LOS GUARDIANES DEL ADN

LA IMPORTANCIA DEL ADN

El ADN es la molécula en la que se encuentra la información de todos nuestros caracteres hereditarios (nuestros genes). Esta información influye en prácticamente todo lo que somos: el color de ojos o piel, la tendencia a engordar, el tener una mayor o menor dificultad de aprendizaje, la tendencia a padecer ciertas enfermedades, etc. Evidentemente, este patrón se va a ir modificando por el entorno en el que vivimos. Aunque nuestros genes contengan la información de que podemos llegar a ser muy altos, si en la infancia no comemos lo suficiente, no alcanzaremos dicha altura. Lo mismo sucede con la inteligencia: si nos faltan nutrientes o no nos estimulan de pequeños, el desarrollo del cerebro no adquirirá todo su potencial.

Por lo tanto, es conveniente que el ADN se mantenga estable y no sufra daños, ya que de otro modo, no enviará los mensajes adecuados a la célula.

Pero, ¿sufre muchos daños el ADN? La verdad es que sí, y pueden ser por muy diversos motivos: debido a las reacciones químicas de la propia célula; por agentes externos, tanto químicos como físicos (por ejemplo, los rayos ultravioleta); o porque la célula comete errores al hacer una copia de su propio ADN.

Dependiendo del lugar donde se produzcan dichos daños, se pueden llegar a generar mutaciones, lo que hará que el archivo del ADN no tenga la información en perfectas condiciones y envíe mensajes erróneos a la célula. Este hecho puede conllevar la muerte de la propia célula o el padecimiento de determinadas enfermedades. Por eso, todos los seres vivos han desarrollado sistemas de reparación del ADN. Un dato importante a tener en cuenta es la estrecha relación que existe entre el daño del ADN y el padecimiento del cáncer. De hecho, la causa más común de esta enfermedad es el daño del ADN debido a agentes externos, y la deficiencia en alguno de los sistemas de reparación del ADN está asociada a ciertos tipos de cánceres hereditarios. Por otro lado, algunos de los fármacos anticancerígenos más utilizados, atacan las células malignas dañando su ADN. En consecuencia, los sistemas de reparación del ADN juegan un papel fundamental tanto en la carcinogénesis como en la terapia contra el cáncer.

Este año, el Premio Nobel de Química se ha concedido a tres investigadores que han contribuido al esclarecimiento de los mecanismos de reparación del ADN: Tomas Lindahl, Paul Modrich y Aziz Sancar.

Pero antes de presentar un breve resumen del trabajo de estos investigadores, veamos cuál es la estructura del ADN.

ESTRUCTURA DEL ADN

El ácido desoxirribonucleico (ADN) es una larga molécula formada por una serie de unidades repetidas que al unirse, darán la famosa estructura de doble hélice o escalera de caracol. Cada unidad, llamada nucleótido, está formada por un grupo fosfato, un azúcar (la desoxirribosa) y una base nitrogenada. El fosfato va a unir una desoxirribosa con la siguiente, formándose así una cadena simple de ADN. Siguiendo con el símil de la escalera de caracol, tendríamos una barandilla (los grupos fosfato y la desoxirribosa) y medio escalón (la base nitrogenada). Para que esta estructura sea más estable, se unen dos moléculas de ADN complementarias mediante puentes de hidrógeno (una unión no muy fuerte). ¿Qué significa que dos moléculas de ADN sean complementarias? El ADN tiene cuatro tipos de bases nitrogenadas adenina (A), guanina (G), timina (T) y citosina (C). Como cada una tiene un tamaño diferente y sus átomos están en una posición distinta, para que nuestra escalera de caracol tenga las barandillas bien estables, una anchura constante y los dos tablones que constituyen los escalones estén bien encajados, las bases nitrogenadas, solo se unen formando dos parejas: la adenina se une con la timina, y la citosina con la guanina. Así, cada peldaño de la escalera está formado por un par de tablones que encajan perfectamente (A-T o G-G). Por lo tanto, teniendo solo una de las dos hebras de ADN, se puede deducir la secuencia de la otra. Esto es muy importante, y se va a utilizar, por ejemplo, en los mecanismos de reparación de ADN.

