UNIVERSIDAD PRIVADASAN JUAN BAUTISTA

FACU LTAD DE CIENCIAS DE LA SALUDESCUELA PROFESIONAL DE

MEDICINA HUMANA

BIOLOGÍA MOLECULAR Y CELULAR

“REPARACIÓN DEL DNA”

PROFESORES A CARGO:

Dra. Biol. Lida Campomanes Moran

Dr. Angel Vargas Mosqueira

Mag. Biol. Edith Rodríguez Quispe

Biol. Martha Mini Torres

Med. Katharina Gardini Campomanes

CHORRILLOS - 2009

DEDICATORIA:

Este trabajo esta dedicado a

todos los niños que tienen

cáncer, por su lucha diaria por

seguir viviendo y por sus

ansias de dar todo de sí …

INTRODUCCIÓN

Como nosotros sabemos nuestro organismo está compuesto por

millones de células las cuales contienen dentro de su nucleolo el

DNA conocido también como Acido desoxirribonucleico; el cuál

está formado por dos cadenas que se interponen entre si.

Este DNA muchas veces es dañado por diferentes factores ya sean

internos o externos , y como nosotros sabemos esta falla no debe

permanecer en el DNA por lo contrario debe repararse

inmediatamente , y es ahí donde viene el tema de REPARACIÓN

DEL DNA , que no es más ni menos que el accionar rápido de

nuestro organismo para reparar la falla antes que la célula se

duplique ya que como sabemos si la célula se duplica estas fallas

también lo harán y la célula se duplicará tantas veces que este

daño podría repercutir gravemente en nuestro organismo.

Los daños en el ADN pueden ser reparados para mantener la

integridad de la información genética, la importancia biológica de

la reparación del ADN es evidente al encontrar múltiples

mecanismos de reparación. Estos sistemas incluyen enzimas que

simplemente revierten la modificación química, así como

complejos enzimáticos más complicados que dependen de la

redundancia de la información en la molécula de ADN duplex para

reparar a la molécula.

REPARACIÓN DEL ADN

La reparación del ADN es un proceso constante en la célula, esencial para su supervivencia ya que protege al genoma de daños y mutaciones dañinas. Esta reparación es importante porque demuestra el enorme gasto de enzimas reparadoras de ADN que tienen las células.

En las células humanas, las reacciones metabólicas de estas mismas y también los factores ambientales (como por ejemplo los rayos ultravioleta) pueden causar daños, alcanzando las 500.000 lesiones de moléculas por célula al día.

Estos daños estructurales en el ADN pueden alterar enormemente la forma en que las células leen la información codificada en sus genes. Es por esto que el proceso de reparación del ADN debe estar siempre activo para corregir rápidamente cualquier daño en la estructura de ADN.

A medida que la célula envejece, el número de reparaciones de ADN disminuye hasta que ya no puede abastecerse con el ritmo en que aparecen los daños al ADN. La célula pasa a uno de estos destinos:

1. Un estado irreversible de inactividad, llamado senescencia. 2. Suicidio celular, llamado apoptosis o muerte celular programada. 3. Carcinogénesis, o formación de cáncer.

La mayoría de las células del organismo entran primero en senescencia. Después, tras daños irreparables en el ADN aparece la apoptosis. La apoptosis es un mecanismo de “último recurso” para evitar que la célula se vuelva cancerígena.

Cuando las células entran en senescencia empiezan a funcionar de forma poco eficiente, conduciendo inevitablemente a la enfermedad. La capacidad de reparación del ADN de una célula es muy importante para el bienestar de su genoma y de su normal funcionamiento. Muchos genes que parecían relacionarse con una mayor duración de la vida han sido relacionados con la reparación y protección del ADN.

Estudios recientes de las consecuencias de una capacidad reducida para la reparación del ADN en personas han relacionado muchas enfermedades con una menor capacidad de reparación. Así, defectos en un gen humano que normalmente actúa reparando las bases del ADN mal apareadas en el proceso de replicación pueden causar predisposición a heredar ciertos tipos de cánceres. El fracaso al corregir lesiones moleculares en las células que forman gametos (gametogénicas) conduce a descendencias con mutaciones y puede afectar a la tasa evolutiva.

DAÑO DEL ADN

El daño del ADN debido a procesos metabólicos normales en la célula tiene una tasa de 50.000 a 500.000 lesiones moleculares por célula al día. Incluso, algunos factores de daño pueden hacer que esta tasa sea mayor. Estas cantidades constituyen sólo el 0,0002% de los 3.000.000.000 (3 mil millones) de bases, una simple lesión sin reparar en un gen relacionado con el cáncer.

