Reparación de desajustes de ADN - DNA mismatch repair
La reparación de desajustes de ADN ( MMR ) es un sistema para reconocer y reparar la inserción, deleción e incorporación errónea de bases que pueden surgir durante la replicación y recombinación del ADN , así como para reparar algunas formas de daño del ADN .
La reparación de desajustes es específica de la hebra. Durante la síntesis de ADN, la hebra recién sintetizada (hija) comúnmente incluirá errores. Para comenzar la reparación, la maquinaria de reparación de desajustes distingue la hebra recién sintetizada de la plantilla (parental). En las bacterias gramnegativas, la hemimetilación transitoria distingue las hebras (la parental está metilada y la hija no). Sin embargo, en otros procariotas y eucariotas, el mecanismo exacto no está claro. Se sospecha que, en eucariotas, el ADN de hebra rezagada recién sintetizado contiene de forma transitoria mellas (antes de ser sellado por la ligasa de ADN) y proporciona una señal que dirige los sistemas de corrección de errores de emparejamiento a la hebra apropiada. Esto implica que estas mellas deben estar presentes en la cadena principal, y recientemente se ha encontrado evidencia de esto. Trabajos recientes han demostrado que las muescas son sitios para la carga dependiente de RFC del PCNA de la pinza deslizante de replicación, de una manera específica de orientación, de modo que una cara de la proteína en forma de rosquilla se yuxtapone hacia el extremo 3'-OH en la muesca. A continuación, el PCNA cargado dirige la acción de la endonucleasa MutLalpha a la hebra hija en presencia de un desajuste y MutSalpha o MutSbeta.
Cualquier evento mutacional que interrumpa la estructura superhelical del ADN conlleva el potencial de comprometer la estabilidad genética de una célula. El hecho de que los sistemas de detección y reparación de daños sean tan complejos como la propia maquinaria de replicación destaca la importancia que la evolución ha atribuido a la fidelidad del ADN.
Los ejemplos de bases mal emparejadas incluyen un emparejamiento G / T o A / C (ver reparación del ADN ). Los desajustes se deben comúnmente a la tautomerización de bases durante la replicación del ADN. El daño se repara reconociendo la deformidad causada por el desajuste, determinando la hebra plantilla y sin plantilla, y escindiendo la base incorporada incorrectamente y reemplazándola con el nucleótido correcto . El proceso de eliminación implica algo más que el propio nucleótido no emparejado. Se pueden eliminar unos pocos o hasta miles de pares de bases de la cadena de ADN recién sintetizada.
Proteínas de reparación no coincidentes
| Proteína reparadora de desajustes de ADN, dominio C-terminal | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 hpms2-atpgs
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| Identificadores | |||||||||
| Símbolo | DNA_mis_repair | ||||||||
| Pfam | PF01119 | ||||||||
| Clan pfam | CL0329 | ||||||||
| InterPro | IPR013507 | ||||||||
| PROSITE | PDOC00057 | ||||||||
| SCOP2 | 1bkn / SCOPe / SUPFAM | ||||||||
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La reparación de desajustes es un proceso altamente conservado de procariotas a eucariotas . La primera evidencia de reparación de desajustes se obtuvo de S. pneumoniae (los genes hexA y hexB ). El trabajo posterior sobre E. coli ha identificado una serie de genes que, cuando se inactivan mutacionalmente , causan cepas hipermutables. Por lo tanto, los productos génicos se denominan proteínas "Mut" y son los principales componentes activos del sistema de reparación de errores de apareamiento. Tres de estas proteínas son esenciales para detectar el desajuste y dirigir la maquinaria de reparación a él: MutS , MutH y MutL (MutS es un homólogo de HexA y MutL de HexB).
