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resección de los extremos del ADN

La resección del extremo del ADN , también llamada degradación 5′–3′ ("de cinco prima a tres prima") , es un proceso bioquímico en el que el extremo romo de una sección de ADN d...

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La resección del extremo del ADN , también llamada degradación 5′–3′ ("de cinco prima a tres prima") , es un proceso bioquímico en el que el extremo romo de una sección de ADN de doble cadena (dsDNA) se modifica cortando algunos nucleótidos del extremo 5' para producir una secuencia de cadena simple 3'. [ 1 ] [ 2 ] La presencia de una sección de ADN de cadena simple (ssDNA) permite que el extremo roto del ADN se alinee con una secuencia coincidente, de modo que pueda repararse con precisión. [ 1 ]

diagrama; véase el pie de foto
Mecanismo de regulación de la resección 5' de las roturas de doble cadena mitóticas y teloméricas. [ 3 ]

Las roturas de doble cadena (DSB) pueden ocurrir en cualquier fase del ciclo celular , provocando actividades de resección y reparación de los extremos del ADN, pero también son intermediarios normales en la recombinación mitótica . [ 3 ] Además, los extremos naturales de los cromosomas eucariotas lineales se asemejan a las DSB, y aunque las roturas del ADN pueden causar daño a la integridad del ADN genómico, los extremos naturales están empaquetados en complejos paquetes protectores llamados telómeros que impiden las actividades de reparación del ADN. [ 3 ] [ 4 ] Los telómeros y las DSB mitóticas tienen diferente funcionalidad, pero ambos experimentan el mismo proceso de degradación 5′–3′.

Fondo

Una rotura de doble cadena es un tipo de daño en el ADN en el que ambas cadenas de la doble hélice se cortan. Las roturas de doble cadena solo ocurren durante la replicación del ADN del ciclo celular . Además, las roturas de doble cadena pueden provocar reordenamientos e inestabilidad del genoma. [ 3 ] Los casos en los que dos cadenas complementarias se unen en el punto de la rotura de doble cadena tienen el potencial de ser catastróficos, de modo que la célula no podrá completar la mitosis en su siguiente división y morirá o, en casos raros, sufrirá pérdida cromosómica, duplicaciones e incluso mutaciones . [ 5 ] [ 6 ] Existen tres mecanismos para reparar las roturas de doble cadena: unión de extremos no homólogos (NHEJ), unión de extremos mediada por microhomología (MMEJ) y recombinación homóloga ( HR). [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] De estos, solo NHEJ no depende de la resección de los extremos del ADN. [ 2 ]

Mecanismo

La reparación precisa de las roturas de doble cadena (DSB) es esencial para el mantenimiento de la integridad del genoma. De los tres mecanismos de reparación de DSB, los mecanismos de reparación NHEJ y HR son las vías dominantes. [ 4 ] Varias proteínas altamente conservadas activan el punto de control de daño del ADN para la detección de DSB. [ 3 ] El mecanismo NHEJ funciona ligando dos DSB diferentes con alta fidelidad, mientras que HR se basa en una plantilla homóloga para reparar los extremos de las DSB. [ 3 ] [ 4 ]

La resección de los extremos del ADN en la vía HR requiere la presencia de cromátidas hermanas . Esto significa que solo ocurre en dos fases específicas del ciclo celular: la fase S y la fase G2 . [ 4 ] [ 3 ] Las roturas de doble cadena (DSB) que no han comenzado la resección de los extremos del ADN pueden ser ligadas por la vía NHEJ, pero la resección de unos pocos nucleótidos inhibe la vía NHEJ y compromete la reparación del ADN a la vía HR. [ 10 ] La vía NHEJ está involucrada durante todo el ciclo celular, pero es fundamental para la reparación del ADN durante la fase G1 . [ 3 ] [ 10 ] En la fase G1, no hay cromátidas hermanas presentes para ser utilizadas por la vía HR, lo que hace que la vía NHEJ sea un mecanismo de reparación crítico. [ 3 ] [ 10 ]

Antes de que pueda realizarse la resección, es necesario detectar la rotura. En animales, esta detección la realiza PARP1 ; [ 11 ] existen sistemas similares en otros eucariotas : en plantas, PARP2 parece desempeñar este papel. [ 12 ] La unión de PARP recluta entonces el complejo MRN al sitio de rotura. [ 13 ] Este es un complejo altamente conservado que consta de Mre11 , Rad50 y NBS1 (conocido como Nibrin [ 14 ] en mamíferos, o Xrs2 en levaduras, donde este complejo se llama complejo MRX ).

