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Verificação e reparo de DNA

Mecanismos de correção de erros durante a replicação de DNA e para reparar dano sobre o DNA ao longo da vida da célula.

Pontos chave:

  • As células têm uma variedade de mecanismos para evitar mutações, ou alterações permanentes na sequência de DNA.
  • Durante a síntese de DNA, a maioria das DNA polimerase "verificam o seu trabalho", fixando a maioria das bases defeituosas num processo chamado revisão.
  • Imediatamente após a síntese de DNA, quaisquer bases danificadas remanescentes podem ser detetadas e substituídas num processo chamado reparação de emparelhamento de bases.
  • Se o DNA for danificado, pode ser reparado através de vários mecanismos, incluindo reversão de dano, excisão de DNA danificado, e reparação de ruptura da cadeia dupla*.

Introdução

O que é que o DNA tem a ver com o cancro? O Cancro ocorre quando as células se dividem de forma descontrolada, ignorando os sinais normais de "stop" e produzindo um tumor. Este mau funcionamento é causado por mutações acumuladas, ou mudanças permanentes de sequência no DNA das células.
Os erros de replicação e os danos no DNA estão, de facto, a acontecer nas células do nosso corpo a toda a hora. Na maioria dos casos, porém, não causam cancro ou mesmo mutações. Isto porque são normalmente detetados e corrigidos por mecanismos de revisão e reparação do DNA. Ou, se os danos não puderem ser reparados, a célula sofrerá morte celular programada (apoptosis) para evitar a transmissão do DNA defeituoso.
As mutações acontecem e são transmitidas às células-filhas, apenas quando estes mecanismos falham. O cancro, por sua vez, só se desenvolve quando múltiplas mutações nos genes relacionados com a divisão se acumulam na mesma célula.
Neste artigo, vamos analisar mais de perto os mecanismos utilizados pelas células para corrigir erros de replicação e reparar danos no ADN, incluindo:
  • Revisão, que corrige erros durante a replicação do DNA
  • Reparação de erros de emparelhamento, que repara bases danificadas logo após a replicação do DNA
  • Vias de reparação de danos de DNA, que detetam e corrigem os danos ao longo de todo o ciclo celular

Revisão

As polimerases de DNA são as enzimas que constroem o DNA nas células. Durante a replicação do DNA (cópia), a maioria das DNA polimerases podem "verificar o seu trabalho" com cada base que adicionam. A este processo chama-se revisão. Se a polimerase detetar que foi adicionado um nucleótido errado (emparelhado incorretamente), irá remover e substituir o nucleótido imediatamente, antes de continuar com a síntese de DNA1.
Revisão:
  1. A DNA polimerase acrescenta uma nova base à extremidade de 3' da nova cadeia. (O modelo tem um G e a polimerase adiciona incorretamente um T, em vez de um C, à nova cadeia).
  2. A polimerase deteta que as bases estão mal emparelhadas.
  3. A polimerase utiliza a atividade de exonuclease de 3' a 5' para remover o T incorrecto da extremidade da extremidade 3' da nova cadeia.

Reparação de erros de emparelhamento

Muitos erros são corrigidos através da revisão, mas alguns escapam. A reparação de erros de emparelhamento acontece logo após a produção de novo DNA e a sua função é remover e substituir as bases emparelhadas incorretamente (as que não foram corrigidas durante a revisão). A reparação de erros de emparelhamento também pode detetar e corrigir pequenas inserções e eliminações que acontecem quando as polimerases "escorregam", perdendo a sua posição no modelo2.
Como funciona a reparação de emparelhamento? Primeiro, um complexo de proteínas (grupo de proteínas) reconhece e liga-se à base mal emparelhada. Um segundo complexo corta o DNA perto da incompatibilidade e mais enzimas cortam o nucleótido incorreto e um pedaço de DNA circundante. Uma DNA polimerase substitui, então, a secção em falta por nucleótidos correctos e uma enzima chamada DNA ligase sela a lacuna 2.
Reparação de emparelhamento:
  1. É detetado um erro de emparelhamento no DNA recentemente sintetizado. Há um G na nova cadeia emparelhada com um T na cadeia modelo (original).
  2. A nova cadeia de DNA é cortada e um segmento de DNA que contém o nucleótido mal emparelhado e os seus vizinhos é removido.
  3. O segmento em falta é substituído pelos nucleótidos corretos por uma DNA polimerase.
  4. Uma DNA ligase sela a fenda restante na espinha dorsal de DNA.
Uma coisa que se pode perguntar é como é que as proteínas envolvidas na reparação do DNA podem dizer "quem tem razão" durante a reparação de erros de emparelhamento. Ou seja, quando duas bases estão mal emparelhadas (como o G e T no desenho acima), qual das duas deve ser removida e substituída?
Nas bactérias, as cadeias de DNA originais e as recém-criadas podem ser distinguidas por uma característica chamada estado de metilação. Uma antiga cadeia de DNA terá grupos metil (CH3)ligados a algumas das suas bases, enquanto que uma cadeia de de DNA recém-criada ainda não terá obtido o seu grupo metil3.
Nos eucariotas, os processos que permitem identificar a cadeia original na reparação de emparelhamento envolvem o reconhecimento de fendas (rupturas de cadeia simples) que se encontram apenas no DNA recentemente sintetizado 3.