MutS forma un dímero (MutS 2 ) que reconoce la base no emparejada en la cadena hija y se une al ADN mutado. MutH se une en sitios hemimetilados a lo largo del ADN hijo, pero su acción es latente, y se activa solo al entrar en contacto con un dímero MutL (MutL 2 ), que se une al complejo MutS-ADN y actúa como mediador entre MutS 2 y MutH, activando el último. El ADN se coloca en bucle para buscar el sitio de metilación d (GATC) más cercano al desajuste, que podría estar a una distancia de hasta 1 kb. Tras la activación por el complejo MutS-DNA, MutH corta la hebra hija cerca del sitio hemimetilado. MutL recluta helicasa UvrD (ADN Helicasa II) para separar las dos cadenas con una polaridad específica de 3 'a 5'. A continuación, todo el complejo MutSHL se desliza a lo largo del ADN en la dirección del desajuste, liberando la hebra para que sea escindida a medida que avanza. Una exonucleasa rastrea el complejo y digiere la cola del ss-DNA. La exonucleasa reclutada depende de qué lado del emparejamiento incorrecto MutH incide en la hebra: 5 'o 3'. Si la muesca hecha por MutH está en el extremo 5 'del emparejamiento incorrecto, se usa RecJ o ExoVII (ambas exonucleasas 5' a 3 '). Sin embargo, si la muesca está en el extremo 3 'del desajuste, se usa ExoI (una enzima de 3' a 5 ').
Todo el proceso termina más allá del sitio de desajuste, es decir, tanto el sitio en sí como los nucleótidos circundantes se extirpan por completo. La brecha de una sola hebra creada por la exonucleasa puede luego ser reparada por la ADN polimerasa III (asistida por la proteína de unión de una sola hebra), que usa la otra hebra como plantilla y finalmente sellada por la ADN ligasa. La ADN metilasa luego metila rápidamente la hebra hija.
Homólogos MutS
Cuando se une, el dímero MutS 2 dobla la hélice de ADN y protege aproximadamente 20 pares de bases. Tiene una actividad de ATPasa débil y la unión de ATP conduce a la formación de estructuras terciarias en la superficie de la molécula. La estructura cristalina de MutS revela que es excepcionalmente asimétrica y, aunque su conformación activa es un dímero, solo una de las dos mitades interactúa con el sitio de desajuste.
En eucariotas, M ut S h omologs forman dos heterodímeros principales: MSH2 / MSH6 (MutSα) y MSH2 / Msh3 (MutSβ). La vía MutSα participa principalmente en la sustitución de bases y la reparación de errores de apareamiento de bucles pequeños. La vía MutSβ también participa en la reparación de bucle pequeño, además de la reparación de bucle grande (~ 10 bucles de nucleótidos). Sin embargo, MutSβ no repara las sustituciones de bases.
Homólogos MutL
MutL también tiene una actividad de ATPasa débil (usa ATP para propósitos de movimiento). Forma un complejo con MutS y MutH, aumentando la huella de MutS en el ADN.
Sin embargo, la procesividad (la distancia que la enzima puede moverse a lo largo del ADN antes de disociarse) de UvrD es sólo de ~ 40 a 50 pb. Debido a que la distancia entre la muesca creada por MutH y el desajuste puede promediar ~ 600 pb, si no hay otro UvrD cargado, la sección desenrollada puede volver a recocerse con su hebra complementaria, lo que obliga al proceso a comenzar de nuevo. Sin embargo, cuando está asistido por MutL, la tasa de carga de UvrD aumenta considerablemente. Si bien la procesividad (y la utilización de ATP) de las moléculas de UvrD individuales sigue siendo la misma, el efecto total sobre el ADN aumenta considerablemente; el ADN no tiene posibilidad de reasociarse, ya que cada UvrD desenrolla 40-50 pb de ADN, se disocia y luego es reemplazado inmediatamente por otro UvrD, repitiendo el proceso. Esto expone grandes secciones de ADN a la digestión con exonucleasas , lo que permite la escisión rápida (y posterior reemplazo) del ADN incorrecto.
Los eucariotas tienen cinco M ut L h omologs designados como MLH1, MLH2, MLH3, PMS1 y PMS2. Forman heterodímeros que imitan MutL en E. coli . Los homólogos humanos de MutL procariótico forman tres complejos denominados MutLα, MutLβ y MutLγ. El complejo MutLα está compuesto por subunidades MLH1 y PMS2, el heterodímero MutLβ está compuesto por MLH1 y PMS1, mientras que MutLγ está compuesto por MLH1 y MLH3. MutLα actúa como una endonucleasa que introduce roturas de hebra en la hebra hija tras la activación por desajuste y otras proteínas necesarias, MutSα y PCNA. Estas interrupciones de la cadena sirven como puntos de entrada para una actividad exonucleasa que elimina el ADN no emparejado. Los roles que desempeñan MutLβ y MutLγ en la reparación de errores de apareamiento se comprenden menos.
