Lección 7. Genotoxicidad: mutagénesis y carcinogénesis

El ácido desoxirribonucleico (ADN) es una molécula conformada por dos cadenas de nucleótidos entrelazados que forman una doble hélice (Figura 9). El ADN contiene la información que codifica y determina la expresión de las proteínas del cuerpo (Griffiths, Gelbart, Miller & Lewontin, 2000).

En la actualidad, un gran rango de agentes naturales y sintéticos es capaz de inducir alteraciones en el ADN (Genotoxicidad), generando cambios en la estructura y por ende en la información contenida en la molécula (mutación).

 

Figura 9. Estructura del nucleótido y de la doble cadena en espiral del ADN.

Fuente: Curtis, H & Barnes, N.S. (2000). Biología (6a Ed.). Buenos Aires: Editorial Medica Panamericana.

 

La mutagénesis (generación de cambios en el ADN) puede afectar células somáticas o germinales (Figura 10). En las células somáticas (cualquier célula del cuerpo) la mutación puede transmitirse por división celular ocasionando degeneraciones, como el cáncer, o muerte celular. En las células germinales (óvulo, espermatozoide) causa disminución en la fertilidad, abortos espontáneos, y defectos en las progenie, estas alteraciones pueden ser dominantes o recesivas, es decir manifestarse o no en la primera generación (Teaf & Middendorf, 2000).

Los daños en las células somáticas embrionarias, causados después de la concepción y antes del nacimiento, es decir durante el desarrollo del feto, se denomina teratogénesis, este tipo de alteraciones se producen cuando la hembra en gestación se expone a un agente tóxico. La teratogénesis es consecuencia de diferentes tóxicos, no sólo aquellos asociados a genotoxicidad (Vallejo, 1997; Philp, 2001).

 

Figura 10. Esquema de los efectos producidos por un genotóxico

Fuente: Teaf, C & Middendorf, P. J. (2000). Mutagenesis and Genetic Toxicology. En P. L. Williams, R. C. James & S. M. Roberts (Eds.), Principles of toxicology: Environmental and industrial applications (pp 239 - 265). New York: John Wiley & Sons, Inc.

 

Los mecanismos a través de los cuales se producen las mutaciones, son clasificados por Philp (2001) en:

 Mutaciones puntuales: Alteración de unas pocas pares de bases, a través de la deleción, adición, o sustitución de pares de bases.

 Aneuploidización: Cambio en el número de cromosomas.

 Clastogénesis: Daños en el cromosoma dados por fragmentación y/o translocaciones en la estructura del mismo.

La carcinogénesis es la proliferación anormal de células, consecuente a una mutación, que induce la producción de tumores malignos, los cuales destruyen los tejidos adyacentes y se distribuyen (metástasis) a través de la sangre (Vallejo, 1997). La inducción de cáncer ha sido descrita en tres pasos principales, tal como los describe Philp (2001).

1. Iniciación: la interacción del agente genotóxico con el ADN,

2. Promoción: Es el incremento en la tasa de crecimiento de los tumores o la reducción de su estado de latencia, a través de agentes promotores que no interactúan con el ADN. Algunas sustancias además de promotores pueden ser co-carcinógenos (agentes que junto a los carcinógenos aumentan la producción de tumores).

3. Progresión: Desarrollo particular de la enfermedad.

 

Conociendo los tipos y vías de exposición, y ahora los efectos o respuestas tóxicas, podemos entonces identificar las asociaciones más comunes entre estos términos, tal como lo hace Vallejo (1997) a través de la Figura 11.

Figura 11. Categorías de exposición y efectos de los agentes tóxicos

Fuente: Vallejo, M. (1997). Toxicología ambiental: Fuentes, cinética y efectos de los contaminantes. Bogotá: Fondo Nacional Universitario.

8.3 Mecanismos de reparación del ADN

Volver al Capítulo 8

 

Como acabamos de ver, la estabilidad de la copia del material genético en un entorno celular considerado como normal está muy comprometida, por lo que si no hay nada que se oponga a ello, el número de mutaciones por célula y generación sería

de tal calibre que la vida resultaría difícil o imposible en tales circunstancias. Sin embargo, como ya se adelantó, la célula ha adquirido a lo largo de la evolución toda una serie de mecanismos que tienden a reducir el daño que se produce en el ADN

(Wood, 1996). En ocasiones estos actúan haciendo desaparecer el agente inductor del daño, como es el caso de las enzimas antioxidantes: superóxido dismutasa (SOD), catalasa, etc., neutralizando de esta forma especies reactivas del oxígeno, que

de otra forma podrían atacar el ADN, mientras que otros mecanismos (tal vez los más variados) tratarían de reparar el daño producido en esta molécula. Las características generales de estos sistemas de reparación aparecen comentadas en la Tabla

2.

