Reparo de excisão de base - Base excision repair
O reparo por excisão de bases ( BER ) é um mecanismo celular, estudado nas áreas de bioquímica e genética , que repara DNA danificado ao longo do ciclo celular. É responsável principalmente por remover do genoma pequenas lesões de base que não distorcem a hélice. A via de reparo por excisão de nucleotídeos relacionada repara lesões de distorção da hélice volumosas. BER é importante para remover bases danificadas que poderiam causar mutações por pareamento incorreto ou levar a quebras no DNA durante a replicação. A BER é iniciada por glicosilases de DNA , que reconhecem e removem bases específicas danificadas ou inadequadas, formando sítios AP . Estes são então clivados por uma endonuclease AP . A quebra de fita simples resultante pode então ser processada por um patch curto (onde um único nucleotídeo é substituído) ou BER de patch longo (onde 2–10 novos nucleotídeos são sintetizados).
Lesões processadas por BER
Bases simples no DNA podem ser quimicamente danificadas por uma variedade de mecanismos, sendo os mais comuns desaminação, oxidação e alquilação. Essas modificações podem afetar a capacidade da base de se ligar ao hidrogênio, resultando em emparelhamento incorreto de bases e, como consequência, em mutações no DNA. Por exemplo, a incorporação de adenina através de 8-oxoguanina (direita) durante a replicação do DNA faz com que um par de bases G: C seja mutado para T: A. Outros exemplos de lesões de base reparadas por BER incluem:
- Bases oxidadas : 8-oxoguanina , 2,6-diamino-4-hidroxi-5-formamidopirimidina (FapyG, FapyA)
- Bases alquiladas : 3-metiladenina , 7-metilguanosina
- Bases desaminadas : hipoxantina formada a partir da desaminação da adenina . A xantina é formada a partir da desaminação da guanina. (Os produtos de timidina após a desaminação de 5-metilcitosina são mais difíceis de reconhecer, mas podem ser reparados por glicosilases específicas de incompatibilidade)
- Uracil inadequadamente incorporado no DNA ou formado por desaminação de citosina
Além das lesões de base, as etapas a jusante de BER também são utilizadas para reparar quebras de fita simples.
A escolha entre reparo de patch longo e patch curto
A escolha entre o reparo de remendo curto e longo está atualmente sob investigação. Acredita-se que vários fatores influenciem essa decisão, incluindo o tipo de lesão, o estágio do ciclo celular e se a célula está diferenciada terminalmente ou se dividindo ativamente. Algumas lesões, como sítios de AP oxidados ou reduzidos, são resistentes à atividade da pol β liase e, portanto, devem ser processadas por remendo longo de BER.
A preferência de caminho também pode diferir entre os organismos. Embora as células humanas utilizem tanto BER de adesivo curto e longo, a levedura Saccharomyces cerevisiae foi considerada por muito tempo sem uma via de adesivo curto porque não tem homólogos de várias proteínas de adesivo curto de mamíferos, incluindo pol β, DNA ligase III, XRCC1 e o domínio quinase de PNKP . A recente descoberta de que a poli-A polimerase Trf4 possui atividade 5 'dRP liase desafiou essa visão.
Proteínas envolvidas no reparo de excisão de base
Glicosilases de DNA
As glicosilases de DNA são responsáveis pelo reconhecimento inicial da lesão. Eles reviram a base danificada da dupla hélice, conforme ilustrado, e clivam a ligação N-glicosídica da base danificada, deixando um local AP . Existem duas categorias de glicosilases: monofuncionais e bifuncionais. As glicosilases monofuncionais têm apenas atividade de glicosilase, enquanto as glicosilases bifuncionais também possuem atividade de AP liase . Portanto, as glicosilases bifuncionais podem converter uma lesão de base em uma quebra de fita única sem a necessidade de uma endonuclease AP . A eliminação β de um sítio AP por uma glicosilase-liase produz um aldeído 3 'α, β-insaturado adjacente a um fosfato 5', que difere do produto de clivagem da endonuclease AP. Algumas glicosilase-liases podem ainda realizar a eliminação δ, que converte o aldeído 3 'em um fosfato 3'. Uma grande variedade de glicosilases evoluiu para reconhecer diferentes bases danificadas. Exemplos de glicosilases de DNA incluem Ogg1 , que reconhece 8-oxoguanina, Mag1 , que reconhece 3-metiladenina, e UNG , que remove uracila do DNA.
