Mutación genética y reparación del ADN
Introducción
¡Hola!
No sabes la alegría que tengo al saber que sigues perseverando en tu educación. Te comento que estás a pocas clases de lograr el objetivo de esta Unidad y con ello subes un peldaño más en tu aprendizaje. ¡Qué emoción no crees! Pues bien, para completar todo este proceso formativo te invito a empezar la sesión número once denominada Mutación genética y reparación del ADN de la UDA de Biología Molecular.
En esta clase estudiaremos el concepto de mutación y los diferentes tipos de mutaciones. Veremos el posible efecto que tienen en la secuencia de la proteína. También se abordarán los diferentes sistemas con los que cuenta la célula para evitar la presencia de mutaciones y para reparar cualquier daño que sufra la molécula de ADN. Se hablará también de la importancia que tienen las mutaciones y porque es necesario corregir cualquier error y reparar el daño que sufra la molécula de ADN. Esto con la finalidad de salvaguardar la integridad y estabilidad del genoma.
Una vez planteado este escenario, ¡comencemos la clase!
Desarrollo del tema
Mutaciones
Todos los organismos están expuestos a sufrir cambios en su ADN ya sea debido al metabolismo propio o debido a factores externos. Estos cambios se denominan mutaciones. De esta manera, podemos definir a las mutaciones como los cambios o variaciones que ocurren en la secuencia de ADN.
Como resultado de estos cambios es que existe la variabilidad genética incluso entre individuos de la misma especie. Estos cambios son el motor de los procesos evolutivos debido a que pueden ser heredables si suceden en las células germinales o desaparecer cuando el organismo muere si se presentan en las células somáticas. Las consecuencias de las mutaciones van a depender de la región de la secuencia en que se hayan producido, que gen o genes se vean afectados y en que tipo de célula hayan ocurrido. Las mutaciones pueden ser espontáneas o inducidas.
Las mutaciones pueden clasificarse con base en el tipo de célula que se ve afectada, el número de nucleótidos modificados y el efecto que generan a nivel de la secuencia de aminoácidos.
Clasificación de las mutaciones
Una mutación puede suceder en una célula germinal o en una célula somática. La primera puede transmitirse a la siguiente generación y afectar a la descendencia, mientras que la segunda solo afectará al individuo que la posee y no será transmitida a la siguiente generación.
Con base en como se altera la secuencia a nivel nucleótidos, las mutaciones pueden ser puntuales, deleciones e inserciones.
Mutaciones puntuales
Estas se caracterizan porque únicamente se ve modificado un solo nucleótido. Es decir, se cambia un nucleótido por otro. Dependiendo del tipo de nucleótido que se cambie, se puede tener una transición o una transversión. En la primera se cambia una purina por otra purina o una pirimidina por otra pirimidina. En la segunda se cambia una purina por una pirimidina y viceversa.
Los efectos de este tipo de mutaciones dependerán de la región en donde se lleven a cabo. Así, con base en el efecto que se observa tenemos:
Mutación sin sentido
En este tipo de mutación al momento de que se da el cambio en la secuencia, se genera un codón de terminación prematuro, lo que ocasiona que la proteína generada sea de un menor tamaño a la esperada (Imagen 1).
Tomado de Salazar M.A.M., Sandoval R.A.S. y Almendáriz B.J.S. (2016).
Mutación con sentido erróneo
En este tipo de mutación al momento de que se da el cambio en la secuencia, se genera un codón diferente al original, lo que va a ocasionar que se cambie un aminoácido por otro completamente diferente. De esta manera, la secuencia de aminoácidos original de la proteína se ve alterada, afectando de forma significativa su función (Imagen 2).
Tomado de Salazar M.A.M., Sandoval R.A.S. y Almendáriz B.J.S. (2016).
Mutación silenciosa
En este tipo de mutación al momento de que se da el cambio en la secuencia del ADN, no se ve alterada la secuencia de aminoácidos de la proteína. La mutación sucede en una región no codificante (por ejemplo, en la secuencia de un intrón) o puede darse en la tercera base del codón, lo que no afectaría el tipo de aminoácido debido a que el código genético es degenerado (Imagen 3).
Tomado de Salazar M.A.M., Sandoval R.A.S. y Almendáriz B.J.S. (2016).
