Reparación por escisión de nucleótidos y polimorfismo de un solo nucleótido | Una discusión importante

Reparación por escisión de nucleótidos y polimorfismo de un solo nucleótido | Una discusión importante

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Reparación por escisión de nucleótidos

El mecanismo de reparación por escisión es un método estándar para la reparación del fragmento de ADN dañado o mal emparejado. El proceso de reparación por escisión implica cortar, eliminar y volver a sintetizar la parte del ADN que no coincide o está dañada. Se han descrito tres mecanismos distintos de reparación por escisión por extracción: reparación de errores de emparejamiento, reparación por escisión de bases y reparación por escisión de nucleótidos. Todos los mecanismos mencionados anteriormente siguen un formato simple de etapas de corte, duplicado y ligado. En la etapa de corte, un complejo enzimático elimina el fragmento dañado de ADN o la base no coincidente.

En la etapa de replicación o duplicación, la ADN polimerasa (generalmente la ADN polimerasa I en el caso de E. coli) copiará el ADN molde para desplazar el fragmento de ADN dañado o mal emparejado. La ADN polimerasa puede iniciar la síntesis de ADN desde el extremo 3 'en caso de daño o desajuste en el fragmento de ADN. Por último, en la etapa de ligadura, la ADN ligasa ayuda a sellar el daño restante para completar el proceso de reparación y producir ADN intacto.

En el mecanismo de reparación por escisión de nucleótidos (NER), el nucleótido mal emparejado o dañado se elimina junto con los nucleótidos vecinos y se desplaza con los nucleótidos sintetizados utilizando una hebra de ADN no dañada como plantilla. El mecanismo NER elimina los dímeros de pirimidina formados después de la exposición a aductos químicos voluminosos o radiación UV. El componente básico del daño del ADN fijado por la escisión de nucleótidos es que los nucleótidos dañados o modificados causan una distorsión crítica en la estructura de doble hélice del ADN. NER ocurre en prácticamente todas las formas de vida.

Las enzimas que catalizan la NER en E. coli son la helicasa UvrD y la excinucleasa UvrABC. Los genes que codifican las enzimas NER se consideraron inicialmente mutantes que son profundamente sensibles al daño inducido por la exposición a la luz ultravioleta. Sin embargo, en E. coli de tipo salvaje, solo la exposición prolongada a las radiaciones UV mataba las células.

Se puede reconocer que las cepas mutantes son considerablemente más sensibles a la radiación UV; estos están dañados en sus capacidades de funcionamiento requeridas para la resistencia a la radiación UV (UV). Recolectando una enorme cantidad de mutantes y probándolos por su capacidad para restaurar la protección o resistencia de la radiación UV en diferentes combinaciones. Se identificaron cuatro grupos de complementación en el estudio, que codifica proteínas que desempeñan un papel importante en el mecanismo de NER; estas proteínas son uvrA, uvrB, uvrC y uvrD.

Los genes uvr que codifican enzimas se han estudiado exhaustivamente. Los genes uvrA, uvrB y uvrC codifican las subunidades de la excinucleasa UvrABC, que es una enzima multisubunitaria. El complejo UvrABC identifica los cambios estructurales inducidos por daños en el ADN, como la formación de dímeros de pirimidina. Luego corta en ambos lados el daño.

En ese momento, la UvrD (también conocida como helicasa II), que se produce como resultado de la expresión del gen uvrD, provoca el desenrollamiento del ADN y ayuda a liberar el fragmento dañado. En consecuencia, para este sistema, las proteínas UvrABC y UvrD están involucradas en el corte y escisión del ADN dañado. el espacio creado por el corte se llena mediante la acción de la ADN polimerasa y el segmento recién formado se sella por la actividad de la ADN ligasa.

La proteína UvrABC estructura un complejo que identifica el daño y corta el ADN dañado de ambos lados (cortes endonucleolíticos). La actividad helicasa de uvrD ayuda a eliminar el fragmento extirpado de ADN dañado. el fragmento intacto del ADN dirige la síntesis de la brecha con la ayuda de la ADN polimerasa y forma un ADN dúplex. Ahora, el fragmento de ADN recién formado ya no está dañado.

