el capítulo hija debe someterse a la metilación en para mantener el patrón de los padres de la metilación. Este "mantenimiento" metilación es la catalizada por Dnmt1 y, por lo tanto, esta enzima se llama el methylase mantenimiento.
La correlación entre la metilación del ADN y la estructura de la cromatina en lo que se refiere a la actividad transcripcional se demuestra por la observación de que hay varias proteínas que se unen a metilado CpGs pero no a unmethylated CpGs. Uno tales proteínas se MeCP2 (metacrilato de proteína de unión CP 2). Cuando se une a MeCP2 metilado CpG dinucleotides la toma de ADN en la cromatina una estructura cerrada y conduce a la represión transcripcional. La capacidad de MeCP2 de obligar a metilado CpGs a su vez es controlada por su estado de fosforilación. Cuando se MeCP2 fosforilados que se une con menos afinidad al ADN y adquiere una mayor apertura cromatina estado. La importancia de MeCP2 la cromatina en la regulación de la estructura y por consiguiente, la transcripción se demuestra por el hecho de que las deficiencias en este proteínas en el resultado síndrome de Rett. El síndrome de Rett es un desarrollo neurológico trastorno que se produce casi exclusivamente en las mujeres se manifiesta como mental retraso, convulsiones, microcefalia, detenido el desarrollo, y la pérdida de expresión.
Proteínas histonas están sujetos a una serie de modificaciones y esas modificaciones se sabe que afectan a la estructura de la cromatina. Acetilación de histonas es sabido que da lugar a una mayor apertura estructura de la cromatina y modificar estas histonas se encuentran en las regiones de la la cromatina que se transcriptionally
activa. Por el contrario, de underacetylation histonas se asocia con el cierre de la cromatina y la inactividad transcripcional. Un correlación directa entre la acetilación de histonas y la actividad transcripcional demostrada cuando se descubrió que los complejos de proteínas, anteriormente conocido por transcripcional ser activadores, se determinó que la histona acetylase actividad. Y como era de esperar, represor transcripcional complejos eran contener la histona deacetilasa actividad.
Vínculo entre la metilación del ADN y silenciamiento transcripcional se ha demostrado que la observación de que las proteínas que se unen a metil CpG dinucleotides puede contratar a deacetylases histonas del ADN. Las proteínas se sabe que interactúan con acetilado histonas que juntos conducen a una más estructura de la cromatina abierta. Proteínas que se unen a acetilado lysines en histonas contienen un dominio llamado bromodomain. El bromodomain se compone de un conjunto de cuatro hélices α-y es un dominio de proteínas que participan en las interacciones proteína-en una número de sistemas celulares, además de la histona acetilado vinculante y estructura de la cromatina modificación.
Otra modificación de las histonas sabe que afectan a la estructura es la cromatina metilación. Sin embargo, con la metilación de histonas no hay una correlación directa entre la modificación y un efecto específico sobre la transcripción. La metilación de la histona H4 en R4 (arginina en la posición 4) promueve un abierto la cromatina estructura y, por lo tanto, conduce a la activación transcripcional. Metilación de histona H3 en K4 y K79 (lysines 4 y 79) se ha demostrado que actuar al igual que histona H4 R4 metilación. Sin embargo, la metilación de las histonas H3 en K9 y K27 es que están asociados con genes inactivos transcriptionally. La metilación de histonas proporciona un sitio para la unión de otras proteínas que a su vez conduce a alteración de la estructura de la cromatina a un estado más compactada. Proteínas que se unen metilado a histonas contienen un dominio llamado chromodomain. El chromodomain consta de un tramo conservado de 40-50 aminoácidos y se encuentra en muchos proteínas implicadas en la remodelación de la cromatina complejos. Además, chromodomain las proteínas se encuentran en el RNA-transcripcional inducidos por silenciar (RITS) complejo implica que los pequeños ARN de interferencia (siRNA) y microRNA (miRNA)-medicamentosos downregulation de transcripción. Para más detalles sobre los pequeños no codificante y RNAs regulación transcripcional ver el Control de la Expresión Génica Página .
Proteínas histonas también puede ser modificado por la adición de pequeñas proteínas ubiquitina. Ubiquitination se encuentra sólo en las histonas H2A y H2B y sólo un pequeño porcentaje de las histonas H2A se encuentra ubiquitinated. Sin embargo, cuando ubiquitinated, H2A está relacionado con la represión de la transcripción. El lugar exacto de efecto contrario se observa cuando la histona H2B es ubiquitinated, lo que lleva a una estimulación de la actividad de genes. La razón por la que ubiquitinated histonas H2B es relacionados con la actividad transcripcional es que esta modificación promueve la metilación de las histonas H3 en K4 y K79, que, como indicó anteriormente se asocia con estructura de la cromatina abierta.
Fosforilación de las histonas se produce principalmente en respuesta a las señales de fuera de tales como la estimulación del factor de crecimiento o inductores de estrés, tales como golpes de calor. Fosforilados histonas están localizados a los genes que se convierten en transcriptionally activa como consecuencia de estas señales fuera. La importancia de la histona fosforilación en el control de la expresión génica puede ser demostrado en pacientes Coffin-Lowry, síndrome de. Esta enfermedad se debe a defectos en la RSK2 gen que codifica la histona phosphorylating enzima. Ataúd-el síndrome de Lowry es una rara forma de X-mental ligado se caracteriza por retraso malformaciones esqueléticas, retraso del crecimiento, la audición déficit, los trastornos del movimiento paroxístico, y el deterioro cognitivo en las zonas afectadas los hombres.
Regreso al inicio
Replicación del ADN
La replicación del ADN ocurre durante el normal ciclo de división celular. Debido a que el complemento genético de las células hijas resultantes debe ser igual que el de la célula madre, la replicación del ADN debe poseer un muy alto grado de fidelidad. El proceso entero de la replicación del ADN es complejo e implica múltiples actividades enzimáticas.
Los mecanismos de la replicación del ADN fueron originalmente caracterizados en la bacteria E. coli, la cuál contiene 3 distintas enzimas capaces de catalizar la replicación del ADN. Éstas han sido identificadas como ADN polimerasa (pol) I, II, y III. La pol I tiene la
actividad de replicación más abundante en E. coli pero tiene como su papel primario asegurar la fidelidad de la replicación a través de la reparación del daño y la incompatibilidad del ADN. La replicación del genoma de E. coli es el trabajo de la pol III. Esta enzima es mucho menos abundante que pol I, sin embargo, su actividad es cerca de 100 veces mayor que la de pol I.
Hasta hace unos años el uso de letras griegas para designar a los seis ADN polimerasas eucarióticas conocidas era suficiente. Sin embargo, la evidencia reciente indica que varios miembros de la familia más ADN polimerasa eucariótica son presentar y función en distintos tipos de replicación del ADN. Estos ADN polimerasas se dividen en cuatro familias grandes designados A, B, X e Y. Además, existe una actividad de transcriptasa inversa asociado con la telomerasa como discuten a continuación. Los seis diferentes polimerasas de ADN eucariota se identifican como α, β, γ, δ, ε, y ζ. La identidad de estas enzimas individuales se refiere a su localización subcelular, su actividad replicativa primaria y al orden en el que se describió por primera vez. El ADN eucariótico conocido polimerasas y descripciones de sus actividades se indican en la Tabla a continuación.
