Fichamento Reparo de DNA - Biologia Molecular da Célula

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ALBERTS, Bruce et al. Biologia molecular da célula​. 6. ed. Porto Alegre, Editora Artmed, 
2017. 
 
Valdimir Ferreira Maciel 
Medicina, UFC 
 
REPARO DE DNA 
 
● Manutenção da ​estabilidade genética​: mecanismo extremamente preciso para 
replicar DNA e para corrigir as lesões acidentais (alterações espontâneas ou 
aleatórias) 
● Uma enorme porcentagem da capacidade codificadora da maioria dos genomas é 
dedicada exclusivamente às funções de reparo de DNA. 
● Associação de diversas doenças com a capacidade reduzida de reparo 
● Dna é um material “estável”, mas suscetível a ​alterações espontâneas ou induzidas: 
○ Depurinação: Quebra da ligação glicosídica (tipo de 
lesão mais frequente sofrida pelo DNA) 
○ Desaminação: Converte citosina em uracila (também 
pode ocorrer com outras bases) 
○ Metabólitos produzidos na própria célula: formas 
reativas de oxigênio e S-adenosilmetionina 
○ Produtos químicos no ambiente 
○ Radiação ultravioleta do sol 
● Importância da dupla fita: se uma é danificada, a fita complementar possui uma 
cópia intacta da mesma informação 
● As células possuem ​múltiplas vias para o reparo do DNA​, usando diferentes enzimas 
que atuam em diferentes tipos de lesões. 
● Reparo por excisão de bases​: Envolve as ​DNA-glicosilases​, cada uma capaz de 
reconhecer um tipo específico de base alterada no DNA e de catalisar sua remoção 
hidrolítica 
○ Acredita-se que essas enzimas deslocam-se pelo DNA usando a ​projeção das 
bases ​(Nucleotídeo projetado para fora da hélice) para avaliar a situação de 
cada par de bases. Uma vez reconhecida a lesão, a enzima remove a base do 
açúcar. 
○ DNA-glicosilase remove a base desaminada -> Porção de açúcar-fosfato 
clivada pela endonuclease AP e fosfodiesterase -> Intervalo preenchido pela 
DNA-polimerase e pela DNA-ligase 
● Reparo por excisão de nucleotídeos: 
○ Alteração volumosa na estrutura da dupla-hélice (Ligação covalente das bases 
do DNA aos hidrocarbonetos); ​dímeros de pirimidina (T-T, T-C e C-C) 
causados pela luz do sol 
○ Enorme ​complexo multienzimático verifica o DNA à procura de distorções 
-> cadeia fosfodiéster da fita anormal clivada -> intervalo corrigido pela 
DNA-polimerase e DNA-ligase 
○ Alternativa a esses processos: química reversa da lesão de DNA - remoção 
rápida de lesões altamente mutagênicas ou tóxicas. 
● Células direcionam o reparo para as sequências em que ele é mais necessário​: 
acoplamento da RNA polimerase à via de reparo por excisão de nucleotídeos 
(ACOPLAMENTO DE TRANSCRIÇÃO) 
● CLÍNICA: ​Síndrome de Cockayne: Defeito no acoplamento, retardo de crescimento, 
anormalidades esqueléticas, retardo neural progressivo e uma grave sensibilidade à 
luz solar (moléculas de RNA-polimerase ficaram permanentemente estacionárias nos 
sítios de lesões no DNA onde se localizam genes importantes) 
● A desaminação espontânea de C o converte em U. Porém, se o DNA contivesse U 
como base natural, o sistema de reparo seria incapaz de distinguir um C 
desanimado de uma base U de ocorrência natural. 
● Polimerase translesão: ​Polimerases de reserva, versáteis mas menos precisas que são 
empregados pelas células em ​casos de emergência​, com DNA extremamente 
danificado e insuficiência dos mecanismos de reparo mostrados anteriormente. 
○ impõe riscos à célula podendo gerar mutações 
● Quebra de fita dupla: ​Não existe fita molde intacta para o reparo 
○ causadas por radiação ionizante,na maioria das vezes por erros na replicação 
(forquilhas de replicação estacionária ou quebrada), agentes oxidantes e alguns 
outros metabólitos produzidos pela célula. 
