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Curso: Biblioteca de Biologia > Unidade 17

Lição 3: Replicação do DNA
Ciências
Biblioteca de Biologia
DNA como o material genético
Replicação do DNA
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Verificação e reparo do DNA

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Mecanismos para corrigir erros durante a replicação do DNA e para reparar os danos do DNA durante a vida da célula.

Pontos Principais:

  • As células têm uma variedade de mecanismos para prevenir mutações, ou mudanças permanentes na sequência de DNA.
  • Durante a síntese de DNA, a maioria das polimerases do DNA "checam seu trabalho", consertando a maioria de bases não pareadas em um processo chamado revisão.
  • Imediatamente após a síntese de DNA, qualquer base mal pareada restante pode ser detectada e substituída em um processo chamado reparo por mau pareamento.
  • Se o DNA fica danificado, pode ser reparado por vários mecanismos, incluindo química reversa, reparo de excisão, e reparo de quebras de fita dupla.

Introdução

O que o DNA tem a ver com o câncer? O Câncer ocorre quando as células dividem-se de forma descontrolada, ignorando os sinais normais de "pare" e produzindo um tumor. Esse mau comportamento é causado pelo acúmulo de mutações, ou mudanças permanentes de sequência no DNA das células.
Erros de replicação e danos no DNA acontecem nas células de nossos corpos durante o tempo todo. Mas na maioria dos casos, eles não causam câncer, ou mesmo mutações. Isto, porque eles geralmente são detectados e corrigidos por mecanismos de revisão do DNA e correção. Ou, se o dano não puder ser corrigido, a célula sofrerá morte celular programada (apoptose) para evitar transmitir o DNA defeituoso.
As mutações acontecem, e são transmitidas para as células filhas, apenas quando esses mecanismos falham. O câncer, por sua vez, se desenvolve apenas quando várias mutações nos genes relacionados à divisão se acumulam na mesma célula.
Neste artigo, vamos examinar os mecanismos usados pelas células para corrigir os erros de replicação e os danos ao DNA, incluindo:
  • Revisão, que corrige os erros durante a replicação do DNA
  • Correção de pareamento incorreto, que corrige as bases malpareadas logo após a replicação
  • Vias de reparo dos danos ao DNA, que detectam e corrigem os danos ao longo do ciclo celular

Revisão

DNA polimerases são as enzimas que constroem o DNA nas células. Durante a replicação do DNA (cópia), a maioria das DNA polimerases "verificam seu trabalho" a cada base que acrescentam. Esse processo é chamado revisão. Se a polimerase detecta que um nucleotídeo errado (incorretamente pareado) foi adicionado, ela irá removê-lo e substituí-lo imediatamente, antes de continuar com a síntese de DNA1.
Revisão:
  1. A DNA polimerase adiciona uma nova base ao final 3' da nova, crescente fita. (O modelo tem um G, e a polimerase incorretamente adiciona um T em vez de C na nova fita.)
  2. A polimerase detecta que as bases estão malpareadas.
  3. A polimerase utiliza a atividade de exonuclease 3' para 5' para remover o T incorreto do final 3' da nova fita.

Reparo por malpareamento

Vários erros são corrigidos pela revisão, mas alguns poucos escapam. Reparo de malpareamento acontece logo após o novo DNA ter sido feito, e sua função é remover e substituir as bases malpareadas (aquelas que não foram corrigidas durante a revisão). O reparo do malpareamento também pode detectar e corrigir pequenas inserções e deleções que ocorrem quando as polimerases "deslizam" perdendo seu local de inserção na fita molde2.
Como funciona o reparo de malpareamento? Primeiro, um complexo de proteínas (grupo de proteínas) reconhece e liga-se à base malpareada. Um segundo complexo corta o DNA próximo ao malpareamento e mais enzimas cortam o nucleotídeo incorreto e um pedaço do DNA que o envolve. Uma DNA polimerase substitui a parte que falta com os nucleotídeos corretos, e uma enzima chamada DNA ligase fecha a lacuna2.
Reparo por malpareamento.
  1. Um malpareamento é detectado em DNA recém sintetizado. Há um G na nova fita pareado com um T na fita molde (velha.)
  2. A nova fita de DNA é cortada, e um trecho do DNA contendo o nucleotídeo malpareado e seus vizinhos é removido.
  3. O trecho faltante é substituído com nucleotídeos corretos por uma DNA polimerase.
  4. Uma DNA ligase fecha o vão restante no esqueleto do DNA.
Uma coisa que você pode imaginar é como as proteínas envolvidas no reparo do DNA podem dizer "o que é o certo" durante o reparo do malpareamento. Isto é, quando duas bases são malpareadas (como G e T no desenho acima), qual das duas deve ser removida e substituída?
Em bactérias, fitas de DNA originais e recém produzidas podemser identificadas por uma característica chamada estado de metilação. Uma fita antiga de DNA terá grupos metil (−CH3) ligados a algumas de suas bases, enquanto uma fita recém produzida ainda não terá conseguido seu grupo metil3.
Nos eucariontes os processos que permitem à fita original ser identificada no reparo de malpareamento envolve o reconhecimento de entalhes (quebras na fita única) encontrados apenas em DNA recém sintetizado3.

