El ADN a menudo se compara con un modelo. La secuencia particular de As, Cs, Gs y Ts en el ADN proporciona información para construir un organismo.

Lo que no capta esta analogía es el hecho de que nuestro ADN requiere un mantenimiento constante para mantener su integridad. Si no fuera por la maquinaria dedicada a la reparación del ADN que corrige los errores de forma rutinaria, la información dentro del ADN se degradaría rápidamente.

Esta reparación ocurre en los puntos de control del ciclo celular que se activan en respuesta al daño del ADN. Como un agente de garantía de calidad en una línea de montaje, las proteínas que participan en el punto de control de daños en el ADN evalúan el ADN de la célula en busca de errores y, si es necesario, detienen la división celular y realizan reparaciones. Cuando este punto de control falla, lo que puede ocurrir como resultado de mutaciones genéticas, el daño en el ADN se acumula y, a menudo, el resultado es cáncer.

Aunque los científicos han aprendido mucho sobre el daño y la reparación del ADN en los últimos 50 años, quedan importantes preguntas pendientes. Un rompecabezas particularmente complicado es cómo una proteína de reparación llamada abrazadera 9-1-1, un «primer respondedor» de daños en el ADN, se adhiere al sitio de una hebra de ADN rota para activar el punto de control de daños en el ADN.

«Sabemos que este accesorio es un paso fundamental necesario para iniciar un programa de reparación efectivo», dice Dirk Remus, biólogo molecular del Instituto Sloan Kettering (SKI) que estudia los fundamentos de la replicación y reparación del ADN. «Pero los mecanismos involucrados son completamente oscuros».

Ahora, gracias a una colaboración entre el laboratorio del Dr. Remus y el del biólogo estructural de SKI, Richard Hite, ha surgido una imagen clara de cómo se recluta la abrazadera 9-1-1 en los sitios de daño en el ADN. Los resultados, que desafían la sabiduría convencional en el campo, se publicaron el 21 de marzo de 2022 en la revista Nature Structural and Molecular Biology.

La experiencia complementaria produce resultados sorprendentes

Los sorprendentes descubrimientos surgieron de una colaboración entre dos laboratorios con experiencia complementaria. El laboratorio del Dr. Remus utiliza métodos bioquímicos para estudiar el proceso de replicación y reparación del ADN. Un objetivo principal de su investigación en los últimos años ha sido reconstituir todo el proceso de replicación y reparación del ADN en un tubo de ensayo, aparte de una célula circundante.

Como resultado de este esfuerzo, su laboratorio ha purificado varios componentes de la maquinaria de reparación, incluidas las proteínas 9-1-1 y las proteínas que facilitan la unión del 9-1-1 al ADN.

El Dr. Remus se dio cuenta de que si estos complejos pudieran verse con una resolución atómica, proporcionarían un conjunto de imágenes congeladas de los pasos individuales del proceso de reparación. Fue entonces cuando recurrió al laboratorio del Dr. Hite en busca de ayuda.

«Le dije: ‘Tenemos este complejo; ¿puedes ayudarnos a determinar su estructura molecular para descubrir cómo funciona?’ Y eso fue lo que hizo».

El Dr. Hite es un biólogo estructural con experiencia en el uso de una técnica llamada microscopía crioelectrónica (cryo-EM), que permite el estudio de proteínas y ensamblajes de proteínas al visualizar sus movimientos de grano fino a resoluciones que pueden revelar las posiciones de amino individuales ácidos dentro de las proteínas. Al igual que los engranajes y las palancas de una máquina, son estos movimientos de los aminoácidos los que permiten que las proteínas sirvan como los caballos de batalla de la célula, incluidas las que reparan el ADN.

«Cuando Dirk acudió a nosotros, nos dimos cuenta de que muchas de las herramientas que nuestro laboratorio había desarrollado en los últimos años se adaptaban perfectamente para responder a esta pregunta», dice el Dr. Hite. «Usando crio-EM, no solo podemos determinar una estructura sino un conjunto de estructuras. Al juntar estas estructuras en un patrón lógico, basado en los nuevos datos y los datos bioquímicos previos, podemos llegar a una propuesta para cómo funciona esta abrazadera».