Izquierda: Estructura química del ADN en la que se puede ver la posición de los grupos fosfato, las desoxirribosas y la interacción entre las dos parejas de bases nitrogenadas (A-T; C-G). Derecha: Estructura espacial del ADN en forma de doble hélice o escalera de caracol: las “barandillas” naranjas están formadas por los grupos fosfato y las desoxirribosas; los “escalones horizontales” están constituidos por dos bases nitrogenadas complementarias. (Fuente de las imágenes Wikipedia).

¿Y por qué hay cuatro bases nitrogenadas distintas? ¿No sería más fácil que hubiera un par de ellas que encajaran bien en la escalera, y dejarnos así de tanto lío?

La razón es que estas cuatro bases nitrogenadas son la clave del código genético, es decir el lenguaje que utiliza el ADN para enviar sus mensajes.

Pero, ¿cómo funciona este código genético? Ciertas regiones del ADN constituyen los genes. En ellos, cada tres bases nitrogenadas seguidas en una de las cadenas de la molécula, es decir, una de las barandillas de la escalera, se va a traducir a uno de los veinte aminoácidos. Estos aminoácidos son los “ladrillos” con los que se forman las proteínas, que van a realizar todas las tareas que le ordene el ADN: el transporte (por ejemplo de oxígeno), las reacciones químicas con las que digerimos los alimentos, el envío de mensajes y la coordinación entre distintas células del cuerpo, la defensa frente a las infecciones (los famosos anticuerpos), etc.

Por lo tanto, si las bases nitrogenadas se dañan o cambian de orden, lo más probable es que el mensaje que envíe sea erróneo y tenga unas consecuencias más o menos graves en la célula.

Es en este punto donde retomamos los mecanismos de reparación del ADN descubiertos por los tres premios Nobel.

Tomas Lindahl descubrió que el genoma humano sufre cada día alrededor de 10000 agresiones potencialmente mutagénicas, lo que le llevó a preguntarse cómo se mantenía la vida en la Tierra a pesar de tantas agresiones.

De este modo, descubrió el mecanismo de reparación por escisión de base, que repara los daños producidos en un único nucleótido de ADN, es decir en uno de los peldaños de nuestra escalera. Generalmente, el daño es debido a las reacciones químicas que tienen lugar en la propia célula, aunque también puede ser debido a agentes externos. En el mecanismo de reparación por escisión de base intervienen numerosas enzimas que lo que realizan es:

  • Quitar la base nitrogenada dañada (uno de los dos tablones que forman el escalón)
  • Cortar la “barandilla” formada por el fosfato y la desoxirribosa.
  • Rellenar de nuevo el hueco con el nucleótido adecuado, tomando como referencia la base nitrogenada del nucleótido que está desemparejada. (Como del peldaño sólo hemos quitado uno de los tablones, el otro nos sirve de referencia para saber cuál debemos incorporar).

Esquema del mecanismo de reparación por escisión de bases. Fuente de la imagen: Lindahl, T. Genomics Proteomics Bioinformatics. Febrero 2013, Vol. 11, Nº 1, páginas 2-7.

Cabe destacar, que uno de los daños que repara este mecanismo, es el producido por la alquilación del ADN. Aunque puede ser debida a reacciones celulares, muchos agentes anticancerígenos atacan las células tumorales mediante la alquilación de su ADN. Por lo tanto, en estos casos, interesaría que las células tumorales no tuvieran activo el mecanismo de reparación por escisión de base, con el fin de que la quimioterapia fuera más efectiva. Esta línea de investigación se ve reflejada en la solicitud de patente WO2004/019959 del autor, en la que se sugiere la búsqueda de inhibidores del mecanismo de reparación que él había descubierto.