Mecanismos de reparo de dano no DNA

Danos ao DNA podem ocorrer em quase qualquer ponto do tempo de vida da célula, não apenas durante a replicação. Na verdade, seu DNA sofre danos todo o tempo, por fatores externos como luz UV, produtos químicos e Raios X—sem falar nas reações químicas espontâneas que acontecem mesmo sem agressões ambientais!4
Felizmente, suas células têm mecanismos de reparo para detectar e corrigir muitos tipos de danos ao DNA. Os processos de reparo que ajudam a corrigir o DNA, incluem:
  • Reversão direta: Algumas reações químicas danosas ao DNA podem ser diretamente "desfeitas" por enzimas na célula.
  • Reparo por excisão: Dano a uma ou a umas poucas bases do DNA é frequentemente corrigido por remoção (excisão) e substituição da região danificada. No reparo por excisão de base, apenas a base avariada é removida. No reparo por excisão de nucleotídeo, como no reparo do malpareamento que vimos acima, é removido um retalho de nucleotídeos.
  • Reparo de quebra de dupla fita: Duas vias principais, a de união das extremidades não homólogas e a recombinação homóloga são utilizadas na correção de quebras de dupla fita de DNA (isto é, quando um cromossomo inteiro se divide em duas partes).

Reversão de danos

Em alguns casos, a célula pode reparar a avaria do DNA pela simples reversão da reação química que a causou. Para compreender isto, precisamos perceber que "avaria do DNA" frequentemente envolve apenas um grupo extra de átomos ligando-se ao DNA através de uma reação química.
Por exemplo, a guanina (G) pode sofrer uma reação que une um grupo metil (−CH3) a um átomo de oxigênio na base. Se a guanina contendo o grupo metil não for corrigida, irá parear com timina (T) ao invés de citosina (C) durante a replicação do DNA. Felizmente, humanos e muitos outros organismos têm uma enzima que pode remover o grupo metil, revertendo a reação e retornando a base ao normal5.
Metilação da guanina.
Uma base normal de guanina sofre uma reação com uma substância química nociva, fazendo com que um grupo metil (−CH3) seja adicionado a carbonila encontrada em um dos anéis da base.
O grupo metil pode ser removido da base metilada danificada por uma enzima encontrada na célula.
Diagrama basedo em figura semelhante em Cooper 5.

Reparo por excisão de base

Reparo por excisão de base é um mecanismos usado para detectar e remover certos tipos de bases danificadas. Um grupo de enzimas chamado glicosilases desempenha um papel importante no reparo por excisão de base. Cada glicosilase detecta e remove um tipo específico de base danificada.
Por exemplo, uma reação química chamada desaminação pode converter uma base citosina em uracila, uma base normalmente encontrada apenas no RNA. Durante a replicação do DNA, a uracila irá parear com adenina em vez da guanina (como faria se a base ainda fosse citosina), assim, uma mudança de citosina para uracila nã0 corrigida pode levar a uma mutação5.
Para evitar tais mutações, a glicosilase da via de reparo por excisão de base detecta e remove as citosinas desaminadas. Uma vez que a base tenha sido removida, o pedaço "vazio" do esqueleto de DNA também é removido e a lacuna é preenchida e fechada por outras enzimas6.
Reparo por excisão de base de uma citosina desaminada.
  1. A desaminação converte uma base citosina em uracila. Isso resulta em uma dupla hélice na qual um G em uma fita é pareado com um U na outra. O U era antes um C, mas foi convertido em U pela desaminação.
  2. A uracila é detectada e removida, deixando um nucleotídeo sem base.
  3. O nucleotídeo sem base é removido, deixando um buraco de 1 nucleotídeo no esqueleto do DNA.
  4. O buraco é preenchido com a base certa por uma DNA polimerase, e a lacuna é fechada por uma ligase.

