Uracilo en el ADN: error o señal?

timina versus uracilo

Nuestra información genética se almacena en forma de ADN, utilizando un alfabeto de cuatro letras. Las cuatro ‘letras’ corresponden a las cuatro bases químicas que cada componente del ADN – llamado nucleótido – puede tener: adenina (a), timina (T), citosina (C) y guanina (G; ver Figura 1)., Como James Watson y Francis Crick descubrieron, el ADN forma una doble hélice en la que las cuatro bases siempre se emparejan de la misma manera, a través de enlaces de hidrógeno específicos: la adenina se une a la timina, y la guanina a la citosina (ver figuras 2 y 3).

sin embargo, hay una quinta letra alternativa: uracilo (U), que forma el mismo patrón de enlaces de hidrógeno con la adenina (ver Figura 4)., Pero aunque el uracilo se usa comúnmente en el ARN, este no es el caso en el ADN, donde se usa timina en su lugar. ¿Por qué podría ser esto?

químicamente, la timina es una molécula de uracilo con un grupo metilo adicional Unido. ¿Cuál sería la ventaja, en términos evolutivos, de usar este bloque de construcción más complejo en el ADN? La respuesta puede estar en cómo las células corrigen el daño al ADN.,

la citosina puede convertirse espontáneamente en uracilo, a través de un proceso llamado desaminación hidrolítica (ver Figura 4). Cuando esto sucede, la guanina que se unió inicialmente a esa molécula de citosina se deja frente al uracilo (recuerde que el uracilo normalmente se une a la adenina)., Cuando la célula Replica su ADN, la posición opuesta a esta molécula de uracilo sería tomada por una adenina en lugar de la guanina que debería estar allí, alterando el mensaje que esta sección de ADN codifica (ver Figura 5). Este proceso de desaminación de citosina es uno de los tipos más comunes de daño al ADN, pero normalmente se corrige de manera efectiva. ¿Cómo hace esto la célula?

Las células tienen un sistema de reparación que puede detectar cuando un uracilo está sentado donde debe estar una citosina, y corregir el error antes de que sea replicado y transmitido. La compleja maquinaria para hacer eso consiste en varias enzimas: primero uracilo – ADN glicosilasas reconocen el uracilo, y lo cortan del ADN. Luego varias enzimas contribuyen a la eliminación y re-síntesis de la parte dañada del ADN, durante la cual el sitio abásico (‘vacío’) en el ADN es reemplazado por una citosina (ver Figura 6).,

sin embargo, la forma más común de uracilo-ADN glicosilasa no puede decir con qué base está emparejado el uracilo, es decir, si el uracilo estaba destinado a estar allí (si se une con adenina) o si es una citosina mutada (y es opuesta a la guanina); en su lugar, reconocería y eliminaría ambos tipos de uracilo. Claramente, esto causaría problemas. La solución a este problema potencial se cree que ha sido la evolución de un mecanismo en el que los uracilos ‘correctos’ (emparejados con adenina) se etiquetaron con un grupo metilo, lo que resultó en timina., De esta manera, si la maquinaria celular encontró un uracilo, lo cortó y lo reparó, pero si encontró un uracilo con una etiqueta de metilo, una timina (ver Figura 4), lo dejó. Con el tiempo, por lo tanto, la timina en el ADN se convirtió en el estándar en lugar del uracilo, y la mayoría de las células ahora usan uracilo solo en el ARN.

¿Por qué se retuvo el uracilo en el ARN? El ARN es más efímero que el ADN y, con algunas excepciones, no es el repositorio para el almacenamiento a largo plazo de información genética, por lo que las moléculas de citosina que espontáneamente se convierten en uracilos en ARN no presentan una gran amenaza para la célula., Por lo tanto, probablemente no hubo presión evolutiva para reemplazar el uracilo con la timina más compleja (y presumiblemente más costosa) en el ARN.

muerte celular sin timina

Cuando el ADN se sintetiza, las enzimas de la polimerasa de ADN (que catalizan la síntesis) no pueden discriminar entre timina y uracilo. Solo comprueban si los enlaces de hidrógeno se forman correctamente, es decir, si los pares de bases coinciden correctamente., Para estas enzimas, no importa si la timina o el uracilo se unen a la adenina. Normalmente, las cantidades de trifosfato de desoxiuridina (dUTP, una fuente de uracilo) en la célula se mantienen muy bajas en comparación con los niveles de trifosfato de desoxitimidina (dTTP, una fuente de timina), evitando la incorporación de uracilo durante la síntesis de ADN.

si esta estricta regulación se perturba y la relación de dUTP a dttp aumenta, la cantidad de uracilo que se incorpora incorrectamente en el ADN también aumenta., El sistema de reparación – que, a diferencia de las polimerasas de ADN, puede distinguir el uracilo de la timina-luego intenta cortar el uracilo con la ayuda de la uracilo-ADN glicosilasa y volver a sintetizar el ADN, lo que implica la escisión temporal (corte) de la columna vertebral del ADN. Sin embargo, si la relación de dUTP a dTTP sigue siendo elevada, esta re-síntesis puede incorporar de nuevo uracilo en lugar de timina. Este ciclo eventualmente conduce a roturas de cadenas de ADN y fragmentación cromosómica, cuando estos cortes temporales en el ADN ocurren uno tras otro y demasiado cerca uno del otro (ver Figura 7)., Esto resulta en un tipo específico de muerte celular programada, llamada muerte celular sin timina.