● Ligação de extremidades não homólogas: Extremidades da quebra simplesmente 
justapostas e religadas 
○ “Solução aceitável” pois pouco do DNA de mamíferos é essencial para a vida 
○ Perigo: Pode gerar rearranjos em que um cromossomo quebrado seja ligado a 
outro 
● A progressão ordenada do ciclo celular é suspensa se uma lesão no DNA for 
detectada, e reinicia somente após sua correção. 
● As lesões no DNA também resultam em um aumento da síntese de algumas enzimas 
de reparo do DNA. 
● CLÍNICA: ​Ataxia-telangiectasia - defeitos nos genes que codificam a proteína ATM, 
cinase envolvida na geração de sinais intracelulares. Seus sintomas incluem 
neurodegeneração, predisposição ao câncer e instabilidade genômica. 
● Recombinação homóloga: ​Troca de fitas do DNA entre um par de sequências de 
DNA de duplex homólogo, em outras palavras, ​usa a cromátide-irmã​. 
○ Principal via para restaurar com precisão as quebras de dupla-fita 
○ Função especial na meiose: troca ordenada de porções entre cromossomos 
homólogos (​crossing-over​) 
○ Ocorre logo após o ​processo de replicação quando as ​duas moléculas estão 
bem próximas​ e uma pode servir de molde para outra 
● Os processos fundamentais que promovem a recombinação homóloga são comuns a 
todas as células, ou seja, foram preservados durante a evolução por ser um processo 
versátil. 
● Ocorre apenas entre dois duplex de DNA com extensas regiões de sequências 
similares (homologia). 
● Hibridização do DNA: as duplas-hélices de DNA podem se refazer a partir das fitas 
separadas em uma reação que depende da ​colisão aleatória entre duas fitas 
complementares. A maioria dessas colisões não é produtiva, mas algumas poucas 
resultam em uma pequena região em que os pares de bases complementares são 
formados (nucleação da hélice). Um rápido pareamento leva, então, à formação de 
uma dupla-hélice completa. Pelo ​processo de tentativa e erro​, uma fita de DNA 
encontra sua parceira complementar mesmo entre milhões de fitas não 
complementares. 
○ Pode produzir uma região de dupla-hélice de DNA formada por fitas 
originárias de duas moléculas de DNA diferentes (​heteroduplex​), raramente 
ocorre ​in vivo, ​é a base de diversos métodos para estudar células. 
● “Dança das fitas”: ​Extremidades do DNA danificado são removidas por nucleases 
especializadas -> ​Troca de fitas​(invasão de fitas): Uma das extremidades 3’ da 
molécula quebrada abre caminho até o duplex-molde e busca a sequência homóloga 
pelo pareamento de bases -> DNA polimerase alonga a fita, corrigindo o dano -> 
regeneram as duas hélices duplas de DNA originais e completam o processo de 
reparo. 
● A troca de fitas é realizada pela proteína RecA (​E. coli​) e Rad51 (praticamente todos 
os eucariotos) 
● Uma função crucial da recombinação homóloga, talvez sua atribuição mais 
importante seja o ​resgate de forquilhas de replicação de DNA estacionárias ou 
quebradas. 
● Problemas à célula: ​pode acabar corrigindo a lesão usando um segmento errado 
○ Perda de heterozigosidade: ​algumas vezes um cromossomo humano 
quebrado é “reparado” usando um homólogo do outro progenitor em vez da 
cromátide-irmã como molde. Como os cromossomos materno e paterno 
diferem em várias posições na sequência de DNA. Apesar de rara, é uma etapa 
crucial no desenvolvimento de diversos tipos de câncer. 
● As etapas da recombinação homóloga são fortementes reguladas 
● Um conjunto de proteínas acessórias, incluindo Rad52, é necessário nas células 
eucarióticas para assegurar que a recombinação homóloga seja eficiente e precisa. 