Endonucleases AP
As endonucleases AP clivam um local AP para produzir um hidroxila 3 'adjacente a um desoxirribosefosfato 5' (dRP). As endonucleases AP são divididas em duas famílias com base na sua homologia com a endonuclease IV e a exonuclease III das endonucleases AP bacterianas ancestrais . Muitos eucariotos têm membros de ambas as famílias, incluindo a levedura Saccharomyces cerevisiae , na qual Apn1 é o homólogo de EndoIV e Apn2 está relacionado com ExoIII. Em humanos, duas endonucleases AP, APE1 e APE2 , foram identificadas. É um membro da família ExoIII.
Fim de processamento de enzimas
Para que a ligação ocorra, uma quebra de fita de DNA deve ter uma hidroxila em sua extremidade 3 ' e um fosfato em sua extremidade 5' . Em humanos, a polinucleotídeo quinase-fosfatase ( PNKP ) promove a formação dessas extremidades durante o BER. Esta proteína tem um domínio quinase, que fosforila as extremidades 5 'hidroxila, e um domínio fosfatase, que remove os fosfatos das extremidades 3'. Juntas, essas atividades preparam quebras de fita única com terminais danificados para a ligadura. As endonucleases AP também participam no processamento da extremidade 3 '. Além de abrir os locais AP, eles possuem atividade de fosfodiesterase 3 'e podem remover uma variedade de lesões 3', incluindo fosfatos, fosfoglicolatos e aldeídos. O processamento 3 'deve ocorrer antes que a síntese de DNA possa ser iniciada porque as polimerases de DNA requerem um hidroxila 3' para se estender.
Polimerases de DNA
Pol β é a principal polimerase humana que catalisa o short-patch BER, com pol λ capaz de compensar em sua ausência. Essas polimerases são membros da família Pol X e normalmente inserem apenas um único nucleotídeo. Além da atividade da polimerase, essas enzimas têm um domínio liase que remove o 5 'dRP deixado pela clivagem da endonuclease AP. Durante o longo patch BER, acredita-se que a síntese de DNA seja mediada por pol δ e pol ε juntamente com o fator de processabilidade PCNA , as mesmas polimerases que realizam a replicação do DNA . Essas polimerases realizam síntese de deslocamento, o que significa que a extremidade 5 'do DNA a jusante é "deslocada" para formar uma aba (veja o diagrama acima). Pol β também pode realizar a síntese de deslocamento de patch longo e pode, portanto, participar de qualquer via de BER. A síntese de remendo longo normalmente insere de 2 a 10 novos nucleotídeos.
Endonuclease de retalho
FEN1 remove o flap 5 'gerado durante o patch longo BER. Esta endonuclease mostra uma forte preferência por um longo retalho 5 'adjacente a um retalho 1-nt 3'. O homólogo de levedura de FEN1 é RAD27 . Além de seu papel na BER de patch longo, FEN1 cliva retalhos com uma estrutura semelhante durante o processamento do fragmento de Okazaki , uma etapa importante na replicação do DNA da fita retardada .
DNA ligase
A DNA ligase III, juntamente com seu cofator XRCC1, catalisa a etapa de nick-sealing em short-patch BER em humanos. A DNA ligase I liga a quebra no longo patch BER.
