La reparación del ADN

El daño del ADN dando lugar a múltiples cromosomas rotos

La reparación del ADN es una colección de procesos por los cuales una célula identifica y corrige el daño a los ADN que codifican las moléculas de su genoma. En las células humanas, tanto normales actividades metabólicas y factores ambientales tales como la UV y la luz la radiación puede causar daño en el ADN, resultando en tantos como 1 millones individuo lesiones moleculares por célula por día. Muchas de estas lesiones causar daños estructurales a la molécula de ADN y pueden alterar o eliminar la capacidad de la célula para transcribir la gen que codifica el ADN afectada. Otras lesiones inducen potencialmente dañino mutaciones en el genoma de la célula, que afectan a la supervivencia de sus células hijas después de que se somete mitosis. Como consecuencia, el proceso de reparación del ADN está constantemente activo, ya que responde a los daños en la estructura del ADN. Cuando los procesos normales de reparación fallan, y cuando celular apoptosis no se produce, se puede producir daño en el ADN irreparable, incluyendo doble filamento se rompe y reticulaciones de ADN (entrecruzamientos entre cadenas o ICL).

La tasa de reparación del ADN es dependiente de muchos factores, incluyendo el tipo de célula, la edad de la célula, y el medio ambiente extracelular. Una célula que se ha acumulado una gran cantidad de daños en el ADN, o uno que ya no repara los daños efectivamente incurrió a su ADN, se puede entrar en uno de tres estados posibles:

1. un estado irreversible de la latencia, conocido como senectud
2. suicidio celular, también conocido como o apoptosis la muerte celular programada
3. la división celular no regulada, que puede conducir a la formación de una tumor que es canceroso

La capacidad de reparación del ADN de una célula es vital para la integridad de su genoma y por lo tanto a su funcionamiento normal y la del organismo. Muchos de los genes que se mostraron inicialmente para influir esperanza de vida han resultado ser involucrados en la reparación de daños en el ADN y la protección. No corregir lesiones moleculares en las células que forman gametos pueden introducir mutaciones en el genoma de la descendencia y así influir en la tasa de evolución .

Daño en el DNA

Daño en el ADN, debido a factores ambientales y normales los procesos metabólicos dentro de la célula, se produce a un ritmo de 1.000 a 1.000.000 lesiones moleculares por célula por día. Si bien esto constituye sólo 0.000165% de aproximadamente 6 mil millones de bases del genoma humano (3 mil millones de pares de bases), lesiones no reparadas en los genes críticos (como supresor tumoral genes) puede impedir la capacidad de una célula para llevar a cabo su función y apreciablemente aumentar la probabilidad de la formación de tumores.

La gran mayoría de daños en el ADN afecta a la estructura primaria de la doble hélice; es decir, las propias bases se hayan modificado químicamente. Estas modificaciones pueden a su vez afectar estructura helicoidal normal de las moléculas mediante la introducción de enlaces químicos no nativas o aductos voluminosos que no caben en la doble hélice estándar. A diferencia de las proteínas y ARN, ADN carece generalmente estructura terciaria y, por tanto, daño o alteración no aparece en ese nivel. ADN es, sin embargo, proteínas "embalaje" superenrolladas y enrollados alrededor de llamadas histonas (en eucariotas), y ambos superestructuras son vulnerables a los efectos de daño del ADN.

Tipos de daños

Hay cinco tipos principales de daños en el ADN debido a los procesos celulares endógenos:

1. oxidación de bases [por ejemplo, 8-oxo-7,8-dihydroguanine (8-oxo G)] y la generación de ADN de hebra interrupciones de especies reactivas del oxígeno,
2. alquilación de bases (por lo general metilación), tales como la formación de 7-metilguanina, 1-metiladenina, 6-O-metiltransferasa
3. hidrólisis de bases, tales como desaminación, despurinación, y depyrimidination.
4. "La formación de aductos voluminosos" (es decir, el benzo [a] epóxido-DG diol pireno aducto, aristolactam I-dA aducto)
5. desajuste de las bases, debido a errores en La replicación del ADN, en el que la base de ADN mal se sutura en su lugar en una cadena de ADN de nueva formación, o una base de ADN se salta por encima o por error insertado.

