Reparación de escisión de la base

Las glicosilasas de ADN son responsables del reconocimiento inicial de la lesión. Expulsan la base dañada de la doble hélice, como se muestra en la imagen, y escinden el enlace N-glicosídico de la base dañada, dejando un sitio AP . Hay dos categorías de glicosilasas: monofuncionales y bifuncionales. Las glicosilasas monofuncionales solo tienen actividad de glicosilasa, mientras que las glicosilasas bifuncionales también poseen actividad de AP liasa . Por lo tanto, las glicosilasas bifuncionales pueden convertir una lesión de base en una rotura de cadena simple sin necesidad de una AP endonucleasa . La β-eliminación de un sitio AP por una glicosilasa-liasa produce un aldehído 3' α,β-insaturado adyacente a un fosfato 5', que difiere del producto de escisión de la AP endonucleasa. ^{[ 5 ]} Algunas glicosilasas-liasas pueden realizar además la δ-eliminación, que convierte el aldehído 3' en un fosfato 3'. Una amplia variedad de glicosilasas han evolucionado para reconocer diferentes bases dañadas. Algunos ejemplos de glicosilasas de ADN son Ogg1 , que reconoce la 8-oxoguanina; MPG , que reconoce la 3-metiladenina; y UNG , que elimina el uracilo del ADN.

Las endonucleasas AP cortan un sitio AP para producir un hidroxilo 3' adyacente a un desoxirribosafosfato (dRP) 5'. Las endonucleasas AP se dividen en dos familias según su homología con las endonucleasas AP bacterianas ancestrales endonucleasa IV y exonucleasa III . ^{[ 6 ]} Muchos eucariotas tienen miembros de ambas familias, incluida la levadura Saccharomyces cerevisiae , en la que Apn1 es el homólogo de EndoIV y Apn2 está relacionado con ExoIII. En humanos, se han identificado dos endonucleasas AP, APE1 y APE2 . ^{[ 7 ]} Es un miembro de la familia ExoIII.

Para que se produzca la ligación, una rotura de la cadena de ADN debe tener un grupo hidroxilo en su extremo 3' y un grupo fosfato en su extremo 5' . En humanos, la polinucleótido quinasa-fosfatasa ( PNKP ) promueve la formación de estos extremos durante la reparación por escisión de bases (BER). Esta proteína tiene un dominio quinasa, que fosforila los extremos hidroxilo 5', y un dominio fosfatasa, que elimina los fosfatos de los extremos 3'. En conjunto, estas actividades preparan las roturas de cadena simple con extremos dañados para la ligación. Las endonucleasas AP también participan en el procesamiento del extremo 3'. Además de abrir sitios AP, poseen actividad fosfodiesterasa 3' y pueden eliminar una variedad de lesiones 3', incluyendo fosfatos, fosfoglicolatos y aldehídos. El procesamiento 3' debe ocurrir antes de que pueda iniciarse la síntesis de ADN porque las ADN polimerasas requieren un grupo hidroxilo 3' para extenderse.

Pol β es la principal polimerasa humana que cataliza la BER de parche corto, y pol λ puede compensar en su ausencia. ^{[ 8 ]} Estas polimerasas son miembros de la familia Pol X y normalmente insertan solo un único nucleótido. Además de la actividad polimerasa, estas enzimas tienen un dominio liasa que elimina el 5' dRP que queda después de la escisión de la endonucleasa AP. Durante la BER de parche largo, se cree que la síntesis de ADN está mediada por pol δ y pol ε junto con el factor de procesividad PCNA , las mismas polimerasas que llevan a cabo la replicación del ADN . Estas polimerasas realizan la síntesis de desplazamiento, lo que significa que el extremo 5' del ADN corriente abajo se "desplaza" para formar una solapa (ver diagrama anterior). Pol β también puede realizar la síntesis de desplazamiento de parche largo y, por lo tanto, puede participar en cualquiera de las vías de BER. ^{[ 9 ]} La síntesis de parche largo normalmente inserta de 2 a 10 nucleótidos nuevos.

FEN1 elimina el fragmento 5' generado durante la BER de parche largo. Esta endonucleasa muestra una fuerte preferencia por un fragmento 5' largo adyacente a un fragmento 3' de 1 nt. ^{[ 10 ]} El homólogo de levadura de FEN1 es RAD27 . Además de su función en la BER de parche largo, FEN1 corta fragmentos con una estructura similar durante el procesamiento de fragmentos de Okazaki , un paso importante en la replicación del ADN de la hebra rezagada .

