Mecanismos de Reparación del ADN

Aunque la fidelidad del ácido desoxirribonucleico (ADN) está muy protegida, este puede resultar dañado por una serie de factores ambientales, especies reactivas de oxígeno y errores en la replicación del ADN. La reparación del ADN es un proceso continuo en el que la célula corrige los daños. La célula tiene múltiples mecanismos que puede utilizar para reparar el ADN. Durante la replicación, la célula dispone de una maquinaria de revisión dentro de la propia ADN polimerasa. Para los daños de una sola cadena de ADN, la célula puede usar técnicas de reparación por escisión y fotorreparación. Para las roturas de ambas cadenas del ADN, la célula puede emplear la recombinación homóloga o la unión de extremos no homólogos. Cuando los procesos normales de reparación del ADN fallan debido a la edad, a una disfunción o a una sobrecarga del sistema, los daños en el ADN no reparados pueden provocar apoptosis, senescencia celular o tumores malignos.

Última actualización: Oct 25, 2022

Responsabilidad editorial: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

Contenido

Descripción General del Daño y Reparación del ADN

Revisión de Errores y Fotoreparación

Reparación de Daños en una Sola Cadena de ADN

Reparación de Daños en Dos Cadenas de ADN

Relevancia Clínica

Referencias

Descripción General del Daño y Reparación del ADN

Etiología

El daño al ADN puede ser causado por:

Exposiciones ambientales:
- Luz solar/radiación ultravioleta (UV)
- Radiación
- Productos químicos
- Virus
- Dieta
Especies reactivas de oxígeno producidas durante los procesos metabólicos normales
Errores de replicación
Edad

Tipos de daños en el ADN

Daño a una sola cadena:
- Los daños en 1 cadena permiten utilizar la otra cadena como plantilla para la reparación.
- Algunos ejemplos de daños de una sola cadena son:
  - Rupturas en 1 cadena del ADN
  - Pares de bases mal emparejadas
  - Incorporación de uracilo en el ADN
  - Oxidación o alquilación del ADN
Rotura de dos cadenas:
- Las dos cadenas de ADN están cortadas.
- Peligroso para la estabilidad del genoma (daño cromosómico)
- El entrecruzamiento de las cadenas rotas puede detener la mitosis, provocar la muerte de la célula o una mutación.

Mecanismos utilizados para corregir los errores de replicación durante la replicación del ADN:
- Revisión de errores (proofreading, en inglés)
Mecanismos para el daño de una sola cadena de ADN (después de la replicación):
- Fotoreparación (no presente en humanos)
- Reparación por escisión de bases
- Reparación por escisión de nucleótidos
- Reparación de bases mal emparejadas
Mecanismos para la rotura de las dos cadenas del ADN (después de la replicación):
- Recombinación homóloga
- Unión de extremos no homólogos

Revisión de Errores y Fotoreparación

Revisión de errores

La revisión de errores se realiza durante la replicación del ADN. La ADN polimerasa (el complejo enzimático que replica el ADN):

Tiene actividad de “revisión”, capaz de corregir errores de replicación
Puede “retroceder” cuando se detecta un error, eliminar el nucleótido incorrecto e insertar el correcto:
- Tiene una actividad exonucleasa de 3’ a 5’ que permite la escisión del nucleótido incorrecto
Mejora la fidelidad de la copia del ADN 100 veces

Actividad de corrección de la adn polimerasa — Actividad de revisión de errores de la ADN polimerasa
Imagen por Lecturio.

Fotoreparación

La radiación de la luz UV hace que se formen dímeros de pirimidina (T o C) a través de enlaces covalentes entre bases adyacentes, creando un cambio conformacional (“abultamiento”) en el ADN. Estos defectos pueden repararse mediante un proceso denominado fotoreparación o fotoreactivación.

La fotoliasa del ADN es una enzima que utiliza la energía de la luz visible para romper el enlace covalente entre las pirimidinas, restaurando el ADN a su estado original:
- Obsérvese que la luz UV causa el daño, mientras que la luz visible proporciona la energía para reparar el daño.
La fotoreparación es un ejemplo de reversión directa (o química) del daño en el ADN (i.e., no rompe la estructura central del fosfodiéster).
No necesita una plantilla de ADN
Solo se puede reparar 1 base a la vez
Este proceso no está presente en los mamíferos placentarios (como los humanos).

Pasos de la foto reparación del adn — Pasos de la fotoreparación
Imagen por Lecturio.

Reparación de Daños en una Sola Cadena de ADN

La célula dispone de 3 mecanismos principales para reparar los daños en una sola cadena de ADN:

Reparación por escisión de bases
Reparación por escisión de nucleótidos
Reparación de bases mal emparejadas.