Los daños causados por agentes exógenos viene en muchas formas. Algunos ejemplos son:

1. Luz UV-B provoca reticulación entre citosina adyacente y bases de timina creación dímeros de pirimidina. Se llama lesión directa del ADN.
2. Luz UV-A crea radicales en su mayoría gratuitas. El daño causado por los radicales libres se llama daño en el ADN indirecta.
3. La radiación ionizante, como la creada por la desintegración radiactiva o en rayos cósmicos causan interrupciones en las cadenas de ADN. Radiación ionizante de bajo nivel puede inducir daño irreparable del ADN (que conduce a errores de transcripción replicational y necesarios para la neoplasia o puede producirse interacciones virales) que conduce a pre-madura envejecimiento y el cáncer.
4. Interrupción térmica a temperatura elevada aumenta la tasa de despurinización (pérdida de bases de purina de la columna vertebral del ADN) y de una sola línea se rompe. Por ejemplo, la despurinización hidrolítica se ve en el bacterias termófilas, que crecen en aguas termales en 40-80 ° C. La tasa de despurinización (300 residuos de purina por genoma por generación) es demasiado alto en estas especies para ser reparado por la maquinaria normal de reparación, por lo tanto, la posibilidad de una respuesta de adaptación no se puede descartar.
5. Productos químicos industriales como cloruro de vinilo y el peróxido de hidrógeno , y sustancias químicas ambientales tales como hidrocarburos aromáticos policíclicos presentes en el humo, hollín y alquitrán crean una enorme diversidad de ADN adducts- ethenobases, bases oxidadas, fosfotriésteres alquiladas y La reticulación de ADN sólo para nombrar unos pocos.

Daños UV, la alquilación / metilación, daño de rayos X y el daño oxidativo son ejemplos de daño inducido. Daños espontánea puede incluir la pérdida de una base, desaminación, arrugas anillo de azúcar y el cambio de tautomérica.

Nuclear frente a daños en el ADN mitocondrial

En las células humanas, y eucariotas las células en general, el ADN se encuentra en dos localizaciones celulares - en el interior del núcleo y el interior de las mitocondrias . El ADN nuclear (ADNn) existe como cromatina durante las etapas no replicativa de la ciclo celular y se condensa en estructuras conocidas como agregados los cromosomas durante división celular. En cualquier estado del ADN es muy compactado y terminó alrededor de las proteínas en forma de cuentas denominadas histonas. Cada vez que una célula necesita para expresar la información genética codificada en su nDNA la región cromosómica requerida se deshizo, los genes situados en el mismo se expresan, a continuación, la región se condensa de nuevo a su conformación de reposo. El ADN mitocondrial (ADNmt) se encuentra dentro de las mitocondrias orgánulos, existe en copias múltiples, y también está estrechamente asociada con un número de proteínas para formar un complejo conocido como el nucleoide. Mitocondrias interior, especies reactivas de oxígeno (ROS), o radicales libres, subproductos de la producción constante de trifosfato de adenosina (ATP) a través la fosforilación oxidativa, crear un ambiente altamente oxidativo que se sabe que daña ADNmt. Una enzima crítica en contrarrestar la toxicidad de estas especies es la superóxido dismutasa, que está presente tanto en la mitocondria y citoplasma de las células eucariotas.

La senescencia y apoptosis

La senescencia, un estado irreversible en el que la célula ya no divide, es una respuesta protectora a la reducción de la extremos de los cromosomas. Los telómeros son largas regiones repetitivas ADN no codificador esa gorra cromosomas y sufre degradación parcial cada vez que una célula se divide (ver Límite de Hayflick). En contraste, quiescencia es un estado reversible de latencia celular que no está relacionado con genoma daños (ver ciclo celular). La senescencia en células puede servir como una alternativa funcional a la apoptosis en los casos en que se requiere la presencia física de una célula por razones espaciales por el organismo, que sirve como un mecanismo de "último recurso" para evitar que una célula con el ADN dañado se replique de forma inapropiada en el ausencia de pro-crecimiento la señalización celular. La división celular no regulada puede conducir a la formación de un tumor (véase el cáncer ), que es potencialmente letal a un organismo. Por lo tanto, la inducción de la apoptosis y la senescencia se considera que es parte de una estrategia de protección contra el cáncer.

Daño en el ADN y la mutación

Es importante distinguir entre el daño del ADN y la mutación, los dos tipos principales de error en el ADN. Daños de ADN y la mutación son fundamentalmente diferentes. Los daños son anomalías físicas en el ADN, como roturas de uno y dos hebras, Residuos de 8-hydroxydeoxyguanosine, y aductos de hidrocarburos aromáticos policíclicos. Daños de ADN pueden ser reconocidos por las enzimas, y, por tanto, pueden ser reparados correctamente si la información redundante, tal como la secuencia sin daños en la cadena de ADN complementaria o en un cromosoma homólogo, está disponible para la copia. Si una célula conserva daño en el ADN, la transcripción de un gen puede ser prevenida, y, por tanto, la traducción en una proteína también será bloqueado. La replicación también puede ser bloqueado y / o la célula puede morir.