Solicitud de patente internacional WO2004/019959 en la que Lindahl figura como inventor. En ella se propone la búsqueda de sustancias que inhiban la actividad de las proteínas humanas HAB1 y HAB2, que intervienen en la reparación del ADN dañado por alquilación. La administración de estos inhibidores haría que la quimioterapia fuera más efectiva.

Aziz Sancar ha centrado sus investigaciones en el estudio de la reparación de los daños del ADN causados por la luz ultravioleta. Dicha radiación produce daños de mayor tamaño que las que hemos visto anteriormente: cuando hay dos escalones seguidos con T o C, en vez de estos tablones unirse con los de enfrente para formar el peldaño, interaccionan con el anterior o posterior de su propia cadena (son los dímeros de pirimidina). Esto va a producir una deformación mayor de nuestra escalera que en el caso anterior.

En sus comienzos, Sancar investigó el mecanismo por el que se reparaban los dímeros de pirimidina en ciertas bacterias, gracias a una enzima llamada fotoliasa, que necesita la luz de color azul, para poder realizar la reparación. Curiosamente, posteriormente se descubrieron proteínas parecidas en otros organismos, pero con funciones muy diferentes: así en plantas intervienen en el crecimiento y desarrollo, y en mamíferos en el ritmo circadiano.

Estructura de una fotoliasa, con la que Sancar empezó sus primeras investigaciones

Fuente de la imagen: Sancar, A. Journal of Biological Chemistry. Noviembre 2008, Vol. 283, Nº 47, páginas 32153-32157.

Entonces, ¿qué ocurre en los mamíferos? En los mamíferos, la reparación se realiza mediante un mecanismo llamado reparación por escisión de nucleótidos,  que elimina los daños de ADN voluminosos, entre otros los producidos por la radiación ultravioleta. En este caso:

  • Se eliminan unos 24-32 nucleótidos (la mitad de los escalones junto con su barandilla)
  • Se incorporan los nucleótidos que faltan tomando como molde la cadena complementaria, es decir, se rellena el hueco teniendo como referencia la mitad de la escalera que queda al aire.

Las personas con defectos en las proteínas que intervienen en dicho mecanismo, sufren la enfermedad denominada xerodermia pigmentosa, en las que la incidencia del cáncer de piel es 5000 veces superior a la del resto de la población, debido a la imposibilidad de reparar el daño producido por la radiación ultravioleta.

Por otro lado, el mecanismoreparación por escisión de nucleótidos, está regulado por el ritmo circadiano, en el que intervienen proteínas de la misma familia de las fotoliasas con las que Sancar comenzó sus investigaciones. ¡Al final todo está relacionado! Como uno de los fármacos que más se utilizan en el tratamiento del cáncer, el cisplatino, también produce daños en el ADN que se reparan mediante este mecanismo, en la actualidad, Sancar está investigando en qué momento del día sería más efectiva la administración de cisplatino, por estar menos activo el mecanismo de reparación de ADN por escisión de nucleótidos.

Izquierda: Esquema del mecanismo de reparación por escisión de nucleótidos en la bacteria Escherichia coli (E. coli) y en humanos.

Derecha: Modelo de la relación de este mecanismo de reparación del ADN con el ritmo circadiano.

Fuente de las imágenes: Sancar, A. et al. Biochemistry. Enero 2015, Vol. 54, Nº 2, páginas 110-123.

