Una lesión molecular , o una lesión puntual, es un daño a la estructura de una molécula biológica como el ADN , el ARN o la proteína . Este daño puede resultar en la reducción o ausencia de la función normal y, en casos raros, la obtención de una nueva función. Las lesiones en el ADN pueden consistir en roturas u otros cambios en la estructura química de la hélice que, en última instancia, impiden la transcripción. Mientras tanto, las lesiones en las proteínas consisten tanto en enlaces rotos como en un plegamiento inadecuado de la cadena de aminoácidos . Si bien muchas lesiones de ácidos nucleicos son generales en el ADN y el ARN, algunas son específicas de una, como los dímeros de timina que se encuentran exclusivamente en el ADN. Varios celularesExisten mecanismos de reparación , que van desde los globales hasta los específicos, para prevenir daños duraderos resultantes de las lesiones.
Hay dos causas generales de lesiones de ácidos nucleicos, factores endógenos y exógenos. Los factores endógenos, o endogenia , se refieren a las condiciones resultantes que se desarrollan dentro de un organismo. Esto contrasta con los factores exógenos que se originan fuera del organismo. Las lesiones de ADN y ARN causadas por factores endógenos generalmente ocurren con más frecuencia que las causadas por factores exógenos. [1]
Las fuentes endógenas de daño específico del ADN incluyen vías como la hidrólisis , oxidación , alquilación , desajuste de bases de ADN, depurinación , despirimidinación, roturas de doble hebra (DSS) y desaminación de citosina . Las lesiones del ADN también pueden ocurrir naturalmente a partir de la liberación de compuestos específicos como especies reactivas de oxígeno (ROS) , especies reactivas de nitrógeno (RNS) , especies reactivas de carbonilo (RCS) , productos de peroxidación de lípidos , aductos y agentes alquilantes.a través de procesos metabólicos. ROS es una de las principales fuentes endógenas de daño del ADN y el aducto oxidativo de ADN más estudiado es el 8-oxo-dG . Otros aductos que se sabe que se forman son aductos de ADN derivados de eteno, propano y malondialdehído. Los aldehídos que se forman a partir de la peroxidación de lípidos también representan otra amenaza para el ADN. [2] Las proteínas como las proteínas "dañadas" (DDP) pueden promover lesiones del ADN endógeno al aumentar la cantidad de oxígeno reactivo por los transportadores transmembrana, perder cromosomas por la unión del replisoma y detener la replicación por factores de transcripción. [3] Específicamente para las lesiones de ARN, los tipos más abundantes de daño endógeno incluyen oxidación, alquilación y cloración . [4]Las células fagocíticas producen especies radicales que incluyen ácido hipocloroso (HOCl), óxido nítrico (NO •) y peroxinitrito (ONOO-) para combatir infecciones, y muchos tipos de células utilizan óxido nítrico como molécula de señalización. Sin embargo, estas especies de radicales también pueden causar las vías que forman las lesiones de ARN. [5]
La luz ultravioleta, una forma de radiación ionizante, causa daño directo al ADN al iniciar una reacción de síntesis entre dos moléculas de timina. El dímero resultante es muy estable. Aunque se pueden eliminar mediante reparaciones por escisión, cuando el daño de los rayos UV es extenso, toda la molécula de ADN se descompone y la célula muere. Si el daño no es demasiado extenso, se crean células precancerosas o cancerosas a partir de células sanas. [6]
Los quimioterapéuticos, por diseño, inducen daño al ADN y están dirigidos a las células cancerosas que se dividen rápidamente. [7] Sin embargo, estos medicamentos no pueden diferenciar entre células sanas y enfermas, lo que da como resultado el daño de las células normales. [8]
Los agentes alquilantes son un tipo de fármaco quimioterápico que evita que la célula sufra mitosis al dañar su ADN. Trabajan en todas las fases del ciclo celular. El uso de agentes alquilantes puede provocar leucemia debido a que pueden dirigirse a las células de la médula ósea. [8]
Se sabe que los carcinógenos causan una serie de lesiones en el ADN, como roturas de una sola hebra, roturas de dos hebras y aductos químicos de ADN unidos covalentemente. Los productos de tabaco son uno de los agentes causantes de cáncer más prevalentes en la actualidad. [9] Otros agentes que causan cáncer y que dañan el ADN incluyen el amianto, que puede causar daño a través de la interacción física con el ADN o al desencadenar indirectamente una especie de oxígeno reactivo, [10] la exposición excesiva al níquel, que puede reprimir las vías de reparación del daño del ADN, [11] aflatoxinas, que se encuentran en los alimentos, [9] y muchas más.