ADN Polimerasas Eucariotas
Familia de la
Polimerasa
Nomenclatura Común del
Función de la Enzima, Comentarios
A γ (gamma)la replicación del ADN mitocondrial; codificada por el gen POLG en 15q26.1 cromosoma
A θ (theta)Reparación del ADN; codificada por el gen POLQ en cromosoma 3q13.33
B α (alpha)
iniciación de la replicación del ADN cromosómico, el cebado Okazaki fragmento, también involucrados en la doble cadena de reparación de ruptura; codificada por el gen POLA en cromosoma Xp22.1–21.3
B δ (delta) ADN cromosómico alargamiento de replicación, reparación por escisión de nucleótidos, de doble filamento romper la reparación, de reparación de genes, se compone de un complejo multisubunit que incluye el complejo de la subunidad de la
polimerasa codificada por cuatro la POLD1, POLD2, POLD3, y POLD4 genes, así como la replicación multisubunit proteína del factor C (siglas en Inglés: RFC1) y antígeno de proliferación celular (siglas en Inglés: PCNA)
B ε (epsilon)
ADN cromosómico alargamiento de replicación, reparación por escisión de nucleótidos, de doble filamento romper la reparación, de reparación de genes, se compone de un catalizador 261kDa subunidad codificada por el gen POLE en cromosoma 12q24.33 y un accesorio de 55kDa proteína codificada por el gen POLE2, proteínas adicionales en el complejo épsilon incluir dos histona plegada en las proteínas codificadas por los genes POLE3 y POLE4
B ζ (zeta)
bypass (translesion) la síntesis de ADN; codificada por el gen POLZ en cromosoma 6q21, también conocida como REV3, enzima responsable de prácticamente todos los daños en el ADN inducidos por mutagénesis así como la mayoría de mutagénesis espontánea
X β (beta)
base reparación por escisión, necesaria para la replicación del ADN y el mantenimiento, recombinación, y resistencia a los medicamentos; codificada por el gen POLB en cromosoma 8p11.21
X λ (lambda)base reparación por escisión; codificada por el gen POLL en cromosoma 10q24.32
X μ (mu)no unirse a fin homóloga (siglas en Inglés: NHEJ); codificada por el gen POLL
X σ (sigma)
la cohesión de cromátidas hermanas, codificada por el gen POLS en cromosoma 5p15.31; también conocido como función de las proteínas relacionadas con la topoisomerasa 4 (siglas en Inglés: TRF4) y poli (A) polimerasa asociada al dominio que contienen proteínas 7 (siglas en Inglés: PAPD7)
Y η (eta) bypass (translesion) la síntesis de ADN; codificada por el gen POLH en cromosoma 6p21.1, necesaria
para la replicación a través de pirimidina ciclobutano inducida por UV dímeros (CPD), las mutaciones en consecuencia, en POLH Xeroderma pigmentosa variante (XP-V)
Y ι (iota)bypass (translesion) la síntesis de ADN; codificada por el gen POLI en cromosoma 18q21.2; también conocido como RAD30B
Y κ (kappa)bypass (translesion) la síntesis de ADN; codificada por el gen POLK en cromosoma 5q13.3
Y Rev1Lpasar por alto (translesion) la síntesis de ADN, codificada por el REV1, que interactúa con POLK y es esencial para la función POLK
La capacidad de las ADN polimerasas para replicar el ADN requiere de un número de proteínas accesorias adicionales. La combinación de las polimerasas con varios de los accesorios de las proteínas produce una actividad identificada como holoenzima ADN polimerasa. Estas proteínas accesorias incluyen (no ordenado con respecto a importancia):
1. Primasa
2. Proteínas accesorias de procesamiento
3. Proteínas ligadas de un solo filamento
4. Helicasa
5. ADN ligasa
6. Topoisomerasas
7. Uracil-ADN N- glicosilasa
El proceso de replicación del ADN comienza en los sitios específicos en los cromosomas denominados orígenes de la replicación, requiere de un iniciador (primer) que tiene un 3'-OH libre, y procede específicamente en la dirección 5'—>3' en ambos filamentos del ADN concurrentemente y resulta en el copiado del patrón de filamentos de una manera semiconservativa. La naturaleza semiconservativa de la replicación del ADN significa que los nuevos filamentos hijos sintetizados, siguen siendo asociados con sus respectivos filamentos patrones.
El gran tamaño de los cromosomas eucarióticos y los límites de la incorporación del nucleotido durante la síntesis del ADN, hacen necesario de que existan múltiples orígenes de replicación para completar la replicación en un período de tiempo razonable. La naturaleza exacta de los orígenes de la replicación en organismos eucarióticos mayores no es clara. Sin embargo, está claro que un origen de replicación de los filamentos del ADN deben disociarse y desenrollarse para permitir el acceso a la polimerasa del ADN. El desenrollamiento de las dos cadenas del ADN en el origen así como también en los filamentos mientras el proceso de replicación procede se lleva a cabo por la acción de las helicasas. Las regiones resultantes de filamentos simples del ADN son estabilizadas por la unión de las proteínas ligadoras de un solo filamento. Las regiones estabilizadas de un solo filamento son entonces accesibles a las actividades enzimáticas requeridas para proceder a la replicación. El sitio de los filamentos patrón desenrollados se denomina bifurcación de la replicación.
Para que las polimerasas del ADN sinteticen ADN deben encontrar un 3'-OH libre que es el substrato para la anexión de los 5'-fosfato del nucleótido entrante. Durante la reparación del ADN dañado el 3'-OH puede presentarse de la hidrólisis del esqueleto de uno de los dos filamentos. Durante la replicación el 3'-OH es abastecido con el uso de un primer de RNA, sintetizado por la actividad de la primasa. La primasa utiliza los filamentos del ADN como patrones y sintetiza un corto trecho de RNA que genera un primer para la polimerasa del ADN.
La síntesis del ADN procede en la dirección 5'—>3' a través de la unión del 5'-fosfato de un dNTP entrante a los 3'-OH existentes en los filamentos del ADN que se esta elongando con la liberación concomitante de pirofosfato. La iniciación de la síntesis, en los orígenes de la replicación, ocurre simultáneamente en ambos filamentos del ADN. La síntesis entonces procede bidireccionalmente, con un filamento en cada dirección siendo copiado continuamente y un filamento en cada dirección siendo copiado discontinuamente. Durante el proceso las ADN polimerasas que están incorporando dNTPs al ADN en la dirección 5'—>3' estas se mueven en la dirección 3'—>5' en relación al filamento original. Para que la síntesis del ADN ocurra simultáneamente en ambos filamentos originales así como también en forma bidireccional, un filamento parece que esta siendo sintetizado en la dirección 3'—>5'. En realidad un filamento de ADN sintetizado de nuevo es producido discontinuamente.
El filamento de ADN sintetizado continuamente se denomina filamento principal y el filamento discontinuo se denomina filamento rezagado. El filamento rezagado del ADN se compone de tramos cortos del primer de RNA más ADN sintetizado de nuevo de aproximadamente 100-200 bases de largo (la distancia aproximada entre los nucleosomas adyacentes). Los filamentos rezagados del ADN también se llaman fragmentos Okazaki. El concepto de la síntesis continua del filamento es algo así como un nombre inapropiado puesto que las polimerasas del ADN no se mantieneb asociadas con un filamento patrón indefinidamente. La capacidad de una polimerasa particular para permanencer asociada con el filamento patrón se denomina procesividad. Mientras más tiempo está asociada más larga en la procesividad de la enzima. La procesividad de la polimerasa del ADN es realzada por las actividades proteicas adicionales del replisoma identificado como proteínas accesorias de procesividad.
Representación esquemática de un lado de un tenedor de replicación del ADN. Gran flecha representa la dirección general de replicación con la principal línea y líneas de retardo de la replicación muestran separados el uno del otro. en la actualidad el proceso consiste en un bucle de una de las dos líneas parentales con el fin de permitir la reproducción simultánea de ambos hebras de lo que parece ser la misma dirección. Este detalle se ilustra en la siguiente Figura.
¿Cómo es que la polimerasa del ADN puede copiar ambos filamentos del ADN en la dirección 5'—>3' simultáneamente? Un
modelo ha sido propuesto donde las polimerasas del ADN existen como dimeros asociados con las otras proteínas necesarias en la replicación bifurcada e identificados como replisoma. El patrón para el filamento rezagado es colocado temporalmente a través del replisoma de tal manera que las polimerasas del ADN están moviendose a lo largo de ambos filamentos en la dirección 3'—>5' simultáneamente por distancias cortas, la distancia de un fragmento Okazaki. Mientras que las replicaciones bifurcadas progresan a lo largo del patrón de los filamentos los filamentos hijos recientemente sintetizados y los filamentos parentales del patrón reforman una doble hélice del ADN. Esto significa que solamente una pequeña porción del duplex de ADN tiene una sola hebra en un momento determinado.