Proceso general de reparación de daños en una sola cadena de ADN

Los 3 mecanismos siguen el mismo proceso general:

Se identifican las bases dañadas o anormalmente emparejadas.
Las enzimas de escisión extirpan la base anormal, nucleótido o una pequeña región que lo rodea.
La ADN polimerasa rellena el espacio añadiendo los nucleótidos correctos.
La ADN ligasa sella el esqueleto de azúcar-fosfato con un nuevo enlace fosfodiéster.

Mecanismo general de reparación del adn monocatenario — Mecanismo general de reparación de una sola cadena de ADN
Imagen por Lecturio.

Reparación por escisión de bases

En la reparación por escisión de bases, se extirpa una única base dañada y se sustituye.

Enzimas glicosilasas:
- Rompen la unión entre la base dañada y la desoxirribosa, eliminándola
- Las glicosilasas del ADN son específicas para diferentes tipos de lesiones.
- Las células tienen múltiples glicosilasas de ADN con diferentes especificidades.
- Ejemplos de enzimas glicosilasas:
  - La uracilo-ADN glicosilasa elimina el uracilo de las cadenas de ADN.
  - La oxoguanina glicosilasa elimina las bases oxidadas.
Las endonucleasas eliminan la porción de azúcar-fosfato restante del nucleótido.
La ADN polimerasa elimina el único nucleótido anormal y lo sustituye por el correcto.
La ADN ligasa sella el esqueleto.
Es el mecanismo de reparación de daños por luz UV en humanos

Reparación por escisión de nucleótidos

Proceso similar a la reparación por escisión de bases, pero con secciones más grandes de ADN extirpadas
Un complejo de endonucleasas elimina toda la sección de ADN (normalmente, unos 12–30 pares de bases) que rodea la zona anormal.
El ADN es resintetizado por la ADN polimerasa y sellado por la ADN ligasa.

Reparación de bases mal emparejadas del ADN

Corrige los errores de emparejamiento de bases que se produjeron durante la replicación del ADN y que no fueron reparados por la revisión de errores:
- A menudo se debe a la tautomerización (isómeros estructurales) durante la replicación
- Pueden ser pares de bases individuales o secciones más grandes de ADN
Proteínas de reparación de bases mal emparejadas del ADN:
- Localizan los nucleótidos mal emparejados
- Reclutan exonucleasas para extirpar las bases mal emparejadas
Una vez que la base mal emparejada es extirpada:
- La ADN polimerasa puede colocar la(s) base(s) correcta(s).
- La ADN ligasa sella el esqueleto de azúcar-fosfato.

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Reparación de Daños en Dos Cadenas de ADN

En general, los daños en dos cadenas de ADN son más difíciles de reparar porque no hay una cadena molde con la que trabajar. Los dos mecanismos principales para fijar las roturas de dos cadenas de ADN son la recombinación homóloga y la unión de extremos no homólogos.

Recombinación homóloga

En la recombinación homóloga, la cromátida hermana casi idéntica o el cromosoma homólogo se utiliza como plantilla:

La mecánica y las enzimas son similares al cruce de cromosomas que se produce durante la meiosis.
Para la recombinación homóloga es necesario:
- Extensas regiones de secuencias homólogas entre las 2 cromátidas
- Múltiples complejos enzimáticos, incluyendo:
  - Exonucleasas: comienzan a digerir los extremos 5’ → generan colas 3′ de una sola cadena de ADN en las cadenas rotas
  - Enzimas recombinasas: catalizan la inserción del extremo 3’ en la secuencia complementaria del ADN en la cromátida homóloga
La ADN polimerasa es capaz de sintetizar nuevo ADN a partir de la cromátida homóloga.
La cadena “invasora” puede terminar:
- Intercambiada con su región homóloga en la cromátida opuesta:
  - Este intercambio se conoce como unión de Holliday, captura del segundo extremo o cruce.
- Desplazada después de haber sintetizado suficiente ADN para “cerrar el espacio” de su ruptura original:
  - El extremo 3′ original se vuelve a conectar con su extremo 5′ original y se utiliza como plantilla para rellenar los espacios.
  - Conocido como alineamiento de cadena dependiente de síntesis
- Copiando todo el resto de su cromátida hermana si se pierde su extremo 5′ original:
  - Una vez que el extremo 3’ invasor ha copiado el resto de la cromátida, se libera y se utiliza como cadena molde para rehacer su cadena complementaria.
  - Este proceso se conoce como replicación inducida por rotura.

