Reparación de lesiones en el material genético

El ININ hoy
REPARACIÓN DE LESIONES
EN EL MATERIAL GENÉTICO
Por Jorge Serment Guerrero, Departamento de Bio-
nitrogenadas: dos purinas con estructura de
logía (josg@nuclear.inin.mx)
dos anillos, guanina y adenina; y dos
pirimidinas con un solo anillo, timina y citosina.
Como sabemos, los seres vivos tienen la ca-
Cada una se aparea con la de la hebra com-
pacidad de transmitir sus características de una
plementaria, siempre de la misma manera,
generación a otra. Esto va más allá del as-
guanina (G) con citosina (C) y adenina (A)
pecto externo (color de ojos, forma de la cara,
con timina (T).
estatura) sino que incluye también todos los
mecanismos y funciones tanto a nivel celular
como de tejidos, órganos, sistemas y organismos completos. El responsable de esto es el
genoma, que está formado por el ácido
desoxirribonucleico o ADN. Se puede considerar a esta molécula como una de las más
importantes ya que en ella se guarda toda la
información necesaria para que se realicen
todas las funciones en los seres vivientes.
El ADN es una larga cadena helicoidal parecida a una escalera de caracol, formada por
dos hebras unidas entre sí de manera complementaria. Cada una está constituida por
nucleótidos, formados a su vez por un grupo
fosfato, un azúcar llamado desoxirribosa y una
base nitrogenada. Los nucleótidos se unen
entre sí mediante enlaces estéricos con el carbono 3’ y el 5’ del azúcar, formando así una
larga hebra en forma de doble hélice (fig. 1).
Como se aprecia a detalle en la figura 2, el
ADN contiene cuatro distintas bases
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Nuclear
Figura 1. Molécula de ADN
integran a todas las proteínas de
los seres vivientes. El hecho de
que el ADN esté formado por dos
hebras complementarias asegura que se conserve la información cada vez que la molécula
se duplica, dado que el apareamiento entre bases es restringido
de tal modo que cada una de
estas hebras sirve de molde para
sintetizar una nueva hebra complementaria, asegurando así que
Fosfato Azúcar Base
Base Azúcar Fosfato
Figura 2. Esquema estructural de una sección de ADN
cada célula nueva conserve la
misma información que aquélla
de la cual proviene.
Esta restricción es importante porque la infor-
No obstante el ADN es susceptible de sufrir
mación genética está dada por el orden de
cambios, tanto en su estructura química bási-
las bases a lo largo de las cadenas de ADN,
ca como en la secuencia de bases, ya sea de
organizado a su vez en determinadas regio-
manera espontánea a consecuencia del meta-
nes o paquetes llamados genes. Un gen se
bolismo o de errores ocurridos durante la sín-
define como el tramo de ADN con informa-
tesis del ADN, o bien por el ataque de diversos
ción suficiente para formar una unidad fun-
agentes físicos o químicos.
cional (generalmente una proteína) en un lenguaje que tiene sólo cuatro letras (las bases)
El ataque químico ocurre por reacción con
que se combinan para formar palabras de tres,
alguno de los componentes del ADN modifi-
llamadas tripletes. Cada uno de ellos repre-
cando o destruyendo su estructura química
senta una clave específica para reconocer al-
básica, lo que posteriormente podría ocasio-
guno de los 20 diferentes aminoácidos que
nar mutaciones o muerte celular (fig. 3).
Figura 3.-Posibles consecuencias del daño genético
Contacto
Nuclear
Uno de los agentes físicos más importantes es
característica explica los efectos dañinos de
la radiación, que al interactuar con el mate-
la radiación ionizante en los tejidos epitelial o
rial genético produce una gran cantidad de
hematopoyético.