DAÑO DEL ADN MITOCONDRIAL Y NUCLEAR

En células eucariotas, el ADN se encuentra dentro del núcleo y de las mitocondrias (genoma mitocondrial). El ADN nuclear (ADNn) aparece en los llamados cromosomas, formados por cadenas de ADN arrolladas sobre complejos proteicos llamados histonas. Cuando la célula necesita expresar la información genética codificada en el ADNn la región cromosómica que lo contiene es desempaquetada, se expresan los genes contenidos, y la región es empaquetada de nuevo a su forma original de reposo. El ADN mitocontrial (ADNmt) aparece (como su nombre lo indica) dentro las mitocondrias , en las que se encuentran muchas copias y también están asociados con algunas proteínas formando un complejo llamado nucleoide. Dentro de la mitocondria, las formas de oxígeno libre o radicales libres que son productos de la síntesis constante de ATP en la fosforilación oxidativa, generan un ambiente altamente oxidante que daña el ADNmt.

ORÍGENES DE LOS DAÑOS

Existen dos tipos:

1. Daño endógeno: generado por el metabolismo normal (mutación espontánea).

2. Daño exógeno: causado por agentes externos como: 1. Radiación ultravioleta.2. Radiaciones de otras frecuencias, incluyendo rayos X y rayos

gamma.

3. Hidrólisis o rupturas térmicas. 4. Algunas toxinas de plantas. 5. Productos químicos mutagénicos, como hidrocarburos del

humo de los cigarrillos. 6. Tratamientos de quimioterapia y radioterapia.

Antes de la división celular, la replicación de ADN dañado puede hacer que se incorporen bases erróneas en las cadenas complementarias de las dañadas. Cuando las bases dañadas pasan a las células hijas se hacen células mutadas, y no hay vuelta atrás (excepto que ocurriese una mutación reversa y conversión del gen).

TIPOS DE DAÑO

Existen cuatro clases:

1. Oxidación de bases y producción de interrupciones en la cadena de ADN por formas oxidantes del oxígeno,

2. Alquilación de bases (normalmente metilación).3. Hidrólisis de bases, como la depurinación y depirimidinación, 4. Errores en el apareamiento de bases, debido a replicaciones del

ADN donde se incorpora una base errónea en la cadena de nueva formación.

MECANISMOS DE REPARACIÓN DE ADN

Las células no pueden tolerar daños del ADN que comprometan la integridad y el acceso a la información esencial del genoma, aunque las células se mantienen funcionando mínimamente cuando se pierden o alteran los genes “no esenciales”. Dependiendo del tipo de daño causado a la estructura de doble hélice, se desarrollan varios tipos de estrategias de reparación para recuperar la información perdida. En la célula se utilizan las cadenas complementarias no dañadas o el cromosoma hermano como plantilla de recuperación.

Es decir que los daños provocados en una de las cadenas del ADN será corregida gracias a la ayuda de la copia de la cadena del ADN. Sin el acceso a esta información la reparación de ADN es proclive a errores.

El daño del ADN altera la configuración espacial de la hélice, y estas alteraciones pueden ser detectadas por la célula. Una vez localizado el daño, las moléculas específicas de reparación de ADN se unen a la zona o cerca de ella, induciendo a otras moléculas a unírseles y formar un complejo que permite la reparación del daño. El tipo de moléculas movilizadas para entrar a formar parte de este mecanismo de reparación depende de:

1. el tipo de ADN dañado. 2. si la célula ha entrado en un estado de senescencia. 3. la fase del ciclo celular en que se encuentra la célula.

Daños del ADN en una cadena sencilla y una doble

DAÑOS EN CADENA SIMPLE

Cuando sólo una de las dos hebras de un cromosoma tiene un defecto, la otra cadena puede utilizarse como plantilla para guiar la corrección de la cadena dañada. Para reparar el daño de una de las dos hebras de ADN hay numerosos mecanismos que pueden funcionar para reparar el ADN. Incluyen:

1. Inversión directa del daño mediante varios mecanismos especializados en invertir daños específicos. Por ejemplo, la metil-guanina-metil-transferasa (MGMT) elimina específicamente grupos metilo de la guanina, y la fotoliasa en bacterias rompe el enlace químico creado por la luz UV entre bases adyacentes de timidina. Estas enzimas no necesitan una cadena sin dañar para hacer la reparación.

2. Mecanismos de reparación por escisión que eliminan el nucleótido dañado por un nucleótido no dañado complementario al que se encuentra en la cadena complementaria. Se incluyen:

1. Reparación por escisión de bases (BER), que repara el daño sobre un solo nucleótido causado por oxidación, alquilación, hidrólisis o desaminación,

2. Reparación por escisión de nucleótido, (NER), que repara el daño que afecta a cadenas de 2 a 30 nucleótidos. Incluyen daños que deforman gravemente la hélice, como la dimerización de la timina causada por la luz UV, así como roturas de una sola cadena. Una forma especializada de NER es la llamada reparación acoplada a la transcripción (TCR)

que coloca enzimas reparadoras NER de alta prioridad sobre genes que están siendo transcritos activamente.