Models of homologous recombination — Modelos de recombinación homóloga:
Las roturas de doble cadena pueden repararse mediante la maquinaria de recombinación homóloga de diversas maneras. Los extremos del ADN se procesan primero en colas de ADN de una sola cadena 3’. Estas colas invaden una plantilla homóloga (rojo), iniciando una nueva síntesis de ADN (línea discontinua). Se muestran 3 posibles resultados de esta invasión.
A: En la reparación canónica de la rotura de doble cadena, tanto la cadena invasora inicial como el segundo extremo capturado se unen a la plantilla homóloga y preparan la nueva síntesis de ADN, dando lugar a una doble unión Holliday que puede ser resuelta por las nucleasas en un producto cruzado o no cruzado (se muestra el producto no cruzado).
B: Alternativamente, después de que la cola de ADN de una sola cadena invada la plantilla homóloga, se prepara una ronda de síntesis de ADN a partir del extremo 3′ (línea roja discontinua). El alineamiento de la cadena dependiente de la síntesis se produce cuando la cadena invasora, junto con el segmento recién sintetizado, es desenrollada por una helicasa y es alineada con el otro extremo resecado.
C: En la replicación inducida por rotura, 1 extremo de la rotura de doble cadena se pierde y el extremo restante invade la plantilla homóloga, iniciando la síntesis de ADN hasta el final del cromosoma.
Imagen por Lecturio.

Unión de extremos no homólogos

La ADN ligasa IV y un cofactor, XRCC4, unen directamente los extremos rotos.
Se basa en microhomologías (secuencias homólogas cortas) en las colas monocatenarias de las hebras rotas
Las deleciones, inserciones y translocaciones son más comunes con este tipo de reparación.
Un mecanismo similar está implicado en la recombinación V(D)J (recombinación somática) para crear diversidad de células B y T.

Relevancia Clínica

Trastornos genéticos: cuando los pares de bases erróneamente emparejadas no se reparan dentro de los gametos, pueden crear mutaciones que se transmiten a la descendencia.
Cáncer: clase de enfermedades causadas por cambios en la secuencia genética y la expresión de los genes. Estos cambios suelen deberse a mutaciones o daños en el ADN. Hay 4 clases de genes reguladores normales que suelen estar dañados en las células cancerosas: oncogenes que promueven el crecimiento, genes supresores de tumores que inhiben el crecimiento, genes que regulan la apoptosis y genes que participan en la reparación del ADN.
Síndrome de Lynch: también llamado cáncer colorrectal hereditario no poliposo. El síndrome de Lynch está causado por una mutación autosómica dominante en los genes de reparación de bases mal emparejadas del ADN. El síndrome de Lynch es el síndrome de cáncer de colon hereditario más común, y conlleva un riesgo significativamente mayor de padecer cáncer de endometrio y otros tumores malignos. El diagnóstico se realiza mediante pruebas genéticas. Es necesario realizar un tamizaje temprano y frecuente del cáncer de colon, y a menudo se recomienda la histerectomía profiláctica para las mujeres que superan la edad reproductiva.
Cáncer de piel: los tipos más frecuentes de cáncer de piel son el carcinoma de células basales, el carcinoma de células escamosas de la piel y el melanoma. Las mutaciones de estos cánceres suelen producirse por daños en el ADN debidos a una exposición excesiva a la radiación UV. Cuando se produce una sobrecarga de los sistemas de reparación de escisión de bases debido a la frecuente exposición al sol, aumenta el riesgo de cánceres de piel. Este riesgo es más frecuente en personas de piel clara con antecedentes de exposición excesiva al sol y quemaduras solares. El diagnóstico definitivo se establece con una biopsia. El tratamiento se basa principalmente en la escisión quirúrgica.
Xeroderma pigmentoso: raro trastorno autosómico recesivo caracterizado por cambios de pigmentación en la piel. La presencia de xeroderma pigmentoso conlleva un mayor riesgo de cáncer de piel y de mucosas inducido por los rayos UV y, ocasionalmente, de neurodegeneración progresiva. Este trastorno está causado por 1 de varias mutaciones, que en última instancia conducen a una reparación de escisión de nucleótido disfuncional. El diagnóstico debe sospecharse en niños con sensibilidad solar severa, pecas significativas antes de los 2 años y/o cáncer de piel antes de los 10 años.

Referencias

Friedberg, E. (2003). DNA damage and repair. Nature 421:436–440. https://doi.org/10.1038/nature01408
Li, X., Heyer, W. D. (2008). Homologous recombination in DNA repair and DNA damage tolerance. Cell Research 18:99–113. https://doi.org/10.1038/cr.2008.1
Roldan-Arjona, T., Ariza, R. R., Cordoba-Canero, D. (2019). DNA base excision repair in plants: an unfolding story with familiar and novel characters. Frontiers in Plant Science. Retrieved April 23, 2021, from https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fpls.2019.01055/full

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