Un nuevo estudio se suma a una imagen emergente y radicalmente nueva de cómo las células bacterianas reparan continuamente secciones defectuosas de su ADN.
Publicado en línea el 16 de mayo en la revista Cell, el informe describe el mecanismo molecular detrás de una vía de reparación del ADN que contrarresta la inclusión errónea de cierto tipo de bloque de construcción molecular, los ribonucleótidos, en los códigos genéticos. Tales errores son frecuentes en el proceso de copia de código en bacterias y otros organismos. Dado que la incorporación incorrecta de ribonucleótidos puede provocar cambios perjudiciales en el código del ADN (mutaciones) y rupturas del ADN, todos los organismos han evolucionado para tener una vía de reparación del ADN llamada reparación por escisión de ribonucleótidos (RER) que corrige rápidamente dichos errores.
El año pasado, un equipo dirigido por Evgeny Nudler, PhD, Profesor Julie Wilson Anderson en el Departamento de Bioquímica y Farmacología Molecular de NYU Langone Health, publicó dos análisis de reparación de ADN en células vivas de E. coli. Descubrieron que la mayor parte de la reparación de ciertos tipos de daños en el ADN (lesiones voluminosas), como las causadas por la radiación ultravioleta, puede ocurrir porque las secciones dañadas del código han sido identificadas primero por una máquina de proteínas llamada ARN polimerasa. La ARN polimerasa avanza a lo largo de la cadena de ADN, leyendo el código de las « letras » de ADN a medida que transcribe las instrucciones en moléculas de ARN, que luego dirigen la construcción de proteínas.
Nudler y sus colaboradores descubrieron que durante este proceso de transcripción, la ARN polimerasa también encuentra lesiones en el ADN y luego sirve como plataforma para el ensamblaje de una máquina de reparación del ADN llamada complejo de reparación por escisión de nucleótidos (NER). NER luego corta el ADN defectuoso encontrado y lo reemplaza con una copia exacta. Sin la acción de la ARN polimerasa, se produce poca NER, si es que se produce alguna, en las bacterias vivas.
Ahora, el nuevo estudio en Cell proporciona la primera evidencia de que, al igual que en la vía NER, RER está estrechamente acoplado a la transcripción. Los autores del estudio encontraron evidencia de que la enzima clave involucrada en RER, RNaseHII, también coopera con la ARN polimerasa mientras busca ribonucleótidos mal incorporados en las cadenas de ADN de las células bacterianas vivas.
« Nuestros resultados continúan inspirando un replanteamiento de ciertos principios básicos en el campo de la reparación del ADN », dice Nudler, también investigador del Instituto Médico Howard Hughes. « En el futuro, nuestro equipo planea investigar si la ARN polimerasa escanea el ADN en busca de todo tipo de problemas y desencadena la reparación en todo el genoma, no solo en bacterias, sino también en células humanas ».
Técnicas de vanguardia
Los ribonucleótidos (los componentes básicos del ARN) y los desoxirribonucleótidos (componentes del ADN) son compuestos relacionados. A medida que las células copian y construyen cadenas de ADN en las células bacterianas, a menudo incorporan por error ribonucleótidos en las cadenas de ADN en lugar de desoxirribonucleótidos porque difieren en un solo átomo de oxígeno, dicen los autores del estudio. En las células bacterianas, se sabe que la ADN polimerasa III comete alrededor de 2000 de estos errores cada vez que copia el material genético de una célula. Para mantener la integridad del genoma, la mayor parte de los ribonucleótidos fuera de lugar son eliminados por la vía RER, pero una pregunta clave era cómo RNaseHII encuentra lesiones de ribonucleótidos relativamente raras en medio de un « océano » de códigos de ADN celular intactos con tanta rapidez.
Tal como lo hicieron en sus estudios de 2022, los investigadores utilizaron espectrometría de masas cuantitativa y entrecruzamiento proteína-proteína in vivo para mapear las distancias entre proteínas unidas químicamente, y así determinaron las superficies clave de RNaseHII y RNA polimerasa a medida que interactúan en células bacterianas vivas. De esta forma determinaron que la mayoría de las moléculas de RNaseHII se acoplan con la RNA polimerasa.
Además, utilizaron microscopía electrónica criogénica (CryoEM) para capturar las estructuras de alta resolución de RNaseHII unidas a RNA polimerasa para revelar las interacciones proteína-proteína que definen el complejo RER. Además, los experimentos genéticos guiados por la estructura que debilitaron la interacción ARN polimerasa/RNasaHII comprometieron el RER.
« Este trabajo respalda un modelo en el que RNaseHII escanea el ADN en busca de ribonucleótidos fuera de lugar al montar en la ARN polimerasa mientras se mueve a lo largo del ADN », dice el primer autor del estudio, Zhitai Hao, becario postdoctoral en el laboratorio de Nudler. « Este trabajo es vital para nuestra comprensión básica del proceso de reparación del ADN y tiene implicaciones clínicas de gran alcance ».
Junto con Nudler y Hao, los autores del estudio en el Departamento de Bioquímica y Farmacología Molecular de la Escuela Universitaria de Medicina Grossman de la NYU fueron Manjunath Gowder, Binod Bharati, Vitaly Epshtein, Vladimir Svetlov e Ilya Shamovsky. El estudio fue apoyado por el Instituto Nacional de Salud, el Instituto Médico Howard Hughes y por la Fundación de la Familia Blavatnik.