Reparación por escisión de bases

En bioquímica e xenética, a reparación por escisión de bases (abreviada como BER, do inglés base excision repair) é un mecanismo celular que repara os danos no ADN durante o ciclo celular. É responsable principalmente da eliminación de pequenas lesións nas bases do ADN ao longo do xenoma que non distorsionan a hélice do ADN. A vía relacionada da reparación por escisión de nucleótidos repara lesións voluminosas que causan distorsións na hélice. A BER é importante para a eliminación de bases danadas que poderían doutro modo causar mutacións por apareamento incorrecto de bases ou orixinar roturas no ADN durante a replicación. A BER é iniciada polas ADN glicosilases, que recoñecen e eliminan bases incorrectas ou danadas específicas, que forman sitios AP. Estas son despois cortadas pola AP endonuclease. As roturas de cadea simple resultantes poden despois ser procesados ou ben por BER de parche curto (onde se substitúe un só nucleótido) ou BER de parche longo (onde se sintetizan de 2 a 10 novos nucleótidos).

 Lesións procesadas pola BER 
miniatura|dereita|A 8-oxoguanina forma un par de bases de Hoogsteen coa adenina.
Unha base do ADN pode ser danada quimicamente por diversos mecanismos; os máis comúns son a desaminación, oxidación e alqulación. Estas modificacións poden afectar á capacidade da base de establecer enlaces de hidróxeno, o que ten como resultado un apareamento de bases incorrecto, e, como consecuencia, mutacións no ADN. Por exemplo, a incorporación de adenina fronte a unha 8-oxoguanina (figura da dereita) durante a replicación do ADN causa que un par de bases G:C orixinal mute a un par T:A. Outros exemplos de lesións de bases que repara a BER son:
Bases oxidadas: 8-oxoguanina, 2,6-diamino-4-hidroxi-5-formamidopirimidina (FapyG, FapyA).
Bases alquiladas: 3-metiladenina, 7-metilguanosina.
Bases desaminadas: hipoxantina formada a partir da desaminación da adenina;  xantina formada a partir da desaminación da guanina (os produtos de timidina orixinados por desaminación da 5-metilcitosina son máis difíciles de recoñecer, mais poden ser reparados por glicosilases específicas da discordancia).
Uracilo incorporado incorrectamente ao ADN ou formado por desaminación da citosina.

Ademais das lesións de bases, os pasos augas abaixo da BER tamén se utilizan para reparar roturas de cadea simple no ADN.

 Elección entre a reparación de parche longo e curto 

A elección entre as dúas modalidades de BER que a célula pode usar: parche curto (short patch) e parche longo (long patch), está investigándose actualmente. Crese que nesta decisión inflúen varios factores, como o tipo de lesión, a fase do ciclo celular, e se a célula está xa diferenciada ou está dividíndose activamente. Algunhas lesións, como os sitios oxidados ou sitios AP, son resistentes á actividade da pol β liase e, por tanto, deben ser procesados por BER de parche longo.

A preferencia por unha das vías pode variar dependendo do organismo. Mentres que os humanos utilizan tanto a vía de parche curto coma a de parche longo, creuse durante moito tempo que os lévedos Saccharomyces cerevisiae carecían dunha vía de parche curto porque non teñen homólogos de varias proteínas de mamíferos que actúan na vía de parche curto, como a pol β, ADN ligase III, XRCC1, e o dominio quinase da PNKP. Non obstante, isto púxose en dúbida co descubrimento de que a poli-A polimerase Trf4 posúe unha actividade 5' dRP liase.

 Proteínas implicadas na reparación de escisión de bases 

 ADN glicosilases 

miniatura|300px|dereita|A uracilo ADN glicosilase rota e despois retira un residuo de uracilo do dúplex, que se mostra en amarelo.