De forma más detallada, UvrA2 (un dímero) y UvrB identifican el fragmento dañado después de formar un complejo (UvrA) 2 UvrB. UvrA2 luego se disocia después de utilizar ATP. UvrA actúa como una ATPasa para la hidrólisis de ATP. Después de la disociación de UvrA, UvrB forma un complejo con UvrC en el sitio del daño. Ahora, este complejo UvrBC actúa como una nucleasa activa.

Corta el ADN de ambos lados del daño con la utilización de ATP. El esqueleto de azúcar-fosfato (fosfodiéster) se escinde en una posición a ocho nucleótidos del lado 5 'del ADN dañado y a 4-5 nucleótidos del lado 3' del ADN dañado. Por último, el fragmento escindido se elimina mediante la acción helicasa de la UvrD. Desenrolla el ADN y extrae el fragmento escindido. El fragmento de ADN dañado se disoció posteriormente del complejo UvrBC. Todos los tres pasos mencionados anteriormente requieren hidrólisis de ATP.

reparación de escisión de nucleótidos
Figura: Mecanismo de reparación por escisión de nucleótidos
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Nucleotide_Excision_Repair-journal.pbio.0040203.g001.png

El sistema NER es muy dinámico en las células de los mamíferos, al igual que muchos otros organismos. ¡Un ADN de células cutáneas típico presentado a la luz del día acumularía miles de dímeros cada día si este ciclo de mantenimiento no los eliminara! Una enfermedad genética humana, conocida como xeroderma pigmentosum (XP), es una anomalía cutánea provocada por enzimas defectuosas que destruyen las lesiones del ADN inducidas por los rayos UV.

Los fibroblastos de los pacientes con XP son extremadamente sensibles a la radiación UV cuando se les permite crecer en un medio de cultivo, como muestran los mutantes uvr de E. coli. Estas líneas de células XP se pueden cultivar en un medio de cultivo para evaluar la capacidad de restablecer la resistencia contra el daño de los rayos UV.

NER opera de dos formas en la mayoría de los mamíferos, levaduras y bacterias.

- el sistema de reparación que actúa sobre todo el genoma.

- el otro sistema de reparación muestra actividad junto con la transcripción.

El gen XP forma un complejo con la proteína hHR23B que puede detectar el daño del ADN.

En la reparación por escisión de nucleótidos junto con la transcripción, la ARN polimerasa muestra menor actividad en el punto de daño en la hebra molde; tal vez esta sea la actividad de reconocimiento de daños para este método de NER. Uno de los factores de transcripción basal que acompañan a la ARN polimerasa II juega un papel esencial en ambos tipos de NER. Un problema genético poco común en personas conocido como síndrome de Cockayne (SC) también está relacionado con un defecto del factor acoplado a la transcripción.

Se han reconocido dos racimos de complementación, CSA y CSB. La determinación de la actividad enzimática y la naturaleza de las enzimas codificadas por ellas proporcionará conocimientos adicionales sobre el proceso de reparación del ADN transcrito. El fenotipo de los pacientes con SC es pleiotrópico, que expresa envejecimiento prematuro, trastornos neurológicos y del desarrollo graves y sensibilidad a la luz. Estos síntomas son más graves que los síntomas de las personas con XP con un mecanismo NER no detectable. Esto indica que las proteínas CS (mecanismo de reparación acoplado a la transcripción) tienen algunas funciones más además de la reparación por escisión de nucleótidos.

Varias otras enfermedades genéticas son el resultado de una insuficiencia en el mecanismo de reparación del ADN. Por ejemplo, la anemia de Fanconi y el síndrome de Bloom. Actualmente, estas son áreas potenciales de investigación. Un recurso apropiado para obtener información actualizada sobre enfermedades genéticas es el portal Online Mendelian Inheritance in Man (OMIM).

La ataxia telangiectasia (AT) muestra el impacto de las alteraciones estructurales en la proteína asociadas al proceso de reparación y las proteínas involucradas en el proceso de señalización para la correcta reparación del ADN dañado. La AT se caracteriza por ataxia (marcha irregular), telangiectasia (dilatación de los vasos sanguíneos de los ojos y la cara), envejecimiento prematuro, inmunodeficiencias, retraso mental, degeneración cerebelosa y más propensión a las malignidades del sujeto.