MutH: una endonucleasa presente en E. coli y Salmonella
MutH es una endonucleasa muy débil que se activa una vez que se une a MutL (que a su vez está unida a MutS). Se mellas no metilada de ADN y la hebra no metilada de ADN hemimethylated pero no nick metilado totalmente ADN. Los experimentos han demostrado que la reparación de los desajustes es aleatoria si ninguna de las hebras está metilada. Estos comportamientos llevaron a la propuesta de que MutH determina qué hebra contiene el desajuste. MutH no tiene homólogo eucariota. Su función de endonucleasa es asumida por homólogos de MutL, que tienen alguna actividad de exonucleasa 5'-3 'especializada. El sesgo de la hebra para eliminar los desajustes de la hebra hija recién sintetizada en eucariotas puede ser proporcionada por los extremos libres 3 'de los fragmentos de Okazaki en la nueva hebra creada durante la replicación.
Abrazadera deslizante PCNA β
PCNA y la pinza deslizante β se asocian con MutSα / β y MutS, respectivamente. Aunque los informes iniciales sugirieron que el complejo PCNA-MutSα puede mejorar el reconocimiento de desajustes, se ha demostrado recientemente que no hay un cambio aparente en la afinidad de MutSα por un desajuste en presencia o ausencia de PCNA. Además, los mutantes de MutSα que no pueden interactuar con PCNA in vitro exhiben la capacidad de llevar a cabo el reconocimiento de errores de apareamiento y la escisión de los mismos hasta niveles cercanos al tipo salvaje. Dichos mutantes son defectuosos en la reacción de reparación dirigida por una rotura de la hebra 5 ', lo que sugiere por primera vez la función MutSα en una etapa posterior a la escisión de la reacción.
Significación clínica
Defectos heredados en la reparación de desajustes
Las mutaciones en los homólogos humanos de las proteínas Mut afectan la estabilidad genómica, lo que puede resultar en inestabilidad de microsatélites (MSI), implicada en algunos cánceres humanos. En concreto, los cánceres colorrectales hereditarios sin poliposis ( HNPCC o síndrome de Lynch) se atribuyen a variantes dañinas de la línea germinal en los genes que codifican los homólogos de MutS y MutL MSH2 y MLH1 respectivamente, que por tanto se clasifican como genes supresores de tumores. Un subtipo de HNPCC, el síndrome de Muir-Torre (MTS), está asociado con tumores de piel. Si ambas copias heredadas (alelos) de un gen MMR tienen variantes genéticas dañinas, esto da como resultado una condición muy rara y grave: el síndrome del cáncer de reparación de desajustes (o deficiencia constitucional de reparación de desajustes, CMMR-D), que se manifiesta como múltiples apariciones de tumores en una edad temprana, a menudo tumores de colon y cerebro .
Silenciamiento epigenético de genes de reparación de desajustes
Los cánceres esporádicos con una deficiencia en la reparación del ADN rara vez tienen una mutación en un gen de reparación del ADN, pero en cambio tienden a tener alteraciones epigenéticas como la metilación del promotor que inhibe la expresión del gen de reparación del ADN. Aproximadamente el 13% de los cánceres colorrectales son deficientes en la reparación del desajuste del ADN, comúnmente debido a la pérdida de MLH1 (9,8%), o algunas veces MSH2, MSH6 o PMS2 (todos ≤1,5%). Para la mayoría de los cánceres colorrectales esporádicos deficientes en MLH1, la deficiencia se debió a la metilación del promotor MLH1. Otros tipos de cáncer tienen frecuencias más altas de pérdida de MLH1 (ver tabla a continuación), que nuevamente son en gran parte resultado de la metilación del promotor del gen MLH1 . Un mecanismo epigenético diferente subyacente a las deficiencias de MMR podría implicar la sobreexpresión de un microARN, por ejemplo , los niveles de miR-155 se correlacionan inversamente con la expresión de MLH1 o MSH2 en el cáncer colorrectal.