Las lesiones oxidativas son una categoría general de lesiones causadas por especies reactivas de oxígeno (ROS), especies reactivas de nitrógeno (RNS), otros subproductos del metabolismo celular y factores exógenos como la radiación ionizante o ultravioleta . [12] Los subproductos de la respiración oxidativa son la principal fuente de especies reactivas que causan un nivel de fondo de lesiones oxidativas en la célula. Tanto el ADN como el ARN se ven afectados por esto, y se ha descubierto que las lesiones oxidativas del ARN son más abundantes en los seres humanos en comparación con el ADN. Esto puede deberse a que el ARN citoplásmico está más cerca de la cadena de transporte de electrones . [13]Las lesiones oxidativas conocidas caracterizadas por ADN y ARN son muchas en número, ya que los productos oxidados son inestables y pueden resolverse rápidamente. El radical hidroxilo y el oxígeno singlete son especies reactivas de oxígeno comunes responsables de estas lesiones. [14] La 8-oxo-guanina (8-oxoG) es la lesión oxidativa más abundante y mejor caracterizada, que se encuentra tanto en el ARN como en el ADN. La acumulación de 8-oxoG puede causar graves daños dentro de las mitocondrias y se cree que es un factor clave en el proceso de envejecimiento. [15] La oxidación del ARN tiene consecuencias directas en la producción de proteínas . El ARNm afectado por lesiones oxidativas todavía es reconocido por el ribosoma., pero el ribosoma sufrirá estancamiento y disfunción. Esto da como resultado proteínas que tienen expresión disminuida o truncamiento, lo que conduce a agregación y disfunción general. [dieciséis]
Las roturas de una sola hebra (SSB) se producen cuando una hebra de la doble hélice de ADN experimenta la rotura de un solo nucleótido acompañada de terminales 5 'y / o 3' dañados en este punto. Una fuente común de SSB se debe al ataque oxidativo de especies reactivas fisiológicas de oxígeno (ROS) como el peróxido de hidrógeno. El H 2 O 2 causa SSB con una frecuencia tres veces mayor que las roturas de doble hebra (DSB, por sus siglas en inglés). Los métodos alternativos de adquisición de SSB incluyen la desintegración directa del azúcar oxidado o mediante la reparación por escisión de la base del ADN (BER) de las bases dañadas. Además, las enzimas celulares pueden realizar una actividad errónea que conduce a SSB o DSB por una variedad de mecanismos. Un ejemplo sería cuando el complejo de escisión formado por la topoisomerasa 1 del ADN(TOP1) relaja el ADN durante la transcripción y la replicación mediante la formación transitoria de una muesca . Si bien TOP1 normalmente vuelve a sellar esta muesca poco después, estos complejos de escisión pueden colisionar con las polimerasas de ARN o ADN o estar próximos a otras lesiones, lo que conduce a SSB vinculados a TOP1 o DSB vinculados a TOP1. [20]
Un aducto de ADN es un segmento de ADN que se une a un carcinógeno químico. Algunos aductos que causan lesiones en el ADN incluyen bases modificadas oxidativamente, aductos inducidos por propano, eteno y MDA. [2] El 5-hidroximetiluracilo es un ejemplo de una base oxidativamente modificada donde se produce la oxidación del grupo metilo de la timina. [21] Este aducto interfiere con la unión de los factores de transcripción al ADN, lo que puede desencadenar la apoptosis o provocar mutaciones por deleción. [21] Los aductos de propano se derivan de especies generadas por la peroxidación de lípidos. Por ejemplo, HNE es un producto tóxico importante del proceso. [22]Regula la expresión de genes implicados en la regulación del ciclo celular y la apoptosis. Algunos de los aldehídos de la peroxidación lipídica pueden convertirse en epoxi aldehídos mediante reacciones de oxidación. [23] Estos epoxi aldehídos pueden dañar el ADN al producir aductos de eteno. Un aumento en este tipo de lesión del ADN exhibe condiciones que resultan en estrés oxidativo que se sabe que está asociado con un mayor riesgo de cáncer. [24] El malondialdehído (MDA) es otro producto altamente tóxico de la peroxidación de lípidos y también en la síntesis de prostaglandinas. La MDA reacciona con el ADN para formar el aducto M1dG que causa lesiones en el ADN. [2]
