Identificada una nueva vía de regulación en la reparación de roturas de doble cadena en el ADN de células humanas

Guillermo Sastre-Moreno1 y Jose F. Ruiz2

1. Centro de Biología Molecular “Severo Ochoa, Universidad Autónoma de MadridCSIC, Madrid, España

2. Departamento de Bioquímica Vegetal y Biología Molecular, Universidad de Sevilla, España

 

Las roturas de doble cadena en el ADN son una de las lesiones más peligrosas para las células humanas. Imagen: National Institute of Mental Health (EEUU).

Las roturas de doble cadena en el ADN (DSBs, del inglés double strand breaks) representan una de las lesiones más peligrosas para las células humanas, ya que pueden provocar su muerte o generar reordenamientos cromosómicos que inicien o contribuyan al desarrollo tumoral. Cuando las roturas afectan al ADN nuclear, las células humanas activan una respuesta coordinada que incluye tanto la reparación de la lesión producida como el control del ciclo celular durante ese proceso de reparación (Ciccia, 2010).

La proteína ATM, que recibe su nombre de la enfermedad que provoca cuando sufre determinadas mutaciones (Ataxia-Telangiectasia Mutated), es la piedra angular de esta respuesta a las DSBs en el ADN. ATM es una proteína esencial para la célula que se encarga de regular la respuesta celular al daño, modificando mediante fosforilación a toda una batería de proteínas especializadas de las que, a día de hoy, se han identificado más de cincuenta (Shiloh, 2013).

Una de las proteínas que participa en el proceso de reparación de las DSBs es la ADN polimerasa Lambda (Polλ), una enzima que sintetiza ADN en situaciones muy específicas, lo cual es esencial en la reparación de algunas de las roturas, especialmente para prevenir o minimizar la pérdida de información genética (Pryor, 2015). Aunque el papel de Polλ en la reparación de las DSBs está bastante definido, se conoce muy poco acerca de los mecanismos que regulan y coordinan su función en esta vía de reparación tan esencial para el mantenimiento de la estabilidad de nuestro genoma.

roturas de doble cadena

Estructura molecular de la enzima ADN pol lambda, formando complejo con el ADN a reparar. Imagen: RCSB PDB 1RZT, visualizada con ngl viewer.

En un reciente estudio publicado en la revista DNA Repair, llevado a cabo por investigadores de la Universidad de Sevilla en colaboración con el Centro de Biología Molecular “Severo Ochoa” y la Universidad de Carolina del Norte, hemos abordado esta cuestión y hemos identificado una nueva vía de regulación en la respuesta a las DSBs en el ADN de las células humanas. Así, en este trabajo de investigación hemos descubierto que tras la formación de las roturas, la proteína ATM modifica mediante fosforilación a la ADN polimerasa Polλ, lo cual es necesario para que ésta pueda desarrollar su actividad y contribuir al proceso de reparación de la lesión.

El primer objetivo de este estudio fue demostrar la fosforilación de la ADN polimerasa Polλ por la proteína ATM in vitro, así como identificar el principal aminoácido que sufre dicha modificación química. Una vez identificado, diseñamos anticuerpos que reconocieran dicho aminoácido específicamente cuando se encuentra fosforilado. El uso de estos anticuerpos fosfo-específicos nos permitió demostrar que la modificación de Polλ se produce también en las células (in vivo) cuando eran tratadas con un agente inductor de DSBs en el ADN como la radiación ionizante. Además, mediante el uso de inhibidores específicos contra la proteína ATM, conseguimos demostrar también que la fosforilación de Polλ in vivo que ocurría tras irradiar las células era completamente dependiente de la actividad de ATM.

De acuerdo con el papel de Polλ en la reparación de las DSBs producidas en el ADN por la radiación ionizante, comprobamos que las células que no tenían niveles normales de expresión de Polλ reparaban las roturas de una manera mucho menos eficiente después de ser irradiadas. A continuación, para profundizar en el papel de la fosforilación de Polλ por la proteína ATM en la reparación de las DSBs, utilizamos un sistema celular diseñado específicamente para medir la actividad de esta polimerasa en el proceso de reparación. Usando este sistema comparamos la eficiencia de reparación de la Polλ en condiciones normales o cuando el aminoácido que habíamos identificado como diana de la fosforilación por ATM era cambiado (mutado) por un aminoácido que no podía ser modificado por fosforilación. Este análisis confirmó una reducción muy significativa de la capacidad de reparación de la ADN polimerasa Polλ mutada, indicando que la fosforilación de dicho aminoácido es necesaria para que la reparación de las DSBs mediada por la actividad de Polλ sea eficiente in vivo.

Finalmente también analizamos la interacción de la polimerasa Polλ con otras proteínas de la ruta de reparación de las DSBs en el ADN en las células humanas, pues una interacción coordinada y específica entre estas proteínas es necesaria para una eficiente reparación del daño. Nuestros resultados sugieren que la fosforilación de Polλ por la proteína ATM es necesaria para que Polλ adopte una conformación espacial adecuada para interaccionar con el ADN y con el resto de proteínas que participan en el proceso de reparación de las roturas, y poder desarrollar su función con la eficiencia requerida.

En resumen, en este trabajo se demuestra que la modificación hecha por ATM es la señal necesaria para que la ADN polimerasa Polλ vaya a las roturas en el ADN y contribuya a su reparación, lo cual es esencial para que la célula siga su ciclo vital con normalidad. Este trabajo de investigación básica arroja luz sobre el funcionamiento de un proceso biológico que ocurre cada día en las células humanas, las cuales están continuamente expuestas a diferentes agentes que originan este tipo de lesiones.

En un futuro, el descubrimiento podría tener potenciales aplicaciones biotecnológicas, o ser incluso utilizado como biomarcador para el seguimiento o identificación de enfermedades. Además, estos resultados podrían tener especial interés en relación con el mecanismo de acción del sistema CRISPR-Cas para la edición del genoma de células humanas, pues esta tecnología se basa en la generación dirigida de DSBs en el ADN que son luego reparadas principalmente por la vía en la que puede participar la ADN polimerasa Polλ.

Referencia:

Sastre-Moreno G, et al. Regulation of human Polλ by ATM-mediated phosphorylation during Non-Homologous End Joining. DNA Repair (Amst). 2017. 51:31-45. doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.dnarep.2017.01.004

Bibliografía:

Ciccia A, Elledge SJ. The DNA damage response: making it safe to play with knives. Mol Cell. 2010. 40(2):179-204. doi: 10.1016/j.molcel.2010.09.019

Shiloh Y, Ziv Y. The ATM protein kinase: regulating the cellular response to genotoxic stress, and more. Nat Rev Mol Cell Biol. 2013. 14(4):197-210. doi:10.1038/nrm3546

Pryor JM, et al. Essential role for polymerase specialization in cellular nonhomologous end joining. Proc Natl Acad Sci USA. 2015. 112(33):E4537-45. doi: 10.1073/pnas.1505805112

Fuente: Investigadores de la US y el CABIMER revelan una nueva vía de regulación en la reparación de roturas en el ADN. http://investigacion.us.es/noticias/2629 http://canalciencia.us.es/?p=3507

 

 

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