As ADN glicosilases son responsables do recoñecemento inicial da lesión. Causan unha rotación das bases danadas na dobre hélice, como na imaxe, e seguidamente cortan o enlace N-glicosídico de dita base, deixando no seu lugar un sitio AP (sen base). Hai dúas clases de glicosilases: monofuncional e bifuncional. As glicosilases monofuncionais teñen só actividade de glicosilase, mentres que as bifuncionais posúen tamén actividade de AP liase. Por tanto, as glicosilases bifuncionais poden converter unha lesión dunha base nunha rotura de febra simple sen necesitar unha AP endonuclease. A β-eliminación dun sitio AP por unha glicosilase-liase rende un aldehido 3' α,β-insaturado adxacente a un 5' fosfato, o cal é diferente do produto da clivaxe realizada polas AP endonucleases. Algunhas glicosidase-liases poden ademais realizar a δ-eliminación, que converte o 3' aldehido en 3' fosfato. Evolucionou unha ampla variedade de glicosilases para recoñecer diferentes bases danadas. Exemplos de ADN glicosidases son a Ogg1, que recoñece a 8-oxoguanina, a Mag1, que recoñece a 3-metiladenina, e a UNG, que elimina o uracilo do ADN.

 AP endonucleases 

As AP endonucleases clivan sitios AP orixinando un extremo 3' hidroxilo adxacente a un 5' desoxirribosafosfato (dRP). As AP endonucleases divídense en dúas familias baseándose nas súas homoloxías con AP endonucleases bacterianas ancestrais chamadas endonuclease IV e exonuclease III. Moitos eucariotas teñen membros en ambas as familias, como o lévedo Saccharomyces cerevisiae, no cal a súa Apn1 é homóloga de EndoIV  e a súa Apn2 está relacionada con ExoIII. Nos humanos, identificáronse dúas AP endonucleases, APEX1 e APEX2, que pertencen á familia ExoIII.

 Encimas que procesan os extremos 
Para que teña lugar a ligazón nunha rotura nunha febra do ADN, dita rotura debe ter un hidroxilo no seu extremo 3' e un fosfato no seu extremo 5'. Nos humanos, a polinucleótido quinase-fosfatase (PNKP) promove a formación destes extremos durante a BER. Esta proteína ten un dominio quinase, que fosforila os extremos 5' hidroxilo, e un dominio fosfato, que elimina os fosfatos dos extremos 3'. Xuntas, estas actividades deixan preparadas para a ligazón as roturas de febra simple con extremos danados. As AP endonucleases tamén participan no procesamento do extremo 3'. Ademais de abriren os sitios AP, posúen unha actividade 3' fosfodiesterase e poden eliminar diversas lesións 3', como fosfatos, fosfoglicolatos, e aldehidos. O procesamento 3' debe ocorrer antes de que poida iniciarse a síntese de ADN porque as ADN polimerases necesitan un 3' hidroxilo para estender a cadea.

 ADN polimerases 

A Pol β é a principal polimerase humana que cataliza o BER de parche curto, e a pol λ utilízase para compensar a súa ausencia. Estas polimerases son membros da familia da Pol X e insiren só un nucleótido. Ademais da actividade de polimerase, estes encimas teñen un dominio liase que elimina o 5' dRP que se orixinou durante a clivaxe da AP endonuclease. Durante a BER de parche longo, a síntese de ADN pénsase que está mediada polas pol δ e pol ε xunto co factor de procesividade PCNA, que son as mesmas polimerases que levan a cabo a replicación do ADN. Estas polimerases realizan un desprazamento da síntese, o que significa que o extremo 5' do ADN augas abaixo é "desprazado" para formar unha solapa que sobresae (ver diagrama superior). A Pol β pode tamén realizar unha síntese de desprazamento de parche longo e pode, por tanto, participar en ambas as vías da BER. A síntese de parche longo normalmente insire de 2 a 10 nucleótidos.

 Endonuclease Flap 

A FEN1 elimina a solapa 5' xerada durante a BER de parche longo. Esta endonuclease mostra unha forte preferencia por unha solapa 5' adxacente a unha solapa 3' dun só nucleótido. O homólogo en lévedos de FEN1 é RAD27. Ademais do seu papel na BER de parche longo, a FEN1 cliva solapas cunha estrutura similar durante o procesamento de fragmentos de Okazaki, un importante paso na replicación da febra retardada do ADN.