Details of the mechanism by which both strands of DNA are replicated simultaneously in the same direction. A portion of the lagging strand is looped around through the DNA polymerase holoenzyme complex such that short stretches of 500–1000 can be continuously replicated in the same direction as the leading strand. Eventually torsional stress will result in disassociation of the enzyme complex and the looping process will need to begin again. This is what results in the
average length of the Okasaki fragments generated from the lagging strand. Only DNA helicase, single-strand binding proteins (SSBPs), and the DNA polymerase complex are shown.
La progresión de la bifurcación de replicación requiere que el ADN por delante de la bifurcación sea continuamente desenrollado. Debido al hecho que el ADN cromosómico eucariótico está unido a una estructura proteíca, el movimiento progresivo de la bifurcación de replicación introduce un estrés de torsión severo en el duplex que esta delante de la bifurcación. Este estrés de torsión es disminuido por las topoisomerasas de ADN. Las topoisomerasas alivian el estrés de torsión en los duplex de ADN al introducir rupturas dobles (topoisomerasea II) o de un filamento (topoisomerasas I) en el esqueleto del ADN. Estas rupturas permiten el desenrollamiento del duplex y la remoción del estrés de torción inducido por la replicación. Las rupturas son entonces reparadas por las topoisomerasas.
Los primers de RNA de los filamentos principales y de los fragmentos Okazaki son removidos por las ADN polimerasas de reparación y simultáneamente reemplazan los ribonucleótidos con los desoxiribonucleótidos. Los vacios existentes entre el 3'-OH de un filamento principal y el 5'-fosfato de otro as,í como entre un fragmento Okazaki y otro son reparados por las ligasas de ADN, completando así el proceso de la replicación.
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Actividades Adicionales de la ADN Polimerasa
La actividad enzimática principal de las ADN polimerasas es la actividad sintética 5'—>3'. Sin embargo, las ADN polimerasas poseen dos actividades adicionales de importancia tanto para replicación y reparación. Estas actividades adicionales incluyen una función de exonucleasa 5'—>3' y una función de exonucleasa 3'—>5'. La actividad de exonucleasa 5'—>3' permite la remoción de los ribonucleotidos del primer de RNA, utilizados para iniciar la síntesis del ADN, junto con su reemplazo simultáneo con los desoxiribonucleotidos mediante la actividad de la polimerasa 5'—>3'. La actividad de la exonuleasa 5'—>3' también es utilizada durante la reparación del ADN dañado. La función de la exonucleasa 3'—>5' es utilizada durante la replicación
para permitir que la ADN polimerasa remueva las bases mal unidas. Es posible (pero raro) que las ADN polimerasas incorporen una base incorrecta durante la replicación. Estas bases mal unidas son reconocidas por la polimerasa inmediatamente debido a la carencia de la base de pareamiento de Watson-Crick. La base mal unida es entonces removida por la actividad de la exonucleasa 3'—>5' y la base correcta es insertada antes de la progresión de la replicación.
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Replicación de los Telómeros: Implicaciones para el Envejecimiento y la Enfermedad
Los telómeros son estructuras de ADN especializados en los extremos de los cromosomas que consisten en secuencias repetitivas de ADN y nucleoproteínas, la estructura general de que se conoce como una gorra de la nucleoproteína. La secuencia de los telómeros en el capítulo menos está compuesto por la repetición de 5'–TTAGGG–3'. La secuencia de repetición telomérica se extiende hasta varias kilobases y está involucrado en la protección de la extremos de los cromosomas de la actividad exonucleolytic.
Los extremos de los telómeros de la hebra retardada de cada cromosoma requiere un método único de replicación que implica la actividad de la enzima telomerasa complejo llamado. Esto se debe al hecho de que incluso si la actividad primasa incorporado un primer secuencia de ADN polimerasa δ en la extremo extremo 3' de la hebra retardada, al final de ese capítulo no sería del todo replicarse y por lo tanto, sería susceptible a la degradación. La telomerasa es complejo formado por varias proteínas, ARN con una secuencia de cortesía a las repeticiones teloméricas, y una transcriptasa inversa actividad que se extiende al extremo 3' de las hebras de retraso con el ARN telomerasa como la plantilla. La actividad de la transcriptasa inversa de la telomerasa es codificada por el gen TERT (en Inglés: telomerase reverse t ranscriptase) y el componente ARN es codificada por el gen TERC (en Inglés:telomerase RNA component). El ARN TERC contiene una secuencia hexanucleotide repetir, 3'–AAUCCC–5', que se extiende entre 3 y 20 kilobases. Esta secuencia en el ARN TERC forma un dúplex con la cadena de ADN retraso en la extremos de los cromosomas. El extremo 3' de la hebra retardada se sirve de la manual para la actividad de la transcriptasa inversa (TERT),
que se extiende el extremo 3' de el cromosoma con el ARN TERC como plantilla. Para una imagen de gran tamaño: Haga clic aquí.
Pasos en la función de la elongación de los telómeros por la telomerasa
El proceso de la telomerasa se extiende al final de la cadena retrasada que puede ser replicada por la ADN polimerasa normal, por lo tanto, la preservación de la longitud de la cromosoma. Numerosas líneas de evidencia implican fuertemente acortamiento de los telómeros con la activación de la muerte celular programada (apoptosis), la pérdida de las células madre de tejido, progresión de la enfermedad, y los procesos generales del envejecimiento. La importancia de la longitud de los telómeros y la actividad de la telomerasa funcional se definió inicialmente en cultivos de fibroblastos humanos ya en la década de 1960. Hayflick y compañeros de trabajo demostraron que los fibroblastos fue a través de ciclos celulares progresiva en la cultura de sus telómeros se acorta progresivamente y inducido un estado de arresto proliferativa. Los fibroblastos mostraron un número finito de divisiones celulares que condujeron a la detención y la barrera a la proliferación de este se llama el límite de Hayflick. División forzada de células más allá del límite dado lugar a más pérdida de los telómeros que culminó en la inestabilidad cromosómica sin control y activación de la de la apoptosis. En el extremo opuesto del espectro, obligó a la expresión de la telomerasa, específicamente el gen TERT, en los resultados de los cultivos de fibroblastos en la preservación de longitud de los telómeros y las células adquieren la capacidad de dividirse indefinidamente sin cualquiera de las propiedades malignas.
Numerosos estudios han demostrado una correlación entre el acortamiento de los telómeros y el envejecimiento y las enfermedades humanas. Disminución del tiempo los telómeros en leucocitos de
sangre periférica se ha demostrado que se correlaciona con las tasas de mortalidad más alta en mayores (más de 60 años de edad) los individuos. Esto contrasta con los estudios en centenarios y sus descendientes que han mostrado una relación positiva entre los telómeros la longitud y la longevidad. Estos últimos estudios también demostraron que las personas con telómeros más largos tenían un perfil más saludable en relación con las personas de edad similar con los telómeros de menor longitud. También hay una correlación interesante entre la longitud del telómero y el estrés psicológico y el riesgo para el desarrollo de la enfermedad psiquiátrica. Los estudios realizados en mujeres de 20–50 años han demostrado que aquellos individuos con los niveles más altos de violencia psicológica la tensión había el menor telómeros. Además, el nivel de actividad de la telomerasa en leucocitos de sangre periférica fue menor en aquellos individuos con mayor los niveles de estrés que también coincidió con los niveles más altos de oxidación el estrés. Esta correlación entre el estrés y la actividad de la telomerasa y los telómeros longitud es bastante intrigante, ya que se sabe que los individuos sujetos a estrés psicológico crónico muestran una menor esperanza de vida y la aparición más rápida de las enfermedades que son más típicas de una población envejecida como las enfermedades cardiovasculares.