Mutación sinónima
En este tipo de mutación al momento de que se da el cambio en la secuencia, se genera un codón diferente al original, lo que va a ocasionar que se cambie un aminoácido por otro. Sin embargo, el aminoácido nuevo posee propiedades químicas similares al original (por ejemplo, se cambia un aminoácido polar por otro aminoácido polar) lo que va a tener un efecto menos severo en la funcionalidad de la proteína.
Deleción
Una deleción se produce cuando se pierde un nucleótido o una secuencia de nucleótidos. Las deleciones generan una pérdida de material genético, y por lo tanto de información, y el efecto que ocasionan dependerá del tamaño de la secuencia pérdida, así como del sitio en donde se lleve a cabo (Imagen 4).
Tomado de Salazar M.A.M., Sandoval R.A.S. y Almendáriz B.J.S. (2016).
Inserción
Una inserción ocurre cuando se insertan uno o más nucleótidos que no forman parte de la secuencia original. Este tipo de modificaciones ocasiona que la secuencia de la proteína se vea modificada debido al desplazamiento del marco de lectura (Imagen 5).
Causas de las mutaciones
Las mutaciones pueden darse de forma espontánea (errores cometidos por la ADN polimerasa al momento de la replicación, durante la segregación de los cromosomas durante la división celular, etc.) o ser inducidas por factores externos al organismo. A este tipo de factores, que generan mutaciones, se les llama mutágenos. Un mutágeno es un agente que tiene la habilidad de modificar el material genético de la célula.
Los mutágenos pueden ser físicos, químicos o biológicos, dependiendo de su naturaleza. Ejemplos de mutágenos físicos tenemos: la luz ultravioleta y la radiación de la alta energía (rayos X, gamma). Mutágenos químicos: algunos colorantes, óxido nitroso, benzopirenos, acrilamidas, nicotina, agentes alquilantes, etc. Y como ejemplo de mutágenos biológicos tenemos algunos virus, bacterias y hongos que son capaces de alterar la secuencia del material genético de su hospedero.
Sistemas de reparación del ADN
Como se vio anteriormente, cualquier modificación a la secuencia y a la estructura de la doble hélice del ADN es una amenaza para la integridad genética de la célula. El daño al ADN se minimiza gracias a los sistemas que reconocen y reparan dicho daño. Estos sistemas de reparación son tan complejos como la misma maquinaría de replicación, lo cuál indica la importancia que tienen para la supervivencia de la célula.
Cuando estos sistemas fallan ocurren mutaciones y la velocidad a la que estas ocurren es un reflejo del balance que existe entre el número de eventos que ocasionan un daño y los que logran corregirse. Los sistemas de reparación, con los que cuentan las células, son capaces de reconocer una gran cantidad de distorsiones en el ADN como señales para actuar. Y cada célula posee varios sistemas capaces de lidiar con el daño al ADN.
Los sistemas de reparación se dividen en dos grupos:
- Reparación directa: No requiere la eliminación de nucleótidos o bases nitrogenadas. La reparación se realiza sobre la misma base y para ello se requiere la participación de enzimas específicas. Dentro de este tipo de sistemas de reparación se encuentra:
Fotorreactivación
La fotorreactivación permite reparar los daños ocasionados por la luz ultravioleta. El efecto que tiene este tipo de radiación sobre el ADN es el de formar dímeros de pirimidina, principalmente entre timinas (Imagen 6).
Tomado de Alberts B. et al. (2015).
Estos dímeros ocasionan un aumento en la aparición de mutaciones, inhiben la replicación y la transcripción, detienen el ciclo celular lo que resulta en la muerte de la célula. Es por eso por lo que debe ser reparado. Para ello, algunas células, principalmente las bacterias, poseen unas enzimas, denominadas fotoliasas que son capaces de romper el enlace formado entre las timinas reparando el daño (Imagen 7). Esto lo hacen debido a que poseen 2 cromóforos que captan un fotón y la energía es utilizada para revertir el dímero. Este sistema de reparación no está presente en mamíferos placentarios.
Tomado de Salazar M.A.M., Sandoval R.A.S. y Almendáriz B.J.S. (2016).
