miniatura|dereita|Danos no ADN que orixinaron múltiples roturas nos cromosomas (indicadas con frechas). A reparación do ADN (ou reparación do DNA) é o conxunto de procesos polos cales unha célula detecta e corrixe os danos que se produciron nas moléculas de ADN nas que está codificado o seu xenoma. Nas células humanas, tanto as actividades metabólicas normais coma a influencia de factores ambientais como a luz ultravioleta (UV) e outras radiacións poden causar danos no ADN, que teñen como resultado a produción de lesións, que se estima que pode chegar ata aproximadamente un millón de pequenas lesións moleculares por célula e día.Lodish H, Berk A, Matsudaira P, Kaiser CA, Krieger M, Scott MP, Zipursky SL, Darnell J. (2004). Molecular Biology of the Cell, p963. WH Freeman: New York, NY. 5th ed. Moitas destas lesións causan danos estruturais á molécula de ADN e poden alterar ou eliminar a capacidade da célula de realizar a transcrición dun xene que foi afectado pola lesión. Outras lesións inducen mutacións potencialmente nocivas no xenoma celular, que poden afectar a supervivencia das súas células fillas despois da mitose ou orixinar doenzas. Como consecuencia, o proceso de reparación do ADN está activo constantemente para responder a estes danos na estrutura do ADN.
A célula ten diversos mecanismos para reparar os danos no ADN, que poden necesitar un molde para guiarse na reparación e resintetizar as partes danadas ou non necesitalo, e poden realizar a reparación con gran precisión ou de forma máis imprecisa (o ADN non queda igual ao orixinal), e mesmo poden perderse segmentos de ADN. Estes mecanismos son: (1) reversión directa, que utiliza encimas que non precisan dun molde; (2) reparación por escisión, que utiliza a outra febra do ADN como molde para reparar roturas de febra simple, e pode realizarse por reparación por escisión de bases, por escisión de nucleótidos ou por reparación de discordancias; (3) reparación de roturas de dobre febra, que pode realizarse por unión de extremos non homólogos, unión de extremos mediada por microhomoloxía ou por recombinación homóloga, e (4) síntese translesión, que funciona durante a replicación do ADN utilizando unhas ADN polimerases especiais.
A acumulación de danos, especificamente de roturas de dobre febra ou adutos do ADN que fan que quede atascada a forcada de replicación, están entre os sinais estimuladores que se sabe desencadean unha resposta global aos danos no ADN, dirixida á preservación das propias células, que activa moitas vías de reparación macromolecular, sorteo dos puntos lesionados, tolerancia, ou apoptose, cuxas características comúns son a indución de moitos xenes, detención do ciclo celular e inhibición da mitose.
Cando os procesos normais de reparación fallan, e cando non ocorre a apoptose celular (morte das células danadas), pode ocorrer un dano no ADN irreparable, como por exemplo roturas de dobre febra e enlaces cruzados no ADN, é dicir, enlaces cruzados entre as dúas febras (ou ICLs, polas súas siglas en inglés de Interstrand CrossLinks). Isto pode finalmente orixinar tumores malignos ou cancros segundo a hipótese de Knudson.
A taxa de reparación do ADN depende de moitos factores, como o tipo celular, a idade da célula e o ambiente extracelular. Unha célula que acumulara unha gran cantidade de danos no ADN, ou que xa non poida reparar de forma eficaz ditos danos, pode entrar en tres posibles estadios, que son: Un estadio irreversible de dormencia, chamado senescencia. O suicidio celular, tamén chamado apoptose ou morte celular programada. Divisións celulares non reguladas, que poden levar a formación dun tumor que sexa canceroso.
A capacidade de reparación do ADN dunha célula é vital para conservar a integridade do seu xenoma e, por tanto, para o normal funcionamento de todo o organismo. Moitos xenes que se viu inicialmente que influían na duración da vida, comprobouse despois que estaban implicados na reparación e protección do ADN. Os danos no ADN propóñense como unha das causas principais do envellecemento. Diversos trastornos xenéticos hereditarios, como as proxerias, débense a alteracións dos xenes que interveñen na reparación do ADN.
