Publicado por: Djalma Santos | 13 de maio de 2011

Reparo do DNA

Comparado com as moléculas de proteínas e com o RNA, que são, via de regra, constantemente reciclados (rapidamente degradas e substituídas por novas moléculas), o DNA é bastante estável. O DNA genômico, entretanto, não está isento de alterações graduais, quer na sua conformação quer na sua estrutura. Sua conformação pode, por exemplo, se modificar à medida que ele sofre condensação e relaxamento, necessários para a realização de funções vitais, como a sua replicação in vivo e a sua expressão gênica via transcrição (síntese de RNA). Alterações estruturais, por seu turno, podem surgir a partir lesões físicas ou químicas de bases nitrogenadas ou de ligações fosfodiéster. Erros também podem surgir como consequência de pareamentos incorretos durante a replicação, a despeito dos mecanismos de auto-correção feitos pelas DNAs polimerases, como veremos adiante. Na ausência de detecção e de reparação correta (figura a seguir), essas lesões podem ser incorporadas ao DNA. Igualmente, uma mutação em um gene de reparo pode inviabilizar o processo de reparação e provocar uma cascata de mutações. Ao contrário das proteínas e dos RNAs que, via de regra, são degradados após lesados, alterações do DNA de procariotos e eucariotos costumam ser reparadas por mecanismos que revertem diretamente a lesão ou substitui a região lesado. Dessa forma, os diversos mecanismos de reparo podem anular os efeitos dos agentes mutagênicos, levando a que a sequência nucleotídica normal seja restaurada e o conteúdo informacional seja preservado. É graças, portanto, a esses mecanismos, presentes em todos os organismos e cuja taxa depende de muitos fatores, como o tipo e a idade da célula, que a vida vem se mantendo e evoluindo na Terra.

01.TERRASe os processos de reparação fossem 100% eficazes, os agentes mutagênicos não seriam uma ameaça para o DNA. O reparo das mutações, entretanto, pode ser incorreto (figura acima), levando a que a molécula perca sua atividade biológica, o que poderia se traduzir pela inviabilidade da estrutura celular dela dependente. Neste contexto, deve-se levar em consideração também a saturação dos sistemas de reparação devido a volumes elevados de danos que o DNA possa sofrer em um curto intervalo de tempo. Em função disso, poderá haver “replicação” de lesões não reparadas, perpetuando as mutações.

Para sair de situações como essas, as bactérias utilizam sistemas não expressos em células não danificadas, não sendo, portanto, constitutivo e, sim, indutível. Um deles é o sistema de reparo SOS (esquema abaixo), que, por gerar muitos erros no DNA, enquanto procura reparar as lesões, é denominado propenso ao erro. Ele faz com que as DNAs polimerases, paradas em um bloqueio, prossigam incorporando um ou mais nucleotídeo até ultrapassarem a região danificada, atuando, dessa forma, como um mecanismo reparador de emergência. O fato de os erros induzidos pelo sistema SOS ocorrerem no local das lesões sugere que esse mecanismo insere nucleotídeos aleatórios no lugar dos nucleotídeos danificados. Em função disso, esse sistema indutível, que perpetua as mutações, só é utilizado quando todos os mecanismos “isentos” de erros de reparo (reparação constitutiva) não conseguem solucionar o problema, sendo, portanto, usado como último recurso. As células animais também são dotadas de sistema de reparo indutíveis.

02.IND

Trabalhos diversos têm demonstrado que a mutagênese, na sua grande maioria, decorre de uma relativa imprecisão dos processos de reparação. Essas imprecisões representam um dos principais meios pelos quais danos no DNA, causados por diferentes agentes mutagênicos, induzem a formação de tumores. Com base nisso, conclui-se que os processos de reparo do DNA estão relacionados, direta ou indiretamente, à proteção contra o desenvolvimento de cânceres e outras lesões degenerativas.

PRINCIPAIS MECANISMOS DE REPARO

São conhecidos vários tipos de mecanismos de reparo, que, provalmente, se tornaram mais complexos com a progressiva diferenciação das estruturas biológicas. Embora eles tenham como finalidade precípua manter o patrimônio genético, preservando os caracteres, sua eficiência absoluta teria se constituído, sem dúvida, um obstáculo intransponível à evolução, que tem a mutação gênica como fonte primária de variabilidade genética. Entre os mecanismos de reparo, destacamos a fotorreativação, a reparação por excisão e a reparação pós-replicativa, que apresentam natureza poligênica (controlados por diversos genes).

I. FOTORREATIVAÇÃO

Este mecanismo, considerado o mais importante reparo direto utilizado pelas bactérias, foi descoberto em 1949 e consiste na eliminação de lesões provocadas pelos raios ultravioleta (UV) germicida no DNA, mais especificamente dos dímeros de timina que eles induzem. Esses dímeros, resultantes de ligações covalentes anormais entre pirimidinas adjacentes, levam à formação de uma saliência no DNA, que inibe a ação da DNA polimerase, impedindo a replicação semiconservativa e, da RNA polimerase-DNA dependente, interferindo na transcrição. Esses processos moleculares, a princípio, permanecem bloqueados até que lesão seja reparada. Nesse mecanismo, a remoção da lesão está condicionada à exposição do DNA irradiado com UV, à luz visível, sendo o processo mediado por uma enzima fotopendente chamada fotoliase ou enzima de fotorreativação, que rompe as ligações covalentes entre as timinas no interior do dímero, convertendo-o em monômeros. Essa enzima, encontrada em bactérias, eucariotos inferiores, insetos e plantas, tem a propriedade de se associar à lesão, mesmo na ausência da luz. A dissociação do complexo enzima-substrato, com a consequente reparação do DNA, só ocorre, todavia, quando o sistema é iluminado. Do ponto de vista molecular, constata-se que na fotorreativação os dímeros de timina são clivados (desfeitos), levando ao restabelecimento das ligações A-T, como mostra a figura abaixo.