3. Reparación de errores (MMR), que corrige errores de la replicación y recombinación de ADN que originan nucleótidos desapareados tras la replicación del ADN.

ROTURAS DE LA DOBLE CADENA

Un tipo de daño del ADN especialmente peligroso sobre células en división es una rotura en ambas cadenas de la doble hélice. Hay dos mecanismos de reparación de este daño, generalmente conocidos como unión de terminales no homólogos y reparación recombinacional, reparación ayudada por plantilla o recombinación de homólogos.

La reparación recombinacional necesita de la presencia de una secuencia idéntica o casi idéntica para utilizarla como molde de reparación de la rotura. La maquinaria enzimática responsable de este proceso de reparación es muy similar a la maquinaria que cataliza el entrecruzamiento cromosómico en las células germinales durante la meiosis. El mecanismo de reparación recombinacional ocurre fundamentalmente durante las fases del ciclo celular en que el ADN se está replicando o ha finalizado su replicación. Ello permite que un cromosoma dañado sea reparado utilizando la nueva cromátida hermana como molde, es decir, una copia idéntica que además está bien emparejada con la región dañada. Muchos genes del genoma humano aparecen en múltiples copias, lo que pone disponibles varias fuentes de secuencias idénticas. Pero la reparación recombinacional que se basa en estas copias como moldes presenta algunos problemas, ya que acarrea translocaciones cromosómicas y otras formas de reorganización cromosómica.

La unión de terminales no homólogos (NHEJ) une los dos puntos terminales de la rotura sin utilizar una secuencia molde. Aún así a menudo se pierden secuencias de ADN en este proceso, y este tipo de reparación puede ser mutagénico. El NHEJ puede producirse en todos los estadíos del ciclo celular, pero en las células de mamíferos es el principal menacismo hasta que la replicación del DNA permite la reparación recombinacional para utilizar la cromátida homóloga como molde. Ya que la inmensa mayoría del genoma en humanos y otros organismos pluricelulares está compuesto de ADN que no contiene genes, el llamado ADN basura, es probable que una mutación causada por NHEJ sea menos peligrosa que la reparación basada en moldes que ocurra en presencia de varias secuencias molde, ya que en este caso se producen reorganizaciones cromosómicas no deseadas. La maquinaria enzimática utilizada en el NHEJ es la misma que se utilizan en las células B para unir roturas generadas por las proteínas RAG durante la

recombinación VDJ, un paso crucial en la fabricación de anticuerpos del sistema inmune.

REPARACIÓN DE ROTURAS DE DOBLE CADENA

En caso de que ambas cadenas del ADN se rompan, esto significaría un gran peligro en la alteración del ADN porque no quedaría ninguna cadena patrón para que se produzca la reparación. Estas rupturas se producen por diversas causas, como pueden ser agentes oxidantes, radiación ionizante o por errores en la misma replicación. Si no se reparan a tiempo los cromosomas podrían partirse en trozos pequeños.Existen dos mecanismos para reparar esta clase de errores; uno es la unión de extremos no homólogos; que consiste en juntar los extremos rotos y se vuelven a unir por una ligadura del ADN, normalmente se pierden uno a más nucleótidos en el punto de unión.

El otro mecanismo es la unión de extremos homólogos; el cuál es mucho más efectivo porque se recurre a la recombinación general para transferir la información de la secuencia de nucleótidos desde una doble hélice intacta al lugar de la ruptura de la otra doble hélice. Para todo esto se requiere proteínas que reconozcan áreas de la secuencia de ADN que coincidan con los cromosomas. Luego se repara el cromosoma dañado sin que cambie la secuencia de ADN por un proceso de replicación del ADN en el que se utiliza el cromosoma no dañado como patrón para transferir la información genética al cromosoma roto.

Daños en el ADN, mostrados como roturas en los cromosomas

LA DOBLE HÉLICE DE DNA ES REPARADA RÁPIDAMENTE

La estructura de doble hélice del DNA es muy adecuada para la reparación ya que como bien sabemos lleva dos copias separadas con toda la información genética, una en cada una de sus dos cadenas. Así que cuando una se daña la otra copia la repara , comúnmente la reparación que hace la copia es de falla de nucleótidos .

Vale recalcar que este tipo de reparación no se puede dar en el DNA o RNA de los virus pequeños.Cada célula tiene muchos sistemas de reparación de su DNA, cada uno de los cuales tiene sus propias enzimas y preferencias por el tipo de alteración que reconocen. En conclusión podemos decir que muchos de estos sistemas utilizan la cadena no alterada de doble hélice como patrón para repara la cadena dañada.

LAS CÉLULAS PUEDEN PRODUCIR ENZIMAS DE REPARACIÓN DEL DNA EN RESPUESTA DE LAS ALTERACIONES DE DNA.