| Tipo de cáncer | Frecuencia de deficiencia en cáncer | Frecuencia de deficiencia en el defecto del campo adyacente |
|---|---|---|
| Estómago | 32% | 24% -28% |
| Estómago (tumores de tipo foveolar) | 74% | 71% |
| Estómago en el valle de Cachemira de alta incidencia | 73% | 20% |
| Esofágico | 73% | 27% |
| Carcinoma de células escamosas de cabeza y cuello (HNSCC) | 31% -33% | 20% -25% |
| Cáncer de pulmón de células no pequeñas (NSCLC) | 69% | 72% |
| Colorrectal | 10% |
Fallos de MMR en defectos de campo
Un defecto de campo (cancerización de campo) es un área del epitelio que ha sido preacondicionada por cambios epigenéticos o genéticos, lo que la predispone al desarrollo de cáncer. Como señaló Rubin "... hay evidencia de que más del 80% de las mutaciones somáticas encontradas en los tumores colorrectales humanos de fenotipo mutante ocurren antes del inicio de la expansión clonal terminal". Del mismo modo, Vogelstein et al. señalan que más de la mitad de las mutaciones somáticas identificadas en tumores ocurrieron en una fase preneoplásica (en un defecto de campo), durante el crecimiento de células aparentemente normales.
Las deficiencias de MLH1 eran comunes en los defectos de campo (tejidos histológicamente normales) que rodeaban a los tumores; consulte la tabla anterior. MLH1 silenciado o mutado epigenéticamente probablemente no conferiría una ventaja selectiva a una célula madre; sin embargo, provocaría un aumento de las tasas de mutación y uno o más de los genes mutados pueden proporcionar a la célula una ventaja selectiva. El gen MLH1 deficiente podría ser transportado como un gen pasajero (autoestopista) selectivamente casi neutral cuando la célula madre mutada genera un clon expandido. La presencia continua de un clon con un MLH1 reprimido epigenéticamente continuaría generando más mutaciones, algunas de las cuales podrían producir un tumor.
Componentes de MMR en humanos
En los seres humanos, siete proteínas de reparación de errores de emparejamiento de ADN (MMR) ( MLH1 , MLH3 , MSH2 , MSH3 , MSH6 , PMS1 y PMS2 ) funcionan de manera coordinada en pasos secuenciales para iniciar la reparación de los desajustes de ADN. Además, existen subrutas MMR dependientes de Exo1 e independientes de Exo1.
Otros productos génicos implicados en la reparación de errores de apareamiento (posterior a la iniciación por genes MMR) en humanos incluyen ADN polimerasa delta , PCNA , RPA , HMGB1 , RFC y ADN ligasa I , además de factores modificadores de histonas y cromatina .
En determinadas circunstancias, la vía de la MMR puede reclutar una ADN polimerasa eta ( POLH ) propensa a errores . Esto sucede en los linfocitos B durante la hipermutación somática , donde POLH se usa para introducir variación genética en genes de anticuerpos. Sin embargo, esta vía de MMR propensa a errores puede desencadenarse en otros tipos de células humanas tras la exposición a genotoxinas y, de hecho, es ampliamente activa en varios cánceres humanos, provocando mutaciones que llevan una firma de actividad POLH.
MMR y frecuencia de mutación
Reconocer y reparar los desajustes y los indeles es importante para las células porque no hacerlo da como resultado la inestabilidad de microsatélites (MSI) y una tasa de mutación espontánea elevada (fenotipo mutador). En comparación con otros tipos de cáncer, el cáncer deficiente en MMR (MSI) tiene una frecuencia muy alta de mutaciones, cercana al melanoma y al cáncer de pulmón, tipos de cáncer causados por una gran exposición a la radiación ultravioleta y sustancias químicas mutagénicas.