Links com câncer
Defeitos em uma variedade de vias de reparo de DNA levam à predisposição ao câncer, e a BER parece seguir esse padrão. Mutações de deleção em genes de BER mostraram resultar em uma maior taxa de mutação em uma variedade de organismos, o que implica que a perda de BER pode contribuir para o desenvolvimento de câncer. De fato, mutações somáticas em Pol β foram encontradas em 30% dos cânceres humanos, e algumas dessas mutações levam à transformação quando expressas em células de camundongo. Mutações na DNA glicosilase MYH também são conhecidas por aumentar a suscetibilidade ao câncer de cólon .
Deficiências epigenéticas em cânceres
Alterações epigenéticas (epimutações) em genes de reparo por excisão de base só recentemente começaram a ser avaliadas em alguns cânceres, em comparação com os numerosos estudos anteriores de epimutações em genes que atuam em outras vias de reparo de DNA (como MLH1 em reparo de incompatibilidade e MGMT em reversão direta ) Alguns exemplos de epimutações em genes de reparo por excisão de base que ocorrem em cânceres são resumidos abaixo.
MBD4
MBD4 (proteína 4 do domínio de ligação de metil-CpG) é uma glicosilase empregada em uma etapa inicial de reparo por excisão de base. A proteína MBD4 liga-se preferencialmente aos locais CpG totalmente metilados e às bases de DNA alteradas nesses locais. Essas bases alteradas surgem da frequente hidrólise de citosina em uracila (veja imagem) e hidrólise de 5-metilcitosina em timina, produzindo pares de bases G: U e G: T. Se os uracilos ou timinas impróprios nesses pares de bases não forem removidos antes da replicação do DNA, eles causarão mutações de transição . MBD4 catalisa especificamente a remoção de T e U emparelhados com guanina (G) nos locais CpG. Esta é uma função de reparo importante, pois cerca de 1/3 de todas as mutações intragênicas de par de bases simples em cânceres humanos ocorrem em dinucleotídeos CpG e são o resultado de transições G: C para A: T. Essas transições compreendem as mutações mais frequentes no câncer humano. Por exemplo, quase 50% das mutações somáticas do gene supressor de tumor p53 no câncer colorretal são transições G: C para A: T nos locais CpG. Assim, uma diminuição na expressão de MBD4 poderia causar um aumento nas mutações carcinogênicas .
A expressão de MBD4 é reduzida em quase todas as neoplasias colorretais devido à metilação da região promotora de MBD4. Além disso, o MBD4 é deficiente devido à mutação em cerca de 4% dos cânceres colorretais.
A maioria dos campos histologicamente normais que cercam crescimentos neoplásicos (adenomas e cânceres de cólon) no cólon também mostram expressão de mRNA de MBD4 reduzida (um defeito de campo ) em comparação com o tecido histologicamente normal de indivíduos que nunca tiveram uma neoplasia do cólon. Este achado sugere que o silenciamento epigenético de MBD4 é uma etapa inicial na carcinogênese colorretal .
Em uma população chinesa avaliada, o polimorfismo MBD4 Glu346Lys foi associado a uma redução de cerca de 50% no risco de câncer cervical, sugerindo que as alterações no MBD4 podem ser importantes no câncer.
NEIL1
NEIL1 reconhece (alvos) e remove certas bases oxidativamente danificadas e então incide o sítio abásico via eliminação β, δ, deixando 3 ′ e 5 ′ extremidades de fosfato. NEIL1 reconhece pirimidinas oxidadas , formamidopirimidinas, resíduos de timina oxidados no grupo metil e ambos os estereoisômeros de timina glicol . Os melhores substratos para o NEIL1 humano parecem ser as lesões de hidantoína , guanidino- hidantoína e espiroiminodi- hidantoína , que são outros produtos de oxidação do 8-oxoG . NEIL1 também é capaz de remover lesões de DNA de fita simples, bem como de estruturas em bolha e bifurcadas de DNA. Uma deficiência em NEIL1 causa aumento da mutagênese no local de um par 8-oxo-Gua: C, com a maioria das mutações sendo transversões de G: C para T: A.
