Tema IV. METABOLISMO DEL
DNA
Reparación del DNA
Facultad de Química, UNAM
El DNA puede ser dañado de muchas maneras, pero este daño solamente conduce a una mutación cuando no es reparado.
•
Daño: Se refiere a cambios químicos en el DNA.
MUTACIONES EN EL DNA
Mutaciones espontáneas (10
5– 10
8)
Mutaciones inducidas (por mutágenos)
Mutaciones puntuales
Mutaciones: Adiciones o deleciones de bases
Substitución de base:
transición (A
G; G
A)
Tipos de mutaciones de pares de bases.
CATTCACCTGTACCA
GTAAGTGGACATGGT
CAT
G
CACCTGTACCA
GTA
C
GTGGACATGGT
CAT
C
CACCTGTACCA
GTA
G
GTGGACATGGT
Transición (T-A to C-G)
Transversión (T-A to G-C)
CATCACCTGTACCA
GTAGTGGACATGGT
Deleción o eliminación
CAT
G
TCACCTGTACCA
GTA
C
AGTGGACATGGT
Inserción
Sustituciones de pares de bases
transición: pirimidina a pirimidina
transversión: pirimidina a purina
Repercusión a nivel de proteína
Mutación sinónima
Mutación de error
Mutación sin sentido
Mutación de marco
Conservativa
No conservativa
Tipos de Daño al DNA. Rayos X y rayos gamma.
Ionizan moléculas que rodean al DNA generando radicales
libres, algunos de estos contienen oxígeno que tienen un
electrón desapareado. Son especies altamente reactivas y
pueden atacar la molécula del DNA causando rupturas en
una o en las dos cadenas.
También pueden
modificar quimicamente
una base, como la
guanina.
Generación de
8-oxo-guanina. Causa
Tipos de Daño al DNA. Radiación UV. Formación de
dímeros de timina.
Entrecruzamiento
covalente de pirimidinas
adyacentes en la misma
cadena de DNA.
Generalmente son
timinas.
Dímeros de timina
Exposición a radiaciones
ultravioleta
Tipos de daño: Alteraciones espontáneas
en el DNA
Depurinación y desaminación de bases
100 al día 5000 al día
Tipos de Daño al DNA. Desaminación por ácido nitroso.
Desaminación de
citosina genera uracilo
metil citosina genera
Desaminación de
5-timina
Depurinaciones
Introduction to Genetic Analysis Anthony Griffiths, VIII Ed.
Etil Metano Sulfonato:
Mutágeno
Agente alquilante Transición de base
Tipos de Daño al DNA. Alquilación
.
Metilación o acetilación de las bases en los átomos (O/N) que
participan en la formación de puentes de H, desestabiliza la doble
hélice de DNA y hace esa zona susceptible a mutación.
La presencia de estas regiones dañadas puede causar detención de la
replicación, o si ésta continúa, está sujeta a errores.
Metabolismo celular Exposición Luz UV Radiación ionizante Exposición Química Errores en replicación Activación Punto de control Ciclo celular Activación Programa transcripcional Reparación de DNA: Reversión directa Excisión de base Excisión de nucleótido Reparación de error Reparación por Recombinación homóloga Apoptosis
Cuando los daños no son reparados, se pueden generar
cambios en las secuencia de las bases durante la
replicación, produciendo una mutación.
REPARACIÓN.
• Corrección directa del DNA dañado.
• Eliminación de la región dañada del DNA y
rellenarlo con DNA recién sintetizado.
MECANISMOS DE REPARACION
1-
Fotoreactivación
: ruptura de dímeros de pirimidinas por acción de una fotoliasa (phr) activada mediante luz visible.2-
Reparación por Escisión
de bases (BER): DNA glicosilasa (fpg) reconoce el nt dañado,
intervienen exo III (xth), endo IV (nfo),
de nucleótidos (NER): necesita la otra hebra como molde (hasta 30
bp), intervienen las endonucleasas uvrA,B,C y la helicasa uvrD 3-
Reparación post- replicativa
Reparación de apareamiento erróneo de bases (“mismatch”): una metilasa reconoce DNA recientemente replicado (dam) e intervienen las proteínas “mut” (helicasas, etc)
Reparación Directa de Daños al DNA. Fotoreactivación
Sistema de reparación que se activa en presencia de luz.
Fotoliasa. Detecta al DNA dañado y se une a éste. La enzima absorbe luz azul y se activa. Rompe los enlaces covalentes entre los
dímeros de timina.
La enzima se disocia y se separa del DNA.
Reacción
dependiente
de FADH
Acción de la fotoliasa (fotoreactivación)
Reversión directa
dímeros de pirimidinas Solo se activa por luz visible
Reparación de DNA por Escición
Implica la remoción del DNA dañado incluyendo algunas
secuencias adyacentes.
BER: “Base excision repair”
Reparación de DNA por Escición de Bases (BER)
Cuando una base dañada en el DNA es reconocida, una
glicosilasa actúa y rompe el enlace N-glicosídico entre la base y el azúcar. Esto deja un sitio AP (apurínico/
apirimidínico). Una endonucleasa AP reconoce este “hueco” e
hidroliza los enlaces
fosfodiéster adyacentes.
La DNA pol I repara degradando el DNA (5’->3’) y sintetiza DNA nuevo.
Las DNA glicosilasas reconocen bases dañadas
Reparación por escisión
de base
BER
Reparación de DNA por Escición de Nucleótidos (NER)
Escinucleasa uvrABC realiza este tipo de reparación en dímeros de timina, otros fotoproductos y bases dañadas.