lesiones. De acuerdo con su energía la radiación puede ser ionizante o no ionizante. La
En cuanto a la radiación no ionizante, la úni-
radiación ionizante puede atacar a la molé-
ca que realmente tiene efecto sobre el ADN es
cula de ADN produciendo lesiones en cual-
la luz ultravioleta, que al incidir sobre esta
quiera de sus componentes, en función de dos
molécula excita a los electrones orbitales de
alternativas conocidas como efectos directo e
pirimidinas contiguas en una de las hebras
indirecto. El primero se refiere a la interacción
las cuales reaccionan entre sí formando un
de los fotones y/o partículas ionizantes con el
anillo de ciclobutano o dímero de pirimidina
ADN, mientras que el segundo se debe a re-
(fig. 4) que bloquea la duplicación del ADN y
acciones químicas con los radicales produci-
que, de no eliminarse, conduce a ruptura de
dos principalmente por la radiólisis del agua
aquél y a muerte celular
en donde ocurre la mayoría de las ionizaciones,
ya que es el componente más abundante de
En vista de que el funcionamiento de los or-
la materia viva. A través de cualquiera de
ganismos depende de la integridad del mate-
ambas alternativas, se llega a la ruptura del
rial genético, gradualmente éstos han desa-
ADN que no solamente implica pérdida de la
rrollado diferentes estrategias para enfrentar
integridad molecular sino también de infor-
o contrarrestar los daños por medio de dos
mación y consecuentemente muerte de las
alternativas, la protección contra tales ataques
células, especialmente aquéllas en proceso de
o bien la reparación de las lesiones que aqué-
división que son particularmente sensibles. Esta
llos causen en el genoma. Dentro de los primeros están diversos sistemas enzimáticos que
neutralizan el efecto de los agentes tóxicos,
inhibiendo su actividad o destruyéndolos antes de que puedan ejercer su acción sobre el
genoma. Los más importantes son los que atrapan o eliminan radicales oxidantes evitando
así que reaccionen con el ADN mediante
enzimas como las peroxidasas o las
superoxidodismutasas.
Los segundos son los sistemas de reparación,
que actúan directamente sobre el material
genético ya dañado y poseen diferentes grados de especificidad. Algunos eliminan directamente a la lesión restituyendo de inmediato
Figura 4. Sección de ADN en donde se muestra en el centro, al
dímero que forman dos pirimidinas adyacentes
a la estructura original del ADN y en general
reconocen un solo tipo de daño. Un ejemplo
clásico de mecanismo de reparación específi-
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co es la fotorreactivación, proceso que realiza
néricamente se conocen como mecanismos de
la enzima fotoliasa que reconoce los dímeros
escisión. Esto implica el reconocimiento, corte
de pirimidina (ejemplificados en la figura 4) y
y eliminación de la o las regiones de ADN que
simplemente rompe los enlaces que se forma-
contengan lesiones, eliminando una sola base
ron entre las dos pirimidinas adyacentes res-
o nucleótido (REB) o bien de tramos que in-
taurando la estructura original del ADN. Otro
cluyen varios nucleótidos (REN). El primero se
ejemplo de este grupo es el de eliminación de
inicia con la eliminación de la base dañada,
grupos alquilo anormales mediante las
con lo que queda un espacio libre denomina-
enzimas alquil-transferasas, que sacan a es-
do sitio AP, al que reconocen enzimas, por lo
tos grupos del ADN restaurando al mismo tiem-
mismo llamadas endonucleasas AP, que al rom-
po a la estructura original.
per los enlaces éster-fosfato dejan una ruptura
en la hebra de ADN que posteriormente repa-
Hay otros procesos menos específicos que pue-
rará una polimerasa (fig. 5).
den reconocer diferentes tipos de daños y ge-
Figura 5. Reparación por escisión de bases
Contacto
Nuclear
!
Reconocimiento de la lesión y
cortes a ambos lados de éste
Eliminación del daño
en un oligonucleótido
Hueco en el DNA
Restablecimiento de la doble hélice
Figura 6. Reparación por escisión de nucleótidos
El proceso REN por su parte implica la libera-
o réplicas de ADN. A estos procesos de
ción de los tramos de ADN de una sola ban-
parchado, esquematizados en la figura 7, se
da que contienen el daño. Es la principal res-
les
puesta celular a las modificaciones químicas
recombinación e implican la transferencia de
en el ADN causadas por agentes muy diver-
tramos de ADN de una molécula a otra, ya
sos y por lo mismo puede reconocer una am-
sea de regiones homólogas, es decir, con in-
plia gama de lesiones. Los pasos del proceso
formación similar a la faltante o bien, no
son: 1) reconocimiento de la lesión, 2) corte a
homólogas, en donde la información es dis-
ambos lados de ésta y 3) separación del tra-
tinta. El primero es el camino seguido por las
mo que contiene a la lesión. Los huecos resul-
bacterias mientras que el segundo es el más
tantes son posteriormente resintetizados por
frecuente en organismos multicelulares y es el
una polimerasa (fig. 6).
que da lugar a las llamadas aberraciones
conoce
como
reparación
por
cromosómicas. Lo importante es que en amEl ADN partido no solamente implica pérdida
bos casos se recupera la integridad del
de la integridad molecular sino también de
genoma y la célula sobrevive a la radiación.
información, así que la única manera de re-
El fenómeno de recombinación se presenta
parar esta lesión es a través de parches pro-
en todos los seres vivientes y su único requisi-
venientes de moléculas similares ya que por
to es que haya al menos dos copias de ADN.
lo general la célula dispone de varias copias
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RDB
7, abajo derecha).
