Resección del extremo del ADN
Proceso bioquímico

La resección del extremo del ADN , también llamada degradación 5′–3′ , es un proceso bioquímico en el que se modifica el extremo romo de una sección de ADN bicatenario (dsADN) cortando algunos nucleótidos del extremo 5' para producir una secuencia monocatenaria 3'. [1] [2] La presencia de una sección de ADN monocatenario (ssADN) permite que el extremo roto del ADN se alinee con precisión con una secuencia coincidente, de modo que pueda repararse con precisión. [1]

Mecanismo de regulación de la resección 5' de DSB mitóticos y teloméricos. [3]

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

Fondo

Una rotura de doble cadena es un tipo de daño del ADN en el que se cortan ambas cadenas de la doble hélice. 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 están unidas 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 cuando se divida a continuación 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 la NHEJ no depende de la resección de extremos de ADN. [2]

Mecanismo

La reparación precisa de los DSB es esencial para el mantenimiento de la integridad del genoma. De los tres mecanismos que existen para reparar los DSB, los mecanismos de reparación NHEJ y HR son las vías dominantes. [4] Varias proteínas altamente conservadoras activan el punto de control de daño del ADN para la detección de DSB que luego son reparados por las vías de reparación NHEJ o HR. [3] El mecanismo NHEJ funciona al ligar dos DSB diferentes con alta fidelidad, mientras que HR se basa en una plantilla homóloga para reparar los extremos de los DSB. [3] [4]

La resección del extremo del ADN en la vía HR solo ocurre en dos fases específicas: fases S y G2 . [4] [3] Dado que la vía HR requiere cromátidas hermanas para su activación, este evento solo ocurre en las fases G2 y S del ciclo celular durante la replicación. [3] [4] Las DSB que no han comenzado la resección del extremo 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 por 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 para reparar las DSB a través de 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 luego recluta el complejo MRN al sitio de rotura. [13] Este es un complejo altamente conservado que consiste en Mre11 , Rad50 y NBS1 (conocido como Nibrina [14] en mamíferos, o Xrs2 en levadura, 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 del extremo de corto alcance. [7] [15] [16] Después de que se une la CtIP fosforilada , la subunidad Mre11 puede cortar la cadena terminada en 5' endonucleolíticamente , probablemente a unos 300 pares de bases del extremo, [15] [16] y luego actúa como una exonucleasa 3'→5' para quitar el extremo de la cadena 5'. [16]

Resección de DSB de telómero

Los cromosomas lineales se empaquetan en paquetes protectores de ADN especializados complejos llamados telómeros . [3] [4] La estructura de los telómeros es altamente conservada y está organizada en múltiples repeticiones cortas de ADN en tándem. [3] Los telómeros y las DSB tienen diferentes funciones, 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 saliente corto 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 5' complementaria. La cola G proporciona una función importante al ADN telomérico de modo 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 y evitan 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 DSB. [3] [16] En presencia de las proteínas asociadas a los telómeros, MRX no se une a los extremos de DSB mientras que el complejo Ku se une a los extremos de DSB. [3] El complejo Ku unido a los extremos de DSB protege a los telómeros de la degradación nucleolítica por exo1 . [3] Esto da como resultado una inhibición de la elongación de la telomerasa en los extremos de DSB y evita una mayor acción de los telómeros en la fase G1 del ciclo celular. [3] [4]

Telómeros en la fase tardía S/G2

En la fase S/G2 tardía del ciclo celular, las proteínas asociadas a los telómeros RIF1, RIF2 y RAP2 exhiben 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 las 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 cadena rezagada como en la cadena líder) cubra el ADN telomérico. [15] La unión de cdc13 al ADN suprime el punto de control del daño del ADN y permite que se produzca la resección al tiempo que permite la elongación de la telomerasa en los extremos DSB. [3]

Resección de DSB mitóticos

Uno de los controles reguladores importantes en las células mitóticas es decidir qué vía específica de reparación de DSB se debe tomar. Una vez que se detecta un 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 evita que se produzca la resección y activa los factores de la vía NHEJ. [3] Los 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 la religación propensa a errores de los extremos de DSB en la fase G1 del ciclo celular. [3]

Si las células están en fase S/G2, los DSB mitóticos son controlados a través de la actividad de Cdk1 e involucran la fosforilación de Sae2 Ser267. [4] [3] Después de que ocurre la fosforilación por Cdk1, el complejo MRX se une a los extremos del dsADN y genera un ssADN corto que se estira en la dirección 5'. [4] [3] El ssADN 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: recocido de cadena sencilla y procesamiento de estructuras de ADN en horquilla. [4] Como todo el ssDNA en el núcleo, la región resecada primero se recubre con el complejo de proteína de replicación A (RPA), [18] [15] pero luego el RPA se reemplaza con RAD51 para formar un filamento de nucleoproteína que puede participar en la búsqueda de una región coincidente, lo que permite que se produzca la HR. [15] El 3' ssDNA recubierto por un RPA promueve el reclutamiento de Mec1. Mec1 fosforila aún más 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 la fase 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 del extremo del ADN está regida 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 la unión a los extremos del ADN. Para que se produzca la vía de unión a los extremos del ADN, los reguladores positivos como el complejo Ku y MRX median el reclutamiento de otras proteínas asociadas a la unión a los extremos del ADN, como Tel1, Lif1, Dnl4 y Nej1. [3] Dado que la unión a los extremos del ADN no depende de la resección de los extremos, la unión a los extremos del ADN solo podría producirse en la fase G1 del ciclo celular. [3] [10] Tanto las proteínas asociadas a Ku como las NHEJ impiden el inicio de la resección.

La resección garantiza que los DSB no sean reparados por NHEJ (que une los extremos de ADN rotos sin asegurarse de que coincidan), sino por métodos basados ​​en homología (coincidencia de secuencias de ADN). La proteína quinasa dependiente de ciclina, como cdk1 en levadura, actúa como un regulador negativo de la vía NHEJ. [3] Cualquier actividad asociada con 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 se produzca 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

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