Um estudo em 2004 descobriu que 46% dos cânceres gástricos primários tinham expressão reduzida de mRNA de NEIL1 , embora o mecanismo de redução não fosse conhecido. Este estudo também descobriu que 4% dos cânceres gástricos tinham mutações em NEIL1. Os autores sugeriram que a baixa atividade de NEIL1 decorrente de expressão reduzida e / ou mutação em NEIL1 estava frequentemente envolvida na carcinogênese gástrica.
Uma triagem de 145 genes de reparo de DNA para metilação do promotor aberrante foi realizada em tecidos de carcinoma de células escamosas de cabeça e pescoço (HNSCC) de 20 pacientes e de amostras de mucosa de cabeça e pescoço de 5 pacientes sem câncer. Esta tela mostrou que NEIL1, com hipermetilação substancialmente aumentada, tinha a frequência de metilação mais significativamente diferente. Além disso, a hipermetilação correspondeu a uma diminuição na expressão do mRNA de NEIL1. Trabalhos adicionais com 135 tumores e 38 tecidos normais também mostraram que 71% das amostras de tecido de HNSCC tinham metilação do promotor NEIL1 elevada.
Quando 8 genes de reparo de DNA foram avaliados em tumores de câncer de pulmão de células não pequenas (NSCLC), 42% estavam hipermetilados na região do promotor NEIL1. Esta foi a anormalidade de reparo de DNA mais frequente encontrada entre os 8 genes de reparo de DNA testados. NEIL1 também foi um dos seis genes de reparo de DNA hipermetilados em suas regiões promotoras no câncer colorretal .
Links com cognição
A metilação e desmetilação ativas do DNA são necessárias para o processo de cognição de formação e manutenção da memória . Em ratos, o condicionamento contextual do medo pode desencadear uma memória vitalícia para o evento com uma única tentativa, e as alterações de metilação parecem estar correlacionadas com o desencadeamento de memórias particularmente duradouras. Com o condicionamento contextual do medo , após 24 horas, o DNA isolado da região do hipocampo do cérebro de rato tinha 2.097 genes diferencialmente metilados, com uma proporção sendo desmetilada. Conforme revisado por Bayraktar e Kreutz, a desmetilação do DNA depende do reparo por excisão de base (veja a figura).
O exercício físico tem efeitos benéficos bem estabelecidos no aprendizado e na memória (veja Efeitos neurobiológicos do exercício físico ). O BDNF é um regulador particularmente importante da aprendizagem e da memória. Conforme revisado por Fernandes et al., Em ratos, o exercício potencializa a expressão hipocampal do gene Bdnf , que tem papel essencial na formação da memória. A expressão aumentada de Bdnf ocorre por meio da desmetilação de seu promotor de ilha CpG no exon IV e a desmetilação depende do reparo por excisão de base (ver figura).
Declínio em BER com a idade
A atividade da DNA glicosilase que remove as bases metiladas em leucócitos humanos diminui com a idade. A redução na excisão de bases metiladas do DNA sugere um declínio dependente da idade na 3-metiladenina DNA glicosilase , uma enzima BER responsável pela remoção de bases alquiladas.
Ratos jovens (4 a 5 meses de idade), mas não ratos velhos (24 a 28 meses), têm a capacidade de induzir DNA polimerase beta e endonuclease AP em resposta ao dano oxidativo.
Veja também
- Reparo de incompatibilidade de DNA
- Reparo de DNA
- Recombinação homóloga
- União de extremidade não homóloga
- Reparo de excisão de nucleotídeo
- Ensaio de reativação de células hospedeiras
Referências
links externos
- Base + excisão + reparo na Biblioteca Nacional de Medicina dos EUA. Cabeçalhos de assuntos médicos (MeSH)