Mantenimiento de los telómeros relacionada a una vida saludable se infiere también de Los estudios de varios trastornos hereditarios degenerativos. A modo de ejemplo, los individuos portadores de una mutación en el TERT o Genes TERC desarrollar disqueratosis congénita autosómica dominante, DKS (caracterizada por una tríada de uñas anormales, pigmentación de la piel reticular, y la leucoplasia oral, también llamado Zinsser-Cole-Engman síndrome de Down). DKS pacientes se han acortado los telómeros, una reducción de esperanza de vida, y muestran signos de envejecimiento acelerado. No hay otra forma de DKS que se hereda como una enfermedad ligada al cromosoma X como resultado de defectos en el gen DKC1 que codifica una proteína llamada disquerina. Disquerina forma un complejo con otras proteínas generar el complejo de la telomerasa, así como otro complejo que es un pseudouridina sintetasa que modifica rARN. Otros trastornos que se manifiestan con signos de envejecimiento prematuro, como el síndrome de Werner y ataxia telangiectasia también se correlacionan con los telómeros acortados. El síndrome de Werner es una rara enfermedad autosómica recesiva resultado de una deficiencia de la WRN proteína, que es una helicasa ADN implicadas en la reparación del ADN, el ADN recombinación y mantenimiento de los
telómeros. Estos pacientes desarrollan con normalidad hasta que la pubertad. En este momento comienzan a manifestar signos de múltiple progresiva prematuro patologías del envejecimiento, incluyendo las cataratas seniles, la osteoporosis, la piel atrofia, infarto de miocardio y el cáncer. El síndrome de Werner fibroblastos muestran una pérdida acelerada de los telómeros y se someten a la eyaculación senescencia que puede ser revertido por la expresión de TERT cumplir.
Además de los trastornos hereditarios, acortamiento de los telómeros también se correlaciona que han heredado enfermedades degenerativas asociadas a la elevación crónica de tejido volumen de negocio. Por ejemplo, la cirrosis hepática se asocia con una deterioro progresivo de la longitud de los telómeros.
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Modificaciones de Postreplicación del ADN, Metilación
Una de las principales reacciones de postreplicación que modifican el ADN es la mutilación. Los sitios de metilación natural (es decir, no inducida químicamente) del ADN eucariótico siempre están en los residuos de citosina que están presentes en los dinucleotidos CpG. Sin embargo, debe observarse que no todos los dinucleotidos CpG están metilados en el residuo C. La citidina es metilada en la posición 5 del anillo de pirimidina generando 5-metilcitidina.
También ocurre metilación del ADN en células procarióticas. La función de esta metilación es prevenir la degradación del ADN del huésped en presencia de las actividades enzimáticas sintetizadas por las bacterias llamadas endonucleasas de restricción. Estas enzimas reconocen secuencias específicas de nucleótidos del ADN. El papel de este sistema en las células procarióticas (llamadas sistema de restricción de modificación) es degradar ADNs viral extraño. Puesto que los ADNs virales no están modificados por la metilación son degradados por las enzimas de restricción del huésped. El genoma del huésped metilado es resistente a la acción de estas enzimas.
El papel de la metilación del ADN en eucariotas tiene dos claramente definidos y la superposición de funciones. La metilación del CPG dinucleotides afecta a la estructura general de cromatina, que a
su vez altera la amplia disponibilidad de la cromatina a la maquinaria transcripcional. Este efecto de la metilación es un mecanismo de epigénesis. La epigenética como medio de control de genes se discute en el Control de los Genes Expresión página. Los efectos de la metilación en la transcripción de determinados genes fue elegantemente demostrado en experiemnts que llevaron a los menores de metilación de la MyoD gen (un gen maestro de control que regulan la diferenciación de las células musculares a través del control de la expresión de los músculos específicos de genes). -En virtud de la metilación de MyoD en fibroblastos en sus resultados de la conversión a Mioblastos. Los experimentos se llevaron a cabo, permitiendo la reproducción de los fibroblastos de incorporar 5-azacytidine en su nueva síntesis de ADN. Esta analógico de citidina impide la metilación. El resultado neto es que el patrón de la maternidad de la metilación se pierde y numerosos genes en virtud de ser metilado.
El patrón de metilación es copiado postreplicación por el sistema de metilasa de mantenimiento. Esta actividad reconoce el patrón de los residuos C metilados en el filamento materno del ADN luego de la replicación y metila el residuo C presente en el dinucleotido CpG correspondiente del filamento hijo.
Proceso de replicación después de la metilación del ADN
El fenómeno de impresión genómica se refiere al hecho que la expresión de algunos genes depende de si son o no heredados de la madre o del padre. El factor de creciimiento 2 (IGF2) similar a la insulina es un gen cuya expresión es requerida para el normal desarrollo y crecimiento fetal. La expresión de IGF2 ocurre
exclusivamente de la copia paterna del gen. Los genes impresos son "marcados" por su estado de metilación. En el caso de IGF2 un elemento en el locus paterno, llamado elemento aislante, es metilado bloqueando su función. La función del aislante no metilado es ligar una proteína que cuando esta unida bloquea la activación de la expresión IGF2. Cuando esta metilada la proteína no puede unirse al aislante permitiendo así que un elemento reforzador distante conduzca la expresión del gen IGF2. En el genoma materno, el aislante no esta metilado, así la proteína se une al gen bloqueando la acción de un elemento reforzador distante.
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Recombinación del ADN
La recombinación del ADN se refiere al fenómeno por el cual dos filamentos parentales de ADN se juntan dando como resultado un intercambio de las porciones de sus respectivos filamentos. Este proceso conduce a nuevas moléculas de ADN que contienen una mezcla de la información genética de cada filamento parental. Hay 3 formas principales de recombinación genética. Estas son: recombinación homóloga, recombinación específica de sitio y transposición.
La recombinación homóloga es el proceso de intercambio genético que ocurre entre dos moléculas de ADN que comparten una región (o regiones) de las secuencias homólogas de ADN. Esta forma de recombinación ocurre frecuentemente mientras que las cromatides hermanas se aparean durante la meiosis. De hecho, es el proceso de recombinación homóloga entre los cromosomas maternos y paternos que imparte diversidad genética a un organismo. La recombinación homóloga generalmente implica el intercambio de regiones grandes de los cromosomas.
La recombinación específica de sitio implica intercambio entre regiones mucho más pequeñas de la secuencia del ADN (aproximadamente 20-200 pares de base) y requiere el reconocimiento de las secuencias específicas por las proteínas implicadas en el proceso de recombinación. Los eventos de recombinación específica de sitio ocurren primariamente como un mecanismo para alterar el programa de expresión de los genes en las etapas específicas del
desarrollo. Los acontecimientos de recombinación específica de sitio más significativos en los seres humanos son los cambios genéticos de la célula somática que ocurren en los genes de la inmunoglobulina durante la diferenciación de la célula-B en respuesta a la presentación del antígeno. Estos rearreglos del gen en los genes de la inmunoglobulina resultan en un potencial extremadamente diverso para la producción de anticuerpos. Una molécula de anticuerpo típica está compuesta de cadenas pesadas y livianas. Los genes para ambas cadenas de péptidos experimentan el cambio de la célula somática produciendo el potencial para aproximadamente 3000 diferentes combinaciones de cadena liviana y aproximadamente 5000 combinaciones de cadenas pesadas. Entonces debido a que cualquier cadena pesada dada puede combinarse con cualquier cadena liviana dada la diversidad potencial excede a 10.000.000 de posibles moléculas diferentes de anticuerpos.
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Transposición del ADN
La transposición es una forma única de recombinación donde los elementos genéticos móviles pueden moverse virtualmente de una región a otra dentro de un cromosoma o a otro cromosoma. No hay requisito para la secuencia homologa para que un acontecimiento transposicional ocurra. Debido a que el potencial existe para la interrupción de un gen de vital importancia mediante un evento de transposición este proceso debe ser regulado firmemente. La naturaleza exacta de cómo los eventos transposicionales son controlados es confusa.
La transposición ocurre con mayor frecuencia en bacterias y levaduras que en seres humanos. La identificación de la ocurrencia de la transposición en el genoma humano resultó cuando se encontró que ciertos genes procesados estaban presentes en el genoma. Estos genes procesados son casi idénticos al mRNA codificado por el gen normal. Los genes procesados contienen la cola poly (A) que habría estado presente en el RNA y carecen de los intrones del gen normal. Estas formas particulares de los genes pueden haber aparecido por un evento de transcripción reverso, similar al ciclo vital de los genomas retrovirales, y después haber sido incorporados dentro del genoma por
un evento transposicional. Puesto que la mayor parte de los genes procesados que han sido identificados como no funcionales han sido denominados pseudogenes.