Las células han desarrollado varios mecanismos que les permite sobrevivir en un mundo agresivo . A menudo, una agresión ambiental extrema activa una batería de genes cuyos productos proteicos protegen a la célula frente a ella. Uno de los mecanismos de este tipo que expresan todas las células es la RESPUESTA AL SHOCK TÉRMICO, la cual es provocada por la exposición de ls células a temperaturas anormalmente altas. Entre las proteínas de “shock térmico” que se inducen, se encuentran algunas de las proteínas que ayudan a estabilizar y reparar proteínas celulares parcialmente desnaturalizadas.Muchas células también presentan mecanismos que les permiten sintetizar enzimas de reparación del DNA en respuesta a una alteración severa del DNA. El ejemplo mejor estudiado es la RESPUESTA SOS en E.Coli. En esta bacteria , cualquier bloqueo de la replicación del DNA producido por una alteración del DNA genera una señal (al parecer se trata de un exceso de DNA de una sola cadena ) que induce un incremento de la transcripción de más de 15 genes diferentes , muchos de los cuales codifican proteínas que actúan

en la reparación del DNA . En primer lugar, la señal activa la proteína RecA de E. Coli , que a continuación destruye una proteína reguladora de un gen que normalmente reprime la transcripción de un gran conjunto de genes de la respuesta SOS.Estudios en bacterias mutantes deficientes en diferentes partes de la respuesta SOS indican que las proteínas que se sintetizan en esta respuesta tienen dos defectos.Primero la inducción de enzimas adicionales de reparación del DNA incrementa la supervivencia de las células después de producirse el daño sobre el DNA .Segundo , varias de las proteínas que se sintetizan aumentan de forma transitoria la frecuencia de mutación incrementando el número de errores al copiar las secuencias de DNA .Estos errores están causados por la producción de DNA polimerasas de baja afinidad que pueden utilizar de un modo efectivo el DNA dañado como patrón para la síntesis de DNA. Esta reparación del DNA “propensa de errores” puede ser perjudicial para los individuos , pero puede ser ventajosa a largo plazo porque incrementa la variabilidad genética de la población , lo cual aumenta las probabilidades de que sobreviva una célula mutante mejor adaptada.Las células humanas contienen más de diez DNA polimerasas menores , muchas de ellas utilizadas específicamente , como última solución , para copiar lesiones no reparadas en el DNA patrón. Estas enzimas pueden reconocer un tipo de específico de daño sobre el DNA y añadir nucleótidos que restauran la secuencia de inicial. Cada una de estas polimerasas sólo tiene la posibilidad de añadir uno o unos cuantos nucleótidos , porque son enzimas muy propensas a producir errores cuando copian una secuencia normal de DNA. A pesar de que los detalles de estas fascinantes reacciones todavía están siendo estudiados , nos proporcionan un elegante testimonio del cuidado con que los organismos mantienen sus secuencias de DNA.

SI NO FUERAN CORREGIDAS LAS ALTERACIONES ESPONTÁNEAS DEL DNA PODRÍAN CAMBIAR RÁPIDAMENTE LAS SECUENCIAS DE DNA.

A pesar que le DNA es muy estable , a su vez también es una molécula que es susceptible a sufrir cambios espontáneos , incluso en las codiciones normales de la célula, que si no son reparados a tiempo pueden conducir a mutaciones.

El DNA sufre cambios importantes como resultado de fluctuaciones térmicas: por ejemplo, cada día el DNA de cada célula humana pierde alrededor de 5000 bases púricas (adenina y guanina) porque los N – glucosidicos entre estas bases y la desoxirribosa se hidrolizan espontáneamente en una reacción llamada

DESPURINACIÓN . De forma similar sucede en el DNA se produce la DESANIMACIÓN de la citosina a uracilo a una tasa aproximadamente de 100 bases por célula y día.

Las bases de DNA también se pueden dañar ocasionalmente mediante metabolitos reactivos(como las formas reactivas del oxígeno)o por productos químicos de del ambiente . Asimismo , la luz ultravioleta del sol puede

favorecer la formación de un enlace covalente entre dos bases de pirimidina del DNA formandose por ejemplo un DÍMERO DE TIMINA.

Muchos de estos cambios pueden llevar si es que no se corrigieran , a la eliminación de uno o más pares de bases, o bien a la sustitución de un par de bases de la cadena de DNA hija . Entonces la mutación se propagaría a la

siguiente generación celular cuando el DNA se replicara . Una tasa tan alta de cambios al azar tendría consecuencias desastrosas para nuestro organismo.

TABLA: SINDROMES HEREDITARIOS CON DEFECTOS DE REPARACIÓN DEL ADN

NOMBRE FENOTIPO ENZIMA O

PROCESO AFECTADO

MSH2,3,6 MLH1,PMS2 CANCER AL COLON REPARACION DE ERRORES

XERODERMA PIGMENTOSUM(XP) GRUPOS A-G

CANCER A LA PIEL, SENCIBILIDAD CELULAR A UV, ANOMALÍAS NEUROLÓGICAS.