 

 – Ubicuidad: en todas las células.

 – Redundancia: varios sistemas por célula.

 – Complejidad: numerosos elementos intercambiables en la mayoría de los casos.

 – Eficiencia: nunca al 100% (unos más que otros).

 – Variabilidad funcional: un mismo sistema podría actuar de manera diferente en cada tipo de célula.

 – Homología interespecífica: por lo general bien conservados evolutivamente.

Tabla 2. Características generales de los sistemas de reparación y supervisión del ADN.

 

La importancia que tiene el mantener una copia “sana” del material genético para la célula, ha hecho que desde una etapa muy temprana, los seres vivos desarrollasen toda una serie de estrategias para reparar los daños que se producen de manera

constante en el ADN. Los primeros estudios que analizaron estos mecanismos se llevaron a cabo en procariotas, más tarde el campo se amplió a eucariotas. En ambos casos se observó que dichos mecanismos son redundantes, es decir que la

célula no confía la supervisión y reparación de su genoma a uno sólo de ellos, sino que dispone de varios que en muchos casos interaccionan. Se calcula que una célula de mamífero dispone de al menos 130 genes involucrados en tales funciones, y

no resultaría extraño que, a medida que se conozca mejor el papel de los distintos genes humanos, aparezcan nuevos

mantener su genoma sin defectos. Pero el aspecto más representativo de la importancia de los mecanismos de reparación del ADN tal vez sea el gran número de patologías cuya etiología se asocia a fallos en elementos moleculares en dichos

mecanismos.

En la mayoría de los casos, en estos mecanismos intervienen numerosos componentes, por lo que su modo de acción no deja de ser complejo. En nuestro caso presentaremos los más relevantes (Tabla 3), y dentro de cada uno se presenta de forma

simplificada su mecanismo de acción.

 REPARACIÓN DIRECTA

 Por estos mecanismos se reparan: metilación de guanina, y en algunos vertebrados dímeros de pirimidina. No intervienen nucleasas ni ADN-polimerasas.

 REPARACIÓN INDIRECTA

 Hay intervención de nucleasas y ADN-polimerasas. Se necesita hebra “molde” perteneciente al mismo cromosoma o al homólogo.

Escisión de base. Reparan casos de alteraciones puntuales en bases nitrogenadas. Se origina un “sitio AP” y luego se retira el nucleótido “AP” y se resintetiza la hebra.

Escisión de nucleótido. Reparan alteraciones que distorsionan la conformación del dúplex y que obstaculizarían la transcripción y replicación. Generalmente inducidos por

bases alteradas o mal apareadas. Una nucleasa escinde una porción de la hebra próxima al lugar del daño. Inmediatamente se resintetiza una nueva siguiendo el molde

complementario.

Recombinación de regiones homólogas/ Unión de fragmentos terminales de hebras rotas. Reparan lesiones en las que se ven afectadas ambas hebras, o en las que no existe

una hebra complementaria que pueda actuar de molde fiable. Mecanismo más complejo que los anteriores.

Tabla 3. Diferentes sistemas de reparación del ADN en eucariotas según su mecanismo de acción.

 

La etapa más importante del proceso tal vez sea aquella en la que se detecta el punto o puntos del genoma donde se localiza la alteración. Se cree que una de las condiciones para que esto se pueda llevar a cabo es que la molécula de ADN se

encuentre descompactada, lo que permitiría al sistema de detección “rastrear” dicha región en busca de errores, que se localizarían por la distorsión estructural que un apareamiento de bases incorrecto produce en el dúplex. En este sentido hay

evidencias de que tanto la replicación como la transcripción del ADN son etapas donde se lleva a cabo una intensa actividad por parte de los sistemas de reparación.