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Reparación del ADN Dañado
El cáncer, en la mayoría de los casos que no son provocados por virus, es la consecuencia médica más severa de relevancia debido a la inhabilidad de reparar el ADN dañado. Está claro que las múltiples mutaciones somáticas de la célula en el ADN pueden conducir a la génesis de un fenotipo transformado. Por lo tanto, debe ser obvio que la comprensión completa de los mecanismos de reparación del ADN sería invaluable en el diseño de agentes terapéuticos potenciales para el tratamiento de cáncer.
El daño del ADN puede ocurrir como resultado de la exposición a los estímulos ambientales tales como productos químicos de alquilación o irradiación ultravioleta o radioctiva y radicales libres generados espontáneamente en el ambiente de oxidación de la célula. Estos fenómenos pueden, y lo hacen, conducir a la introducción de mutaciones en la capacidad de codificación del ADN. Las mutaciones en el ADN también, pero raramente, se presentan de la tautomerización espontánea de las bases.
Las modificación de las bases del ADN por alquilación (predominatemente la incorporación de grupos -CH3) predominatemente ocurren en los residuos de purina. La metilación de los residuos G permite que estos se unan con T en lugar de C. Una única actividad llamada O6-alquilguanina transferasa remueve el grupo alquil de los residuos G. Esta enzima en sí misma se alquila y ya no es activa, así, una única molécula de proteína puede remover solamente un grupo alquil.
Las mutaciones en el ADN son de dos tipos. Las mutaciones de transición que resultan del intercambio de una purina, o pirimidina, por otra purina, o pirimidina. Las mutaciones de transversión resultan del intercambio de una purina por una pirimidina o viceversa.
El prominente subproducto de la irradiación uv del ADN es la formación de los dimeros de timina. Éstos se forman a partir de dos
residuos T adyacentes en el ADN. La reparación de los dimeros de timina es más entendido cuando se consideran los mecanismos utilizados en E. coli. Sin embargo, varios mecanismos son comunes a procariotas y eucariotas.
Los dimeros de timina son removidos por varios mecanismos. Las glicohidrolasas específicas reconocen el dimero como anormal y rompen la unión N-glicosídica de las bases en el dimero. Esto resulta en la salida de una base y genera un sitio apirimidinico en el ADN. Esto es reparado por la polimerasa y ligasa del ADN. Las glicohidrolasas son también responsables de la remoción de otras bases anormales, no solo dimeros de timina.
Otra, actividad proteíca extensamente distribuida, es la ADN fotoliasa o enzima fotoreactivante. Esta proteína liga los dimeros de timina en la obscuridad. En respuesta a la estimulación de la luz visible la enzima rompe los anillos de pirimidina. El cromóforo asociado con esta enzima que permite la activación de la luz visible es FADH2.
Los seres humanos defectuosos en la reparación del ADN, (en particular la reparación de UV inducida por dímeros de timina), debido a la forma autosómica recesiva sufren defectos genéticos de la enfermedad Xeroderma pigmentosa (XP ). Hay por lo menos ocho distintos defectos genéticos asociados con esta enfermedad identificada como XPA, XPB, XPC, XPD, XPE, XPF, XPG, y XPV. Las variantes a través de XPA XPG son todos que participan en reparación por escisión de nucleótidos (NER), mientras que el locus XPV está implicado en replicación de ADN dañado en la primera línea. NER implica la supresión de un amplia gama de estructuralmente no relacionadas entre ellos las lesiones del ADN cyclobutane dímeros de timina, otros dímeros de pirimidina, pirimidina-produjo pyrimidone photoproducts en la piel humana o por los rayos UV de onda corta, y espiral de distorsión inducida por productos químicos aductos por agentes carcinógenos. Muchas de las proteínas de los productos estos genes se encuentran en heterodimeric complejos con otras proteínas implicadas en la reparación de ADN. Hay dos formas clínicas principales de XP, una que conduce a la progresiva cambios degenerativos en los ojos y la piel y la otra que también incluye a la degeneración neurológica progresiva.
Otro desorden heredado que afecta la reparación del ADN en el cual los pacientes sufren de sensibilidad al sol, corta estatura y degeneración neurológica progresiva sin una incidencia creciente de cáncer de piel es el Síndrome de Cockayne.
Ataxia Telangiectasia (AT) es un trastorno autosómico recesivo como resultado de la discapacidad neurológica y suprimido la función inmunológica. Telangiectasias superficiales se dilatan los vasos sanguíneos, como también en pacientes con la rosácea o la esclerodermia. A los pacientes desarrollar una ataxia cerebelosa desactivar temprano en la vida y tienen infecciones recurrentes. Los pacientes que sufren de AT tienen una mayor sensibilidad a la radiación-x resultantes de defectos en el gen ATM (Ataxia Telangiectasia mutado), que codifica una kinasa que es inducida en respuesta a la doble vertiente pausas en el ADN. Uno importante sustrato de la quinasa ATM es la tumor supresor de la proteína, p53. Hay cuatro distintos grupos de complementación resultante en AT identificado como ATA, ATC, ATD, y ATE. Los cuatro son el resultado de mutaciones en el gen ATM.
Varias enfermedades asociadas con la reparación defectuosa del ADN dañado pueden ser encontradas en la página de Errores innatos.
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Quimioterapias para la Replicación del ADN
La clase de compuestos que han sido utilizados más ampliamente como drogas anticáncer son los agentes alquilantes. Los principales agentes alquilantes se derivan de las mostazas nitrogenadas que fueron originalmente desarrolladas para uso militar. Los agentes alquilantes comúnmente usados incluyen ciclofosfamida (Cytoxan, Neosar), ifosfamida, decarbazina, clorambucil (Leukeran) y procarbazina (Matulane, Natulan).
Los agentes alquilantes funcionan reaccionando con e interrumpiendo la estructura del ADN. Algunos agentes reaccionan con los grupos alquil en el ADN dando lugar a la fragmentación del ADN como consecuencia de la acción de las enzimas de reparación del ADN. Algunos agentes catalizan la unión cruzada de las bases en el ADN lo que previene la separación de los dos filamentos durante la replicación del ADN. Algunos agentes inducen a un mal apareamiento de nucleotidos dando como resultado mutaciones permanentes en el ADN. Los agentes alquilantes actúan sobre el ADN en todas las etapas del ciclo celular, así son drogas anticáncer potentes. Sin embargo,
debido a su potencia, el uso prolongado de agentes alquilantes puede conducir a cánceres secundarios, particularmente leucemias.
Varias clases de drogas anticáncer funcionan con interferencia con las acciones de las topoisomerasas. Dos de estas clases son antraciclinas y camptotecinas.
Los antraciclinas fueron originalmente aisladas de los hongos, Streptomyces. La doxorubicina (Adriamycin, Doxil, Rubex) y la daunorubicina (Cerubidina, DaunoXome, Daunomicina, Rubidomicina) tienen modos similares de acción, aunque la doxorubicina es la más potente de las dos y es utilizada en el tratamiento de cáncer de mama, de linfomas y de sarcomas. Las antraciclinas inhiben las acciones de la topoisomerasa II cuya función es introducir las rupturas de doble filamento en el ADN durante el proceso de replicación como un medio de disminuir el estrés de torsión. Las antraciclinas también funcionan induciendo la formación de los radicales libres de oxígeno que causan rupturas de los filamentos del ADN dando como resultado la inhibición de la replicación.
Otro compuesto anticáncer derivado de las plantas que funciona a través de la inhibición de la topoisomerasa II es el etoposide (VP-16, Vepesid, Etofos, Eposin). El etoposide es aislado de la planta de mandrágora y esta en una clase de compuestos designados como epipodofilotoxinas.
Las camptotecinas fueron encontradas originalmente en la corteza del árbol Camptotheca accuminata e incluye irinotecan (Campto, Camptosar) y topotecan (Hycamtin). La camptotecina inhibe la acción de la topoisomerasa I, una enzima que induce las rupturas de un solo filamento en el ADN durante la replicación.
Compuestos anticáncer que son extraídos de la planta bígaro, Vinca rosea, son llamados alcaloides vinca. Estos compuestos se unen a los monomeros de la tubulina conduciendo a la interrupción de los microtubulos de las fibras mitóticas del huso que son necesarias para la división celular durante mitosis. Hay cuatro alcaloides vinca importantes que se utilizan actualmente como quimioterapéuticos, vincristina (Oncovin, Vincrex), vinblastina (Velbe, Velban, Velsar), vinorelbina (VIN, Navelbine), y vindesina (Eldisine).
