Los mecanismos de reparación del ADN corrigen el daño al material genético causado por agentes ambientales, errores de replicación y procesos metabólicos normales. Sin estos sistemas, la tasa de mutación sería miles de veces mayor, y la inestabilidad genómica llevaría al cáncer y otras enfermedades.

Tipos de Daño al ADN

El daño al ADN surge de múltiples fuentes. El daño endógeno incluye la despurinación, donde el enlace glicosídico entre la base y la desoxirribosa se hidroliza, ocurriendo miles de veces por célula por día. La desaminación convierte la citosina en uracilo, y el daño oxidativo de las especies reactivas de oxígeno produce 8-oxoguanina y otras bases modificadas. El daño exógeno incluye la luz ultravioleta que causa dímeros de ciclobutano pirimidina, la radiación ionizante que causa roturas de cadena simple y doble, y agentes químicos como agentes alquilantes e hidrocarburos aromáticos policíclicos.

Reparación por Escisión de Bases

La reparación por escisión de bases corrige lesiones pequeñas que no distorsionan la hélice, como bases oxidadas o alquiladas. Las ADN glicosilasas reconocen y eliminan la base dañada cortando el enlace glicosídico, creando un sitio abásico. La AP endonucleasa luego corta el esqueleto en el sitio apurínico o apirimidínico. La ADN polimerasa beta llena el hueco de un solo nucleótido, y la ADN ligasa sella la mella. El proceso es iniciado por glicosilasas específicas del daño, proporcionando especificidad para diferentes tipos de daño a las bases. OGG1 reconoce 8-oxoguanina, y UNG reconoce uracilo en el ADN.

Reparación por Escisión de Nucleótidos

La reparación por escisión de nucleótidos elimina lesiones voluminosas que distorsionan la hélice, como dímeros de pirimidina y aductos químicos. En humanos, la proteína XPC detecta la distorsión, y TFIIH desenrolla el ADN alrededor de la lesión. XPG y XPF-ERCC1 realizan incisiones en los lados 3-prima y 5-prima de la lesión, eliminando un oligonucleótido de 24 a 32 nucleótidos. La ADN polimerasa delta o épsilon llena el hueco, y la ADN ligasa sella la mella. Los defectos en las proteínas NER causan xeroderma pigmentoso, un trastorno genético caracterizado por sensibilidad extrema a la luz solar y un riesgo mil veces mayor de cáncer de piel.

Reparación de Errores de Emparejamiento

La reparación de errores de emparejamiento corrige errores de la replicación del ADN que escapan a la corrección de pruebas, incluyendo bases mal incorporadas y bucles de inserción-deleción por deslizamiento de la polimerasa. En E. coli, MutS reconoce el error de emparejamiento, MutL recluta la maquinaria de reparación, y MutH corta la cadena recién sintetizada en sitios GATC hemi-metilados. El sistema eucariota es más complejo, con múltiples homólogos de MutS y MutL. MSH2-MSH6 reconoce errores de emparejamiento de bases y bucles pequeños, mientras que MSH2-MSH3 reconoce bucles más grandes. Los defectos en la reparación de errores de emparejamiento causan inestabilidad de microsatélites y son responsables del síndrome de Lynch, también conocido como cáncer colorrectal hereditario no polipósico.

Reparación de Roturas de Doble Cadena

Las roturas de doble cadena son el tipo más peligroso de daño al ADN, capaces de causar reordenamientos cromosómicos y muerte celular. Dos rutas principales reparan las DSB. La unión de extremos no homólogos liga directamente los extremos rotos sin requerir homología de secuencia. Estas rutas de reparación son explotadas por CRISPR-Cas9 para la edición del genoma. El heterodímero Ku70-Ku80 se une a los extremos rotos y recluta DNA-PKcs, que acerca los extremos. Artemis procesa los extremos dañados, y la ADN ligasa IV sella la rotura. NHEJ es propensa a errores y puede introducir pequeñas deleciones o inserciones. Opera durante todo el ciclo celular y es la ruta dominante de reparación de DSB en células de mamífero.

La recombinación homóloga utiliza la cromátida hermana como molde para una reparación precisa. El complejo MRN detecta las DSB e inicia la resección de los extremos 5-prima, generando colas monocatenarias 3-prima. RPA recubre el ADN monocatenario, y BRCA2 carga RAD51 en la cola, formando un filamento nucleoproteico que invade el ADN dúplex homólogo. La síntesis de ADN extiende la cadena invasora, y el ADN reparado se resuelve mediante el corte de uniones de Holliday. La HR se restringe a las fases S y G2 cuando las cromátidas hermanas están disponibles. Los defectos en genes de HR, incluyendo BRCA1 y BRCA2, predisponen al cáncer de mama y ovario.

Puntos de Control del Daño al ADN

Los puntos de control del ciclo celular coordinan la reparación del ADN con la progresión del ciclo celular. Las quinasas ATM y ATR son reguladores maestros de la respuesta al daño del ADN. ATM se activa principalmente por roturas de doble cadena, mientras que ATR responde al estrés replicativo y al ADN monocatenario. Estas quinasas fosforilan CHK1 y CHK2, que a su vez fosforilan las fosfatasas CDC25 y p53, llevando a la detención del ciclo celular. La activación de p53 induce la expresión de p21, que inhibe las quinasas dependientes de ciclinas y detiene el ciclo celular, permitiendo tiempo para la reparación o desencadenando apoptosis si el daño es extenso.