 ADN ligase 

Tradicionalmente considerábase que a ADN ligase III xunto co seu cofactor XRCC1 catalizaba o paso de selado de amosegas na BER de parche curto no núcleo en humanos, pero estudos modernos indican que podería facelo a ADN ligase I e que a III interviría nas mitocondrias.Gao Y.; Katyal S.; Lee Y.; Zhao J.; Rehg J.; Russell H. R. DNA ligase III is Critical for mtDNA Integrity but Not Xrcc1-Mediated Nuclear DNA Repair. Nature 2011, 471, 240–244. pmid 21390131 . PMCID: 3079429. doi 10.1038/nature09773Simsek D.; Furda A.; Gao Y.; Artus J.; Brunet E.; Hadjantonakis A.; Van Houten B.; Shuman S.; McKinnon P.; Jasin M. Crucial role for DNA ligase III in Mitochondria but Not in Xrcc1-Dependent Repair. Nature 2011, 471, 245–248. pmid 21390132 . PMCID: 3261757. doi 10.1038/nature09794 A ADN ligase I liga as roturas na BER de parche longo.Kelly M. Schermerhorn and Sarah Delaney. A Chemical and Kinetic Perspective on Base Excision Repair of DNA
. Acc Chem Res. 2014 Apr 15; 47(4): 1238–1246. doi 10.1021/ar400275a. PMCID: 3993943 

 Ligazóns entre a BER e o cancro 

Os defectos en diversas vías de reparación do ADN causan unha predisposición ao cancro, e a BER parece seguir ese patrón. As delecións por mutación nos xenes da BER orixinan unha maior taxa de mutación en diversos organismos, o que implica que a perda da BER podería contribuír ao desenvolvemento do cancro. De feito, atopáronse mutacións somáticas na Pol β no 30% dos cancros humanos, e algunhas destas mutacións orixinan a transformación cando se expresan en células de rato. As mutacións na ADN glicosilase MYH tamén incrementan a susceptibilidade ao cancro de colon.

 Deficiencias epixenéticas en cancros 

As alteracións epixenéticas (epimutacións) nos xenes para a reparación por escisión de bases aínda empezaron recentemente a ser avaliadas nuns poucos cancros, o que contrasta cos numerosos estudos previos sobre epimutacións en xenes que actúan noutras vías de reparación do ADN (como a MLH1 na reparación de discordancias e na MGMT en reversións directas).Carol Bernstein and Harris Bernstein (2015). Epigenetic Reduction of DNA Repair in Progression to Cancer, Advances in DNA Repair, Prof. Clark Chen (Ed.), ISBN 978-953-51-2209-8, InTech,  Available from: http://www.intechopen.com/books/advances-in-dna-repair/epigenetic-reduction-of-dna-repair-in-progression-to-cancer Algúns exemplos de epimutacións nos xenes para a reparación por escisión de bases que ocorren en cancros resúmense a continuación.

 MBD4 

miniatura|dereita|Hidrólise de citosina a uracilo.

A MBD4 (proteína 4 de dominio de unión a metil-CpG) é unha glicosilase empregada nun paso inicial da reparación por escisión de bases. A proteína MBD4 únese preferencialmente a sitios CpG completamente metilados e ás bases alteradas de ditos sitios. Estas bases alteradas orixínanse da hidrólise frecuente de citosina a uracilo (ver imaxe) e a hidrólise da 5-metilcitosina a timina, producindo os pares de bases G:U e G:T. Se non se eliminan os uracilos ou timinas incorrectos nestes pares de bases antes da replicación do ADN, causarán mutacións por transición. A MBD4 cataliza especificamente a eliminación de T e U emparellados con guanina (G) dentro de sitios CpG. Esta é unha importante función de reparación, xa que aproximadamente 1/3 de todas as mutacións dun só par de bases intraxénicas nos cancros humanos teñen lugar en dinucleótidos CpG e son o resultado de transicións de G:C a A:T. Estas transicións comprenden as mutacións máis frecuentes en cancros humanos. Por exemplo, case o 50% das mutacións somáticas do xene supresor de tumores p53 en cancro colorrectal son transicións de G:C a A:T en sitios CpG. Así, un decrecemento na expresión da MBD4 podería causar u incremento nas mutacións carcinoxénicas.