Escinucleasa (246 kDa) está
compuesta por tres subunidades (A, B y C)
UvrA se une al DNA en la región
dañada.
UvrB/UvrC tienen actividad de
endonucleasa y corta en los lados adyacentes de la cadena liberando un oligonucleótido de unos 12-13 nts de largo.
La región “vacía” es rellenada por una DNA polimerasa I y sellada por una DNA ligasa.
Reparación por escisión
de nucleótido
uvrABC: exinucleasa
NER
uvrD:
helicasa
Reparación por escisión de nucleótidos en bacterias
y en humanos
¿Cómo se
distingue la
cadena molde
cuando se
repara un error?
MutS MutL MutHMutH corta la cadena NO metilada
(NER) “Mismatch Repair”
A pesar de la alta fidelidad que exhiben las DNA polimerasas y de su actividad correctora, pueden cometer errores, dejando las dos cadenas desapareadas. ¿Cómo distingue el sistema de reparación cuál de las dos cadenas debe reparar? Las cadenas parentales están metiladas (-
GATC
-). Sistema de reparaciónMUTATOR:
Identificación del sitio de
desapareamiento y unión al DNA.
Corte de la cadena de DNA no metilada. Eliminación del DNA de cadena sencilla. DNA pol III rellena el “hueco”
La respuesta SOS en
E. coli
En células sin daño en el DNA, LexA reprime la síntesis
de LexA, recA, uvrABC y de otras proteínas involucradas
en la respuesta SOS.
LexA es una proteína de 22 kDa que se une a las
regiones operadoras.
La respuesta SOS en
E. coli
Cuando hay daño en el DNA, se activa RecA al unirse al DNA de
cadena sencilla y estimular la auto-proteólisis de LexA en un
enlace Ala-Gly.
Ocurre transcripción de los genes de las proteínas encargadas de
la reparación del DNA.
Algunos de los mecanismos de reparación regulados por SOS son
susceptibles a errores (“error prone”).
Genes y proteínas que participan en la Respuesta SOS
Nombre del gen Proteína o función en la reparación de DNA
Genes de función conocida
polB (dinA) uvrA uvrB umuC umuD sulA recA dinB
Subunidad polimerasa de la DNApol II requerida para comenzar la replicación durante la reparación del DNA en recombinación
Subunidades UvrA y UvrB en ABC de la excinucleasa DNA pol V
Proteína que inhibe la división celular para dar tiempo a reparación del DNA
Proteína RecA requerida para la reparación en recombinación
DNA pol IV
Genes involucrados en metabolismo de DNA pero de función desconocida en reparación
ssb uvrD himA recN Proteína SSB DNA helicasa II
Recombinación sitio específica, replicación, transposición, regulación de la expresión Reparación en recombinación
• Cuando se expone E. coli a altos niveles de radiación o a un mutágeno, ocurre un daño extensivo en el DNA. La
célula responde induciendo la vía SOS de reparación.
• Se activan los genes umuC y
umuD cuyos productos
componen las subunidades de la DNA polimerasa V.
• DNA PolV replica el DNA, aún en regiones donde hay daño y es muy propensa a cometer errores.
• Se observa una alta tasa de mutación
• Cepas de E. coli nulas en umuC son inmutables.
Reparación sujeta a
errores
Reparación de DNA por Recombinación
+
+
I. Durante la replicación, se brinca la región frente al dímero.
II. Ocurre
intercambio entre las cadenas y
recombinación
III. Se completa la síntesis de la cadena que sufrió intercambio. El dímero se quedó sin reparar.
Reparación por escición de nucleótidos en eucariontes
1. Reparación global de
genoma.
El heterodímero XPC-hHR23B localiza lesiones que distorsionan a la doble hélice de DNA.2. Reparación acoplada
a la transcripción.
LaRNA polimerasa identifica el daño en el DNA. Se detiene la transcripción.
Reparación por escición de nucleótidos en eucariontes
Una vez que se ha reconocido el daño, participan las
mismas proteínas en la reparación.
• TFIIH (XPB + XPD) que tiene actividad de helicasa es reclutado. • XPA y RPA contribuyen a mantener abierta la doble hélice de DNA.
• XPA guía a las endonucleasas para realizar el corte del DNA.
• Endonucleasa XPG corta el DNA en el lado 3’.
• El complejo ERCC1-XPF corta del lado 5’ de la cadena dañada.
• El oligonucleótido (24-32nts) con la región dañada es liberado.
• El hueco es rellenado por la DNA polimerasa
o
.Enfermedades humanas asociadas con defectos en la
replicación o reparación del DNA
Asociadas con una alta frecuencia de mutaciones en cromosomas y genes. Algunas se asocian a una alta predisposición a tumores.
• Xeroderma pigmentosum
•Mutaciones en genes involucrados en reparación por escición de nucleótidos. Melanoma
• Ataxia telangiectasia
• Mutaciones en genes que detectan daño al DNA. • Riesgo incrementado a rayos X.
•Anemia Fanconi.
• Mutación en gene involucrado en reparación al DNA. •Síndrome de Bloom.
• Mutación en una helicasa de DNA.
• Hipersusceptibilidad a rayos X y a la luz solar. •Síndrome de Cockayne (CSA/CSB)
• Defecto en reparación acoplada a transcripción. • Susceptibilidad a luz solar.
• Síndrome de Werner.
• Mutación en un gen de DNA helicasa. • Envejecimiento prematuro.