REPARACION DE ELIMINACIÓN DE NUCLEÓTIDOS

VARIANTE XP SENCIBILIDAD CELULAR A UV SINT. DE LA TRASLECIÓN POR LA DNA POLIMERAZA

ATAXIA – TELANGIECTASIA(AT)

LEUCEMIA,LINFOMA,SENCIBILIDAD A RAYOS Y , INESTABILIDAD DEL GENOMA

PROTEINA ATM, UNA PROT.QUINASA QUE SE ACTIVA POR ROTURAS DEL DNA DE DOBLE CADENA

BRCA-2 CANCER A LA MAMA Y OVARIOS REPARACION POR RECOMBINACION HOMOLOGA

SINDROME DE WERNER

ENVEJECIMIENTO PREMATURO ,CANCER,INESTABILIDAD DEL GENOMA

EXONUCLEASA 3’ ACCESORIA Y DNA HELICASA

SINDROME DE BLOOM CANCER A DIFERENTES LUGARES,RETRASO EN EL CRECIMIENTO ,INESTABILIDAD DEL GENOMA

DNA HELICASA ACCESORIA PARA LA REPLICACIÓN

ANEMIA DE FANCONI GRUPOS A-G

ANOMALIAS CONGENITAS,LEUCEMIA,INESTABILIDAD DEL GENOMA

REPARACIÓN POR ENTRE CRUZAMIENTO DE DNA INTERCATENARIO

PACIENTE 46 BR HIPERSENCIBILIDAD A AGENTES QUE DAÑAN EL DNA , INESTABILIDAD DEL GENOMA.

DNA LIGAZA I

ALTERACIONES EN EL DNA RETRASAN LA PROGRESIÓN DEL CICLO CELULAR

Dada la importancia de mantener el DNA intacto y sin daños de una generación a la siguiente, las células disponen de otro mecanismo que les ayuda a responder a la alteración del DNA: retrasan la progresión del ciclo celular hasta completar la reparación del DNA. Por ejemplo, uno de los genes que se expresan en respuesta de la señal SOS en E.coli es SULA, que codifica un inhibidor de la división celular . Así , cuando se activan las funciones de SOS en respuesta a la alteración del DNA , el bloqueo de la división celular aumenta el tiempo durante el cual se puede producir la reparación.Cuando ésta se ha completado, se reprime la expresión de los genes SOS, se reanuda el ciclo celular y el DNA no alterado es segregado a las células hijas.El DNA alterado también genera señales que bloquean la progresión del ciclo celular en eucariotas. El mantenimiento de la progresión ordenada del ciclo celular se consigue mediante PUNTOS DE CONTROL que aseguran que cada etapa se complete antes de continuar con la siguiente. El ciclo celular se detiene en muchos de estos puntos de control si se detecta DNA alterado.Así en levaduras , la presencia de alteraciones en el DNA una vez ha comenzado, o puede bloquear la entrada a la fase G1,o reducir la replicación del DNA una vez comenzado , o puede bloquear la transición desde S a la fase M . La alteración en el DNA, de forma que el retraso del cilo celular facilita todavía más la reparación , dando tiempo suficiente para completarla.La importancia de los mecanismos especiales de señalización que responden a la alteración del DNA queda clara en el fenotipo de humanos que nacen con defectos en el gen que codifica la proteína ATM . Estos individuos sufren la enfermedad ATAXIA – TELANGIECTASIA (AT), cuyos síntomas incluyen neurodegeneración , predisposición al cáncer e inestabilidad del genoma. La proteína ATM es necesaria para generar las señales intracelulares iniciales que producen una respuesta a la alteración del DNA causada por oxígeno. Los organismos con defectos en esta proteína son hipersencibles a agentes que causan tales daños , como la radicación ionizante.

VÍAS PARA ELIMINARSE LOS DAÑOS AL ADN

Las diferentes enzimas existentes utilizan varias vías para la reparación del ADN. Hay una vía que es la llamada, vía de la reparación por eliminación de bases; que implica la acción de una serie de enzimas llamadas DNA glucosilasas. Cada una de estas enzimas reconoce un tipo de base de ADN alterada y cataliza sueliminación por hidrólisos. Existen al menos seis tipos de estas enzimas.Otra vía principal es la llamada reparación por eliminación de nucleótidos; este mecanismo es capaz de eliminar casi cualquier tipo

de gran lesión del ADN que genere un cambio importante en la estructura de la doble hélice de ADN. En esta vía existe un gran complejo multienzimático que rastrea el ADN buscando distorsiones en la doble hélice. Cuando se detecta la lesión, el esqueleto fosfodiester de la cadena dañada es cortada a cada lado de la distorsión y el oligonucleótido que contiene la lesión se elimina mediante la enzima DNA helicasa. Luego se repara el hueco prodicido en la cadena mediante una DNA polimeraza y una DNA ligasa.