Lo hicieron, y los resultados fueron sorprendentes.

«El modelo que desarrollamos tenía características interesantes que contradecían lo que se pensaba que era la forma en que estos tipos de abrazaderas se cargan en el ADN», dice el Dr. Hite.

«Cuando Rich produjo la estructura por primera vez, pensé que se había equivocado porque iba en contra de todas las expectativas», agrega el Dr. Remus. «Ahora, en retrospectiva, todo tiene mucho sentido».

Un nuevo modelo para abrir y cerrar una abrazadera de ADN alrededor del ADN

La abrazadera 9-1-1 tiene forma de anillo. Para llevar a cabo su función, necesita rodear el ADN roto en la unión entre un extremo expuesto de una hebra de una pieza de ADN de doble hebra que linda con una de una sola hebra. En consecuencia, la estructura de anillo de la abrazadera 9-1-1 debe abrirse para permitir que el ADN monocatenario oscile hacia el centro de la abrazadera y luego vuelva a cerrarse alrededor de ella. Esto no ocurre espontáneamente sino que es facilitado por otro complejo proteico, llamado complejo del cargador de pinzas.

«Se había pensado a partir de todos los estudios anteriores a este que las abrazaderas se abrirían a la manera de una arandela de seguridad, donde básicamente los dos extremos abiertos de la abrazadera rotarían fuera del plano para crear un espacio estrecho», dice el Dr. Remus. «Pero lo que Rich observó es que la abrazadera del 9-1-1 se abre mucho más de lo previsto y se abre completamente en el plano; no se tuerce como en el escenario de la arandela de seguridad».

Los científicos señalan que el modelo de arandela de seguridad ha existido durante dos décadas y ha sido el paradigma rector en el campo de cómo se carga una abrazadera alrededor del ADN. Pero en este caso, está mal.

Otra sorpresa fue que se observó que el complejo del cargador de pinzas 9-1-1 se unía al ADN en la orientación opuesta a la de otros complejos del cargador de pinzas que actúan sobre el ADN no dañado durante la replicación normal del ADN. Esta observación explicó cómo el 9-1-1 se recluta específicamente para los sitios de daño en el ADN.

De la investigación básica a la traslacional

Además de brindar una respuesta satisfactoria a un enigma biológico fundamental, el Dr. Remus cree que la investigación podría eventualmente conducir a mejores medicamentos contra el cáncer.

Muchos medicamentos de quimioterapia existentes funcionan al interferir con la replicación del ADN de las células cancerosas y generar el tipo de daño en el ADN que normalmente se repara mediante los procesos de reparación provocados por la abrazadera 9-1-1. Debido a que las células cancerosas ya tienen una capacidad reducida para reparar el daño del ADN, la adición de medicamentos de quimioterapia que dañan el ADN puede abrumar la capacidad de las células para reparar su ADN y, por lo tanto, mueren. (Así es como funcionan los medicamentos llamados inhibidores de PARP, por ejemplo).

Con este nuevo conocimiento sobre cómo el 9-1-1 interactúa con otras proteínas de reparación y con el ADN, los científicos podrían diseñar medicamentos que interfieran específicamente con este paso del proceso de reparación, haciendo que los medicamentos de quimioterapia sean aún más efectivos.

«Una de las mejores cosas de trabajar aquí en SKI es que la investigación de un científico básico puede ser el punto de partida para estudios traslacionales que finalmente conducen a mejores tratamientos», dice el Dr. Hite.

Esta investigación fue financiada en parte por los Institutos Nacionales de Salud (NIH-NCI Cancer Center Support Grant P30 CA008748, NIGMS R01-GM107239, NIGMS R01-GM127428), Deutsche Forschungsgemeinschaft y Josie Robertson Investigators Program. Los autores del estudio declaran que no tienen intereses contrapuestos.