Cómo funciona el “equipo de reparación” del ADN: el rol clave de las enzimas

Cuando una herida no cicatriza correctamente, deja una cicatriz. De manera similar, las mutaciones —cambios permanentes en el código genético— suelen ser el resultado de un ADN dañado que no se ha reparado adecuadamente. Las mutaciones pueden impedir la función de los genes y provocar enfermedades y envejecimiento, pero también son la fuente de la diversidad genética, que permite la aparición de nuevos rasgos y facilita el proceso evolutivo. Los científicos aún no comprenden del todo por qué algunos segmentos de ADN dañados se reparan con éxito mientras que otros no.

En un nuevo estudio publicado en Nature Communications, investigadores del Instituto Weizmann de Ciencias lograron identificar qué secuencias y estructuras de ADN son los objetivos preferidos de varias de las enzimas de reparación de ADN más importantes. Los hallazgos del laboratorio del doctor Ariel Afek sugieren que estas preferencias moldearon el genoma humano e incluso podrían ayudar a explicar cómo las células se vuelven cancerosas.

Cada día, miles de reacciones químicas tienen lugar en cada célula viva, dañando el genoma. “Cuando los sistemas de reparación del ADN funcionan correctamente, reparan la mayor parte del daño, pero no todo”, explica Afek. “Por lo tanto, la velocidad a la que se acumulan las mutaciones es un equilibrio entre la velocidad del daño y la velocidad de la reparación. Este equilibrio varía en las diferentes áreas del genoma, y ​​aún no comprendemos por qué ciertas mutaciones se acumulan en regiones específicas. La mayoría de los estudios realizados hasta la fecha se han centrado en los cambios que dejan una “cicatriz”: una mutación. Pero para comprender plenamente estos cambios, también debemos considerar las “heridas” genéticas en sí mismas, incluidas aquellas que se reparan sin dejar rastro".

En este nuevo estudio, el equipo de Afek buscó caracterizar en qué partes del genoma las enzimas reparadoras tienen éxito y en cuáles son menos efectivas. Para ello, desarrollaron un chip con miles de moléculas cortas de ADN unidas a él, todas con el mismo daño genético pero con secuencias circundantes diferentes.

“Descubrimos que, al igual que un buen editor que examina cada palabra en su contexto, las tres enzimas reparadoras que analizamos son sensibles a la combinación exacta de bases genéticas que rodean el sitio del error”, explica Noga Levy, estudiante de doctorado del laboratorio de Afek y líder del estudio. “Incluso las bases ubicadas cinco posiciones antes o después en la secuencia de reparación influyen en la probabilidad de que las enzimas reconozcan el sitio dañado y se unan a él. Al analizar las secuencias preferidas, encontramos que comparten características estructurales comunes. Una de las enzimas, por ejemplo, prefiere secuencias que crean una región excepcionalmente estrecha en la estructura helicoidal”.

Se adhieren segmentos cortos de ADN, cada uno con el mismo daño pero rodeado de secuencias diferentes, al chip genético desarrollado por los científicos. Durante el experimento, se aplican enzimas reparadoras marcadas con fluorescencia al chip, y la intensidad de su brillo revela la fuerza con la que se unen a cada segmento. Esto permite a los científicos decodificar sistemáticamente las preferencias de secuencia de los mecanismos de reparación.

Para comprender por qué esa enzima prefiere una estructura específica, los científicos del Instituto Weizmann unieron fuerzas con un equipo de investigación dirigido por el profesor Brian P. Weiser de la Universidad Rowan en Nueva Jersey para realizar una simulación por computadora. Descubrieron que uno de los aminoácidos de la enzima explora el área que rodea el sitio dañado y se siente atraído por la carga eléctrica negativa que caracteriza las regiones estrechas de la estructura en escalera.

A continuación, analizaron si las preferencias de las enzimas reparadoras afectaban la acumulación de mutaciones en el genoma a lo largo de la evolución. Una molécula de ADN se asemeja a una escalera de caracol, donde cada escalón está formado por un par de bases.