LAS PROPIEDADES QUÍMICAS DE LAS BASES DEL DNA FACILITAN LA DETECCIÓN DE LAS ALTERACIONES

La naturaleza de las bases facilita también la capacidad de distinguir entre bases dañadas y no dañadas. Así cualquier posible proceso de desanimación en el DNA da lugar a una base no natural, que puede ser

directamente reconocida o eliminada medante una DNA glucosilasa específica. Por ejemplo la hipoxantina que es la base púrica más sencilla capaz de aparearse específicamente con C, pero la hipoxantina es el producto de desaminación directo de A. La adición de un segundo grupo amino a la hipoxantina genera G, que no puede formarse a partir de A por de desamimación espontánea y cuyo producto de desaminación es único.

Sabemos que se cree que el RNA apareció antes que el NA ya que el inicio del código genético es probable que empiece en A,C,G,U.Entonces ,¿porqué se reemplazó la U del RNA en T en el DNA?La desanimación espontánea de C la transforma en U, pero esto es relativamente inofensivo gracias a la uracil DNA glucosilasa . Sin embargo si el DNA tuviera U como base natural , el sistema de reparación sería incapaz de distinguir una C desanimada de una U natural.

En el DNA de los vertebrados ocurre una situación especial, ya que algunos nucleótidos C determinados están metilados en secuencia C-G específicas de genes inactivos.La animación accidental de estos mucleótidos C metilados produce el nucleótido natural T, el cual forma un apareamiento erróneo con nucleótido G de la otra cadena del DNA. Para colaborar en la reparación de esos nucleótidos C metilados , una DNA glucosilasa especial reconoce los apareamientos de bases erróneos donde están implicados nucleótidos de T en las secuencias T-G y elimina T. Sin embargo , este mecanismo ha de ser relativamente ineficiente ya que los nucleótidos C metilados son lugares habituales de mutación de el DNA de los vertebrados. Así aunque en el DNA de los humanos solamente alrededor del 3% de los nucleótidos C están metilados , las mutaciones en estos mucleótidos constituyen aproximadamente una tercera parte de las mutaciones de una sola base que se han observado en enfermedades hereditarias humanas.

REPARACIÓN DE ADN Y ENFERMEDADES Y ENVEJECIMIENTO

Las deficiencias en la reparación de ADN provocan patologías

A medida que las células envejecen, la cantidad de daños en el ADN se acumula, superando la tasa de reparación y lleva a una reducción de la síntesis proteica. Como las proteínas celulares se utilizan en muchas

funciones vitales, la célula se ve impedida lentamente, y ocasionalmente muere. Cuando un número de células de un órgano alcanza este estatus, el órgano se ve afectado y empiezan a manifestarse los signos de la enfermedad. Algunos estudios experimentales en animales demuestran que cuando los genes asociados con la reparación del ADN son silenciados, se acelera el envejecimiento de la célula, las enfermedades relacionadas con la edad se manifiestan antes y aumenta la probabilidad de cáncer. Otros estudios en los que la expresión de genes de reparación de ADN se incrementaba, mostraban aumento en la longevidad y resistencia a agentes carcinogénicos en cultivos celulares.

La tasa de reparación de ADN es variable

Si la tasa de daño de ADN sobrepasa la capacidad de la célula para repararla, la acumulación de errores puede afectar la célula y producir senescencia, apoptosis o cáncer. Las enfermedades hereditarias asociadas al funcionamiento defectuoso de la reparación de ADN acarrean envejecimiento prematuro (por ejemplo, síndrome de Werner) y aumento de la sensibilidad a carcinogénicos. Algunos estudios con animales en los que los genes de reparación del ADN eran inhibidos mostraban perfiles parecidos.

Por otro lado, los organismos con sistemas de reparación de ADN mejorados, como el Deinococcus radiodurans (llamado también “Conan la bacteria”, que aparece en el libro Guinness de Récords como la “bacteria más resistente del mundo”), muestra una acusada resistencia a la radioactividad ya que sus enzimas de reparación del ADN son capaces de funcionar a unas velocidades altísimas para reparar los daños causados por la radiación a la velocidad a la que se producen, y además portan de 4 a 10 copias de su propio genoma. En estudios con humanos, los centenarios japoneses tienen un genotipo mitocondrial común que les hace menos susceptibles a sufrir daños en le ADN de sus mitocondrias.

Otros estudios con fumadores han demostrado que las personas con una mutación que inhibe la expresión del potente gen reparador de ADN hOGG1, tienen una mayor vulnerabilidad a cánceres de pulmón y otros tipos relacionados con el tabaco. Los polimorfismos de un solo nucleótido asociados a esta mutación pueden detectarse por procedimientos clínicos.

Enfermedades hereditarias de la reparación del ADN

Los fallos del mecanismo NER son directamente responsables de muchas afecciones genéticas, incluyendo:

Xeroderma pigmentosum: hipersensibilidad a la luz solar o UV, que acarrea mayor incidencia del cáncer de piel y envejecimiento prematuro.