Ese fenotipo está más preocupado por su locus. Dado que los heterocigotos, que son aproximadamente el 1% de la población, también son más propensos a una mutación en el gen ATM, llamado "ATM".

El gen ATM no parece codificar una proteína directamente en la reparación del ADN (diferente a los genes que causan XP después de la mutación). La AT se desarrolla después de un defecto en la vía de señalización celular debido a las similitudes de la proteína + defectuosa con la otra proteína. El producto del gen ATM también puede estar involucrado en la progresión del ciclo celular y la regulación de la longitud del ADN telomérico.

El dominio C-terminal de las proteínas ATM muestra homología con la proteína quinasa Ser / Thr (fosfatidilinositol-3-quinasa); por tanto, participa en las vías de señalización. Las proteínas ATM también exhiben homología con la proteína quinasa dependiente de ADN, que requiere huecos en el fragmento de ADN para mostrar su actividad quinasa. Estos hallazgos sugieren la participación de las proteínas ATM en el mecanismo de reparación por escisión de nucleótidos como objetivo.

Polimorfismo de nucleótido simple

El polimorfismo de un solo nucleótido (SNP o, a menudo, llamado "snip") es una variación genética muy frecuente que se encuentra en el ADN humano. SNP representa la variación en un solo nucleótido de ADN en un punto. Digamos, por ejemplo, que la citosina (C) reemplazó a la timina (T) en una cadena de polinucleótidos de ADN.  

La frecuencia de aparición de SNP es de uno en 1000 nucleósidos, lo que indica que aproximadamente 4 millones de SNP están presentes en el genoma de cada ser humano. Después de examinar cuidadosamente el genoma de 100 millones de individuos, los investigadores concluyeron que los SNP están presentes en el ADN que se encuentra entre los genes (generalmente intrones). 

Los SNP se consideran biomarcadores de diversas enfermedades, que ayudan a los investigadores a estudiar los genes asociados con una enfermedad en particular. A veces, SNP tiene lugar en la región del exón o en la región reguladora del gen, lo que impacta directamente en el funcionamiento del gen. Por tanto, este SNP interfiere directamente con la causa de la enfermedad.

Figura: Demostración del polimorfismo de un solo nucleótido https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Single_nucleotide_polymorphism_substitution_mutation_diagram_-cytosine_to_thymine.png # / media / File: Single_nucleotide_polymorphism_substitution_mutation_diagram-_cytosine_to_thymine.png

Generalmente, los SNP no afectan la salud del individuo, excepto algunos SNP que se encuentran en la región del exón de un gen y se sabe que influyen en la función del gen. El análisis de SNP es un parámetro importante para estudiar la salud humana. El análisis de SNP proporciona un margen para predecir la disposición genética de desarrollar una enfermedad.

El análisis de SNP es muy útil para predecir el riesgo de enfermedad, la susceptibilidad a las toxinas y varios otros factores ambientales, la respuesta farmacológica de un individuo, rastreando los genes relacionados con la herencia de una enfermedad en particular en una familia. Los científicos están tratando de desarrollar un proceso para identificar SNP vinculados a enfermedades crónicas como cáncer, enfermedades cardíacas, diabetes, etc. En el caso de SNP vinculados con un rasgo, se pueden examinar los tramos de ADN vecinos para determinar los genes responsables del rasgo. 

Aplicaciones de SNP

El análisis de SNP se utiliza para determinar el genotipado, el cambio en el número de copias en la expresión génica, el análisis de todo el genoma, la mutación del cáncer y la detección de otras enfermedades. La tecnología de micromatrices SNP se puede utilizar para detectar los cambios de dosis y el polimorfismo en el ADN de un individuo. El análisis de microarrays de SNP es capaz de detectar pequeños cambios en el número de copias de la expresión génica. 

La micromatriz de SNP utilizada para la genotipificación puede detectar los cambios en el patrón de metilación del ADN de las células cancerosas, los cambios en el genoma y la pérdida de heterocigosidad. 