Alquiltransferasa
Este sistema de reparación se enfoca en la remoción de aductos de alquilo en el ADN. Estos son ocasionados por agentes químicos alquilantes, como el metil-metano sulfonato y las metilasas (enzimas que adicionan grupos metilo principalmente en restos de guanina). El mecanismo para reparar el daño involucra la participación de enzimas denominadas alquiltransferasas. Estas enzimas mueven los grupos alquilo/metilo desde la guanina a la cisteína del centro activo de la enzima, ocasionando su inactivación irreversible (Imagen 8).
Tomado de Nelson D.L. and Cox M.M. (2017).
- Reparación indirecta: Involucra mecanismos que intervienen durante la replicación, transcripción o sobre las cadenas de ADN fragmentadas. Aquí sí hay eliminación del nucleótido o secuencia dañada y es reemplazada por otra. De esta manera se lleva a cabo la reparación del daño. Dentro de este tipo de sistemas se encuentran:
Reparación por escisión de bases (BER)
Este mecanismo de reparación corrige la presencia de una base dañada, es decir, una base que ha sufrido alguna modificación química. El primer paso de este sistema consiste en el reconocimiento de la base alterada por una enzima llamada ADN glicosilasa. Hay varios tipos de estas enzimas y cada una de ellas reconoce una base específica. Las glicosilasas cortan el enlace glicosídico que existe entre la base y el azúcar, generando un sitio apirimidínico (T y C) o apurínico (A y G). Este sitio es reconocido por una enzima denominada AP endonucleasa y realiza un corte en el enlace fosfodiéster en el sitio donde se eliminó la base. Posteriormente la endonucleasa remueve el azúcar y el espacio es rellenado por la ADN polimerasa beta y la ADN ligasa III alfa (Imagen 9).
Tomado de Alberts B. et al. (2015).
Reparación por escisión de nucleótidos (NER)
Este sistema de reparación reconoce daños que son voluminosos y que alteran y distorsionan la estructura de la doble cadena. Ejemplos de estos daños son los dímeros de timina ocasionados por la luz UV. Este sistema es el equivalente en eucariotas a la fotorreactivación presente en bacterias. Sin embargo, en eucariotas el mecanismo es más complejo e involucra un mayor número de participantes.
Como primer paso, un complejo enzimático se encarga de escanear el ADN en busca de la distorsión. Este complejo esta formado por las proteínas XPC, Rad23B y CETN2. Una vez localizado el daño, dos endonucleasas (XPG en el sitio 3′ y XPF en el sitio 5′) cortan el enlace fosfodiéster a ambos lados de la lesión en la cadena dañada. Después, una helicasa (TFIIH) abre la cadena, separando así la cadena dañada. El hueco generado es rellenado por una ADN polimerasa (delta y/o épsilon) en conjunto con el PCNA y el lanzador de la abrazadera (involucrados en el proceso de replicación). Posteriormente los extremos se cierran por la acción de una ligasa (Figura 10).
Tomado de Tomado de Alberts B. et al. (2015)
Reparación por apareamiento erróneo (MMR)
Este sistema de reparación detecta las bases mal apareadas, es decir, cuando suceden apareamientos erróneos que se generan como consecuencia de saltos y deslizamientos de la ADN polimerasa durante la replicación. En este mecanismo de reparación, participan tres proteínas: MutS, MutL y MutH. La primera es la que reconoce y se une a las bases que están mal apareadas, la segunda sirve como anclaje para que se forme el complejo de reparación y la tercera se encarga de hacer los cortes en el sitio dañado debido a que posee actividad endonucleasa. Otra proteína que participa es la metilasa Dam la cual se encarga de metilar la secuencia GAT en las dos cadenas con la finalidad de marcar la cadena parental y se puede identificar cual es la cadena recién sintetizada después del proceso de replicación. Esto le indica al sistema que la cadena recién sintetizada es la que lleva el daño y por lo tanto hay que repararla. Una vez que se elimina la base mal apareada, esta se sustituye por la correcta por la acción de la ADN polimerasa III (Imagen 11).
Este sistema también opera en eucariotas, donde participan las proteínas MSH y MLH que son análogas a MutS y MutL.
Tomado de Salazar M.A.M., Sandoval R.A.S. y Almendáriz B.J.S. (2016).