Síndrome de Cockayne: hipersensibilidad a luz UV y productos químicos.

Distrofia tricótida: piel sensible, pelo y uñas quebradizos.

A menudo con las dos segundas enfermedades aparece retraso mental, lo que parece indicar una vulnerabilidad mayor de las neuronas en desarrollo.

Otras enfermedades del ADN son:

Síndrome de Werner: envejecimiento prematuro y retraso en el crecimiento.

Síndrome de Bloom: hipersensibilidad a la luz solar, alta incidencia de cánceres (especialmente leucemia).

Ataxia telangiectasia: sensibilidad a la radiación ionizante (UV) y algunos productos químicos.

Todas las enfermedades anteriores se denominan a veces “progerias segmentarias” (enfermedades de envejecimiento acelerado) ya que en todos los afectados parecen mayores de lo que son y sufren enfermedades relacionadas con la edad a edades anormalmente tempranas.

Otras enfermedades asociadas con la capacidad reducida de reparación de ADN incluyen anemia de Fanconi, cáncer de mama heredado y cáncer de colon heredado.

Enfermedades crónicas y reparación del ADN

Las enfermedades crónicas pueden relacionarse con un incremento del daño al ADN. Por ejemplo, fumar cigarrillos provoca daños oxidativos sobre el ADN y otros componentes de las células del corazón y el pulmón, desembocando en la formación de disruptores del ADN. Se ha demostrado que el daño al ADN es un factor causal en enfermedades como arterioesclerosis, Alzheimer, en las que los pacientes tienen menor capacidad de reparación de ADN en sus células cerebrales. El daños al ADN mitocondrial también es responsable de numerosas enfermedades.

Genes de longevidad y reparación del ADN

Se sabe que algunos genes influyen en la longevidad en una población de organismos. Los estudios en organismos tipo como levaduras, gusanos, moscas y ratones han identificado genes que al ser modificados doblan la longevidad (por ejemplo, una mutación en el gen age-1 del nematodo Caenorhabditis elegans). Se sabe también que estos genes están asociados a otras funciones del organismo diferentes de la reparación de ADN, pero cuando se siguen las rutas de su funcionamiento hasta su destino final se encuentra que son mediadores en una de las tres funciones siguientes:

1. Incremento de la tasa de reparación del ADN. 2. Incremento de la tasa de producción de antioxidante. 3. Decremento de la tasa de producción de oxidantes.

Entonces, el patrón común de los genes que afectan la longevidad se basa en sus efectos sobre la modificación de la tasa de daño al ADN.

La restricción calórica incrementa la reparación del ADN

La restricción calórica (CR) ha sido relacionada con el incremento de la longevidad y la disminución de las enfermedades relacionadas con la edad en organismos como los gusanos, moscas, ratones y primates. El mecanismo de funcionamiento de la CR se asocia con el número de genes relacionados con la sensibilidad a nutrientes que indican a la célula que altere su actividad metabólica cuando hay una disminución en el aporte de nutrientes, en particular de carbohidratos. Cuando la célula es alertada de una bajada en la disponibilidad de carbohidratos, se induce la expresión de genes que influyen la longevidad, como DAF-2, AGE-1 y SIR-2.

El motivo de que una falta de nutrientes induzca un estado de alta tasa de reparación de ADN y un incremento de la longevidad de la célula se supone relacionado con un mecanismo evolutivamente conservado de hibernación celular. En esencia se permite que la célula mantenga un estado silente hasta que las condiciones sean más favorables. Durante este periodo la célula debe bajar su tasa metabólica normal, y una de las formas de hacerlo es bajar la inestabilidad genómica. Así, la tasa de envejecimiento celular es variable, y puede modificarse con factores ambientales como la disponibilidad de nutrientes, que muestra sus efectos mediante la modificación de la tasa de reparación de ADN.

REPARACIÓN DEL ADN Y EVOLUCIÓN

Una variante del daño al ADN es la alteración de un nucleótido (una mutación), alterando la información contenida en la secuencia de ADN. Ya que la mutación y recombinación de ADN son las principales causas de la evolución, la tasa de reparación del ADN influye sobre la tasa de evolución. Con un nivel elevado de reparación de ADN, la tasa de mutación se reduce, bajando la velocidad evolutiva. Con una tasa elevada de mutación se incrementa la tasa de evolución.

LOS MECANISMOS PARA LA REPARACIÓN DEL ADN SON ANTIGUOS

Desde una perspectiva de edades geológicas los mecanismos de reparación de ADN se desarrollaron durante el período Precámbrico no mucho después de que los seres vivos utilizasen ácidos nucleicos para la codificación de la información genética. Durante este período la cantidad de oxígeno atmosférico comenzó a incrementarse, y más tarde, durante la explosión de las plantas fotosintéticas en el Cámbrico, los niveles se aproximaron a los actuales. La toxicidad del oxígeno debida a la formación de radicales libres hizo que evolucionaran mecanismos capaces de disminuir y reparar los daños que causaban. Actualmente podemos encontrar mecanismos muy conservados de reparación del ADN, compartidos por especies tan diversas como moscas, gusanos y humanos.