● BRCA1 e BRCA2: ​Proteínas cujas mutações nos seus genes causam aumento na 
frequência de câncer de mama. Como essas mutações resultam em reparo ineficientepor recombinação homóloga​, o ​acúmulo de lesões do DNA podem originar um 
câncer em um reduzido número de células. O Brca1 regula uma etapa inicial do 
processamento de extremidades quebradas; sem ele, as extremidades quebradas não 
são processadas corretamente para a recombinação homóloga e serão corrigidas com 
erros pela via de ligação de extremidades não homólogas.A proteína Brca2 liga-se à 
Rad51 a mantendo inativa até ela ser necessária. 
● Como a recombinação homóloga durante a ​meiose produz o entrecruzamento e a 
conversão gênica, resultando em cromossomos híbridos contendo informação dos 
dois homólogos, materno e paterno? 
○ A recombinação meiótica inicia com uma​ quebra programada de fita dupla 
○ Proteínas específicas da meiose e resultado diferente da recombinação 
homóloga como via de reparo 
○ Na meiose ocorre preferencialmente entre os cromossomos homólogos ​(em 
vez de entre as cromátides-irmãs) maternos e paternos 
○ Junção de Holliday ou troca cruzada de fitas: intermediário na recombinação 
homóloga meiótica, pode adotar múltiplas conformações e um conjunto de 
proteínas de recombinação se liga a ele 
● Em seres humanos, aproximadamente 90% das quebras de fita dupla produzidas 
durante a meiose são resolvidas como ​não entrecruzamentos​. (não há permuta de 
genes) 
● Controle de entrecruzamento: ​Os poucos entrecruzamentos formados são 
distribuídos ao longo dos cromossomos de tal modo que um entrecruzamento em um 
local inibe entrecruzamentos nas regiões próximas. 
● Conversão gênica: ​divergência da distribuição dos alelos esperada durante a meiose. 
Ocasionalmente, por exemplo, a meiose produz três cópias da versão materna do gene 
e apenas uma cópia do alelo paterno. o sistema de reparo não é capaz de diferenciar as 
fitas materna e paterna e escolhe aleatoriamente a fita que será usada como molde 
para o reparo. Como consequência, ​um alelo será perdido, e o outro, duplicado. 
● Dois tipos diferentes de recombinação​: a ​transposição (também chamada de 
recombinação transposicional) e a​ recombinação sítio-específica conservativa. 
○ Não necessitam de grande homologia entre as regiões de DNA 
○ Podem alterar a ordem dos genes e, assim, provocar mutações 
○ Responsáveis pelo deslocamento de ​elementos genéticos móveis de uma 
posição a outra em um genoma. 
● Elementos genéticos móveis (genes saltadores): ​Variedade de segmentos 
especializados de DNA, que podem variar em tamanho de algumas poucas centenas a 
dezenas de milhares de pares de nucleotídeos, e cada um geralmente carrega um 
conjunto determinado de genes, que normalmente codifica uma enzima que catalisa o 
deslocamento desse elemento, ​o que possibilita a reação de recombinação​. 
○ Os elementos genéticos móveis geralmente são considerados parasitas 
moleculares (também chamados de “DNA egoísta”​) que persistem porque as 
células não podem se livrar deles. 
○ Favorece mutações espontâneas, que podem ser prejudiciais ou vantajosas. 
● Os elementos que se movem por transposição são chamados ​transpósons​, ou 
elementos transponíveis 
○ Enzima transpoase causa a sua inserção no novo sítio-alvo de DNA. 
○ Com base em sua estrutura e em seu mecanismo de transposição, os 
transpósons podem ser divididos em três grandes classes: ​transpósons 
exclusivamente de DNA, retrotranspósons semelhantes a vírus e 
retrotranspósons não retrovirais. 
● Transpósons exclusivamente de DNA​: chamados assim porque ​existem apenas 
como DNA durante seu movimento, são predominantes em bactérias e são os 
principais responsáveis pela ​disseminação da resistência de cepas bacterianas aos 
antibióticos. 
