Abrir o menú principal

Reparación por escisión de bases

Pasos básicos da 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).[1]

Lesións procesadas pola BEREditar

 
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:

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 curtoEditar

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.[3] 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.[4]

Proteínas implicadas na reparación de escisión de basesEditar

ADN glicosilasesEditar

Artigo principal: ADN glicosilase.
 
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.[5] 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 endonucleasesEditar

Artigo principal: AP endonuclease.

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.[6] 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.[7]

Encimas que procesan os extremosEditar

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 polimerasesEditar

Artigo principal: ADN polimerase.

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.[8] 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.[9] A síntese de parche longo normalmente insire de 2 a 10 nucleótidos.

Endonuclease FlapEditar

Artigo principal: 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.[10] 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 ligaseEditar

Artigo principal: 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.[11][12] A ADN ligase I liga as roturas na BER de parche longo.[13]

Ligazóns entre a BER e o cancroEditar

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.[14] As mutacións na ADN glicosilase MYH tamén incrementan a susceptibilidade ao cancro de colon.[15]

Deficiencias epixenéticas en cancrosEditar

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).[16] Algúns exemplos de epimutacións nos xenes para a reparación por escisión de bases que ocorren en cancros resúmense a continuación.

MBD4Editar

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.[17] 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.[18] 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.[18][19] 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.[18] 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.[20] Ademais a MBD4 é deficiente debido á mutación en aproximadamente o 4% dos cancros colorrectais.[21]

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.[20] 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.[22]

NEIL1Editar

A NEIL1 recoñece e elimina certas bases danadas or 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.[23] 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.[24]

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.[25] 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.[26] 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.[26]

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.[27] 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.[28]