Los taxanes son otra clase de compuestos derivados de plantas que actúan vía interferencia con la función del microtúbulo. Estos compuestos son aíslados del árbol Tejo del Pácifico, Taxus rbevifolia e incluye el paclitaxel (Taxol) y el docetaxel (Taxotere). Los taxanes
funcionan por hiperestabilización de los microtúbulos lo que previene la división celular (cytocinesis). Estos compuestos son usados para tratar una amplia gama de cánceres incluyendo cánceres de cabeza y cuello, pulmón, ováricos, mama, vejiga, y los cánceres de próstata. El Taxol ha probado alta efectividad en el tratamiento de ciertas formas de cáncer de mama.
Para que la replicación del ADN proceda, las células proliferativas requieren un pool de nucleótidos. La clase de drogas anticáncer que ha sido desarrollada para interferir con aspectos del metabolismo del nucleótido es conocida como antimetabolitos. Hay dos tipos importantes de antimetabolitos usados en el tratamiento de una amplia gama de cánceres: compuestos que inhiben la timidilato sintasa y compuestos que inhiben la dihidrofolato reductasa (DHFR). Ambas enzimas están implicadas en la biosíntesis del nucleotido de timidina (véase la figura abajo). Las drogas que inhiben la timidilato sintasa incluyen el 5-fluorouracilo (5-FU, Adrucil, Efudex) y 5-fluorodeoxiuridina. Los que inhiben el DHFR son análogos del ácido fólico e incluyen el metotrexato (Trexall, Rheumatrex) y el trimetoprim (Proloprim, Trimpex).
http://themedicalbiochemistrypage.org/es/dna-sp.php
Reparación del ADN
Daños en el ADN, mostrados como roturas en los cromosomas.
La reparación del ADN es un conjunto de procesos por los cuales una célula identifica y corrige daños
hechos a las moléculas de ADN que codifican elgenoma. En las células humanas, tanto las actividades
metabólicas como los factores ambientales, como los rayos UV o la radiactividad, pueden causar daños
al ADN, provocando hasta un millón de lesiones moleculares por célula por día.1 Muchas de estas
lesiones causan daños estructurales a la molécula de ADN, y pueden alterar o eliminar la capacidad de
la célula de transcribir el gen que codifica el ADN afectado. Otras lesiones producen mutaciones
potencialmente nocivas en el genoma de la célula, lo que afecta la supervivencia de sus «células hijas»
a la hora de la mitosis. Por consiguiente, el proceso de reparación del ADN es constantemente activo,
respondiendo a daños a la estructura del ADN.2 3
La velocidad de la reparación del ADN depende de muchos factores, como el tipo de célula, su edad, y
el ambiente extracelular. Una célula que haya acumulado una gran cantidad de daños en el ADN, o que
no pueda reparar eficazmente los daños producidos en su ADN, puede entrar en uno de tres estados
posibles:
1. Un estado irreversible de inactividad, llamado senescencia.
2. Suicidio celular, llamado apoptosis o muerte celular programada.
3. Carcinogénesis , o formación de cáncer.
La capacidad de reparación del ADN es vital para la integridad de su genoma, y por tanto, de su
funcionamiento normal y el del organismo. En el caso de muchos de los genes que se había demostrado
que influían en la longevidad, más tarde se ha revelado que tienen un papel en la reparación y
protección del ADN.4 La incapacidad de corregir lesiones moleculares en las células que
forman gametos pueden introducir mutaciones en el genoma de sus descendientes, influyendo en el
ritmo de la evolución.
Índice
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1 Daño del ADN
o 1.1 Causas de los daños
o 1.2 Tipos de daño
o 1.3 Daños al ADN nuclear y al ADN mitocondrial
o 1.4 Envejecimiento y apoptosis
o 1.5 Daños en el ADN y mutaciones
2 Mecanismos de reparación del ADN
o 2.1 Daños a una única cadena
o 2.2 Daños a cadena doble
3 Fuentes
o 3.1 Referencias
o 3.2 Bibliografía
4 Enlaces externos
Daño del ADN[editar]
Los daños al ADN, que se deben a factores ambientales y a los procesos metabólicos habituales dentro
de la célula, tienen lugar a un ritmo de entre mil y un millón de lesiones moleculares por célula por
día.1 Aunque esto sólo representa un 0.000165% de las aproximadamente seis mil millones de bases
(tres mil millones de pares de bases) del genoma humano, las lesiones no reparadas en genes críticos
(como los genes supresores de tumores) pueden impedir que una célula lleve a cabo su función y
aumentar de manera significativa la posibilidad de que se forme untumor.
La inmensa mayoría de los daños al ADN afectan a la estructura primaria de la doble hélice, es decir, la
química de las bases mismas es modificada. Estas modificaciones pueden a su vez destruir la
estructura normal helicoidal de las moléculas, introduciendo nuevos enlaces químicos o aductos
voluminosos que no caben en la hélice doble estándar. A diferencia de las proteínas y el ARN, el ADN
suele carecer de estructura terciaria, por lo que no suele haber daños o perturbaciones a este nivel. Sin
embargo, el ADN tiene unas superhélices envueltas alrededor de proteínas "empaquetadoras"
llamadas histonas (en las eucariotas), y ambas estructuras son vulnerables a los efectos de los daños al
ADN.
Causas de los daños[editar]
Los daños al ADN se pueden subdividir en dos tipos principales:
1. Los daños endógenos, como ataques por parte de especies reactivas del oxígeno producidas a
partir de subproductos metabólicos normales (mutación espontánea), especialmente en el
proceso de desaminación oxidativa;
2. Los daños exógenos causados por agentes externos, tales como:
1. Radiación ultravioleta del sol [UV 200-300nm] u otras frecuencias de radiación,
incluyendo los rayos X y los rayos gamma.5
2. Radiación ionizante .6
3. Hidrólisis o disrupción térmica.
4. Algunas toxinas vegetales.
5. Mutágenos artificiales, especialmente compuestos aromáticos que actúan como
agentes intercalantes del ADN.
6. Quimioterapia y radioterapia como tratamiento contra el cáncer.
7. Virus que se integran en el genoma.7
La replicación de ADN dañado antes de que la célula se divida puede provocar la incorporación de
bases erróneas ante las dañadas. Las células hijas que heredan estas bases erróneas llevan
mutaciones en los que la secuencia de ADN original es irrecuperable (excepto en el raro caso de
una reversión de la mutación, o bien más frecuentemente a través de la recombinación genéticaa
pesar de ser igualmente raro).
Tipos de daño[editar]
Hay cuatro tipos principales de daños al ADN debido a procesos celulares endógenos:
1. Oxidación de las bases (por ejemplo, 8-oxo-7 0.8-dihidroguanina (8-oxoG)) y
generación de interrupciones de la cadena de ADN por parte de especies reactivas
del oxígeno.
2. Alquilación de bases (normalmente metilación), como la formación de 7-metilguanina,
1-metiladenina, O6-metilguanina
3. Hidrólisis de bases, como desaminación, depurinación y depirimidinación.
4. Malfuncionamiento de bases, debido a errores en la replicación del ADN, en que se
inserta una base de ADN errónea en una cadena de ADN en formación, se inserta una
base que no es necesaria insertar, o no se inserta una de necesaria.
Los daños causados por agentes exógenos son de muchos tipos.8 Algunos ejemplos son:
1. La luz UV-B debido a entrecruzamientos con bases adyacentes de citosina y timina,
crean dímeros de pirimidina. Esto recibe el nombre de daño directo al ADN.
2. La luz UV-A provoca la formación de «radicales libres», especialmente si hay crema
solar que ha penetrado en la piel. Esto recibe el nombre de daño indirecto al ADN.
3. La radiación ionizante, como la que causa la desintegración radiactiva o la de los rayos
cósmicos, provoca roturas en las cadenas de ADN.