En contraste con el daño del ADN, una mutación es un cambio en la secuencia de bases del ADN. Una mutación no puede ser reconocido por las enzimas una vez que el cambio de base está presente en ambas hebras de ADN, y, por tanto, una mutación no puede ser reparado. A nivel celular, las mutaciones pueden causar alteraciones en la función y la regulación de proteínas. Las mutaciones se replican cuando la célula se replica. En una población de células, las células mutantes aumentarán o disminuirán en frecuencia de acuerdo con los efectos de la mutación en la capacidad de la célula para sobrevivir y reproducirse. Aunque claramente diferente de unos a otros, daños al ADN y mutaciones están relacionadas porque los daños de ADN a menudo causan errores de la síntesis de ADN durante la replicación o la reparación; estos errores son una fuente importante de mutación.

Teniendo en cuenta estas propiedades de daño en el ADN y la mutación, se puede observar que los daños de ADN son un problema especial en que no se dividen o que se dividen lentamente células, donde daños sin reparar tienden a acumularse con el tiempo. Por otro lado, en las células que se dividen rápidamente, daños de ADN no reparadas que no matan la célula mediante el bloqueo de la replicación tenderá a causar errores de replicación y por lo tanto la mutación. La gran mayoría de las mutaciones que no son neutrales en sus consecuencias son perjudiciales para la supervivencia de una célula. Por lo tanto, en una población de células que comprenden un tejido con la replicación de las células, las células mutantes tenderán a ser perdido. Sin embargo, las mutaciones poco frecuentes que proporcionan una ventaja de supervivencia tenderán a expandirse clonalmente a expensas de las células vecinas en el tejido. Esta ventaja a la célula es desventajoso a todo el organismo, debido a que tales células mutantes pueden dar lugar a cáncer. Por lo tanto, los daños de ADN en células que se dividen con frecuencia, porque dan lugar a mutaciones, son una causa importante de cáncer. En contraste, los daños de ADN en células que se dividen con frecuencia son probablemente una causa destacada de envejecimiento.

Mecanismos de reparación del ADN

Una sola cade y daños en el ADN de doble cadena

Las células no pueden funcionar si el daño del ADN corrompe la integridad y accesibilidad de la información esencial en la genoma (pero las células permanecen superficialmente funcional cuando los llamados genes "no esenciales" falta o está dañado). Dependiendo del tipo de daño infligido a la estructura de doble hélice del ADN, una variedad de estrategias de reparación han evolucionado para restaurar la información perdida. Si es posible, las células utilizan la hebra complementaria no modificada del ADN o la hermana cromátida como una plantilla para recuperar la información original. Sin acceso a una plantilla, las células utilizan un mecanismo de recuperación propenso a errores conocido como síntesis translesion como último recurso.

El daño al ADN altera la configuración espacial de la hélice, y tales alteraciones puede ser detectado por la célula. Una vez que se localiza el daño, las moléculas específicas de reparación del ADN se unen en o cerca del sitio del daño, la inducción de otras moléculas para unirse y formar un complejo que permite la reparación real a tener lugar.

Inversión directa

Las células son conocidos para eliminar tres tipos de daños en su ADN por químicamente revertirla. Estos mecanismos no requieren una plantilla, ya que pueden producirse los tipos de daños que contrarrestan en sólo una de las cuatro bases. Tales mecanismos de reversión directos son específicos para el tipo de daño sufrido y que no impliquen la rotura del esqueleto fosfodiéster. La formación de dímeros de pirimidina tras la irradiación con luz UV en los resultados de un enlace covalente anormal entre bases de pirimidina adyacentes. La proceso fotorreactivación invierte directamente este daño por la acción de la enzima fotoliasa, cuya activación depende obligatoriamente de energía absorbida de azul claro / UV (300-500 nm longitud de onda) para promover la catálisis. Otro tipo de daño, la metilación de bases de guanina, se invierte directamente por la proteína transferasa de metilo guanina de metilo (MGMT), el equivalente bacteriana de que se llama OGT. Este es un proceso caro, ya que cada molécula de MGMT se puede utilizar una sola vez; es decir, la reacción es estequiométrico en vez de catalítico . Una respuesta generalizada a los agentes de metilación en las bacterias se conoce como el respuesta adaptativa y confiere un nivel de resistencia a los agentes alquilantes tras la exposición sostenida por la regulación positiva de las enzimas de reparación de alquilación. El tercer tipo de daño en el ADN invertido por las células es cierta la metilación de la citosina y adenina bases.

Daños sola hebra

Estructura de la enzima base de reparación por escisión glicosilasa de ADN uracilo. El residuo uracilo se muestra en amarillo.

Cuando sólo una de las dos hebras de una doble hélice tiene un defecto, la otra hebra puede ser utilizado como una plantilla para guiar la corrección de la hebra dañada. Con el fin de reparar el daño a uno de los dos pares de moléculas de ADN, existen una serie de mecanismos de reparación por escisión de nucleótidos que eliminan el dañado y reemplazarlo con un nucleótido complementario en buen estado a la encontrada en la cadena de ADN en buen estado.