Los microarrays de SNP también se utilizan para la predicción de enfermedades, identificando genes supresores de tumores y oncogenes en células cancerosas. Por lo tanto, los SNP tienen un buen alcance en la selección de una molécula farmacológicamente activa, el pronóstico de la enfermedad, la evaluación del riesgo de malignidad, etc.

¿Cuántos nucleótidos componen un codón?

La secuencia consecutiva de tres nucleótidos en la cadena de polinucleótidos de ADN o ARN constituye un codón. El codón es específico para incorporar un aminoácido y, a veces, el codón detiene el proceso de traducción. Estos codones se conocen como codones de terminación. El ADN y el ARN están compuestos en un lenguaje de nucleótidos de cuatro letras; sin embargo, el lenguaje de las proteínas incorpora 20 aminoácidos. Los codones dan la clave que permite que estos dos lenguajes se conviertan entre sí.

Cada codón especifica un aminoácido (excepto tres codones que detienen el proceso de traducción). El conjunto completo de codones se conoce como código genético. El código de tres letras incorpora 64 combinaciones potenciales de nucleótidos de tres letras del lenguaje de cuatro nucleótidos del ADN.

Figura: El codón (una secuencia triple de nucleótidos) es reconocido por una molécula específica de ARNt (ARN de transferencia) que lleva los aminoácidos estándar al sitio de síntesis de proteínas.
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Codon-Anticodon_pairing.svg#/media/File:Codon-Anticodon_pairing.svg

De los 64 codones, 61 codifican para aminoácidos específicos, mientras que los tres codones de parada restantes. Por ejemplo, el codón AUG codifica el aminoácido metionina y UAA es un codón de terminación. El código genético se describe como degenerado, ya que un aminoácido está codificado por múltiples codones. El código genético no se superpone, lo que significa que los codones se leen a continuación sin repetir ni omitir nucleótidos.

Codigo genetico

El código genético es un conjunto de reglas que caracterizan cómo un código de ADN de cuatro letras se traduce en los 20 aminoácidos estándar, lo que ayuda a sintetizar las proteínas de nuestro cuerpo. El código genético es un grupo de tres nucleótidos conocidos como codones, cada uno de los cuales se relaciona con un aminoácido en particular o un codón de terminación.

El concepto de codones fue descrito inicialmente por Francis Crick y sus asociados en 1961. Durante ese mismo año, Marshall Nirenberg y Heinrich Matthaei llevaron a cabo experimentos para explicar el código genético. Demostraron que la secuencia de ARN UUU codificaba explícitamente la fenilalanina (uno de los 20 aminoácidos estándar de nuestro cuerpo). Después de este hallazgo, Nirenberg, Philip y Har Gobind Khorana reconocieron el código genético restante y describieron por completo cada codón de tres letras y los aminoácidos relacionados.

Figura: Código genético
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Genetic_code.svg#/media/File:Genetic_code.svg

Hay 64 combinaciones potenciales de los códigos de nucleótidos de tres letras que se pueden producir utilizando los cuatro nucleótidos. De los 64 codones, 61 corresponden a aminoácidos estándar y los tres restantes son señales de parada / codones de parada. Aunque cada codón está fijado para un solo aminoácido (o una señal de parada), el código genético se describe como redundante porque múltiples codones pueden codificar un aminoácido.

Además, el código genético es casi universal, con raras excepciones. Por ejemplo, las mitocondrias tienen algunos códigos genéticos diferentes en comparación con el código genético celular.

Conclusiones

En este artículo hemos discutido sobre los SNP y el mecanismo de reparación por escisión de nucleótidos. Para saber más sobre nucleótidos Haga click aquí

Entrevista de preguntas y respuestas relacionadas con este artículo

Q1. ¿Cuál es la principal diferencia entre un gen y una secuencia de nucleótidos?

Respuesta El gen es la unidad funcional (capaz de expresar una proteína) del ADN, mientras que el nucleótido es la unidad estructural (capaz de formar un bloque de construcción durante la síntesis) del ADN.

Q2. ¿Cuál es la diferencia entre el polimorfismo de un solo nucleótido SNP y la mutación? ¿Qué significa polimorfismo?

Respuesta SNP representa la variación en un solo nucleótido de ADN en un punto. Digamos, por ejemplo, que la citosina (C) reemplazó a la timina (T) en una cadena de polinucleótidos de ADN.