La ADN ligasa III junto con su cofactor XRCC1 cataliza el paso de sellado de muescas en la BER de parche corto en humanos. ^{[ 11 ] [ 12 ]} La ADN ligasa I liga la ruptura en la BER de parche largo. ^{[ 13 ]}

MBD4 (proteína 4 del dominio de unión a metil-CpG) es una glicosilasa empleada en un paso inicial de la reparación por escisión de bases. La proteína MBD4 se une preferentemente a los sitios CpG completamente metilados y a las bases de ADN alteradas en esos sitios. Estas bases alteradas surgen de la hidrólisis frecuente de citosina a uracilo (ver imagen) y de la hidrólisis de 5-metilcitosina a timina, produciendo pares de bases G:U y G:T. ^{[ 16 ]} Si los uracilos o timinas incorrectos en estos pares de bases no se eliminan antes de la replicación del ADN, causarán mutaciones de transición . MBD4 cataliza específicamente la eliminación de T y U emparejados con guanina (G) dentro de los sitios CpG. ^{[ 17 ]} Esta es una función de reparación importante ya que aproximadamente 1/3 de todas las mutaciones intragénicas de un solo par de bases en cánceres humanos ocurren en dinucleótidos CpG y son el resultado de transiciones de G:C a A:T. ^{[ 17 ] [ 18 ]} Estas transiciones comprenden las mutaciones más frecuentes en el cáncer humano. Por ejemplo, casi el 50% de las mutaciones somáticas del gen supresor de tumores p53 en el cáncer colorrectal son transiciones de G:C a A:T dentro de sitios CpG. ^{[ 17 ]} Por lo tanto, una disminución en la expresión de MBD4 podría causar un aumento en las mutaciones carcinogénicas .

La expresión de MBD4 se reduce en casi todas las neoplasias colorrectales debido a la metilación de la región promotora de MBD4. ^{[ 19 ]} Además, MBD4 es deficiente debido a una mutación en aproximadamente el 4% de los cánceres colorrectales. ^{[ 20 ]}

La mayoría de los campos histológicamente normales que rodean los crecimientos neoplásicos (adenomas y cánceres de colon) en el colon también muestran una expresión reducida de ARNm de MBD4 (un defecto de campo ) en comparación con el tejido histológicamente normal de individuos que nunca tuvieron una neoplasia de colon. ^{[ 19 ]} Este hallazgo sugiere que el silenciamiento epigenético de MBD4 es un paso temprano en la carcinogénesis colorrectal .

En una población china evaluada, el polimorfismo MBD4 Glu346Lys se asoció con un riesgo de cáncer de cuello uterino reducido en aproximadamente un 50%, lo que sugiere que las alteraciones en MBD4 pueden ser importantes en el cáncer. ^{[ 21 ]}

NEIL1 reconoce (dirige) y elimina ciertas bases dañadas por oxidación y luego incide el sitio abásico mediante eliminación β,δ, dejando extremos de fosfato 3′ y 5′. NEIL1 reconoce pirimidinas oxidadas , formamidopirimidinas, residuos de timina oxidados en el grupo metilo y ambos estereoisómeros del timina glicol . ^{[ 22 ]} Los mejores sustratos para NEIL1 humano parecen ser las lesiones de hidantoína , guanidinohidantoína y espiroiminodihidantoína, que son productos de oxidación adicionales de 8-oxoG . NEIL1 también es capaz de eliminar lesiones del ADN monocatenario, así como de estructuras de ADN en forma de burbuja y bifurcadas. Una deficiencia en NEIL1 causa una mayor mutagénesis en el sitio de un par 8-oxo-Gua:C, siendo la mayoría de las mutaciones transversiones de G:C a T:A. ^{[ 23 ]}

Un estudio de 2004 halló que el 46 % de los cánceres gástricos primarios presentaban una expresión reducida del ARNm de NEIL1 , aunque se desconocía el mecanismo de dicha reducción. ^{[ 24 ]} Este estudio también halló que el 4 % de los cánceres gástricos presentaban mutaciones en NEIL1. Los autores sugirieron que la baja actividad de NEIL1, derivada de una expresión reducida o de mutaciones en NEIL1, suele estar implicada en la carcinogénesis gástrica.

Se realizó un análisis de 145 genes de reparación del ADN para detectar metilación aberrante del promotor en tejidos de carcinoma de células escamosas de cabeza y cuello (HNSCC) de 20 pacientes y en muestras de mucosa de cabeza y cuello de 5 pacientes sin cáncer. ^{[ 25 ]} Este análisis mostró que NEIL1, con una hipermetilación sustancialmente aumentada, tenía la frecuencia de metilación más significativamente diferente. Además, la hipermetilación se correspondía con una disminución en la expresión del ARNm de NEIL1. Un trabajo posterior con 135 tejidos tumorales y 38 tejidos normales también mostró que el 71 % de las muestras de tejido de HNSCC tenían una metilación elevada del promotor de NEIL1. ^{[ 25 ]}

Cuando se evaluaron 8 genes de reparación del ADN en tumores de cáncer de pulmón de células no pequeñas (CPCNP), el 42 % presentaba hipermetilación en la región promotora de NEIL1. ^{[ 26 ]} Esta fue la anomalía de reparación del ADN más frecuente encontrada entre los 8 genes de reparación del ADN analizados. NEIL1 también fue uno de los seis genes de reparación del ADN que se encontraron hipermetilados en sus regiones promotoras en el cáncer colorrectal . ^{[ 27 ]}