Existen muchos sistemas para reparar las lesiones de ADN y ARN, pero es posible que las lesiones escapen a estas medidas. Esto puede provocar mutaciones o grandes anomalías del genoma, que pueden amenazar la capacidad de vida de la célula o el organismo. Varios cánceres son el resultado de lesiones en el ADN. Incluso los mecanismos de reparación para curar el daño pueden terminar causando más daño. Los defectos de reparación por desajustes , por ejemplo, causan inestabilidad que predispone a carcinomas colorrectales y endometriales. [9]
Las lesiones del ADN en las neuronas pueden provocar trastornos neurodegenerativos como las enfermedades de Alzheimer , Huntington y Parkinson . Estos se deben a que las neuronas generalmente se asocian con una alta respiración mitocondrial y la producción de especies redox, que pueden dañar el ADN nuclear. Dado que estas células a menudo no se pueden reemplazar después de haber sido dañadas, el daño que se les hace tiene consecuencias nefastas. Otros trastornos derivados de las lesiones del ADN y su asociación con las neuronas incluyen, entre otros, el síndrome del X frágil, la ataxia de Friedrich y las ataxias espinocerebelosas. [9]
Durante la replicación , generalmente las ADN polimerasas no pueden atravesar el área lesionada, sin embargo, algunas células están equipadas con polimerasas especiales que permiten la síntesis de translesión (TLS). Las polimerasas TLS permiten la replicación del ADN de lesiones pasadas y corren el riesgo de generar mutaciones con una alta frecuencia. Las mutaciones comunes que ocurren después de someterse a este proceso son mutaciones puntuales y mutaciones de cambio de marco . Varias enfermedades surgen como resultado de este proceso, incluidos varios cánceres y Xeroderma pigmentosum . [25]
El efecto del ARN dañado por oxidación ha dado lugar a una serie de enfermedades humanas y está especialmente asociado con la degeneración crónica. Este tipo de daño se ha observado en muchas enfermedades neurodegenerativas como la esclerosis lateral amiotrófica , [9] Alzheimer, Parkinson, demencia con cuerpos de Lewy y varias enfermedades priónicas. [26] Es importante señalar que esta lista está creciendo rápidamente y los datos sugieren que la oxidación del ARN ocurre temprano en el desarrollo de estas enfermedades, más que como un efecto de la descomposición celular. [9] Las lesiones de ARN y ADN están asociadas con el desarrollo de diabetes mellitus tipo 2. [9]
Cuando el ADN se daña , por ejemplo, debido a una lesión, se activa una vía compleja de transducción de señales que es responsable de reconocer el daño e instigar la respuesta de la célula para su reparación. En comparación con los otros mecanismos de reparación de lesiones, DDR es el nivel más alto de reparación y se emplea para las lesiones más complejas. DDR consta de varias vías, las más comunes de las cuales son las cascadas de señalización de quinasas DDR. Estos están controlados por las quinasas relacionadas con la fosfatidilinositol 3-quinasa (PIKK), y van desde la proteína quinasa dependiente del ADN (ADN-PKcs) y la ataxia telangiectasia mutada (ATM), la mayoría involucrada en la reparación de DSB hasta la más versátil relacionada con Rad3 (ATR). ). ATR es crucial para la viabilidad de las células humanas, mientras que las mutaciones ATM causan el