1. Reparación por escisión de base (BER), que repara los daños a una sola base causado por la oxidación, alquilación, hidrólisis, o desaminación. La base dañada se retira por una ADN glicosilasa. El "diente que falta" es entonces reconocido por una enzima llamada AP endonucleasa, que corta el Enlace fosfodiéster. La parte que falta es entonces resintetizado por una ADN polimerasa, y una ADN ligasa realiza el paso final nick-sellado.
2. Reparación por escisión de nucleótidos (NER), que reconoce, lesiones hélice que distorsionan voluminosos como dímeros de pirimidina y 6,4 fotoproductos. Una forma especializada de NER conocido como reparación de la transcripción de acoplamiento despliega enzimas NER a los genes que están siendo activamente transcrita.
3. Los genes de reparación (MMR), que corrige los errores de Replicación del ADN y recombinación que dan lugar a nucleótidos mispaired (pero no dañadas).
   

Haga doble filamento se rompe

Roturas de cadena doble, en el que se separan las dos hebras de la doble hélice, son especialmente peligrosos para la célula, ya que pueden conducir a reordenamientos del genoma. Existen tres mecanismos para reparar roturas de doble cadena (DSB): Recombinación no homóloga (NHEJ), microhomology mediada extremo de unión (MMEJ), y recombinación homóloga. PVN Acharya señaló que doble filamento se rompe y una "reticulación unirse ambas cadenas en el mismo punto es irreparable porque ni entonces filamento puede servir de modelo para su reparación. La célula morirá en la siguiente mitosis o en algunos casos raros, mutar ".

ADN ligasa, se muestra por encima de la reparación de daño cromosómico, es una enzima que se une a nucleótidos rotas junto al catalizar la formación de un internucleotıdico éster vínculo entre el esqueleto de fosfato y los nucleótidos de desoxirribosa.

En NHEJ, ADN ligasa IV, una especializada Ligasa de ADN que forma un complejo con el cofactor XRCC4, se une directamente los dos extremos. Para guiar reparación exacta, NHEJ se basa en secuencias homólogas cortos llamados microhomologies presente en las colas de una sola hebra del ADN extremos a unir. Si estas proyecciones son compatibles, reparación suele ser exacta. NHEJ también puede introducir mutaciones durante la reparación. Pérdida de nucleótidos dañados en el lugar de descanso puede dar lugar a supresiones, y la unión de que no coinciden las formas termini translocaciones. NHEJ es especialmente importante antes de que la célula ha replicado su ADN, ya que no hay plantilla disponible para la reparación por recombinación homóloga. Hay "copia de seguridad" vías NHEJ en mayores eucariotas . Además de su papel como cuidador genoma, NHEJ se requiere para la unión de roturas de cadena doble horquilla con tapón inducidos durante V (D) J recombinación, el proceso que genera la diversidad en De células B y Receptores de células T en los vertebrados sistema inmunológico .

La recombinación homóloga requiere la presencia de una secuencia idéntica o casi idéntica a ser utilizado como una plantilla para la reparación de la rotura. La maquinaria enzimática responsable de este proceso de reparación es casi idéntica a la maquinaria responsable de cruce cromosómica durante la meiosis. Esta vía permite un cromosoma dañado para ser reparado mediante una hermana cromátida (disponible en G2 después de la replicación del ADN) o una cromosoma homólogo como una plantilla. DSB causados por la maquinaria de replicación de intentar sintetizar a través de un solo capítulo romper o no reparado causa lesión colapso de la tenedor de replicación y son típicamente reparado por recombinación.

Las topoisomerasas introducen dos descansos de uno y dos hebras en el curso del cambio de estado de la del ADN superenrollamiento, que es especialmente común en las regiones cerca de un tenedor de replicación abierta. Tales roturas no se consideran daño en el ADN debido a que son un intermedio natural en el mecanismo bioquímico de la topoisomerasa y se reparan inmediatamente por las enzimas que los crearon.

Un equipo de investigadores franceses bombardearon Deinococcus radiodurans para estudiar el mecanismo de reparación de doble cadena de ADN descanso en ese organismo. Al menos dos copias del genoma, con los viajes de ADN al azar, puede formar fragmentos de ADN a través de recocido. Parcialmente fragmentos superpuestos se utilizan para la síntesis de regiones homólogas a través de un movimiento D-loop que puede continuar la extensión hasta que encuentren hebras complementarias de los asociados. En el paso final hay cruce por medio de Reca dependientes recombinación homóloga.