Antes de que pueda comenzar la resección, la proteína que interactúa con CtBP1 (CtIP) necesita unirse al complejo MRN para que pueda comenzar la primera fase de la resección, es decir, la resección de corto alcance del extremo. [ 7 ] [ 15 ] [ 16 ] Después de que la CtIP fosforilada se une, la subunidad Mre11 puede cortar la hebra terminada en 5' endonucleolíticamente , probablemente a unos 300 pares de bases del extremo, [ 15 ] [ 16 ] y luego actúa como una exonucleasa 3'→5' para eliminar el extremo de la hebra 5'. [ 16 ]

Resección de roturas de doble cadena en los telómeros

Los cromosomas lineales se empaquetan en complejos paquetes protectores de ADN especializados llamados telómeros . [ 3 ] [ 4 ] La estructura de los telómeros está altamente conservada y se organiza en múltiples repeticiones cortas de ADN en tándem. [ 3 ] Los telómeros y las roturas de doble cadena (DSB) tienen funcionalidades diferentes, de modo que los telómeros impiden las actividades de reparación del ADN. [ 3 ] Durante la replicación del ADN telomérico en las fases S/G2 y G1 del ciclo celular, la hebra rezagada 3' deja un pequeño saliente llamado cola G. [ 4 ] [ 3 ] El ADN telomérico termina en el extremo de la cola G 3' porque la hebra rezagada 3' se extiende sin su hebra líder C complementaria 5'. La cola G proporciona una función importante al ADN telomérico, ya que las colas G controlan la homeostasis de los telómeros. [ 4 ]

Telómeros en fase G1

En la fase G1 del ciclo celular, las proteínas asociadas a los telómeros RIF1 , RIF2 y RAP2 se unen al ADN telomérico e impiden el acceso al complejo MRX . [ 4 ] [ 3 ] Este proceso en S. cerevisiae, por ejemplo, está regulado negativamente por esta actividad. El complejo MRX y el complejo Ku se unen simultáneamente e independientemente a los extremos de las roturas de doble cadena (DSB). [ 3 ] [ 16 ] En presencia de las proteínas asociadas a los telómeros, MRX no se une a los extremos de las DSB, mientras que el complejo Ku sí lo hace. [ 3 ] El complejo Ku unido a los extremos de las DSB protege a los telómeros de la degradación nucleolítica por exo1 . [ 3 ] Esto resulta en una inhibición de la elongación de la telomerasa en los extremos de las DSB e impide una mayor acción de los telómeros en la fase G1 del ciclo celular. [ 3 ] [ 4 ]

Telómeros en la fase S/G2 tardía

En la fase S/G2 tardía del ciclo celular, las proteínas asociadas a los telómeros RIF1, RIF2 y RAP2 ejercen su efecto inhibidor al unirse al ADN telomérico. [ 3 ] En la fase S/G2 tardía, la proteína quinasa CDK1 (dependiente de ciclina) promueve la resección telomérica. [ 4 ] [ 3 ] Este control es ejercido por quinasas dependientes de ciclina , que fosforilan partes de la maquinaria de resección. [ 15 ] Este proceso alivia el efecto inhibidor de las proteínas asociadas a los telómeros y permite que Cdc13 (una proteína de unión tanto en la hebra rezagada como en la hebra conductora) cubra el ADN telomérico. [ 15 ] La unión de cdc13 al ADN suprime el punto de control del daño del ADN y permite que ocurra la resección al tiempo que permite la elongación de la telomerasa en los extremos de la rotura de doble cadena. [ 3 ]

Resección de roturas de doble cadena mitóticas

Uno de los controles regulatorios importantes en las células mitóticas es decidir qué vía específica de reparación de roturas de doble cadena (DSB) tomar. Una vez que se detecta una DSB, los complejos altamente conservados son reclutados por los extremos del ADN. [ 2 ] Si la célula está en la fase G1 del ciclo celular, el complejo Ku impide que ocurra la resección y activa los factores de la vía NHEJ. [ 3 ] Las DSB en la vía NHEJ se ligan, un paso en la vía NHEJ que requiere la actividad de la ADN ligasa del heterodímero Dnl4-Lif1/XRCC4 y la proteína Nej1/XLF. [ 3 ] Este proceso da como resultado una religación propensa a errores de los extremos de las DSB en la fase G1 del ciclo celular. [ 3 ]