US 6569994 Patente de EEUU sobre una proteína humana de la familia de fotoliasa, la CRY2 en las que intervino Aziz Sancar como inventor. Esta proteína interviene en el ritmo circadiano en humanos, que a su vez regula el mecanismo de reparación del ADN por escisión de nucleótido

Paul Modrich, ha investigado una tercera vía de reparación que se produce principalmente cuando la propia célula hace una copia errónea de su ADN. La célula, al dividirse, ha de transmitir su información a las células hijas, lo que implica haber sintetizado con anterioridad moléculas de ADN idénticas a las suyas, sin equivocarse en el orden de las bases nitrogenadas. Esto no se realiza mediante un sistema de fotocopias o de escaneado de la información, sino más bien mediante una copia manual de todas las moléculas de ADN: es la denominada replicación. Aunque el sistema de replicación del ADN es muy fiable, se producen errores, ya que las moléculas son muy largas. Por ejemplo, el cromosoma 1 humano, que es el más largo, tiene unos 220 millones de pares de bases. ¡Para no equivocarse!

El mecanismo de reparación de mal apareamiento o reparación por mismatch, es el responsable de reparar los errores en la replicación, entre otros. Aquí, los nucleótidos (los peldaños de nuestra escalera) no están dañados, pero al confundirnos de base, los dos tablones que han de conformar el escalón no encajan bien, lo cual es detectado por este mecanismo. Lo que se produce es:

  • Un corte de la barandilla a una cierta distancia del escalón que no encaja bien.
  • Eliminación de bastantes nucleótidos en la cadena en la que se ha producido el error (es decir, se elimina la barandilla y los tablones de un fragmento de la escalera).
  • Síntesis del fragmento de cadena eliminada con los nucleótidos adecuados.

Esquema del mecanismo de reparación por mal apareamiento obtenido de Modrich, P. The Journal of Biological Chemistry. 2006, Vol. 284, Nº 41, páginas 30305-30309.

Cabe destacar, que los defectos en este mecanismo están asociados al cáncer de colon hereditario no polipósico, y que también juegan un papel en el desarrollo del 15 al 25% de los tumores espontáneos. Además, se ha visto que las células que no tienen el mecanismo descubierto por Modrich son resistentes a ciertos fármacos utilizados en el tratamiento frente al cáncer.

Solicitud de patente internacional WO 97/21837 en la que figura Modrich como inventor. En ella se describe la aplicación del mecanismo de reparación del mal apareamiento, en la detección de mutaciones en las copias de moléculas de ADN producidas en laboratorio.

El ADN, es la molécula donde se almacena la información de la célula. En consecuencia, su conservación es de vital importancia para los seres vivos, por lo que han desarrollado una serie de mecanismos para la detección y reparación de los daños producidos en el ADN. Este año, se ha concedido el Premio Nobel de Químicas a tres científicos que han aportado luz sobre tres mecanismos diferentes de reparación del ADN:

  • El mecanismo de reparación por escisión de base, que repara daños pequeños del ADN, como los producidos por las reacciones químicas de la propia célula.
  • El mecanismo de reparación por escisión de nucleótidos, encargado de reparar daños más mayores que en el caso anterior, como los ocasionados por la luz ultravioleta.
  • El mecanismo de reparación por mal apareamiento, cuya función es eliminar los daños producidos, entre otros, por errores en la copia del ADN.

El estudio de los mismos tiene importantes implicaciones en el conocimiento del origen de determinados tipos de cáncer y en una mejora de su tratamiento. Por un lado, el fallo de estos sistemas de reparación está asociado a la aparición de ciertos tumores. Por otro, muchos medicamentos anticancerígenos atacan las células tumorales produciendo daños en el ADN, lo que hace que se activen los mecanismos de reparación descritos para intentar reparar el ADN y por lo tanto, disminuyen la efectividad de los tratamientos.

En consecuencia, los avances en este campo, puede que abran una vía al desarrollo de futuras pautas cruciales en la lucha contra el cáncer, ya sea mediante el diseño de fármacos más efectivos o mediante la optimización de sus regímenes de administración.

Imagen de los tres premios Nobel. (La Vanguardia 07.10.2015)

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Un comentario

  1. Muchas gracias por esta interesante, clara y didáctica entrada que relaciona el mundo de la ciencia y el de la propiedad industrial. Felicidades por el blog

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