Síntesis translesion

Síntesis translesion (TLS) es un proceso tolerancia al daño de ADN que permite que el Maquinaria de replicación de ADN para replicar las lesiones del ADN anteriores como dímeros de timina o Sitios de AP. Se trata de cambiar a cabo regularmente Polimerasas de ADN para las polimerasas especializados translesion (es decir, ADN polimerasa IV o V, de la familia de la polimerasa Y), a menudo con sitios activos más grandes que pueden facilitar la inserción de bases opuestas nucleótidos dañados. La conmutación de la polimerasa se cree que está mediada por, entre otros factores, la modificación post-traduccional de la replicación factor de procesividad PCNA. Polimerasas síntesis translesion menudo tienen baja fidelidad (alta propensión a insertar bases equivocadas) en plantillas sin daños relativos a polimerasas regulares. Sin embargo, muchos son extremadamente eficientes en la inserción de bases correctas opuestos tipos específicos de daños. Por ejemplo, Η Pol media de derivación libre de errores de lesiones inducidas por la irradiación UV , mientras Ι Pol introduce mutaciones en estos sitios. Η Pol se conoce la adición de la primera adenina a través de la T ^ T photodimer usando Se añadirán Watson-Crick emparejamiento de bases y la segunda adenina en su conformación syn usando Emparejamiento de bases de Hoogsteen. Desde una perspectiva celular, correr el riesgo de la introducción de mutaciones puntuales durante la síntesis translesion pueden ser preferibles a recurrir a mecanismos más drásticas de la reparación del ADN, que pueden causar aberraciones cromosómicas brutos o la muerte celular. En resumen, el proceso implica especializada polimerasas ya sea evitando o reparar lesiones en los lugares de la replicación del ADN estancado. ADN polimerasa eta puede pasar por alto las lesiones del ADN complejos demasiado por ejemplo-guanina timina intra-hebra de reticulación, G [8,5-Me] T, aunque pueden causar mutaciones específicas y semi-dirigida. La toxicidad y la mutagénesis de esta lesión se estudió mediante la replicación de un plásmido G [8,5-Me] T-modificado en Escherichia coli con nocauts específicas de ADN polimerasa. Viabilidad fue muy baja en una cepa que carece de pol II, pol IV, V y pol, las polimerasas de ADN de tres SOS-inducibles, lo que indica que la síntesis se lleva a cabo translesion principalmente por estas polimerasas de ADN. Una plataforma de derivación se proporciona para estas polimerasas por Antígeno nuclear de células en proliferación (PCNA). En circunstancias normales, PCNA unido a polimerasas replica el ADN. En un sitio de lesión, PCNA se ubiquitinated, o modificado, por el RAD6 / RAD18 proteínas para proporcionar una plataforma para las polimerasas especializadas para eludir la lesión y reanudar la replicación del ADN. Después de la síntesis translesion, se requiere la extensión. Esta extensión puede llevarse a cabo por una polimerasa replicativa si el TLS está libre de errores, como en el caso de η Pol, sin embargo, si TLS se traduce en una falta de coincidencia, se necesita una polimerasa especializada para extenderla; Ζ Pol. Ζ Pol es el único que se puede extender desajustes terminales, mientras que las polimerasas más procesivas no puede. Así que cuando se encuentra una lesión, el tenedor de replicación se estancará, PCNA pasará de una polimerasa processive a un TLS polimerasa como Pol ι para arreglar la lesión, entonces PCNA puede cambiar a ζ Pol extender el desajuste, y PCNA última cambiará a la polimerasa processive para continuar la replicación.

Respuesta mundial al daño del ADN

Las células expuestas a radiación ionizante, luz ultravioleta o productos químicos son propensos a adquirir múltiples sitios de las lesiones del ADN voluminosos y de doble filamento se rompe. Además, los agentes que dañan el ADN pueden dañar otra biomoléculas tales como proteínas , hidratos de carbono , lípidos , y RNA. La acumulación de daños, para ser, roturas o aductos estancamiento del doble capítulo específico horquillas de replicación, se encuentran entre las señales de estimulación conocidos para una respuesta global a los daños del ADN. La respuesta global a los daños es un acto dirigido a propia preservación de las células y provoca múltiples vías de reparación macromolecular, derivación lesión, la tolerancia, o apoptosis. Las características comunes de respuesta global son la inducción de múltiples genes, la detención del ciclo celular, y la inhibición de división celular.