Reparo por excisão de nucleotídeo

Reparo por excisão de nucleotídeo é outra via usada para remover e substituir bases danificadas.O reparo por excisão de nucleotídeo detecta e corrige tipos de avarias que distorcem a dupla hélice de DNA. Por exemplo, esta via detecta bases que tenham sido modificadas com grupos químicos grandes, como aqueles que ficam ligados ao seu DNA quando ele é exposto a produtos químicos da fumaça do cigarro7.
O reparo por excisão de nucleotídeo também é usado para corrigir alguns tipos de danos causados por radiação UV, por exemplo, quando você fica queimado de sol. A radiação UV pode fazer as bases citosina e timina reagirem com as bases vizinhas que também são Cs ou Ts, formando ligações que distorcem a dupla hélice e causam erros na replicação do DNA. O tipo mais comum de ligação, um dímero de timina, consiste de duas bases timinas que reagem uma com a outra e tornam-se unidas quimicamente8.
Reparo por excisão de nucleotídeo de um dímero de timina.
  1. A radiação UV produz um dímero de timina. Em um dímero de timina, dois Ts que estão próximos um ao outro na mesma fita se ligam via reação química entre as bases. Isso cria uma distorção da forma da hélice dupla.
  2. Uma vez que o dímero foi detectado, o DNA circundante é aberto para formar uma bolha.
  3. Enzimas cortam a região danificada (dímero de timina mais regiões vizinhas da mesma fita) fora da bolha.
  4. A DNA polimerase substitui o DNA removido, e uma ligase fecha o esqueleto.
No reparo por excisão de nucleotídeo, o(s) nucleotídeo(s) danificado(s) são removidos junto com um retalho circundante de DNA. Nesse processo a helicase (enzima de abertura do DNA) abre o DNA para formar uma bolha, e as enzimas de restrição de DNA cortam a parte danificada dessa bolha. Uma DNA polimerase substitui o DNA que falta e a DNA ligase fecha a lacuna na coluna do filamento9.

Reparo de quebra de fita dupla

Alguns tipos de fatores ambientais, como radiação de alta energia, podem causar quebras na dupla hélice do DNA (dividindo o cromossomo em dois). Este é o tipo de dano ao DNA associado a histórias de origem de super-heróis em quadrinhos e aos desastres como Chernobil na vida real.
Quebras da dupla hélice são perigosas porque segmentos extensos de cromossomos, e as centenas de genes que eles contêm, podem ser perdidos se a quebra não for reparada. Dois caminhos envolvidos no reparo das quebras da hélice dupla de DNA são as vias da união das extremidades não homólogas e da recombinação homóloga.
Na união de extremidades não homólogas, as duas pontas quebradas do cromossomo são simplesmente coladas juntas novamente. Esse mecanismo de reparo é “sujo” e normalmente envolve a perda, ou algumas vezes a adição, de uns poucos nucleotídeos no local do corte. Assim, a união de extremidades não homólogas tende a produzir uma mutação, mas isso é melhor que a alternativa (perder um braço inteiro de cromossomo)10.
Uma quebra da dupla hélice pode ser reparada pela união de extremidades não homólogas. O cromossomo é "colado" junto novamente, normalmente com uma pequena mutação no local da quebra.
Diagrama baseado em diagrama semelhante em Alberts et al.10
Na recombinação homóloga, a informação do cromossomo homólogo que corresponde ao danificado ( ou da cromátide irmã, se o DNA foi copiado) é usada para reparar a quebra. Nesse processo, os dois cromossomos homólogos se juntam e a região não danificada do homólogo ou da cromátide é usada como modelo para substituir a região danificada do cromossomo quebradp. A recombinação homóloga é “mais limpa” que a união das extremidades não homólogas e não costuma causar mutações 11.
A quebra da dupla hélice pode ser reparada por recombinação homóloga. Os cromossomo quebrado pareia com seu homólogo. A região avariada é substituída por recombinação, usando sequências copiadas do homólogo.
Diagrama baseado em diagrama semelhante em Alberts et al.10

Revisão de DNA e reparo em doenças humanas

A evidência da importância da revisão e dos mecanismos de reparo vem dos distúrbios genéticos humanos. Em muitos casos, mutações em genes que codificam proteínas de revisão e reparo estão associadas com cânceres hereditários (cânceres que ocorrem em famílias). Por exemplo:
  • Câncer colorretal hereditário não poliposo (também chamado Síndrome de Lynch) é causado por mutações nos genes que codificam certas proteínas de reparo por malpareamento12,13. Uma vez que as bases malpareadas não são reparadas nas células de pessoas com esta síndrome, as mutações se acumulam muito mais rapidamente que nas células de pessoas não afetadas. Isto pode levar ao desenvolvimento de tumores no cólon.
  • Pessoas com xeroderma pigmentoso são extremamente sensíveis à luz UV. Esta condição é causada por mutações que afetam a via de reparo por excisão de nucleotídeo. Quando essa via não funciona, dímeros de timina e outras formas de dano por UV não podem ser reparados. Pessoas com xeroderma pigmentoso desenvolvem queimaduras graves com apenas alguns minutos ao sol e cerca de metade delas irá ter câncer de pele ao redor dos 10 anos de idade a menos que evitem tomar sol14.

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