03.FOTO

II. REPARAÇÃO POR EXCISÃO

Este mecanismo de reparo foi descrito por volta de 1964 e, ao contrário da fotorreativação, independe da luz para ocorrer, sendo, portanto, uma “reparação no escuro” (dark repair). É a forma mais geral de reparo de DNA e, provavelmente, o principal processo que ocorre na maioria dos seres vivos. Nele, as regiões defeituosas de uma fita são removidas e ressintetizadas, a partir da sequência contida na fita complementar intacta, que serve como molde. Uma deficiência nesse reparo pode levar a tumores letais. A reparação por excisão requer uma sequência de reações enzimáticas e pode ser dividida em três etapas, que estão esquematizadas na figura a seguir.

IIa – Reconhecimento e incisão da lesão: esta primeira etapa consiste no reconhecimento da alteração estrutural (b) e na incisão da cadeia polinucleotídica situada nas proximidades da lesão (c). Essa etapa é mediada por uma enzima denominada endonuclease dímero-específica.

04.exce

As pessoas portadoras de xeroderma pigmentosum, doença autossômica recessiva, são incapazes de produzir a endonuclease específica para o dímero, evidenciando a importância clínica desse mecanismo de reparo. Os portadores dessa deficiência genética são muito sensíveis à luz solar, apresentando lesões pigmentadas em áreas da pele expostas ao sol e uma incidência elevada de cânceres de pele, como carcinoma basocelular, espinocelular carcinoma e melanoma. A capacidade reduzida de reparar o DNA lesado leva a mutações somáticas, que podem, por seu turno, causar transformações malignas.

IIb. Excisão e replicação restauradora: nesta etapa, ocorre a remoção do fragmento da cadeia que contém a lesão e a ressíntese do segmento removido (d), tendo por base a sequência contida na cadeia complementar não afetada, no espaço correspondente à excisão. Essa etapa é catalisada pela DNA polimerase I ou polimerase de Kornberg, enzima dotada de atividade exonucleolítica e polimerásica. A fração removida contém cerca de 15 a 20 nucleotídeos. Lembramos que a enzima que atua na reparação do DNA, sintetizando o segmento faltante, é a DNA polimerase I (pol I) e a que participa da replicação é a DNA polimerase III (pol III).

IIc. Ligação: o processo de restauração por excisão é finalizado pela ligação do segmento neossintetizado à extremidade livre da cadeia preexistente (e). Essa etapa, que restabelece o posicionamento do segmento, é mediada por uma enzima denominada polinucleotídeo-ligase.

Vários estudos têm demonstrado uma série de vias alternativas do modelo mencionado acima. Um deles sugere a existência de uma endonuclease capaz de produzir duas incisões (uma em cada lado da região danificada) e não apenas uma como foi referido na primeira etapa (IIa) do modelo descrito. Nesse modelo alternativo, a remoção do segmento contendo a lesão poderia ser feita por simples quebra das pontes de hidrogênio, dispensando, dessa forma, a atividade exonucleolítica.

III. REPARAÇÃO PÓS-REPLICATIVA

Ao contrário do que se verifica nos tipos de reparo mencionados anteriormente, na reparação pós-replicativa a remoção da sequência lesada ocorre após a replicação semiconservativa (figura abaixo). As lacunas deixadas nas moléculas-filhas, a exemplo do que ocorre na reparação por excisão, são preenchidas tendo por base a sequencia contida na fita complementar não modificada. Desse processo de reparação, também independente da luz, portanto “reparação no escuro” (dark repair), participam a endonuclease, a polimerase I (polimerase de Kornberg) e a polinuclotídeo-ligase, enzimas que também atuam no mecanismo de reparação por excisão.

05.pos

Lembramos que a cafeína interfere no mecanismo de reparo do DNA, inibindo a síntese das purinas e produzindo, consequentemente, quebras e deleções no material genético.

A DNA POLIMERASE CORRIGE ERROS QUE ELA MESMA COMETE

Se durante a replicação a DNA polimerase inserir, acidentalmente, um nucleotídeo incorreto, ela pode perceber a falha e não agregar novos nucleotídeos, interrompendo, temporariamente, o crescimento da cadeia. Esse erro pode ser corrigido, pela própria enzima, graças a uma função adicional que ela possui conhecida como leitura de provas. Dessa forma, a DNA polimerase, diante da presença de um nucleotídeo colocado de modo incorreto, “retrocede” e o elimina, utilizando, para isso, a atividade exonucleotídica 3’  5’ de uma de suas subunidades. Uma vez eliminado o nucleotídeo inserido incorretamente, a síntese do DNA prossegue normalmente.


Responses

  1. muito bom! ajudou-me muito a compor meu seminário na disciplina de mutagênese da faculdade! A disseminação do conhecimento que se tem é, ao meu ver, a única forma de entendermos o Universo que nos rodeia e, acima tudo, nós mesmo. Parabéns!

  2. Adoooorei o seu post, continue firme e forte, sou aluna do ensino médio e me ajudou muito.. precisei desse conhecimento pra resolver uma questão da UFCE! Thanks ^^ xD

  3. Legal, muito bom.

  4. Vc é um cara muito inteligente, estar de parabéns pelo blog, completo tirou todas as minhas dúvidas…
    Sucesso….Elys

  5. Gostei muito do blog, esclareceu algumas duvidas. Agora vou ser visitante assídua!!! 😉

  6. Quero agradecer-lhe pela grande ajuda. Sempre procuro seu blog. pois é muito completo.É perfeito! OBRIGADO.


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