Mecanismos de reparação de danos de DNA

Coisas más podem acontecer ao DNA quase em qualquer ponto da vida de uma célula, e não apenas durante a replicação. De facto, o teu DNA está sempre a ser danificado por factores externos como a luz UV, químicos e raios-x - já para não mencionar reações químicas espontâneas que acontecem mesmo sem danos ambientais!4
Felizmente, as tuas células têm mecanismos de reparação para detetar e corrigir muitos tipos de danos no DNA. Os processos de reparação que ajudam a reparar o DNA danificado incluem:
  • Reversão direta: Algumas reacções químicas prejudiciais ao DNA podem ser diretamente "desfeitas" pelas enzimas na célula.
  • Reparação da excisão: Os danos a uma ou a algumas bases de DNA são frequentemente corrigidos por remoção (excisão) e substituição da região danificada. Na reparação da excisão de base, apenas a base danificada é removida. Na reparação da excisão de nucleótidos, tal como na reparação de emparelhamento que vimos acima, um segmento de nucleótidos é removido.
  • Reparação de rupturas de cadeia-dupla: Duas vias principais, união das extremidades não homólogas e recombinação homóloga, são utilizadas para corrigir quebras de cadeias duplas no DNA (ou seja, quando um cromossoma inteiro se divide em duas partes).

Reversão do dano

Em alguns casos, uma célula pode reparar danos no DNA simplesmente invertendo a reação química que os causou. Para compreender isto, precisamos de perceber que "danos no DNA" muitas vezes envolvem apenas um grupo extra de átomos que se ligam ao DNA através de uma reação química.
Por exemplo, a guanina (G) pode sofrer uma reação que liga um grupo metil (CH3) a um átomo de oxigénio na base. A guanina portadora de metil, se não for reparada, emparelhar-se-á com a timina (T) em vez da citosina (C) durante a replicação do DNA. Felizmente, os humanos e muitos outros organismos têm uma enzima que pode remover o grupo metil, invertendo a reação e fazendo com que a base volte ao normal5.
Metilação da guanina
Uma guanina normal sofre uma reação com um químico nocivo, fazendo com que um grupo metil (CH3) seja adicionado ao O do carbonilo, encontrado num dos anéis da base.
O grupo metil pode ser removido da base danificada e metilada por uma enzima encontrada na célula.
Diagrama baseado numa figura semelhante em Cooper 5.

Reparação de excisão de bases

A reparação de excisão de bases é um mecanismo utilizado para detetar e remover certos tipos de bases danificadas. Um grupo de enzimas chamadas glicosilases desempenha um papel fundamental na reparação da excisão de bases. Cada glicosilase deteta e remove um tipo específico de base danificada.
Por exemplo, uma reação química chamada desaminação pode converter uma citosina em uracilo, uma base tipicamente encontrada apenas no RNA. Durante a replicação do DNA, o uracilo irá emparelhar com adenina em vez de guanina (como aconteceria se a base ainda fosse citosina), pelo que uma mudança não corrigida de citosina para uracilo pode levar a uma mutação5.
Para evitar tais mutações, uma glicosilase da via de reparação da excisão de base deteta e remove as citosinas desaminadas. Uma vez removida a base, o pedaço "vazio" da espinha dorsal de DNA é também removido e o espaço é preenchido e selado por outras enzimas6.
Reparação de excisão de bases de uma citosina desaminada.
  1. A desaminação converte uma citosina em uracilo. Isto resulta numa dupla hélice na qual um G numa cadeia é emparelhado com um U na outra. O U era anteriormente um C, mas foi convertido em U através de desaminação.
  2. O uracilo é detetado e removido, deixando um nucleótido sem base.
  3. O nucleótido sem base é removido, deixando um buraco de 1 nucleótido na espinha dorsal do DNA.
  4. O buraco é preenchido com a base certa por uma DNA polimerase e a fenda é selada por uma ligase.