En condiciones normales, existe un emparejamiento de bases: la base A siempre se empareja con T, y la C con G. Una de las formas más comunes de daño genómico ocurre cuando una base C es reemplazada por otra, interrumpiendo este emparejamiento. Varias de las enzimas reparadoras de ADN más importantes se encargan de identificar y eliminar la base incorrecta. Los científicos plantearon la hipótesis de que las regiones donde las enzimas reparadoras operan de manera eficiente conservarían más bases C, mientras que los cambios no reparados se acumularían en otras regiones. Y, efectivamente, encontraron una correlación de este tipo para una de las enzimas reparadoras.

“Este hallazgo abre el camino a una mejor comprensión del curso de la evolución humana”, explica Afek. “Para identificar qué cambios genómicos adoptaron los humanos para sobrevivir en un entorno cambiante, primero debemos comprender qué cambios se acumulan de forma natural debido a las preferencias de los mecanismos de reparación”.

Las mutaciones no solo impulsan cambios evolutivos trascendentales a lo largo de miles de millones de años, sino también cambios que ocurren en el cuerpo de una sola persona con el paso del tiempo. Los tumores cancerosos, por ejemplo, se originan a partir de una sola célula cuyas mutaciones acumuladas provocan su multiplicación incontrolada. “Encontramos una correlación entre las preferencias de las enzimas reparadoras y las firmas mutacionales —patrones de mutaciones— en tumores humanos”, añade Levy.

“Una posibilidad es que un proceso en el cuerpo de los pacientes con cáncer haya dañado las enzimas reparadoras, permitiendo que las mutaciones se acumulen en áreas que antes estaban protegidas. Otra posibilidad es que, a lo largo de la evolución, las enzimas reparadoras se hayan adaptado para actuar sobre regiones inherentemente más vulnerables. En cualquier caso, esto refuerza nuestra comprensión de que los mecanismos de reparación desempeñan un papel fundamental en el desarrollo del cáncer”.

Este estudio ofrece una nueva y fascinante forma de explorar el sistema de reparación del ADN celular, y otro proyecto en el laboratorio de Afek, dirigido por la estudiante de posgrado Noga Carmon, ya ha ampliado el alcance a otros mecanismos de reparación. “Comprender cómo los mecanismos de reparación ‘eligen’ sus objetivos abre un sinfín de posibilidades para aprovecharlos en beneficio propio”, afirma Afek. “Ya utilizamos estas enzimas como herramientas en la edición genética. Una comprensión más profunda nos permitirá perfeccionar estas tecnologías e incluso diseñar enzimas que proporcionen una mejor protección genética. Dado que los fallos en los mecanismos de reparación son un factor determinante del cáncer, espero que su comprensión allane el camino hacia nuevas terapias más específicas”.

También participaron en el estudio la Dra. Vered Levin Salomon, la Dra. Naama Kessler y Omer Erez del Departamento de Biología Química y Estructural de Weizmann; y Sharon N. Greenwood y el Dr. Matthew Wang de la Universidad Rowan en Stratford, Nueva Jersey.

La investigación del Dr. Ariel Afek cuenta con el apoyo del Instituto de la Sociedad Suiza para la Investigación de la Prevención del Cáncer; el Instituto Helen y Martin Kimmel para la Investigación de la Resonancia Magnética; el Centro de Terapia de ARN Abisch-Frenkel; el Fondo Jean-Jacques Brunschwig para la Genética Molecular del Cáncer; la Beca Anual Shimon y Golde Picker-Weizmann; y el Fondo Joel y Mady Dukler para la Investigación del Cáncer.

*Este contenido fue producido por expertos del Instituto Weizmann de Ciencias, uno de los centros más importantes del mundo de investigación básica multidisciplinaria en el campo de las ciencias naturales y exactas, situado en la ciudad de Rejovot, Israel.