NotasEditar

  1. Liu Y, Prasad R, Beard WA, Kedar PS, Hou EW, Shock DD, Wilson SH (2007). "Coordination of Steps in Single-nucleotide Base Excision Repair Mediated by Apurinic/Apyrimidinic Endonuclease 1 and DNA Polymerase β". Journal of Biological Chemistry 282 (18): 13532–13541. PMC 2366199. PMID 17355977. doi:10.1074/jbc.M611295200. 
  2. Jayanta Chaudhuri & Frederick W. Alt (2004). "Class-switch recombination: interplay of transcription, DNA deamination and DNA repair". Nature Reviews Immunology 4 (7): 541–552. PMID 15229473. doi:10.1038/nri1395. 
  3. Fortini P, Dogliotti E (April 2007). "Base damage and single-strand break repair: mechanisms and functional significance of short- and long-patch repair subpathways". DNA Repair 6 (4): 398–409. PMID 17129767. doi:10.1016/j.dnarep.2006.10.008. 
  4. Gellon L, Carson DR, Carson JP, Demple B (February 2008). "Intrinsic 5'-Deoxyribose-5-phosphate Lyase Activity in Saccharomyces cerevisiae Trf4 Protein with a Possible Role in Base Excision DNA Repair". DNA Repair 7 (2): 187–98. PMC 2258243. PMID 17983848. doi:10.1016/j.dnarep.2007.09.009. 
  5. Fromme JC, Banerjee A, Verdine GL (February 2004). "DNA glycosylase recognition and catalysis". Curr. Opin. Struct. Biol. 14 (1): 43–9. PMID 15102448. doi:10.1016/j.sbi.2004.01.003. 
  6. Aravind L, Walker DR, Koonin EV (1999). "Conserved domains in DNA repair proteins and evolution of repair systems". Nucleic Acids Research 27 (5): 1223–1242. PMC 148307. PMID 9973609. doi:10.1093/nar/27.5.1223. 
  7. Demple B, Herman T, Chen DS (1991). "Cloning and expression of APE, the cDNA encoding the major human apurinic endonuclease: definition of a family of DNA repair enzymes". PNAS USA 88 (24): 11450–11454. PMC 53153. PMID 1722334. doi:10.1073/pnas.88.24.11450. 
  8. Braithwaite EK, Prasad R, Shock DD, Hou EW, Beard WA, Wilson SH (May 2005). "DNA polymerase lambda mediates a back-up base excision repair activity in extracts of mouse embryonic fibroblasts". J. Biol. Chem. 280 (18): 18469–75. PMID 15749700. doi:10.1074/jbc.M411864200. 
  9. Beard WA, Prasad R, Wilson SH (2006). "Activities and mechanism of DNA polymerase beta". Meth. Enzymol. 408: 91–107. PMID 16793365. doi:10.1016/S0076-6879(06)08007-4. 
  10. Kao HI, Henricksen LA, Liu Y, Bambara RA (April 2002). "Cleavage specificity of Saccharomyces cerevisiae flap endonuclease 1 suggests a double-flap structure as the cellular substrate". J. Biol. Chem. 277 (17): 14379–89. PMID 11825897. doi:10.1074/jbc.M110662200. 
  11. 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/nature09773
  12. Simsek 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
  13. 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 [1]
  14. Starcevic D, Dalal S, Sweasy JB (August 2004). "Is there a link between DNA polymerase beta and cancer?". Cell Cycle 3 (8): 998–1001. PMID 15280658. doi:10.4161/cc.3.8.1062. 
  15. Farrington, S. M.; Tenesa, A; Barnetson, R; Wiltshire, A; Prendergast, J; Porteous, M; Campbell, H; Dunlop, M. G. (2005). "Germline susceptibility to colorectal cancer due to base-excision repair gene defects". The American Journal of Human Genetics 77 (1): 112–9. PMC 1226182. PMID 15931596. doi:10.1086/431213. 
  16. 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
  17. Bellacosa A, Drohat AC (Aug 2015). "Role of base excision repair in maintaining the genetic and epigenetic integrity of CpG sites". DNA Repair 32: 33–42. PMID 26021671. doi:10.1016/j.dnarep.2015.04.011. 
  18. 18,0 18,1 18,2 Sjolund AB, Senejani AG, Sweasy JB (2013). "MBD4 and TDG: multifaceted DNA glycosylases with ever expanding biological roles". Mutation Research. 743-744: 12–25. PMC 3661743. PMID 23195996. doi:10.1016/j.mrfmmm.2012.11.001. 
  19. Cooper DN, Youssoufian H (Feb 1988). "The CpG dinucleotide and human genetic disease". Human Genetics 78 (2): 151–5. PMID 3338800. doi:10.1007/bf00278187. 
  20. 20,0 20,1 Howard JH, Frolov A, Tzeng CW, Stewart A, Midzak A, Majmundar A, Godwin A, Heslin M, Bellacosa A, Arnoletti JP (Jan 2009). "Epigenetic downregulation of the DNA repair gene MED1/MBD4 in colorectal and ovarian cancer". Cancer Biology & Therapy 8 (1): 94–100. PMC 2683899. PMID 19127118. doi:10.4161/cbt.8.1.7469. 
  21. Tricarico R, Cortellino S, Riccio A, Jagmohan-Changur S, Van der Klift H, Wijnen J, Turner D, Ventura A, Rovella V, Percesepe A, Lucci-Cordisco E, Radice P, Bertario L, Pedroni M, Ponz de Leon M, Mancuso P, Devarajan K, Cai KQ, Klein-Szanto AJ, Neri G, Møller P, Viel A, Genuardi M, Fodde R, Bellacosa A (Oct 2015). "Involvement of MBD4 inactivation in mismatch repair-deficient tumorigenesis". Oncotarget. PMID 26503472. doi:10.18632/oncotarget.5740. 
  22. Xiong XD, Luo XP, Liu X, Jing X, Zeng LQ, Lei M, Hong XS, Chen Y (2012). "The MBD4 Glu346Lys polymorphism is associated with the risk of cervical cancer in a Chinese population". Int. J. Gynecol. Cancer 22 (9): 1552–6. PMID 23027038. doi:10.1097/IGC.0b013e31826e22e4. 
  23. Nemec AA, Wallace SS, Sweasy JB (Oct 2010). "Variant base excision repair proteins: contributors to genomic instability". Seminars in Cancer Biology 20 (5): 320–8. PMC 3254599. PMID 20955798. doi:10.1016/j.semcancer.2010.10.010. 
  24. Suzuki T, Harashima H, Kamiya H (2010). "Effects of base excision repair proteins on mutagenesis by 8-oxo-7,8-dihydroguanine (8-hydroxyguanine) paired with cytosine and adenine". DNA Repair (Amst.) 9 (5): 542–50. PMID 20197241. doi:10.1016/j.dnarep.2010.02.004. 
  25. Shinmura K, Tao H, Goto M, Igarashi H, Taniguchi T, Maekawa M, Takezaki T, Sugimura H (2004). "Inactivating mutations of the human base excision repair gene NEIL1 in gastric cancer". Carcinogenesis 25 (12): 2311–7. PMID 15319300. doi:10.1093/carcin/bgh267. 
  26. 26,0 26,1 Chaisaingmongkol J, Popanda O, Warta R, Dyckhoff G, Herpel E, Geiselhart L, Claus R, Lasitschka F, Campos B, Oakes CC, Bermejo JL, Herold-Mende C, Plass C, Schmezer P (2012). "Epigenetic screen of human DNA repair genes identifies aberrant promoter methylation of NEIL1 in head and neck squamous cell carcinoma". Oncogene 31 (49): 5108–16. PMID 22286769. doi:10.1038/onc.2011.660. 
  27. Do H, Wong NC, Murone C, John T, Solomon B, Mitchell PL, Dobrovic A (2014). "A critical re-assessment of DNA repair gene promoter methylation in non-small cell lung carcinoma". Scientific Reports 4: 4186. PMC 3935198. PMID 24569633. doi:10.1038/srep04186. 
  28. Farkas SA, Vymetalkova V, Vodickova L, Vodicka P, Nilsson TK (Apr 2014). "DNA methylation changes in genes frequently mutated in sporadic colorectal cancer and in the DNA repair and Wnt/β-catenin signaling pathway genes". Epigenomics 6 (2): 179–91. PMID 24811787. doi:10.2217/epi.14.7. 

Véxase taménEditar