Os estudos epixenéticos mostraron que as alteracións epixenéticas nos xenes de reparación do ADN teñen unha influencia esencial na carcinoxénese.
Os mecanismos de reparación do ADN tiveron que xurdir cando na Terra se orixinou unha atmosfera rica en oxíxeno no Precámbrico, que causaba danos oxidativos ao ADN. Os procesos básicos desta reparación están moi conservados en todos os dominios da vida: bacterias, arqueas, eucariotas, e mesmo tamén en virus bacteriófagos.
miniatura|Paul Modrich Outorgouse o Premio Nobel de Química de 2015 a Tomas Lindahl, Paul Modrich e Aziz Sancar polos seus traballos sobre os mecanismos moleculares dos procesos de reparación do ADN.
Danos no ADN Os danos no ADN, tanto os debidos a factores ambientais coma a procesos metabólicos celulares, ocorren, segundo as estimacións, cunha frecuencia de entre 10 000 e 1 000 000 de lesións moleculares por célula e día. Aínda que estes danos afectan só o 0,000165% dos 3 000 millóns de pares de bases do xenoma humano, as lesións non reparadas en xenes críticos (como os xenes supresores de tumores) poden impedir que a célula leve a cabo a súa función e incrementan apreciablemente a probabilidade de que se orixine un tumor e contribúe á heteroxeneidade dos tumores.
A maioría dos danos no ADN afectan a estrutura primaria da dobre hélice; é dicir, as propias bases son modificadas quimicamente. Estas modificacións poden á súa vez alterar a estrutura helicoidal das moléculas ao introducir enlaces químicos non nativos ou adutos voluminosos que non encaixan ben na estrutura da dobre hélice estándar. O ADN está superenrolado e asociado a proteínas de "empaquetamento" chamadas histonas (en eucariotas), e ambas as estruturas son vulnerables aos efectos dos danos no ADN, e deben ser reparadas. A propia modificación de histonas forma parte dos mecanismos de recoñecemento dos danos e reparación do ADN.
Fontes dos danos Os danos no ADN poden ser subdivididos en dous tipos principais:
Danos endóxenos orixinados por causas internas como: Mutacións espontáneas como as causadas polo ataque de especies reactivas do oxíxeno producidas a partir de subprodutos metabólicos normais, especialmente no proceso de desaminación oxidativa. Tamén inclúe os erros de replicación. Danos exóxenos causados por axentes externos como: Radiación ultravioleta [UV 200-400 nm] do sol. Radiacións doutras frecuencias, como raios X e gamma. Hidrólise ou alteración térmica. Certas toxinas de plantas. Compostos químicos mutaxénicos artificiais, especialmente os aromáticos, que actúan como axentes intercalantes do ADN. Virus.
A replicación do ADN danado antes da división celular pode causar a incorporación de bases incorrectas na cadea complementaria do ADN en fronte das bases danadas. As células fillas que herdan estas bases incorrectas levan mutacións, polo que a secuencia de ADN orixinal é irrecuperable, agás no raro caso de que se produza unha mutación retrógrada (é dicir, unha mutación puntual que restaura a secuencia orixinal e, por tanto, o fenotipo orixinal ), por exemplo por conversión xénica.
Tipos de danos Hai varios tipos de danos no ADN debidos a procesos celulares endóxenos: Oxidación de bases (por exemplo, xeración de 8-oxo-7,8-dihidroguanina) e xeración de interrupcións da febra de ADN causadas por especies reactivas do oxíxeno. Alquilación de bases (usualmente metilación), como a formación de 7-metilguanina, 1-metiladenina, 6-O-metilguanina.Baylln, S. B.; Herman, J. G.; Graff, J. R.; Vertino, P. M.; Issa, J. P. (1997). "Alterations in DNA Methylation: A Fundamental Aspect of Neoplasia". Advances in Cancer Research Volume 72. Advances in Cancer Research 72. p. 141. doi 10.1016/S0065-230X(08)60702-2. ISBN 978-0-12-006672-8. Hidrólise de bases, como a desaminación, despurinación e despirimidinación. Formación de adutos voluminosos (como os adutos benzo[a]pireno diol epóxido-dG ou aristolactam I-dA). Discordancia na complementariedade de bases, debido a erros na replicación do ADN, na cal se coloca nunha febra de ADN de nova formación unha base errada, ou se omite unha base ou é inserida indebidamente unha base extra. Danos de monoadutos causados por cambios nunha soa base nitroxenada do ADN.Kendric Smith. Photochemical and Photobiological Reviews. Google books. Páxinas 274-275. Danos de diadutos.