Los sistemas de reparación indirecta intervienen sobre el ADN, en replicación (fase S), transcripción o sobre hebras de ADN seccionadas. Como ya se comentó anteriormente, la propia polimerasa del ADN, o algunos de los componentes del

mecanismo transcripcional, llevan a cabo la supervisión de la copia recién sintetizada. En otros casos hay complejos moleculares que cooperan con la polimerasa del ADN resolviendo casos en los que esta ha de replicar o transcribir una determinada

zona del genoma en la que se detecta una alteración. A pesar de la gran cantidad de mecanismos y moléculas que intervienen en estos procesos hay un denominador común en todos ellos, y es que la mayoría están conservados evolutivamente.

Otros de los mecanismos que actuarían para preservar la integridad del material genético serían aquellos que, en lugar de intervenir reparando la copia del ADN, lo harían supervisando la integridad de los desoxirribonucleótidos que serán utilizados

para la síntesis del ADN, ya que algunos derivados de estos pueden ser incorporados por la polimerasa en lugar del d-ribonucleótido normal pudiendo dar lugar a una mutación , tal es el caso del 8-hidroxi-dGTP.

8.3.1  Mecanismos de reparación directa

8.3.1.1  Recuperación de guaninas metiladas

Una de las alteraciones que se conocen en el ADN es el caso de la metilación de restos de guanina para formar O6-metilguanina; en este caso la célula dispone de una enzima “suicida” que localiza el lugar de la alteración y seguidamente transfiere el

grupo metilo desde la guanina a un resto de cisteína en su centro activo, la enzima queda ahora inactivada, ya que este proceso no es reversible (Figura 4).

 

   Figura 4. Recuperación de guaninas metiladas por acción de la guanina metil-transferasa.

8.3.1.2  Reparación de dímeros de pirimidina

Un sistema similar actúa en procariotas y en muchos eucariotas, en él interviene una enzima que detecta dímeros de pirimidina que se producen en restos adyacentes C-C, C-T (siendo el más frecuente T-T). En procariotas la enzima que repara esta

alteración es la fotoliasa. En primer lugar la enzima localiza el punto donde se ubica el dímero y seguidamente se posiciona sobre él y repara la alteración (Figura 5).

 

 

  Figura 5. Reparación de dímeros de pirimidina.

 

Esta enzima además tiene una interesante peculiaridad, y es que se activa por irradiación con longitudes de onda visibles próximas al U.V. Aunque en algunos vertebrados se han detectado enzimas que actúan de manera similar a la fotoliasa no se

ha descrito todavía para el caso del ser humano, donde este tipo de alteraciones se repara por otros mecanismos. En este caso, los dímeros de pirimidina (que se supone un tipo de lesión frecuente que produciría el envejecimiento de la piel) se

pueden reparar por otro mecanismo (escisión de nucleótido) que se describirá más adelante.

8.3.2  Mecanismos de reparación indirecta

En general estos mecanismos actúan eliminando la base alterada utilizando diferentes estrategias:

8.3.2.1  Reparación por escisión de base

En este caso la base alterada es retirada del ADN por un tipo de enzimas denominados glicosidasas. Hay varias y cada una se ocupa de un tipo de modificación (Hipoxantina-ADN glicosidasa, uracil-ADN -glicosidasa, etc.). Cuando estas retiran la

base dañada se genera un sitio AP (también se pueden generar sitios AP por otras causas), que resultaría muy mutagénico si se dejase sin reparar, ya que bloquearía la replicación o transcripción del ADN en ese punto, por lo que seguidamente

interviene una endonucleasa que retira el resto de ribosa fosfato del sitio AP, dejando un hueco de un nucleótido que es rellenado inmediatamente por la acción de una polimerasa del ADN, por último la hebra es sellada por la ligasa (Figura 6).

 

Figura 6. Mecanismo de reparación por escisión de base.

 

8.3.2.2  Reparación por escisión de nucleótido o hebra

Este mecanismo de reparación es muy similar al anterior, y de hecho comparte con aquél algunos de sus elementos moleculares. En una primera etapa, el sistema reconoce el punto de la lesión. Seguidamente actúa una endonucleasa que corta un

pequeño fragmento de la hebra que presenta la lesión a ambos lados de la misma dejando entre el nucleótido afectado y ambos puntos de corte varios nucleótidos. Luego se retira esta porción de la hebra al tiempo que una polimerasa de ADN

comienza la síntesis del fragmento que sustituirá al eliminado, tomando como molde la hebra “sana” (Figura 7).

 

Figura 7. Mecanismo de reparación por escisión de nucleótido.