4. La disrupción térmica a temperaturas elevadas aumenta la velocidad de
la despurinización (pérdida de bases de purina del «tronco» del ADN) y las roturas de
cadenas sencillas. Por ejemplo, se observa despurinización hidrolítica en los
bacteria termófilas, que viven en aguas termales a 85 a 250 ° C.9 10 En estas especies,
la velocidad de despurinización (300 residuos de purina por genoma por generación)
es demasiado alta como para que se repare mediante los mecanismos habituales de
reparación, de manera que no se puede descartar la posibilidad de una respuesta
adaptativa.
5. Productos químicos industriales, como el cloruro de vinilo o el agua oxigenada, así
como compuestos químicos ambientales como los hidrocarburos policíclicos que se
encuentran en el humo, el hollín y el alquitrán, provocan una gran diversidad de
aductos-etenobases de ADN, bases oxidadas, fosfotriésteros alquilados, y
entrecruzamiento del ADN, por citar sólo algunos efectos.
Los daños por radiación UV, la alquilación/metilación, los daños por rayos X y los daños
oxidativos son ejemplos de daños inducidos. Los daños espontáneos incluyen la pérdida
de una base, la desaminación, plegamientos de los anillos de azúcar, y los
desplazamientos de tautómeros.11
Daños al ADN nuclear y al ADN mitocondrial[editar]
En las células humanas, y las células eucariotas en general, el ADN se encuentra en dos
puntos de la célula: en el núcleo y en las mitocondrias. El ADN nuclear (ADNn) existe en
forma decromatina durante las fases no replicadoras del ciclo celular, y es condensado en
estructuras agregadas denominadas cromosomas durante la división celular. En ambos
estados, el ADN es altamente compacto y se enrolla alrededor de proteínas en forma de
perla, llamadas histonas. Cuando una célula necesita expresar la información
genética codificada en su ADNn, se desenrrolla la región cromosómica correspondiente,
expresan sus genes, y luego la región vuelve a ser condensada en su forma de reposo.
El ADN mitocondrial (ADNmt) se encuentra dentro de las mitocondrias (un tipo
de orgánulos), existe en múltiples copias, y está estrechamente asociado con una serie de
proteínas para formar un complejo llamado nucleoide. Dentro de las mitocondrias,
las especies reactivas del oxígeno (ERE) y los radicales libres, subproductos de la
producción constante de adenosín trifosfato (ATP) mediante la fosforilación oxidativa,
crean un medio altamente oxidativo que se sabe que daña la ADNmt. Una enzima clave a
la hora de compensar la toxicidad de estas especies es la superóxido dismutasa, que está
presente tanto en las mitocondrias como en el citoplasma de las células eucariotas.
Envejecimiento y apoptosis[editar]
El envejecimiento, un estado irreversible en el que la célula ya no se divide (mitosis), es
una respuesta protectora en el acortamiento de los extremos de
los cromosomas (telómeros). Los telómeros son largas regiones de ADN no codificantes
repetitivas, que delimitan los cromosomas y que se degradan parcialmente cada vez que
una célula se divide (límite de Hayflick).12 En cambio, la quietud es un estado reversible de
latencia que no tiene relación con los daños en el genoma (ciclo celular). El envejecimiento
de las células puede representar una alternativa funcional a la apoptosis en que la
presencia física de una célula es necesaria para el organismo,13 que sirve como
mecanismo de «último recurso» para evitar que una célula con el ADN dañado se replique
anormalmente en la ausencia de comunicación celular pro-crecimiento. La división celular
incontrolada puede provocar la formación de un tumor (cáncer), que es potencialmente
letal para el organismo. Por tanto, la inducción del envejecimiento y la apoptosis es
considerada parte de la estrategia de protección contra el cáncer.
Daños en el ADN y mutaciones[editar]
Es importante distinguir entre los daños en el ADN y las mutaciones, los dos tipos
principales de errores en el ADN.14 15 16 17 Los daños en el ADN y las mutaciones son
fundamentalmente diferentes. Estos daños son en último término anormalidades químicas
en la estructura del ADN, como roturas de cadena sencilla y cadena doble, residuos de 8-
hidroxideoxiguanosina, y aductos de hidrocarburos aromáticos policíclicos.
Determinadas proteínas pueden reconocer estas alteraciones en el ADN, de manera que
los pueden reparar si hay disponible información redundante para ser copiada, a partir de
la secuencia intacta de la cadena de ADN complementaria que no ha sufrido esta
alteración. Si una célula no repara daños en su ADN, puede quedar parada la expresión
de un gen.18
En contraste a los daños en el ADN, una mutación es un cambio en la secuencia de bases
del ADN, es decir que no se produce ningún cambio que pueda ser reconocido por las
proteínas encargadas de la corrección de estas alteraciones, ya que su composición
química y estructural es «normal». Las mutaciones provenientes de los errores de síntesis
no pueden ser reconocida por las enzimas una vez que el cambio de bases está presente
en ambas cadenas del ADN, de manera que las mutaciones resultan indetectables en la
corrección y no son reparadas. Las mutaciones son replicadas durante la división celular.19
A nivel celular, las mutaciones pueden provocar cambios en el metabolismo y la
proliferación de estas células.20 En el conjunto de células de un organismo, el número de
células mutantes aumentará o disminuirá según los efectos de la mutación en la capacidad
de la célula para sobrevivir y reproducirse. Aunque son claramente diferentes los unos de
los otros, los daños en el ADN y las mutaciones están relacionados, pues los daños en el
ADN provocan a menudo errores de síntesis del ADN durante la replicación o la
reparación, y estos errores son una causa importante de mutaciones.
Teniendo en cuenta las propiedades de los daños en el ADN y las mutaciones, se puede
ver que los daños en el ADN son un problema especial en células que no se dividen o que
lo hacen lentamente, pues los daños no reparados tienden a acumularse con el tiempo.
Por otra parte, en las células que se dividen rápidamente, los daños en el ADN no
reparados que no matan la célula evitando su replicación suelen provocar errores durante
la replicación y, por tanto, mutaciones.21
La gran mayoría de mutaciones que no tienen un efecto neutro son deletéreas para la
supervivencia de una célula. Así pues, en una población de células de un tejido con
células que se replican, las células mutantes tienden a desaparecer. Sin embargo, las
pocas mutaciones que ofrecen una ventaja para la proliferación celular tienden a
extenderse de manera clónica a expensas de las células vecinas. Esta ventaja para la
célula es una desventaja para el organismo en general, pues estas células mutantes
proliferan libremente escapando al control del ciclo celular, son las células cancerosas.
Aquellos tipos celulares que se dividen más frecuentemente tienden a acumular más
fácilmente las mutaciones, ya que una vez ocurridas las mutaciones tardan estas células
poco tiempo en replicar el ADN y por tanto la mutación incorporará poco tiempo con la
copia inicial de la cadena complementaria. Así pues una vez dividida una de las dos
células resultantes de la división habrá «fijado» la variante mutante, siendo más difícil que
ocurra la corrección. Así pues, los daños en el ADN en células que se dividen
frecuentemente son una causa importante de cáncer,22 pues dan pie a mutaciones. En
cambio, los daños en el ADN en células que se dividen poco son probablemente una
causa importante del envejecimiento.23
Mecanismos de reparación del ADN[editar]
Las células no pueden funcionar si los daños en el ADN corrompen la integridad y
accesibilidad de información esencial en el genoma (pero las células permanecen
aparentemente funcionales cuando faltan o están dañados genes "no esenciales"). Según
el tipo de daños que ha sufrido la estructura de doble hélice del ADN, han evolucionado
una variedad de estrategias de reparación que restauran la información perdida. Si es
posible, las células utilizan la cadena de ADN complementaria (si no ha sido modificada) o
la cromátida hermana como "plantilla" para restaurar la información original. Si no hay
ninguna plantilla disponible, las células utilizan como último recurso un sistema de
recuperación propenso a los errores conocido como síntesis de translesión.
Los daños al ADN alteran la configuración espacial de la hélice, su topología, y la célula es
capaz de detectar estas alteraciones. Una vez que se detectan los daños, unas moléculas
específicas reparadoras del ADN se adhieren al punto dañado o cerca de él, induciendo a
otras moléculas a adherirse y formar un complejo que permite que tenga lugar la
reparación. Los tipos de moléculas implicados y el mecanismo de reparación que se utiliza
depende del tipo de daños que haya sufrido el ADN y de la fase del ciclo celular en que se
encuentre la célula.