Os danos causados por axentes exóxenos prodúcense de moitas formas. Algúns exemplos son: A luz UV-B causa a formación de enlaces cruzados entre bases timina e citosina adxacentes creando dímeros de pirimidina. Isto denomínase danos directos ao ADN.M. J. Peak, J. G. Peak. Effects of Solar Ultraviolet Photons on Mammalian Cell DNA A luz UV-A crea principalmente radicais libres. Os danos causados polos radicais libres denomínase danos indirectos ao ADN. As radiacións ionizantes como as xeradas pola radioactividade ou os raios cósmicos causan roturas nas febras do ADN. A radiación ionizante de nivel intermedio pode inducir danos irreparables no ADN (que causan erros na replicación e transcrición que son un paso necesario para a formación de neoplasias ou poden desencadear interaccións virais) que orixinan un envellecemento prematuro e cancros. A alteración térmica a temperaturas elevadas incrementa o grao de despurinación (perda de bases púricas no ADN) e roturas dunha febra. Por exemplo, a despurinación hidrolítica dáse nas bacterias termófilas, que crecen en fontes termais a 40-80 °C. A taxa de despurinación (300 residuos de purina por xenoma e por xeración) é demasiado alta nestas especies como para ser reparada pola maquinaria normal de reparación, polo que non se pode descartar a posibilidade de que sexa unha resposta adaptativa. Compostos químicos industriais como o cloruro de vinilo e o peróxido de hidróxeno, e compostos químicos ambientais como hidrocarburos aromáticos policíclicos que se encontran no fume, feluxe e alcatrán crean unha gran diversidade de adutos do ADN, como etenobases, bases oxidadas, fosfotriésteres alquilados e enlaces cruzados no ADN, entre outros.
Outra maneira de clasificar os danos é en inducidos e espontáneos. Os danos por luz UV, alquilación/metilación, por raios X e danos oxidativos son exemplos de danos inducidos. Os danos espontáneos inclúen a perda dunha base, desaminación, deformacións nos aneis de azucres e cambios tautoméricos.
Danos no ADN nuclear e mitocondrial Nas células humanas, e, en xeral, nas células eucariotas, o ADN encóntrase en dúas localizacións celulares: dentro do núcleo e dentro das mitocondrias. O ADN nuclear (ADNn) está en forma de cromatina durante os estados non replicativos do ciclo celular e condénsase en estruturas agregadas chamadas cromosomas durante a división celular. En ambos os estados o ADN está moi compactado e enrolado arredor de grupos de proteínas histonas. Cando unha célula necesita expresar a información xenética codificada no seu ADNn a rexión cromatínica implicada é desenredada, e os xenes localizados alí son expresados, e despois a rexión volve condensarse á súa conformación anterior. O ADN mitocondrial (ADNmt) está localizado dentro das mitocondrias, é circular e bicatenario, del hai moitas copias, e tamén está estreitamente asociado con varias proteínas coas que forma un complexo chamado nucleoide. Dentro da mitocondria as especies reactivas do oxíxeno (ROS), ou radicais libres, que son subprodutos da constante formación de ATP por fosforilación oxidativa, crean unha contorna moi oxidante que se sabe produce danos no ADNmt. Un encima fundamental para contrarrestar a toxicidade destas especies é a superóxido dismutase, a cal está presente tanto en mitocondrias coma no citoplasma das células eucariotas.
Senescencia e apoptose