Reparación por unión de extremos no homólogos
Este sistema de reparación, junto con el de recombinación homóloga, se encarga de reparar daños que involucran la ruptura de las dos cadenas de ADN. Este es el daño más severo que puede sufrir la molécula de ADN, y el más peligroso para la célula. El rompimiento de la doble cadena es ocasionado por factores como la radiación ionizante y la acción de agentes oxidantes. Si no se repara, puede ocasionar inestabilidad cromosómica y genómica, anormalidades cromosómicas y la muerte de la célula.
El mecanismo de reparación por unión de extremos no homólogos permite la unión de las cadenas por sus extremos y no necesita de una secuencia complementaria u homóloga para su unión. Es considerado el sistema de reparación principal cuando sucede una ruptura de doble cadena. Además, se encuentra activo durante todo el ciclo de división celular. Una de las desventajas que posee es que generalmente hay pérdida de nucleótidos en el sitio donde se lleva a cabo la unión.
El primer paso en el proceso consiste en el reconocimiento del daño por las proteínas KU70 y KU80 las cuales se unen a los extremos de la cadena. Una vez unidas, reclutan a las proteínas PKcs (Fosfo quinasas dependientes de ADN) las cuales fosforilan a la proteína Artemis. Estas dos proteínas poseen actividad endonucleasa lo que va a permitir que lleven a cabo el procesamiento de los extremos, es decir, remueven los nucleótidos sobrantes para generar extremos romos. Una vez hecho esto, los extremos son ligados mediante la acción de la ADN ligasa (Imagen 12).
Reparación por recombinación homóloga
Este sistema de reparación, al igual que el de unión por extremos no homólogos, repara daños por ruptura de la doble cadena. Es un mecanismo de reparación muy versátil y sucede únicamente durante la fase S del ciclo celular. Lo anterior debido a que se requiere la presencia de una cadena de ADN homóloga, la cual sirve como plantilla, para poder llevar a cabo la reparación. En este sistema se forman apareamientos de bases y aunque no deben ser perfectos, si se requiere que sean lo suficientemente similares las secuencias para que se lleve a cabo el proceso. Para conocer a detalle el mecanismo, te invito a que visualices el siguiente video titulado DNA Damage can Stall the Cell Cycle.
A modo de resumen de los sistemas de reparación, te invito a que revises el siguiente video, en el cual se abordan los sistemas de reparación más importantes
Conclusión
En resumen, en esta clase vimos el concepto de mutación, los diferentes tipos de mutaciones que pueden suceder y cómo estas afectan a la secuencia de la proteína e incluso a la función del gen.
También se abordaron los sistemas de reparación que existen, precisamente para evitar y disminuir la presencia de mutaciones y de esta manera mantener la integridad del genoma de la célula. Como se vió, algunos sistemas reparan el daño directamente sobre la base, sin necesidad de removerla, mientras que otros requieren que se remueva completamente el nucleótido o los nucleótidos dañados.
El daño más severo que puede sufrir la molécula de ADN es la ruptura de la doble cadena. Al ser uno de los daños más letales debe ser reparado. Los sistemas que se encargan de ello son el de unión de extremos no homólogos y la recombinación homóloga. El primero no necesita un molde para llevar a cabo la reparación, mientras que el segundo requiere la presencia de una cadena homóloga. Cabe señalar que ninguno de estos mecanismos de reparación esta excento de errores y aunque existe la posibilidad de que se generen errores al momento de la reparación, estos se justifican con el hecho de que si no se repara la ruptura, la célula puede morir.
Hasta aquí terminamos con el conocimiento de los conceptos teóricos que te servirán de base para entender el fundamento de las diferentes técnicas de biología molecular de utilidad en el laboratorio. Hemos llegado al final de la clase, me siento muy felíz de que hayas llegado hasta aquí.
¡Te felicito, tienes una gran voluntad! Para cerrar la clase te invito a realizar la tarea asignada y mandarla como corresponde. Te espero en la próxima sesión, en la que comenzaremos con la descripción de las técnicas que se utilizan en Biología Molecular, hasta entonces.
Fuentes de información
- Salazar M.A.M., Sandoval R.A.S. y Almendáriz B.J.S. (2016). Biología Molecular. Fundamentos y aplicaciones en las ciencias de la salud. (2a ed.). McGraw Hill
- Nelson D.L. and Cox M.M. (2017). Lehninger Principles of Biochemistry. (7a ed.). W. H. Freeman.
- Alberts B. et al. (2015). Molecular Biology of the cell. Garland Science.