Daños a una única cadena[editar]
Cuando sólo una de las dos cadenas de la doble hélice tiene un defecto, la otra puede ser
utilizada como plantilla para dirigir la corrección de la cadena dañada. Para reparar daños
a una de las moléculas pareadas de ADN, existen varios mecanismos de reparación de
escisiones, que eliminan el nucleótido dañado y lo sustituyen con un nucleótido intacto
complementario al que se encuentra en la cadena de ADN no dañada.
Reparación sobre la marcha , es el principal sistema de corrección de daños. Lo realizan las
propias ADN Pol I y ADN Pol III (o sus equivalentes en eucariotas) con su actividad
exonucleasa 3' → 5' para corregir un nucleótido equivocado que hayan colocado. Esta
incorrección es detectada porque el emparejamiento incorrecto causa una distorsión de la
doble hélice que las ADN Polimerasas pueden detectar. Sin embargo, la reparación solo
puede realizarse si aún no se han puesto más nucleótidos, una vez colocado aunque sea
uno más, éste actúa como barrera de no retorno.
Reparación directa , no requiere eliminación de nucleótidos o bases nitrogenadas, sino que
se emplean enzimas para reparar directamente alteraciones nucleotídicas. Los principales
enzimas empleados son la fotoliasa (separa los dímeros de timinas formados por radiación
UV) y la metiltransferasa (retira grupos metilo añadidos al ADN).
Reparación por escisión de base (BER), que repara daños a un único nucleótido causados
por oxidación, alquilación, hidrólisis o desaminación. Una glicosidasa escinde la base
nitrogenada del nucleótido dañado, generando un sitio apurínico o apirimidínico. El
esqueleto pentosa-fosfato residual es eliminado por una AP endonucleasa y finalmente es
sustituido por el nucleótido adecuado por la actividad secuencial de ADN polimerasa y ADN
ligasa.
Reparación por escisión de nucleótido (NER), que repara daños que afecten cadenas más
largas, de entre dos y treinta bases. Este proceso reconoce cambios grandes que
distorsionan la hélice, como dímeros de timina, así como roturas de cadena única
(reparados con enzimas como la UvrABC endonucleasa. Una forma especializada de NER,
conocida comoreparación acoplada a transcripción (TCR) desarrolla enzimas de alta
prioridad en genes que se están transcribiendo activamente.
Reparación de malapareamiento o reparación por mismatch (MMR). Todas las
reparaciones anteriores se realizan antes de terminar la replicación. Este sistema se realiza
cuando la replicación ya ha concluido, y corrige errores de nucleótidos mal apareados (pero
normales, es decir, no dañados). Para ello debe reconocer qué hebra es la correcta, lo que
en procariotas ocurre porque el ADN suele tener metiladas sus bases, pero tras la
replicación la hebra nueva no se metila hasta comprobar que no tenga errores, por lo que
la maquinaria de reparación supone que si hay un error tras la replicación, se habrá
producido en la hebra nueva (la no metilada). Una vez metiladas, o no hay corrección
posible, o ésta puede causar errores. Por ejemplo, en cualquier emparejamiento erróneo de
GT y CT, se retira preferentemente la timina, porque es probable que sea resultado de la
desaminación de la citosina. Este sistema de reconocimiento por metilación solo funciona
en procariotas, se ignora cuál es el mecanismo empleado en eucariotas para distinguir la
hebra recién formada de la hebra madre.
Estos métodos mencionados hasta ahora reparar el ADN de forma fidedigna,
recuperando el genotipo original. Pero cuando los daños son excesivos, se producen
los siguientes tipos de reparación, que ya son propensos a errores: no recuperan el
genotipo original, se trata de soluciones de emergencia cuando está en juego la
supervivencia celular.
Respuesta SOS , que es un rellenado de emergencia que se pone en marcha cuando se
acumulan daños que distorsionan la doble hélice (como regiones de ADN monocatenario,
por pérdidas de nucleótidos en la cadena complementaria), atascando la maquinaria
replicativa. En procariotas esto desencadena el sistema RecA, una proteasa que elimina
proteínas represoras de polimerasas de bypass, capaces de sobreponerse a la distorsión
de la hélice y rellenar los huecos con nucleótidos al azar. En eucariotas las polimerasas de
bypass son constitutivas, están presentes en todo momento en el citoplasma, pero solo se
reclutan cuando se acumulan daños, mediante una regulación por ubiquitinación de la
abrazadera.
Proteína p53 , que más que un sistema de reparación, induce la apoptosis celular cuando
los daños no pueden ser reparados ni siquiera por la respuesta SOS, para impedir que se
desarrollen tumores.
Daños a cadena doble[editar]
Las roturas de cadena doble, en el que ambas cadenas de la doble hélice quedan
rotas, son especialmente peligrosos para la célula, ya que pueden provocar
problemas en el genoma. Existen dos mecanismos que reparan estas roturas: la
unión de extremos no homólogos (NHEJ del inglés Non-homologous DNA End
Joining) y la reparación recombinativa (también conocida como reparación
asistida por plantilla o reparación de recombinación homóloga).
En el NHEJ el ADN ligasa IV, un ADN ligasa especializada que forma un
complejo con el cofactor XRCC4, une directamente los dos extremos.24 Para
asegurarse de una reparación precisa, el NHEJ se basa en cortas secuencias
homólogas llamadas microhomologías, presentes en las colas monocatenarias de
los extremos de ADN que deben ser unidos. Si estas secuencias son
compatibles, la reparación suele ser correcta.25 26 27 28 El NHEJ también puede
causar mutaciones durante la reparación. La pérdida de bases nitrogenadas en el
lugar de rotura puede provocar deleciones y la unión de translocaciones de forma
terminal no correspondientes. El NHEJ es especialmente importante antes de que
la célula haya replicado su ADN, pues no hay ninguna plantilla que permita la
reparación por recombinación homóloga. Hay rutas de NHEJ «de seguridad» en
las eucariotas superiores.29 Además de su papel como «cuidador» del genoma, el
NHEJ es necesario para unir roturas de la cadena doble con extremos de
horquilla, causados durante la recombinación V (D) J, el proceso que genera la
diversidad de los receptores de los linfocitos By los linfocitos T en el sistema
inmunitario de los vertebrados.30
La reparación recombinante requiere la presencia de una secuencia idéntica o
casi idéntica que sea utilizada como plantilla para reparar la rotura. La maquinaria
enzimática responsable de este proceso es casi idéntica a la maquinaria
responsable del cruce cromosómico durante la meiosis. Esta ruta permite que
un cromosoma dañado sea reparado utilizando una cromátida hermana
(disponible en G2 después de la replicación del ADN) o un cromosoma
homólogo como plantilla. Las roturas de cadena doble causados por los intentos
de la maquinaria replicante de sintetizar a través de una rotura de cadena única o
una lesión no reparada provocan un colapso de la horquilla de replicación y son
generalmente reparados por recombinación.
Las topoisomerasas provocan roturas tanto de una única cadena como de la
cadena doble cuando cambian el estado de superenrollamiento del ADN, lo que
es especialmente habitual en regiones situadas cerca de una horquilla de
replicación abierta. Estos roturas no son consideradas como daños en el ADN, ya
que son un intermedio natural del mecanismo bioquímico de las topoisomerasas
y son inmediatamente reparados por las enzimas que los han creado.
Un grupo de científicos franceses bombardearon Deinococcus radiodurans para
estudiar el mecanismo de reparación de roturas de la cadena doble de ADN en
este organismo. Al menos dos copias del genoma, con roturas aleatorias del
ADN, pueden formar fragmentos de ADN por medio de apareamiento. Entonces,
los fragmentos que se solapan parcialmente son utilizados para sintetizar las
regiones homólogas mediante un bucle-D en movimiento que puede continuar la
extensión hasta que encuentran cadenas correspondientes complementarias. En
el último paso se produce un cruce por medio de una recombinación
homóloga de recargo dependiente
http://es.wikipedia.org/wiki/Reparaci%C3%B3n_del_ADN