Los puestos de control de daños de ADN

Después de daño en el ADN, ciclo celular puestos de control se activan. Activación Checkpoint detiene el ciclo celular y da el tiempo de células para reparar el daño antes de continuar a dividir. Los puntos de control de daños de ADN se producen en el G1 / S y G2 / M límites. Un intra S de control también existe. Activación Checkpoint es controlado por dos master quinasas, ATM y ATR. ATM responde a ADN doble filamento se rompe y las interrupciones en la estructura de la cromatina, mientras que ATR responde principalmente al estancamiento horquillas de replicación. Estas quinasas fosforilar objetivos intermedios en una cascada de transducción de señales, llevando eventualmente a la detención del ciclo celular. Una clase de proteínas mediadoras puesto de control incluyendo BRCA1, MDC1, y 53BP1 también ha sido identificado. Estas proteínas parecen ser necesarios para la transmisión de la señal de activación puesto de control a las proteínas aguas abajo.

Un blanco de abajo importante de ATM y ATR es p53, ya que se requiere para inducir apoptosis después de daño en el ADN. La inhibidor de la quinasa dependiente de ciclina p21 es inducida por ambos mecanismos dependientes de p53 y p53 independiente y puede detener el ciclo celular en la transición G1 / S y G2 / M de control mediante la desactivación ciclina / complejos de quinasa dependientes de ciclina.

La respuesta SOS procariota

La Respuesta SOS es los cambios en la expresión génica en Escherichia coli y otras bacterias en respuesta a la extensa daño en el ADN. La sistema SOS procariota está regulada por dos proteínas clave: LexA y Reca. El LexA es un homodímero transcripcional que se une al represor secuencias operadoras comúnmente como cajas SOS. En Escherichia coli se sabe que regula la transcripción LexA de aproximadamente 48 genes, incluyendo los genes lexA y recA. La respuesta SOS es conocido por ser extendida en el dominio Bacteria, pero es sobre todo ausente en algunos phyla bacteriana, como el Espiroquetas. Las señales celulares más comunes activación de la respuesta SOS son regiones de ADN de cadena sencilla (ssDNA), derivados de estancado horquillas de replicación o roturas de doble hebra, que se procesan por Helicasa de ADN para separar las dos hebras de ADN. En la etapa de iniciación, la proteína RecA se une a ssDNA en una La hidrólisis de ATP impulsada reacción creación de filamentos de RecA-ssDNA. Filamentos de Reca-ssDNA activan LexA auto actividad de la proteasa, que en última instancia conduce a la escisión de LexA dímero y la degradación de LexA subsiguiente. La pérdida de LexA represor induce la transcripción de los genes SOS y permite una mayor inducción de la señal, la inhibición de la división celular y un aumento en los niveles de proteínas responsables de procesamiento de daños.

En Escherichia coli, cajas SOS son de 20 nucleótidos secuencias largas cerca de promotores con estructura palindrómica y un alto grado de conservación de secuencia. En otras clases y phyla, la secuencia de cajas SOS varía considerablemente, con diferente longitud y composición, pero siempre es altamente conservada y una de las señales más fuertes cortos en el genoma. El alto contenido de información de las cajas SOS permite diferencial de unión de LexA a diferentes promotores y permite la sincronización de la respuesta SOS. Los genes de reparación de la lesión se inducen en el comienzo de la respuesta SOS. Las polimerasas translesion propensos a errores, por ejemplo, UmuCD'2 (también llamada ADN polimerasa V), se inducen más tarde como un último recurso. Una vez que el daño en el ADN se repara o se omite el uso de polimerasas o a través de la recombinación, se disminuye la cantidad de ADN de una sola hebra en las células, disminuyendo las cantidades de filamentos RecA disminuye la actividad de escisión de homodímero LexA, que luego se une a las cajas SOS cerca de promotores y restauraciones la expresión del gen normal.

Transcripcional respuestas eucariotas a daños en el ADN

Eucariotas células expuestas a agentes que dañan el ADN también activan importantes vías defensivas mediante la inducción de múltiples proteínas implicadas en la reparación del ADN, control del ciclo celular puesto de control, el tráfico de proteínas y la degradación. Tal genoma amplia respuesta transcripcional es muy complejo y muy regulada, permitiendo así que la respuesta global coordinada a los daños. La exposición de la levadura Saccharomyces cerevisiae a agentes que dañan el ADN resultados en la superposición pero los perfiles transcripcionales distintas. Similitudes con el medio ambiente respuesta de choque indica que existe una vía de respuesta al estrés general global en el nivel de activación de la transcripción. En contraste, los diferentes tipos de células humanas responden a los daños que indica de manera diferente de una ausencia de una respuesta global común. La explicación probable de esta diferencia entre la levadura y las células humanas puede estar en el heterogeneidad de mamíferos células. En un animal diferentes tipos de células se distribuyen entre los diferentes órganos que se han desarrollado diferentes sensibilidades al daño del ADN.

