Las células bacterianas reparan continuamente el ADN dañado
31 de marzo de 2022| Historia original de NYU Langone Health
Dos estudios proporcionan una imagen radicalmente nueva de cómo las células bacterianas reparan continuamente las secciones dañadas (lesiones) en su ADN.
Dirigido por investigadores de la Escuela de Medicina Grossman, de la Universidad de Nueva York, el trabajo gira en torno a la fragilidad de las moléculas de ADN, vulnerables al daño que pueden causar los subproductos reactivos del metabolismo celular, las toxinas y la luz ultravioleta. Dado que el ADN dañado puede resultar en cambios perjudiciales en el código del ADN (mutaciones) y la muerte, las células habrían evolucionado para adquirir una maquinaria de reparación del ADN. Sin embargo, una importante pregunta no resuelta en este campo es cómo esta maquinaria busca y encuentra rápidamente tramos de ADN dañado en medio de los “vastos campos” de ADN no dañado.
Estudios anteriores habían encontrado que un importante mecanismo de búsqueda, la reparación acoplada a la transcripción o TCR, se basa en la actividad la ARN polimerasa, que transcribe la información genética en moléculas de ARN, que luego dirigen la construcción de proteínas. Sin embargo, los autores del estudio actual afirman que el mecanismo TCR fue malinterpretado.
Los estudios más ampliamente aceptados, incluidos los estudios que condujeron al Premio Nobel en 2015, sostenían que el TCR desempeñaba un papel relativamente pequeño en la reparación porque se basaba en un supuesto factor TCR que sólo contribuía marginalmente en la reparación del ADN. Se asumió la existencia de un proceso paralelo, la reparación global del genoma (GGR), que escanea y fija la mayor parte del ADN independientemente de la transcripción. Se pensó que ambos procesos preparaban el escenario para la reparación por escisión de nucleótidos (NER), en la que un tramo dañado de ADN es clivado y reemplazado por una copia precisa.
Ahora, dos nuevos estudios publicados en línea el 30 de marzo en las revistas Nature y Nature Communications coinciden, basados en el primer análisis de las múltiples etapas de la reparación del ADN en células vivas de E. coli, que la mayoría, si no todos, los NER están acoplados a la ARN polimerasa, que escanea todo el código genético bacteriano en busca de daño.
“Basándonos en nuestros resultados, necesitamos repensar algunas de las teorías básicas en el campo de la reparación del ADN”, sostuvo el autor principal del estudio Evgeny Nudler, profesor del Departamento de Bioquímica y Farmacología Molecular, de la NYU. “Una verdadera comprensión de dicha reparación es un objetivo fundamental en la medicina, ya que la mayoría de los antibióticos y quimioterapias matan a las células que causan enfermedades al dañar su ADN, y la capacidad de detener las reparaciones haría que tales células sean mucho más vulnerables a los medicamentos existentes", agrega Nudler, también investigador del Instituto Médico Howard Hughes.
Canalización del descubrimiento
Los autores de este estudio sostienen que los anteriores no pudieron capturar completamente la realidad biológica de la NER en las bacterias, porque utilizaron experimentos que intentaron recrear in vitro las interacciones de proteínas complejas. Eso llevó, por ejemplo, a definir una proteína llamada Mfd como un jugador central en TCR, incluso cuando se descubrió que la mayor parte de la reparación del ADN procedía independientemente de si Mfd estaba o no presente. Esto, a su vez, sugirió que TCR era una vía de reparación menor. También se pensó que la TCR ocurría sólo dentro de las regiones de ADN que tienen altas tasas de transcripción. Se pensaba que las regiones genómicas raramente transcritas, o partes del genoma que se suponía que no son transcriptas", estaban sujetas a GGR.
El estudio recientemente publicado en Nature utilizó una tecnología innovadora llamada espectrometría de masas de reticulación (XL-MS) para mapear las distancias entre las proteínas vinculadas químicamente, y así determinar por primera vez las superficies que interactúan en los complejos masivos de NER y polimerasa a medida que se ensamblan en células vivas. Luego, el equipo alimentó los datos de espectrometría en simulaciones por computadora, que culminaron en modelos estructurales realistas.
Contrariamente al dogma convencional, el estudio encontró que la ARN polimerasa sirve como andamio para el ensamblaje de todo el complejo NER y como el sensor primario de las lesiones de ADN. Resultó que las principales enzimas NER UvrA y UvrB no localizan la mayoría de las lesiones por sí solas, sino que son entregadas por la ARN polimerasa. Este proceso fundamental de TCR es independiente de Mfd, dicen los autores.
El segundo estudio, publicado en Nature Communications, también en células vivas, utilizó una tecnología de secuenciación de alto rendimiento llamada CPD-seq para rastrear la aparición de lesiones de ADN tras la exposición a la luz UV y la tasa de reparación con una resolución de hasta una sola letra (nucleótido) en el código de ADN. CPD-seq mostró que interferir con la transcripción bacteriana utilizando el antibiótico rifampicina clausura la reparación del ADN en todo el genoma bacteriano. Los hallazgos del estudio argumentan que la NER está estrechamente acoplada a la transcripción en todas partes del cromosoma bacteriano, la infraestructura de ADN que alberga todos los genes.
En otro salto fascinante, los experimentos mostraron que las células bacterianas, frente al daño del ADN, inhiben la acción de la proteína Rho, la señal de terminación que le indica a la ARN polimerasa que deje de leer. Con las señales de parada marcadas, las ARN polimerasas leen una y otra vez, entregando las enzimas de reparación en las regiones dañadas del ADN en cualquier lugar donde se encuentre en todo el genoma.
“Dados nuestros hallazgos, teorizamos que los eucariotas, incluidas las células humanas, también usan ARN polimerasa para una reparación eficiente, ya que los complejos bacterianos de TCR descritos aquí tienen análogos humanos”, explicaBinod Bharati,coautor del estudio de Nature, un académico postdoctoral en el laboratorio de Nudler. “En el futuro, nuestro equipo planea confirmar la presencia de TCR global en las células humanas y, si se confirma, explorar si en el futuro la reparación podría impulsarse de manera segura para contrarrestar las enfermedades del envejecimiento”.
Referencias
1. Bharati BK, Gowder M, Zheng F, et al. Crucial role and mechanism of transcription-coupled DNA repair in bacteria. Nature. 2022. doi: 10.1038/s41586-022-04530-6.
2. Martinez B, Bharati BK, Epshtein V, Nudler E. Pervasive Transcription-coupled DNA repair in E. coli. Nat Comms. 2022;13(1):1702. doi: 10.1038/s41467-022-28871-y.
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