Un grupo de investigadores, liderado por Vasily M. Studitsky, profesor de la Universidad Estatal Lomonosov de Moscú, Rusia, descubrió un nuevo mecanismo de reparación del ADN, lo que abre nuevas perspectivas para el tratamiento y la prevención de las enfermedades neurodegenerativas, como se describe en un artículo publicado en Sciece Advances. La molécula de ADN es químicamente inestable generando lesiones del ADN de distinta naturaleza, por lo que es necesario la detección de daños en el ADN, la señalización y la reparación, conocidos como la respuesta al daño de ADN.

 "En los organismos superiores, el ADN se une con las proteínas en complejos llamados el nucleosoma. Cada aproximadamente 200 pares de bases se organizan en nucleosomas, lo que consta de ocho proteínas histonas, que, como el hilo en la bobina, enrolla la doble hélice del ADN, que se enrosca en dos bucles superenrollados. Parte de la superficie de la hélice de ADN se oculta, ya que interactúa con las histonas. Todo nuestro genoma está formado de esta manera, a excepción de las áreas de las que la información se está leyendo actualmente", explica el investigador principal, Vasily M. Studitsky, jefe del Laboratorio de Regulación de la Transcripción y Replicación de la Facultad Biológica de la Universidad Estatal Lomonosov de Moscú.

El denso embalaje permite a la molécula de ADN con una longitud de aproximadamente dos metros encajar en un núcleo de la microscópica célula, pero hace de las significativas superficies del ADN inaccesibles a las enzimas de reparación, las proteínas que gestionan la "reparación" de regiones de ADN dañadas. El daño del ADN, si no se repara, conduce a la acumulación de mutaciones, la muerte celular y el desarrollo de diversas enfermedades, incluyendo las neurodegenerativas, como la enfermedad de Alzheimer.

El equipo dirigido por Studitsky investigó el mecanismo de detección de roturas en ADN de cadena sencilla en las que se pierde la conexión entre los nucleótidos en una cadena en los lugares donde el ADN se une a las histonas. Se sabe que para la síntesis de una proteína, la información escrita en el código genético, lo que podría imaginarse como el manual para su montaje donde tripletes de nucleótidos coinciden con ciertos aminoácidos, debe salir del núcleo hacia el citoplasma de la célula.

La fina y larga hebra del ADN se empaqueta en el núcleo y se pueden rasgar en la salida al exterior. Por otra parte, no puede ser sacrificada ya que el ADN nuclear de la célula sólo está presente en dos copias, por lo que, cuando es necesario para sintetizar una proteína específica, la pequeña región de ADN se desenrolla, las dos hebras se desconectan, y la información sobre la estructura de la proteína con una de las hebras de ADN se escribe en forma de ARN, la molécula de una sola cadena. La molécula de ARNm, que sirve como la plantilla para la fabricación de una proteína, es sintetizada por el principio de complementariedad: cada par de nucleótidos corresponde a otro.

Durante la transcripción de la información (su reescritura en ARN), los ARN de la enzima polimerasa se montan en la cadena de ADN y se detiene cuando encuentra la rotura. Tras su estancamiento, la ARN polimerasa desencadena una cascada de reacciones, haciendo que las enzimas de reparación se unan a la zona dañada. Al mismo tiempo, la ARN polimerasa no puede detectar discontinuidades presentes en la otra hebra de ADN.

"Hemos demostrado, sin embargo, no en la célula, pero in vitro, que todavía es posible la reparación de roturas en la otra cadena de ADN, que está 'oculta' en el nucleosoma. Según nuestra hipótesis, se produce debido a la formación de blucles de pequeña ADN especial en el nucleosoma, aunque normalmente el ADN se enrolla alrededor de la bobina de histona muy firmemente", según Vasily M. Studitsky.

"Los bucles se forman cuando el ADN se enrolla de nuevo en el nucleosoma junto con la polimerasa. La ARN polimerasa puede 'colarse' a lo largo de los bucles de ADN casi igual de bien que en regiones de ADN libres de histonas, pero cuando se detiene cerca de los lugares de las roturas en el ADN, se 'siente pánico', desencadenando la cascada de reacciones que empiezan las 'reparaciones' de ADN", detalla.

Roturas en las cadenas de ADN

Durante el experimento, se insertaron en el ADN sitios especiales, donde la rotura de una sola cadena se puede introducir mediante la adición de enzimas específicas en un tubo de ensayo. A continuación, se estudió un solo nucleosoma transcrito por una sola molécula de ARN. En este modelo de sistema, que fue desarrollado en 2002 por el mismo grupo de científicos, las histonas estaban reunidos en la molécula con la precisión de un nucleótido.
Al tener roturas especialmente introducidas en lugares precisos sobre el ADN, los investigadores examinaron el impacto de las roturas en la progresión de la ARN polimerasa.

Resultó que sólo en los nucleosomas, en lugar de en el ADN libre de histonas, la enzima se detuvo, cuando la ruptura estaba presente en la otra hebra de ADN. Fue bastante difícil comprender el mecanismo que le permitió darse cuenta de los daños en el "reverso" de la ARN polimerasa, como si tuviera "ojos en la parte posterior de la cabeza".

El análisis de roturas en diferentes posiciones permitió plantear la hipótesis de que el estancamiento de la RNA polimerasa es provocado por la formación del bucle, que bloquea el movimiento de la enzima. Los resultados abren una nueva dirección para la investigación sobre el tema de la reparación del ADN.

"Hemos demostrado que la formación de bucles, que detienen la polimerasa, depende de sus contactos con las histonas. Si se hacen más robustos, además de aumentar la eficiencia de la formación de bucles y la probabilidad de reparación, a su vez se reduce el riesgo de enfermedad. Si se desestabilizan estos contactos, mediante el uso de métodos especiales de administración de fármacos se puede programar la muerte de las células afectadas", concluye Vasily Studitsky.