 Una mutación se conoce como cualquier cambio en la secuencia del ADN. La diferencia puede estar en la secuencia de un solo nucleótido o tal vez en la secuencia de múltiples nucleótidos.

El polimorfismo es la propiedad del ADN (o cualquier cosa) de tener más de una o múltiples formas.

Q3. ¿Puede un solo nucleótido tener desoxirribosa y ribosa? 

Respuesta Un solo nucleótido puede tener solo un tipo de azúcar. Puede ser azúcar ribosa o azúcar desoxirribosa.

Q4. ¿Cuántos nucleótidos hay en el ADN de un bacteriófago?

Respuesta El ADN del bacteriófago contiene varios miles de nucleótidos. Por ejemplo, el bacteriófago φx174 contiene 5375 nucleótidos.

Q5. Se produce una proteína que contiene siete aminoácidos. ¿Cuál será la longitud del ARNm?

Respuesta Un codón de 3 nucleótidos codifica un aminoácido. 

De manera similar, siete aminoácidos estarán codificados por 7 x 3 = 21 nucleótidos. 

Pero el ARNm contiene un codón de parada (3 nucleótidos) para detener el proceso de traducción.

Por tanto, el ARNm que codifica 7 siete aminoácidos contendrá 21 + 3 = 24 nucleótidos.

Q6. ¿Cuántas moléculas de agua se eliminan durante la formación de un nucleótido?

Respuesta Se eliminarán dos moléculas de agua durante la formación de un nucleótido.

Una molécula de agua se elimina cuando la base nitrogenada se une al azúcar ribosa y la otra molécula de agua se libera cuando el azúcar ribosa se une al grupo fosfato.

Q7. ¿Es la adenina un nucleótido o una base nitrogenada?

Respuesta La adenina es una base nitrogenada, mientras que un nucleótido (monofosfato de adenosina) contiene un grupo fosfato, azúcar ribosa y una base nitrogenada (adenina).

Q8. Si el ADN está formado por 6 nucleótidos en lugar de 4, ¿cuál es el número total de codones triplete posibles?

Respuesta Número de combinaciones de tripletes de codones = (tipos de nucleótidos) 3

Si el ADN contiene seis tipos de nucleótidos, entonces el número total de combinaciones de triple codón será (6)3 = 216

Q9. ¿Cómo se identifican los polimorfismos de un solo nucleótido?

Respuesta Los microarrays de ADN pueden identificar fácilmente los SNP.

Q10. ¿Cómo expresa un virus varias proteínas de la misma secuencia de nucleótidos?

Respuesta Los virus hacen esto por dos mecanismos:

- Splicing alternativo

- Superposición de genes

Q11. ¿Por qué la secuencia de aminoácidos es mucho más corta que la secuencia de nucleótidos?

Respuesta La secuencia de aminoácidos suele ser más corta que la secuencia de nucleótidos que se forma el ARNm después de que la transcripción se empalma y se eliminan las regiones no codificantes (intrones), y el ARNm maduro solo contiene las regiones codificantes (exones)

Q12 Nombra el nucleótido con tres grupos fosfato.

Respuesta El nucleótido con tres grupos fosfato se conoce como nucleótido trifosfato. Por ejemplo, ATP (trifosfato de adenosina), GTP (trifosfato de guanosina), etc.

Sobre el Dr. Abdullah Arsalan

Soy Abdullah Arsalan, completé mi doctorado en Biotecnología. Tengo 7 años de experiencia en investigación. Hasta ahora he publicado 6 artículos en revistas de renombre internacional con un factor de impacto promedio de 4.5 y pocos más están en consideración. He presentado trabajos de investigación en diversos congresos nacionales e internacionales. Mi área temática de interés es la biotecnología y la bioquímica con especial énfasis en la química de proteínas, enzimología, inmunología, técnicas biofísicas y biología molecular.

Conectémonos a través de LinkedIn (https://www.linkedin.com/in/abdullah-arsalan-a97a0a88/) o Google Scholar (https://scholar.google.co.in/citations?user=AeZVWO4AAAAJ&hl=en).

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