○ Embora esses elementos móveis possam se mover apenas em células que já os 
contêm, eles podem ser movidos de uma célula a outra por outros mecanismos 
coletivamente conhecidos como​ ​transferência gênica horizontal​. 
○ Uma vez introduzido na nova célula pode se inserir no genoma e ser 
transmitido a toda progênie 
○ Repetições invertidas curtas em cada extremidade (servem para a transpoase 
localizá-lo). 
○ Transposição de “corte e colagem”​: transpóson de DNA literalmente cortado 
de um local do genoma e inserido em outro. 
■ Essse sistema também é usado pelo sistema imune, catalisando os 
rearranjos de DNA que produzem a diversidade de anticorpos e 
receptores de células T. 
● Certos vírus são considerados elementos genéticos móveis porque utilizam o 
mecanismo de transposição para ​integrar o seu genoma no genoma da célula 
hospedeira​. Porém, ao contrário dos transpósons, esses vírus codificam proteínas que 
acondicionam sua informação genética em partículas virais capazes de infectar outras 
células. Atuam como um transpóson de DNA ou como retrotranspósons semelhantes a 
retrovírus. 
● Retrotranspósons semelhantes a retrovírus: 
○ Realiza seus movimentos nos cromossomos por um ​mecanismo similar aos 
retrovírus. 
○ Repetições terminais longas (LTRs, long terminal repeats) e diretas em cada 
extremidade. 
○ Move-se através de um intermediário de RNA cuja produção é dirigida por 
um promotor na LTR. 
○ Não possuem a capacidade intrínseca de sair da célula em que residem. 
○ Não possui a capa proteica dos vírus. 
● Retrotranspóson não retroviral: ​versões não mutadas e truncadas de repetições nos 
cromossomos de vertebrados e outros seres vivos. 
○ Apesar de a maior parte desses transpósons no genoma humano ser imóvel, 
alguns poucos são capazes de movimento. 
○ Os retrotranspósons não retrovirais são encontrados em diversos organismos 
○ Movem-se por meio de um mecanismo distinto que requer um ​complexo 
formado por uma endonuclease e uma transcriptase reversa. 
● Os retrotranspósons não retrovirais também são bastante antigos, mas, ao contrário 
dos outros tipos, alguns ainda estão em movimento no nosso genoma 
● Embora estejamos apenas começando a compreender como o movimento dos 
transpósons contribuiu para ​a formação dos genomas dos mamíferos atuais​, foi 
proposto que grandes incrementos da atividade de transposição poderiam ser 
responsáveis pelos ​eventos decisivos da especiação durante a radiação das 
linhagens de mamíferos a partir de um ancestral comum​, um processo que teve 
início há aproximadamente 170 milhões de anos. 
● Recombinação sítio-específica conservativa​: ​Nessa via, ​a clivagem e a ligação 
ocorrem em dois sítios específicos​, um em cada molécula de DNA participante do 
evento. Dependendo da posição e da orientação dos dois sítios de recombinação, pode 
ocorrer ​integração, excisão ou inversão do DNA. 
○ Enzimas especializadas que clivam e religam as duas hélices de DNA. 
○ A recombinação sítio-específica conservativa é geralmente utilizada por ​vírus 
de DNA, para moverem (inserir e remover) seus genomas do genoma das 
células hospedeiras. 
○ Diferenças com a transposição: 
■ A recombinação sítio-específica conservativa requer sequências de 
DNA especializadas no DNA doador e no receptor. 
■ Sítios de reconhecimento para a recombinase específica que catalisa o 
rearranjo. 
■ As ​recombinases que catalisam a recombinação sítio-específica 
conservativa assemelham-se às topoisomerases no sentido de 
formarem ​ligações covalentes de alta energia transitórias com o 
DNA e utilizarem essa energia para completar o rearranjo de DNA. 
Desse modo, as ligações de fosfato clivadas no evento são regeneradas(​conservativo​). 
■ Muitas bactérias utilizam a recombinação sítio-específica conservativa 
para controlar a expressão de determinados genes. ​Invertendo a 
sequência o produto transcrito é diferente.