En respuesta global en general al daño del ADN implica la expresión de múltiples genes responsables de reparación postreplication, la recombinación homóloga, la reparación por escisión de nucleótidos, Puesto de control de daños en el ADN, la activación transcripcional global, los genes que controlan mRNA decadencia, y muchos otros. Una gran cantidad de daño a una célula deja con una decisión importante: la apoptosis y mueren o sobreviven a costa de vivir con un genoma modificado. Un aumento en la tolerancia al daño puede conducir a una mayor tasa de supervivencia que permitirá una mayor acumulación de mutaciones. Rev1 levadura y η polimerasa humana son miembros de [ADN translesion familia Y polimerasas presentes durante la respuesta mundial al daño del ADN y son responsables de mejorar la mutagénesis durante una respuesta global a los daños del ADN en eucariotas.

La reparación del ADN y el envejecimiento

Efectos patológicos de la mala reparación del ADN

Tasa de reparación del ADN es un determinante importante de la patología celular

Animales de experimentación con deficiencias genéticas en la reparación del ADN a menudo muestran una disminución en tiempo de vida y el aumento de la incidencia de cáncer. Por ejemplo, los ratones deficientes en la vía NHEJ dominante y en los telómeros mecanismos de mantenimiento quedan linfoma y las infecciones con más frecuencia, y, en consecuencia, tienen una vida más corta que los ratones de tipo salvaje. En forma similar, los ratones deficientes en una proteína de reparación y transcripción clave que desenrolla hélices de ADN tienen inicio prematuro de las enfermedades relacionadas con el envejecimiento y el consiguiente acortamiento de la vida útil. Sin embargo, no todas las deficiencias de reparación del ADN crea exactamente los efectos previstos; Los ratones deficientes en la vía NER exhibió acorta vida útil sin tasas correspondientemente más altos de mutación.

Si la tasa de daño en el ADN supera la capacidad de la célula para reparar, la acumulación de errores puede abrumar la célula y dar lugar a principios de la senescencia, la apoptosis, o cáncer. Enfermedades asociadas con la reparación del ADN defectuoso funcionamiento resultado en el envejecimiento prematuro heredado, aumento de la sensibilidad a agentes carcinógenos, y el aumento correspondientemente el riesgo de cáncer (véase a continuación ). Por otra parte, los organismos con una mejora de los sistemas de reparación del ADN, tales como Deinococcus radiodurans, el organismo conocido más resistente a la radiación, exhiben una notable resistencia a los efectos de quiebre que inducen la doble vertiente de radiactividad, probablemente debido a una mayor eficiencia de la reparación del ADN y especialmente NHEJ.

La longevidad y la restricción calórica

La mayoría de los genes que influyen en la duración de la vida afectan a la tasa de daño en el DNA

Un número de genes individuales han sido identificados como influir en las variaciones en la duración de la vida dentro de una población de organismos. Los efectos de estos genes es fuertemente dependiente del medio ambiente, en particular, en la dieta del organismo. La restricción calórica reproducible resulta en mayor vida útil en una variedad de organismos, probablemente a través de vías sensoriales de nutrientes y la disminución tasa metabólica. Los mecanismos moleculares por los cuales estos resultados de restricción en la vida útil alargada son todavía poco claras (véase, por alguna discusión); sin embargo, el comportamiento de muchos genes que se sabe están involucrados en la reparación del ADN se altera en condiciones de restricción calórica.

Por ejemplo, el aumento de la la dosis génica del gen SIR-2, que regula el empaquetamiento del ADN en los gusano nematodo Caenorhabditis elegans, se puede extender significativamente la vida útil. El homólogo de mamífero de SIR-2 se sabe que inducen factores de reparación del ADN aguas abajo implicadas en NHEJ, una actividad que se promovió especialmente bajo condiciones de restricción calórica. La restricción calórica ha estado estrechamente vinculada a la tasa de reparación por escisión de base en el ADN nuclear de los roedores, aunque los efectos similares no se han observado en el ADN mitocondrial.

Es interesante observar que la C. elegans gen AGE-1, un efector aguas arriba de vías de reparación del ADN, confiere vida útil extendida drásticamente en condiciones de alimentación libre, pero conduce a una disminución en la aptitud reproductiva en condiciones de restricción calórica. Esta observación apoya la la teoría de la Pleiotropia orígenes biológicos del envejecimiento, lo que sugiere que los genes que confieren una gran ventaja en la supervivencia temprano en la vida serán seleccionados para incluso si llevan una desventaja correspondiente tarde en la vida.

Medicina y reparación del ADN de modulación

Trastornos de reparación del ADN hereditarias

Los defectos en el mecanismo NER son responsables de varios trastornos genéticos, incluyendo:

• Xeroderma pigmentoso: hipersensibilidad a la luz solar / UV, lo que resulta en un aumento de la incidencia de cáncer de piel y envejecimiento prematuro
• Síndrome de Cockayne: hipersensibilidad a los rayos UV ya los agentes químicos
• Tricotiodistrofia: piel sensible, cabello y uñas quebradizas

El retraso mental a menudo acompaña a los dos últimos trastornos, lo que sugiere un aumento de la vulnerabilidad de las neuronas en el desarrollo.