A expresión de MBD4 está reducida en case todos os neoplasmas de cancros colorrectais debido á metilación da rexión promotora da MBD4. Ademais a MBD4 é deficiente debido á mutación en aproximadamente o 4% dos cancros colorrectais.

Unha maioría dos campos normais histoloxicamente que rodean os recrementos neoplásticos (adenomas e cancros de colon) no colon tamén mostran unha expresión reducida do ARNm da MBD4 (un defecto de campo) compardo cun tecido histoloxicamente normal de individuos que nunca tiveron un neoplasma de colon. Este descubrimento suxire que o silenciamento epixenético da MBD4 é un paso inicial na carcinoxénese colorrectal.

Nunha poboación chinesa examinada, o polimorfismo Glu346Lys na MBD4 estaba asociado cunha redución dun 50% do risco de padecer cancro cervical, o que suxire que as alteracións na MBD4 poden ser importantes no cancro.

 NEIL1 

A NEIL1 recoñece e elimina certas bases danadas por oxidación do ADN e despois corta o sitio abásico por β,δ-eliminación, deixando extremos 3' e 5' fosfato. A NEIL1 recoñece pirimidinas oxidadas, formamidopirimidinas, residuos de timina oxidados no grupo metilo, e ambos os estereoisómeros da timina glicol. Os mellores substratos para a NEIL1 humana parecen ser as lesións de hidantoína, guanidinohidantoína e espiroiminodihidantoína, que son produtos da ulterior oxidación da 8-oxoG. A NEIL1 ten a capacidade tamén de eliminar lesións de ADN de febra simple así como das estruturas de burbulla e forcada do ADN. Unha deficiencia da NEIL1 causa un incemento da mutaxénese no sitio dun par 8-oxo-Gua:C, e a maioría das mutacións son transversións de G:C a T:A.

Un estudo feito en 2004 atopou que o 46% dos cancros gástricos primarios tiñan reducida a expresión do ARNm de NEIL1, aínda que se descoñece o mecanismo de redución. Este estudo tamén encontrou que o 4% dos cancros gástricos tiñan mutacións en NEIL1. Os autores suxeriron que a baixa actividade de NEIL1 que se orixina pola expresión reducida e/ou mutación en NEIL1 está a miúdo implicada na carcinoxénese gástrica.

Realizouse un exame da metilación do promotor anormal de 145 xenes de reparación do ADN no carcinoma de células escamosas de tecidos da cabeza e pescozo en 20 pacientes e de mostras de mucosa de cabeza e pescozo de 5 pacientes non cancerosos. O estudo mostrou que o xene da NEIL1, que presentaba unha hipermetilación substancialmente incrementada, era o que tiña a frecuencia de metilación máis significativamente diferente. Ademais, a hipermetilación correspondíase cunha diminución na expresión do ARNm de NEIL1. Ademais, estudos de 135 tecidos tumorais e 38 normais tamén mostraron que o 71% das mostras de tecidos de carcinoma de células escamosas de cabeza e pescozo tiñan unha elevada metilación do promotor de NEIL1.

Nunha avaliación de 8 xenes de reparación do ADN en tumores de cancro de pulmón de células non pequenas, o 42% estaba hipermetilado na rexión promotora de NEIL1. Esta foi a anormalidade na reparación do ADN máis frecuente que se encontrou entre os 8 xenes estudados. O xene da NEIL1 era ademais un dos seis xenes de reparación do ADN que se encontrou que estaban hipermetilados nas súas rexións promotoras no cancro colorrectal.

 Notas 

 Véxase tamén 
 Outros artigos 
Reparación do ADN
Reparación de discordancias do ADN
Reparación por escisión de nucleótidos
Recombinación homóloga
Unión de extremos non homólogos

 Ligazóns externas 


Categoría:Reparación do ADN