Si las células están en la fase S/G2, las DSB mitóticas se controlan a través de la actividad de Cdk1 e implican la fosforilación de Sae2 Ser267. [ 4 ] [ 3 ] Después de que ocurre la fosforilación por Cdk1, el complejo MRX se une a los extremos del dsDNA y genera ssDNA corto que se extiende en la dirección 5'. [ 4 ] [ 3 ] El ssDNA 5' continúa la resección por la actividad de la enzima helicasa , la enzima Sgs1 y las nucleasas Exo1 y Dna2. [ 17 ] La participación de Sae2 Sar267 en el procesamiento de DSB está altamente conservada en todos los eucariotas, de modo que Sae2 junto con el complejo MRX están involucrados en dos funciones principales: el apareamiento de cadena simple y el procesamiento de estructuras de ADN en horquilla. [ 4 ] Al igual que todo el ssDNA en el núcleo, la región resecada es primero recubierta por el complejo de la proteína de replicación A (RPA), [ 18 ] [ 15 ] pero luego RPA es reemplazada por RAD51 para formar un filamento de nucleoproteína que puede participar en la búsqueda de una región coincidente, permitiendo que tenga lugar la HR. [ 15 ] El ssDNA 3' recubierto por RPA promueve el reclutamiento de Mec1. Mec1 fosforila además a Sae2 junto con cdk1. La fosforilación resultante de Sae2 por Mec1 ayuda a aumentar el efecto de la resección y esto a su vez conduce a la activación del punto de control del daño del ADN. [ 4 ] [ 3 ]

Reguladores

La vía de elección en la reparación del ADN está altamente regulada para garantizar que las células en las fases S/G2 y G1 utilicen el mecanismo apropiado. Los reguladores tanto en la vía NHEJ como en la vía HR median la vía de respuesta de reparación del ADN apropiada. [ 3 ] Además, estudios recientes sobre la reparación del ADN muestran que la regulación de la resección de los extremos del ADN está gobernada por la actividad de cdk1 en el ciclo de replicación celular. [ 3 ] [ 19 ]

vía NHEJ

La resección de los extremos del ADN es clave para determinar la vía correcta en NHEJ. Para que la vía NHEJ ocurra, los reguladores positivos como el complejo Ku y MRX median el reclutamiento de otras proteínas asociadas a NHEJ como Tel1, Lif1, Dnl4 y Nej1. [ 3 ] Dado que NHEJ no depende de la resección de los extremos, NHEJ solo podría ocurrir en la fase G1 del ciclo celular. [ 3 ] [ 10 ] Tanto Ku como las proteínas asociadas a NHEJ impiden el inicio de la resección.

La resección asegura que las roturas de doble cadena (DSB) no se reparen mediante NHEJ (que une los extremos rotos del ADN sin asegurar que coincidan), sino mediante métodos basados ​​en la homología (coincidencia de secuencias de ADN). La proteína quinasa dependiente de ciclina, como cdk1 en levaduras, actúa como regulador negativo de la vía NHEJ. [ 3 ] Cualquier actividad asociada a la presencia de proteínas quinasas dependientes de ciclina inhibe la vía NHEJ. [ 3 ]

reguladores positivos

La presencia de un ssDNA permite que el extremo roto del ADN se alinee con precisión con una secuencia coincidente, de modo que pueda repararse con precisión. [ 1 ] Para que la vía HR ocurra en las fases S y G2 del ciclo celular, se requiere la disponibilidad de una cromátida hermana. [ 3 ] [ 4 ] La resección 5′–3′ vincula automáticamente una DSB a la vía HR. [ 2 ] La proteína quinasa dependiente de ciclina, como cdk1, actúa como un regulador positivo de la vía HR. [ 4 ] [ 3 ] Este regulador positivo promueve la degradación nucleolítica 5′–3′ de los extremos del ADN. Junto con cdk1, el complejo MRX, la ciclina B1 y las DSB inducidas por Spo11 actúan como reguladores positivos de la vía HR. [ 17 ] [ 19 ]

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 Jimeno S, Mejías-Navarro F, Prados-Carvajal R, Huertas P (2019). "Controlando el equilibrio entre las vías de reparación de roturas cromosómicas". Advances in Protein Chemistry and Structural Biology . 115. Elsevier: 95–134 . doi : 10.1016/bs.apcsb.2018.10.004 . ISBN 978-0-12-815559-2. PMID 30798939 . S2CID 73459973 .  
  2. 1 2 3 4 Liu T, Huang J (junio de 2016). "Resección de extremos de ADN: hechos y mecanismos" . Genómica , proteómica y bioinformática . 14 (3): 126– 130. doi : 10.1016/j.gpb.2016.05.002 . PMC 4936662. PMID 27240470 .  
  3. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 Longhese MP, Bonetti D, Manfrini N, Clerici M (Septiembre de 2010). "Mecanismos y regulación de la resección final del ADN" . La Revista EMBO . 29 (17): 2864– 2874. doi : 10.1038/emboj.2010.165 . PMC 2944052 . PMID 20647996 .  
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