Otros trastornos de reparación del ADN incluyen:

• El síndrome de Werner: envejecimiento prematuro y retraso en el crecimiento
• Síndrome de Bloom: la luz solar hipersensibilidad, alta incidencia de tumores malignos (especialmente leucemias).
• La ataxia telangiectasia: sensibilidad a la radiación ionizante y algunos agentes químicos

Todas las enfermedades anteriores a menudo son llamados "segmentaria progerias "(" envejecimiento acelerado enfermedades ") porque sus víctimas parecen ancianos y sufren de enfermedades relacionadas con el envejecimiento a una edad anormalmente joven, aunque no se manifiesta todos los síntomas de la vejez.

Otras enfermedades asociadas con la función de reparación del ADN reducida incluyen La anemia de Fanconi, hereditaria cáncer de mama y hereditaria cáncer de colon.

La reparación del ADN y el cáncer

Debido a las limitaciones inherentes a los mecanismos de reparación del ADN, si los seres humanos vivían lo suficiente, ellos todo el tiempo, desarrollar el cáncer. Hay por lo menos 34 Heredado mutaciones de genes de reparación del ADN humano que aumentan el riesgo de cáncer. Muchas de estas mutaciones causan la reparación del ADN a ser menos eficaz que la normal. En particular, Cáncer colorrectal hereditario sin poliposis (HNPCC) está fuertemente asociado con mutaciones específicas en el desajuste de reparación del ADN vía. BRCA1 y BRCA2, dos genes famosos cuyas mutaciones confieren un enorme aumento en el riesgo de cáncer de mama a los transportistas, están ambos asociados con un gran número de vías de reparación del ADN, especialmente NHEJ y la recombinación homóloga.

Procedimientos de terapia del cáncer, como la quimioterapia y la radioterapia trabajo por abrumadora la capacidad de la célula para reparar el daño del ADN, lo que resulta en la muerte celular. Las células que se están dividiendo rápidamente más - más típicamente células de cáncer - son preferentemente afectados. El efecto secundario es que otras células no cancerosas pero que se dividen rápidamente tales como las células madre en la médula ósea también se ven afectados. Tratamientos para el cáncer modernos intentan localizar el daño en el ADN a células y tejidos solamente asociados con el cáncer, ya sea por medios físicos (concentración del agente terapéutico en la región del tumor) o por medios bioquímicos (que explotan una característica única de las células cancerosas en el cuerpo) .

La reparación del ADN y la evolución

Los procesos básicos de la reparación del ADN son altamente conservada entre ambos procariotas y eucariotas e incluso entre bacteriófagos ( virus que infectan bacterias ); Sin embargo, los organismos más complejos con más genomas complejos tienen los mecanismos de reparación correspondientemente más complejas. La capacidad de un gran número de proteínas motivos estructurales para catalizar reacciones químicas relevantes ha jugado un papel importante en la elaboración de los mecanismos de reparación durante la evolución. Para una revisión muy detallada de las hipótesis relativas a la evolución de la reparación del ADN, ver.

El registro fósil indica que la vida de una sola célula comenzó a proliferar en el planeta en algún momento durante el Precámbrico período, aunque exactamente cuando reconocible moderno surgió la vida primero está claro. Los ácidos nucleicos que se convirtieron en los medios únicos y universales de la codificación de la información genética, lo que requiere la reparación del ADN mecanismos que, en su forma básica han sido heredados por todas las formas de vida existentes de su ancestro común. La aparición de atmósfera rica en oxígeno de la Tierra (conocida como la " catástrofe oxígeno ") debido a fotosintéticos organismos, así como la presencia de potencialmente dañinos radicales libres en la célula debido a la fosforilación oxidativa, hizo necesaria la evolución de los mecanismos de reparación del ADN que actúan específicamente para contrarrestar los tipos de daño inducido por estrés oxidativo.

Tasa de cambio evolutivo

En algunas ocasiones, el daño del ADN no se repara, o se repara por un mecanismo propenso a errores que resulta en un cambio de la secuencia original. Cuando esto ocurre, las mutaciones pueden propagar en los genomas de la progenie de la célula. En caso de que tal evento ocurra en una célula de la línea germinal que eventualmente producir un gameto, la mutación tiene el potencial de ser transmitido a la descendencia del organismo. La tasa de evolución en una especie en particular (o, en un gen particular) es una función de la tasa de mutación. Como consecuencia, la tasa y la precisión de los mecanismos de reparación del ADN tienen una influencia sobre el proceso de cambio evolutivo.