 

Como en el caso anterior la ligasa sellará la hebra nueva, dejando de esta forma reparada la alteración (en la descripción de estos mecanismos, y para su simplificación, se omiten otras proteínas que intervienen en el proceso, y que son también

importantes para que este se lleve a cabo). Son muchas las alteraciones que se reparan por este mecanismo, entre ellas los dímeros de pirimidina, bases alteradas, etc. En bacterias este sistema está muy bien estudiado y se parece mucho al que

actúa en levaduras (eucariotas unicelulares), aunque en estas últimas consta de más elementos y es por ello más complejo. En mamíferos el sistema es similar al de levaduras lo que demuestra que está evolutivamente bien conservado.

 

8.3.3  Mecanismos de reparación por recombinación

Este mecanismo es complejo, y a diferencia de los hasta ahora estudiados, utiliza una estrategia de recombinación similar a la que opera en el intercambio de cromátidas que se da en la meiosis, uniendo regiones homólogas de los cromosomas

paternos y maternos. El tipo de alteraciones que se reparan mediante este mecanismo suelen ser aquellas que, por diferentes razones, no permiten disponer de hebra molde (rotura de hebras, apareamientos anómalos entre bases, etc.). Este último

tipo de anomalía ha de ser reparada antes de que la zona sea replicada por la polimerasa, ya que de no ser así se podría bloquear el proceso replicativo en dicho punto o inducir una mutación permanente en la descendencia celular. Si durante la fase

S del ciclo celular, la polimerasa de ADN se encuentra una alteración que no ha sido reparada anteriormente, puede ocurrir que introduzca un nucleótido al azar con el consiguiente riesgo de mutación, o continúe su labor dejando sin replicar la zona

alterada hasta su reparación. En este último caso la solución al problema consiste en retirar la porción de una de las hebras no replicadas y seguidamente sintetizar una hebra nueva de ADN por un mecanismo que toma como molde la hebra

complementaria del cromosoma homólogo (Figura 8). Se han descrito varias polimerasas del ADN que participan en la resolución de problemas de este tipo. En general estas polimerasas no poseen la alta fidelidad de copia de la polimerasa normal

(la que replica el genoma en la fase S del ciclo celular), por lo que cabe esperar una tasa de error incrementada con respecto al que presenta esta última, y parece que cada una de ellas se especializa en solucionar un tipo

 

Figura 8. Mecanismo de reparación de cromosomas fragmentados. Reparación mediante recombinación.

 

En general la fase S del ciclo celular resulta crítica para la vida de la célula, ya que en ella el material genético a replicar ha de estar en las mejores condiciones posibles antes de ser transferida a la descendencia, de tal forma que si dicha copia está

muy dañada podría bloquear el proceso replicativo, hasta el punto de que la célula opte por el “suicidio” (apoptosis) para evitar que pasen genes defectuosos a la descendencia. El mismo sistema que regula la entrada en apoptosis alerta a los

mecanismos de reparación de errores en la copia del ADN celular a transcribir. En caso de que este sistema falle podrían acumularse un número excesivo de mutaciones en la célula. En este sistema de control participan numerosas proteínas,

aunque una de ellas, la denominada p53 juega un papel decisivo en el mismo. Una prueba evidente de la importancia de esta proteína en el control del ciclo celular la tenemos en el hecho de que una de las mutaciones más frecuentes en tumores

afecta a dicha proteína, este aspecto se tratará más en detalle en el siguiente apartado.

El sistema de reparación por recombinación homóloga se cree que es utilizado con frecuencia por la célula para llevar a cabo la reparación de cromosomas rotos. Este tipo de lesión, como ya se ha comentado, puede producirse por ataque de

radicales hidroxilo sobre el dúplex de ADN. De no repararse, la presencia de tales alteraciones provocará graves daños a la célula, y su descendencia será con toda probabilidad inviable debido a la pérdida de una cantidad importante de material

genético. Por ello la célula es particularmente sensible a este tipo de lesión, y para remediarlo pone en marcha complejos mecanismos de reparación en los que intervienen un elevado número de proteínas.

Además de esta estrategia de reparación que se basa en la recombinación homóloga, se sabe que la célula dispone de otra no menos sofisticada (aunque menos estudiada) para reparar el mismo tipo de lesión. En este mecanismo la reparación de la

rotura se produce por empalme entre los extremos de los fragmentos del dúplex truncado (Barnes, 2001).

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