el proceso de muerte celular sin timina puede ser explotado deliberadamente en el tratamiento del cáncer. Debido a que las células cancerosas proliferan a un ritmo tan alto en comparación con las células normales, sintetizan una mayor cantidad de ADN por período de tiempo dado y, por lo tanto, requieren grandes cantidades de dUTP. Al aumentar la proporción de dUTP a dTTP, estas células cancerosas pueden ser selectivamente dirigidas y eliminadas.,

El ADN de uracilo todavía existe

aunque la mayoría de las células usan uracilo para el ARN y timina para el ADN, hay excepciones. Algunos organismos tienen uracilo en lugar de timina en todo su ADN, y otros organismos tienen uracilo solo en parte de su ADN. ¿Cuál podría ser la ventaja evolutiva de eso? Echemos un vistazo a algunos ejemplos.,

uracilo en el ADN viral

se sabe que dos especies de fagos (virus que infectan bacterias) tienen genomas de ADN con solo uracilo y sin timina. Todavía no sabemos si estos fagos son representantes de una forma de vida antigua que nunca evolucionó el ADN de timina, o si sus genomas sustituidos por uracilo son una estrategia recientemente evolucionada., Tampoco sabemos por qué estos fagos utilizan uracilo en lugar de timina, pero puede desempeñar un papel esencial en el ciclo de vida de estos virus. Si ese es el caso, tendría sentido que los virus se aseguraran de que el uracilo en su ADN no sea reemplazado por timina. Y uno de estos fagos, de hecho, ha demostrado tener un gen que codifica una proteína específica para inhibir la uracilo-ADN glicosilasa del huésped, evitando así que el genoma viral tenga su uracilo ‘reparado’ por las enzimas del huésped.,

muerte celular programada en ciclos de vida de insectos

el uracilo-ADN también parece jugar un papel en el desarrollo de endopterígotos – insectos que sufren pupación durante su ciclo de vida (hormigas y mariposas lo hacen; saltamontes y termitas no)., Estos insectos carecen del gen principal de uracilo-ADN glicosilasa, que de lo contrario eliminaría el uracilo de su ADN.

Además, nuestra propia investigación ha demostrado que, en larvas de la mosca de la fruta Drosophila melanogaster, la relación de dUTP a dTTP está regulada de una manera inusual: en todos los tejidos que no serán necesarios en el insecto adulto, hay niveles mucho más bajos de la enzima que descompone dUTP y genera un precursor para la producción de dTTP. En consecuencia, cantidades significativas de uracilo se incorporan en estos tejidos durante la síntesis de ADN.,

así que durante las etapas larvales, uracilo-ADN se produce y parece no ser corregido en los tejidos que van a ser degradados durante la etapa pupal. Como estos insectos carecen de la principal enzima uracilo-ADN glicosilasa, en la etapa pupal, factores adicionales específicos de uracilo-ADN pueden reconocer este uracilo acumulado como una señal para iniciar la muerte celular. Ya hemos identificado una proteína específica de insecto que parece ser capaz de degradar el uracilo-ADN, y estamos investigando si esta enzima se utiliza para iniciar la muerte celular programada.,

errores beneficiosos: el sistema inmune de los vertebrados

uracilo en el ADN, sin embargo, también se puede encontrar más cerca de casa, en el sistema inmune de vertebrados como nosotros., Parte de nuestro sistema inmune, el sistema inmune adaptativo, produce un gran número de diferentes anticuerpos que están entrenados para protegernos de patógenos específicos. Para aumentar el número de diferentes anticuerpos que se pueden crear, mezclamos la secuencia de ADN en las regiones que codifican para ellos, no solo recombinando las secuencias existentes en las células, sino también creando otras nuevas a través de tasas de mutación enormemente aumentadas, conocidas como hipermutación.,

La hipermutación comienza con una enzima específica (una desaminasa inducida por la activación) que transforma la citosina en uracilo (ver Figura 4) en loci específicos del ADN, provocando una respuesta de reparación propensa a errores, que el organismo utiliza a su favor: los ‘errores’ generan nuevas secuencias que se pueden usar para fabricar diferentes anticuerpos. Este sistema está muy estrictamente regulado, sin embargo, como si se fuera de control, conduciría al cáncer.

al considerar la pregunta de por qué uracilo o por qué timina, necesitamos considerar el contexto evolutivo., Los organismos vivos han evolucionado en un entorno en constante cambio, enfrentándose a un conjunto dinámico de desafíos. Por lo tanto, una solución que evita que los errores se incorporen al ADN es ventajosa para la mayoría de los organismos y la mayoría de las células, lo que explica por qué la timina-ADN se convirtió en la norma. Bajo ciertas circunstancias, sin embargo, los «errores» en sí mismos pueden ser beneficiosos, por lo que algunas células todavía usan uracilo en su ADN.