Además de los siste-
Procesamiento
mas que corrigen lesiones inducidas al
genoma por agentes
Invasión de
cadena
Apareamiento
externos, hay otros que
se pueden definir
como de mantenimiento más que de reparación. Uno de éstos es lo que se conoce en inglés como:
Methyl-directed
Entrecruzamiento
mismatch repair, que
se puede traducir más
Figura 7. Reparación por recombinación homóloga
o menos como Repa-
En esencia el proceso se refiere al paso de
ración o compostura de disparidades guiada
secciones de una molécula de ADN a otra
por metilaciones. Este sistema tiene dos objeti-
diferente, ya sea en forma recíproca, es decir
vos, a) lograr que los errores ocurridos duran-
que haya intercambio entre ambas (en la fi-
te la duplicación y copiado de ADN sean eli-
gura, abajo izquierda) o no recíproca, en don-
minados a tiempo y, b) impedir que se intro-
de solamente una de ellas recibe material nue-
duzcan y copien moléculas de ADN ajenas a
vo. El proceso es muy importante ya que la
la célula. Se puede decir que este es uno de los
recombinación es la única posibilidad de com-
mecanismos de respuesta inmunológica más
poner el daño en el caso de rupturas en la
antiguos ya que todas las especies vivientes,
doble banda de ADN (RDB), puesto que al
de bacterias a mamíferos o plantas superiores,
perderse la continuidad de la hebra de ADN
cuentan con tal sistema. Se efectúa regularmen-
no hay un molde a partir del cual resintetizarla,
te al finalizar el evento de duplicación de ADN
lo cual conduce a la muerte de la célula. Pue-
y sirve también para eliminar errores ocurridos
de también intervenir para resolver los huecos
durante la reparación del material genético. Ter-
que deja la polimerasa encargada del copia-
minada la síntesis de ADN nuevo, y según la
do de ADN, enfrente de los sitios donde se
especie de que se trate, se introducen grupos
hallan lesiones que no puede reconocer. En
metilo en bases específicas situadas periódica-
este caso, la célula lleva a cabo un evento de
mente a lo largo de la cadena, para marcar al
recombinación no recíproca, en el que una
material genético nuevo como propio y poder
molécula homóloga de ADN cede el fragmen-
así diferenciarlo del ajeno que, al no tener la
to homólogo para rellenar el hueco que que-
marca, es inmediatamente destruido por
dó en el ADN recién sintetizado, evitando así
enzimas que reconocen y cortan las regiones
la fragmentación del material genético (figura
no metiladas.
Contacto
Nuclear
#
El proceso consiste de dos etapas: 1) recono-
lerancia al daño de tal modo que en esas
cimiento de alguno de los ocho posibles
circunstancias confieren a la bacteria mayo-
apareamientos erróneos o de las asas de ADN
res oportunidades de sobrevivencia aún cuan-
que resulten de pérdidas o inserciones de ba-
do el daño no haya sido totalmente elimina-
ses y 2) selección y eliminación del tramo in-
do, traduciéndose todo esto en un aumento
correcto, utilizando de guía a las metilaciones
en la frecuencia de mutaciones. Se ha sugeri-
que se localizan periódicamente a lo largo de
do por otra parte que tal aumento tiene tam-
la hebra que sirve de molde para la síntesis
bién un significado evolutivo, ya que entre las
de la nueva. Más adelante se resintetiza la
mutaciones que surjan puede haber alguna
fracción que, ya corregida, es oportunamente
que represente para la célula una ventaja para
metilada junto con el resto del ADN recién
enfrentar mejor el ambiente adverso.
sintetizado (fig.8).
Por último hay que mencionar a
los grandes sistemas en los que
interviene una gran cantidad de
genes, tanto de reparación como
de tolerancia y que se activan
cuando se detecta un ambiente
adverso para la célula y cuyo
funcionamiento no está todavía
totalmente dilucidado. En esta
categoría están las diferentes respuestas de adaptación a cambios ambientales, como la del
choque térmico o al estrés
oxidante, entre otras, que en términos generales confieren mayores probabilidades de supervivencia enfrentando a los elementos
nocivos del entorno. Dentro de
estos sistemas globales tenemos
en Escherichia coli a la respuesta SOS, un conjunto de aproximadamente 60 genes que en circunstancias normales están “apagados”, pero que al haber lesiones en el ADN se activa su expresión. Estos genes participan en
la reparación o incluso en la to-
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Figura 8. Reparación de disparidades guiada por metilaciones