trastorno grave ataxia-telangiectasia.que conduce a la neurodegeneración, el cáncer y la inmunodeficiencia. Todas estas tres quinasas DDR reconocen el daño a través de interacciones proteína-proteína que localizan las quinasas en las áreas dañadas. A continuación, más interacciones proteína-proteína y modificaciones postraduccionales (PTM) completan la activación de la quinasa y tiene lugar una serie de eventos de fosforilación. Las quinasas DDR realizan la regulación de reparación en tres niveles: a través de PTM, a nivel de cromatina y a nivel del núcleo . [27]
La reparación por escisión de bases ( BER ) es responsable de eliminar las bases dañadas en el ADN. Este mecanismo trabaja específicamente en la extirpación de pequeñas lesiones de base que no distorsionan la doble hélice del ADN, en contraste con la vía de reparación por escisión de nucleótidos que se emplea para corregir lesiones distorsionantes más prominentes. Las ADN glicosilasas inician BER reconociendo las bases defectuosas o incorrectas y luego eliminándolas, formando sitios AP que carecen de purina o pirimidina. La endonucleasa AP luego escinde el sitio AP y la ruptura de una sola hebra se procesa mediante BER de parche corto para reemplazar un BER de parche largo de un solo nucleótido para crear 2-10 nucleótidos de reemplazo. [28]
Las roturas monocatenarias (SSB) pueden amenazar gravemente la estabilidad genética y la supervivencia celular si no se reparan rápida y adecuadamente, por lo que las células han desarrollado mecanismos de reparación de SSB (SSB) rápidos y eficientes. Mientras que los sistemas SSBR globales extraen SSB en todo el genoma y durante la interfase, los procesos SSBR específicos de la fase S trabajan junto con la recombinación homóloga en las bifurcaciones de replicación. [29]
Las roturas de doble hebra (DSB) son una amenaza para todos los organismos, ya que pueden causar muerte celular y cáncer. Pueden ser causados de manera exógena como resultado de la radiación y de manera endógena por errores en la replicación o encuentros con lesiones de ADN por la horquilla de replicación. [30] La reparación de DSB se produce a través de una variedad de vías y mecanismos diferentes para reparar correctamente estos errores.
La reparación por escisión de nucleótidos es uno de los principales mecanismos que se utilizan para eliminar los aductos voluminosos de las lesiones del ADN causadas por fármacos de quimioterapia, mutágenos ambientales y, lo que es más importante, radiación UV. [9] Este mecanismo funciona liberando un daño corto que contiene un oligonucleótido del sitio del ADN, y luego ese espacio se llena y repara con NER. [9] NER reconoce una variedad de lesiones de ADN estructuralmente no relacionadas debido a la flexibilidad del mecanismo mismo, ya que NER es muy sensible a cambios en la estructura helicoidal del ADN . [31] Los aductos voluminosos parecen desencadenar NER. [31] El heterotrímero XPC-RAD23-CETN2 involucrado con NER tiene un papel crítico en el reconocimiento de lesiones en el ADN. [32]Además de otras lesiones generales en el genoma, el complejo de proteínas de unión al ADN dañado por los rayos UV (UV-DDB) también tiene un papel importante tanto en el reconocimiento como en la reparación de las fotolesiones del ADN inducidas por los rayos UV. [32]
Los mecanismos de reparación de desajustes (MMR) dentro de la célula corrigen los desajustes de bases que ocurren durante la replicación utilizando una variedad de vías. Tiene una alta afinidad para atacar lesiones de ADN con especificidad, ya que las alteraciones en el apilamiento de pares de bases que ocurren en los sitios de lesión de ADN afectan la estructura helicoidal . [33] Esta es probablemente una de las muchas señales que desencadenan la MMR.