ENFERMEDADES, MUERTE Y EVOLUCIÓN

La tasa de reparación de ADN desempeña un papel vital a escala celular en las enfermedades (no infecciosas) y envejecimiento, y a escala poblacional sobre la evolución. Se han establecido dos relaciones importantes:

1. Tasa de reparación de ADN y mutación 2. Tasa de reparación de ADN y envejecimiento

Ya que las mutaciones están directamente relacionadas con la evolución, aparece una nueva forma de observar las relaciones entre evolución y envejecimiento. Es evidente que mientras que los mecanismos de mutación hacen que el genoma tenga flexibilidad para adaptarse, también son responsables de su desestabilización, así como de hacerlo vulnerable a las enfermedades y envejecimiento. ¿Están sometidos los organismos a las enfermedades y envejecimiento porque las mutaciones son el factor principal en la evolución? No se sabe con certeza, y es tema de debate en varias teorías del envejecimiento.

MEDICINA Y MODULACIÓN DE LA REPARACIÓN DE ADN

Una inmensa cantidad de estudios relacionan el daño de ADN con la muerte y las enfermedades. Como indican los estudios sobre sobreexpresión, la actividad incrementada de algunas enzimas de reparación del ADN puede bajar la tasa de enfermedades y envejecimiento. Según los resultados podría desarrollarse una serie de intervenciones humanas capaces de añadir varios años saludables y sin enfermedades a una población envejecida. Aun así, no todas las enzimas de reparación de ADN son beneficiosas cuando actúan demasiado. Algunas enzimas de reparación de ADN inducen la mutación de ADN sano. Se ha relacionado la especificidad de sustratos reducidos con estos errores.

Tratamiento del cáncer

Los procedimientos como la quimioterapia y la radioterapia funcionan sobrepasando la capacidad de las células para reparar los daños de su ADN y desembocando en la muerte celular. Las células que se dividen rápidamente, como las cancerígenas, son las más afectadas. También se producen efectos secundarios sobre otras células no cancerosas pero que también se dividen rápidamente, como las células madre de la médula ósea. Los tratamientos del cáncer más modernos intentan localizar daños del ADN sólo en células y tejidos afectados por el cáncer.

Terapia genética

Para utilizar la reparación de ADN con fines terapéuticos, el desafío es descubrir qué enzimas específicos muestran mayor especificidad para los

lugares dañados, de forma que su sobreexpresión conduzca a una reparación del ADN más eficiente. Una vez que se conozcan los factores de reparación adecuados, el paso siguiente es seleccionar los medios apropiados para insertarlos en la célula, para producir tratamientos viables de enfermedades y envejecimiento. El desarrollo de genes smart, capaces de alterar la cantidad de proteína producida según las condiciones celulares variables, debería incrementar la eficacia de los tratamientos que intensifican la reparación de ADN.

Reparación genética

A diferencia de los múltiples mecanismos de reparación endógena de ADN, la reparación genética (o corrección genética) se refiere a una variante de terapia génica, que se dirige directamente a las mutaciones relacionadas con una enfermedad y las corrige. Funcionan reemplazando la secuencia

de ADN afectado con la secuencia deseada, utilizando técnicas como la mutagénesis dirigida de oligonucleótidos. Las mutaciones genéticas que necesitan reparación normalmente son heredadas, pero en algunos casos pueden ser inducidas o adquiridas (como ocurre en el cáncer).

CONCLUSIONES

Como conclusión podemos decir que la información genética puede ser almacenada de forma estable en las secuencias de DNA solamente porque un conjunto de enzimas reparadoras rastrean continuamente el DNA y reempazan 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 doble hélice del DNA. De este modo , una enzima reparadora puede eliminar una lesión accidental en una de las cadenas y se puede sintetizar 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 vías principales 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 fosfato del azúcar 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 de DNA se rellena por la acción secuencial de una DNA polimerasa y una DNA ligasa , usando una cadena de DNA no alterada como patrón .

Otros sistemas de reparación cruciales – basados en mecanismos de unión de extremos tanto homólogos – 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 tanto un aumento de síntesis de enzimas reparadoras como un retraso en el ciclo celular .Ambos factores contribuyen a asegurar que el DNA es reparado antes de que la célula se divida.

BIBLIOGRAFÍA

Para la realización de este trabajo hemos buscado en:

Libro de BIOLOGÍA CELULAR Y MOLECULAR DE ROBERTIS Y ROBERTIS HIJO.

Libro LA CÉLULA DE LEWIS

http://www.aprendejugando.com/ciencia/adn.jpg

http://es.wikipedia.org/wiki/Reparaci%C3%B3n_del_ADN