Reparação de excisão de nucleótidos

A reparação da excisão de nucleótidos* é outra via utilizada para remover e substituir as bases danificadas. A reparação da excisão de nucleótidos deteta e corrige os tipos de danos que distorcem a dupla hélice do DNA. Por exemplo, esta via deteta bases que foram modificadas com grupos químicos volumosos, como as que se ligam ao DNA quando este é exposto a produtos químicos no fumo do cigarro7.
A reparação da excisão de nucleótidos é também utilizada para reparar alguns tipos de danos causados pela radiação UV, por exemplo, quando se apanha uma queimadura solar. A radiação UV pode fazer com que as bases de citosina e timina reajam com bases vizinhas que também são Cs ou Ts, formando ligações que distorcem a dupla hélice e causam erros na replicação do DNA. O tipo de ligação mais comum, um dímero de timina, consiste em duas bases de timina que reagem uma com a outra e se tornam quimicamente ligadas8.
Reparação da excisão de um dímero de timina.
  1. A radiação UV produz um dímero de timina. Num dímero de timina, dois Ts que estão um ao lado do outro na mesma cadeia ligam-se através de uma reacção química entre as bases. Isto cria uma distorção na forma da dupla hélice.
  2. Uma vez detetado o dímero, o DNA circundante é aberto para formar uma bolha.
  3. As enzimas cortam a região danificada (dímero de timina e as regiões vizinhas do mesmo cordão) da bolha.
  4. Uma DNA polimerase substitui o DNA excisado (recortado) e uma ligase sela a espinha dorsal.
Na reparação da excisão de nucleótidos, os nucleótidos danificados são removidos juntamente com um segmento de DNA circundante. Neste processo, uma helicase (enzima de abertura do DNA) abre o DNA para formar uma bolha e as enzimas que cortam o DNA retiram a parte danificada da bolha. Uma DNA polimerase substitui o DNA em falta e uma DNA ligase sela a fenda na espinha dorsal da cadeia9.

Reparação de ruptura de cadeia-dupla

Alguns tipos de fatores ambientais, tais como a radiação de alta energia, podem causar rupturas na cdeia-dupla do DNA (divisão de um cromossoma em dois). Este é o tipo de danos no DNA ligados a histórias da origem de super-heróis em banda desenhada, e com desastres como Chernobyl na vida real.
As rupturas de cadeia-dupla são perigosas porque grandes segmentos de cromossomas, e as centenas de genes que estes contêm, podem perder-se se a ruptura não for reparada. Duas vias envolvidas na reparação de quebras de DNA de dupla cadeia são as vias de união das extremidades não homólogas e as vias de recombinação homólogas.
Na união das extremidades não homólogas, as duas extremidades divididas do cromossoma são simplesmente coladas de novo. Este mecanismo de reparação é "confuso" e envolve normalmente a perda, ou por vezes a adição, de alguns nucleótidos no local de corte. Assim, a união das extremidades não homólogas tende a produzir uma mutação, mas esta é melhor do que a alternativa (perda de todo um braço de um cromossoma)10.
Uma ruptura de dupla cadeia duas cordas pode ser reparada por junção final não homóloga. O cromossoma é "colado" de novo, geralmente com uma pequena mutação no local da ruptura.
Diagrama baseado num diagrama semelhante em Alberts et al.10
Na combinação homóloga, a informação do cromossoma homólogo que corresponde ao danificado (ou de um cromatídeo irmão, se o DNA tiver sido copiado) é utilizada para reparar a ruptura. Neste processo, os dois cromossomas homólogos juntam-se e a região não danificada do homólogo ou cromatídeo é utilizada como modelo para substituir a região danificada do cromossoma. A recombinação homóloga é "mais limpa" do que a união das extremidades não homólogas e não costuma causar mutações11.
A ruptura de cadeia-dupla pode ser reparada por recombinação homóloga. Os pares cromossómicos quebrados são emparelhados com o seu homólogo. A região danificada é substituída através de recombinação utilizando sequências copiadas do homólogo.
Diagrama baseado num diagrama semelhante em Alberts et al.10

Revisão e reparação de DNA em doenças humanas

As provas da importância dos mecanismos de revisão e reparação provêm de doenças genéticas humanas. Em muitos casos, as mutações nos genes que codificam as proteínas de revisão e reparação estão associadas a cancros hereditários (cancros que ocorrem em famílias). Por exemplo:
  • Cancro colorretal hereditário não-polipóide (também chamado Síndrome de Lynch) é causado por mutações nos genes que codificam certas proteínas reparadoras de emparelhamento12,13. Uma vez que as bases mal emparelhadas não são reparadas nas células das pessoas com esta síndrome, as mutações acumulam-se muito mais rapidamente do que nas células de uma pessoa não afectada. Isto pode levar ao desenvolvimento de tumores no cólon.
  • As pessoas com xeroderma pigmentosum* são extremamente sensíveis à luz UV. Esta condição é causada por mutações que afetam a via de reparação da excisão dos nucleótidos. Quando esta via não funciona, os dímeros de timina e outras formas de danos UV não podem ser reparados. As pessoas com xeroderma pigmentosum desenvolvem queimaduras solares graves com apenas alguns minutos ao sol, e cerca de metade irá apanhar cancro de pele até aos 10 anos de idade, a menos que evitem o sol14.

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