Además de una carga de mutación muy alta, las deficiencias de MMR dan como resultado una distribución inusual de mutaciones somáticas en el genoma humano: esto sugiere que MMR protege preferentemente las regiones eucromáticas ricas en genes y de replicación temprana. Por el contrario, las regiones del genoma heterocromático de replicación tardía y pobres en genes exhiben altas tasas de mutación en muchos tumores humanos.
La modificación de la histona H3K36me3 , una marca epigenética de la cromatina activa, tiene la capacidad de reclutar el complejo MSH2-MSH6 (hMutSα). De manera consistente, las regiones del genoma humano con altos niveles de H3K36me3 acumulan menos mutaciones debido a la actividad de MMR.
Pérdida de múltiples vías de reparación del ADN en tumores.
La falta de MMR a menudo ocurre en coordinación con la pérdida de otros genes de reparación del ADN. Por ejemplo, los genes MLH1 y MLH3 de MMR , así como otros 11 genes de reparación del ADN (como MGMT y muchos genes de la vía NER ) se regularon significativamente a la baja en los astrocitomas de grado inferior y superior, en contraste con el tejido cerebral normal. Además, la expresión de MLH1 y MGMT se correlacionó estrechamente en 135 muestras de cáncer gástrico y la pérdida de MLH1 y MGMT pareció acelerarse sincrónicamente durante la progresión del tumor.
La expresión deficiente de múltiples genes de reparación del ADN se encuentra a menudo en los cánceres y puede contribuir a las miles de mutaciones que generalmente se encuentran en los cánceres (consulte Frecuencias de mutaciones en los cánceres ).
Envejecimiento
Una idea popular, que no ha logrado obtener un apoyo experimental significativo, es la idea de que la mutación, a diferencia del daño del ADN, es la causa principal del envejecimiento. Los ratones defectuosos en el mutL homólogo PMS2 tener alrededor de una frecuencia de mutación 100 veces elevado en todos los tejidos, pero no parecen envejecer más rápidamente. Estos ratones muestran un desarrollo y una vida principalmente normales, excepto por la carcinogénesis de inicio temprano y la infertilidad masculina.
Ver también
Referencias
Otras lecturas
- Hsieh P, Yamane K (2008). "Reparación de desajustes de ADN: mecanismo molecular, cáncer y envejecimiento" . Mecanismos de envejecimiento y desarrollo . 129 (7-8): 391-407. doi : 10.1016 / j.mad.2008.02.012 . PMC 2574955 . PMID 18406444 .
- Iyer RR, Pluciennik A, Burdett V, Modrich PL (febrero de 2006). "Reparación de desajustes de ADN: funciones y mecanismos". Revisiones químicas . 106 (2): 302–23. doi : 10.1021 / cr0404794 . PMID 16464007 .
- Joseph N, Duppatla V, Rao DN (2006). Reparación de desajustes de ADN procariótico . Avances en investigación de ácidos nucleicos y biología molecular . 81 . págs. 1-49. doi : 10.1016 / S0079-6603 (06) 81001-9 . ISBN 9780125400817. PMID 16891168 .
- Yang W (agosto de 2000). "Estructura y función de las proteínas de reparación de desajustes" . Investigación de mutaciones . 460 (3–4): 245–56. doi : 10.1016 / s0921-8777 (00) 00030-6 . PMID 10946232 .
- Griffiths JF, Gilbert WM, Lewontin RC, Wessler SR, Suzuki DT, Miller JH (2004). Una introducción al análisis genético (8ª ed.). Nueva York, NY: Freeman. ISBN 978-0-7167-4939-4.
- Kunkel TA, Erie DA (2005). "Reparación de desajustes de ADN" . Revisión anual de bioquímica . 74 : 681–710. doi : 10.1146 / annurev.biochem.74.082803.133243 . PMID 15952900 .
- Friedberg EC, Walker GC, Siede W, Wood RD , Schultz RA, Ellenberger (2005). Reparación y mutagénesis del ADN (2ª ed.). Washington, DC: Prensa de ASM. ISBN 978-1-55581-319-2.
enlaces externos
- Reparación de ADN
- DNA + Mismatch + Repair en los encabezados de temas médicos (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU .