The evolutionary landscape of the DNA damage response network: a computational approach
- Autores: Aida Arcas Mantas
- Directores de la Tesis: Ana María Rojas Mendoza (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Pompeu Fabra ( España ) en 2013
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Cedric Notredame (presid.), Tanya Vavouri (secret.), Óscar Fernández Capetillo (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: TDX e-Repositori UPF
- Resumen
Introducción: Las células están continuamente en riesgo de sufrir daño en el ADN, ya sea desde fuentes exógenas (radiación ionizante, rayos ultravioletas, agentes químicos, etc) o endógenas (errores en la replicación del ADN, especies reactivas de oxígeno, etc) (1,2). Para detectar las lesiones en el ADN, señalizar su presencia y promover la reparación del daño, las células han desarrollado una sofisticada e intrincada red the pathways que conjuntamente constituyen la respuesta al daño en el ADN (DDR).
Dependiendo de la naturaleza de la lesión en el ADN (3), del tipo de célula, de la fase del ciclo celular en la que tiene lugar el daño (4), y de si el ADN puede repararse (5), distintos sistemas de reparación del ADN pueden entrar en acción para reparar el ADN dañado. Estos sistemas han sido muy estudiados (6-9), y los principales se pueden clasificar en Reparación de un malapareamiento (Mismatch Repair (MMR)), Reparación de excisión de bases (Base Excision Repair (BER)), Reparación por escisión de nucleótidos (Nucleotide Excision Repair (NER)), Recombinación homóloga (Homologous Recombination (HR)) y Recombinación no homóloga (Non-Homologous End-Joining (NHEJ)).
La existencia de estas rutas permite evitar o minimizar posibles alteraciones de las estructuras genómicas que podrían llevar a la pérdida de control proliferativo o a la muerte celular, por lo que asegura la transmisión fidedigna de la información genética a la siguiente generación.
La DDR tiene mucho interés por su implicación en cáncer (10-12) y enfermedades tales como Ataxia-telangiectasia (13), Síndrome de Seckel (14), Síndrome de Nijmegen (15), etc. Además, las alteraciones en esta red generan inestabilidad genómica que amenaza la viabilidad de la célula. Esto ha hecho que se estudie enormemente en humanos (16-18), donde varios componentes de la DDR se han estudiado en detalle (19-21).
Las rutas de DDR contienen cuatro componentes principales: sensores, mediadores, transductores de la señal, y efectores. La DDR se inicia cuando se detecta el daño en el ADN en el punto de rotura mediante una serie de proteínas. Después, varios mediadores son reclutados y entonces una cascada de señalización amplifica la señal para activar checkpoints del ciclo celular y la reparación del ADN, o para inducir senescencia o apoptosis.
Gran parte del conocimiento actual sobre la DDR se basa en el estudio de las kinasas ATM y ATR, las cuales, además de coordinar la reparación del ADN, también regulan una amplia variedad de actividades celulares que van desde la replicación y transcripción del ADN, a la señalización metabólica o al splicing del ARN (22, 23). La regulación defectuosa de cualquiera de estas actividades causa inestabilidad genómica tras el daño en el ADN.
Aunque se han aislado muchos componentes de DDR en los puntos de rotura del ADN, se conoce muy poco sobre las interacciones precisas que tienen lugar entre los distintos componentes, lo que ha generado la publicación de muchos estudios, algunos contradictorios. Estudios recientes han aumentado el número de componentes relacionados con la DDR, aunque todavía se desconocen en gran medida los procesos funcionales ya que los estudios se realizan principalmente en líneas celulares bajo condiciones experimentales.
Por otro lado, aunque todos los organismos deberían tener un sistema de detección del daño para contrarrestar los efectos deletéreos de la inestabilidad genómica, hay poca información disponible. Debido a las grandes diferencias en la biología de las distintas especies, es esperable encontrar enormes diferencias en el ensamblaje de la suma de rutas que componen la DDR. Sin embargo, hay algo en común entre todas las especies, y es que para que un organismo pueda sobrevivir, sus células han de replicarse fidedignamente. De hecho, cada vez que una célula se replica, hay cierto daño causado por el estrés replicativo. Por eso, debe haber un sistema de detección y reparación de daño universal para evitar la inestabilidad genómica.
Objetivo: Nuestro objetivo es delinear el repertorio de proteinas implicadas en DDR a lo largo de la evolución y determinar qué procesos han intervenido en el ensamblaje de estas rutas.
Métodos: La respuesta al daño en el ADN (DDR) es una red de señalización esencial que mantiene la integridad genética. Esta red es un conjunto de sub-redes distintas, pero a menudo solapantes, donde los componentes que participan desempeñan diversas funciones según marcos espacio-temporales precisos. Para comprender cómo estas sub-redes han surgido a lo largo de la evolución y cómo se han ido ensamblando, hemos buscado componentes de DDR en 47 especies que cubren el árbol de la vida. Para ello hemos identificado secuencias ortólogas con InParanoid (24), hemos construido perfiles filogenéticos de las proteínas y hemos agrupado los resultados para identificar distintos grupos de proteínas que han aparecido a lo largo de la evolución. También hemos analizado la composición de dominios de las secuencias de DDR y se han detectado homólogos remotos.
Asimismo, hemos analizado las propiedades evolutivas y funcionales de las proteínas de DDR según distintas edades de genes y siguiendo varias clasificaciones. Finalmente, hemos mapeado los resultados en la ruta canónica de DDR en humanos, y hemos hecho comparaciones entre los distintos organismos.
Resultados Esta es la primera vez que un análisis sistemático cubre la evolución global de la red de DDR. Nuestros resultados indican que la mayoría de los componentes de la DDR son genes antiguos, que todas las sub-redes contienen al menos un representante trazable hasta procariotas, y que el núcleo ancestral de la maquinaria de DDR está principalmente relacionado con reparación, y se construyó sobre actividades de detección y efectores.
Modificaciones post-transduccionales tales como fosforilaciones, acetylaciones, sumoylaciones y ubiquitinaciones ya estaban presentes en los eucariotas antiguos.
Conclusión A lo largo de la evolución, la ampliación de la red ha ocurrido a través de la adición de nuevos componentes que han evolucionado para interaccionar y funcionar junto a los antiguos, lo que puede haber incrementado la complejidad de la red de DDR en términos de precisión y de comunicación con otras redes.
Bibliografía 1. Lindahl T & Barnes DE (2000) Repair of endogenous DNA damage. Cold Spring Harb Symp Quant Biol 65:127-133 .
2. Friedberg E, Walker G, Siede W, Wood R, Schultz R, & Ellenberg T (2006) DNA Repair and Mutagenesis. Washington: ASM Press. p. 1118. ISBN 978-1555813192. 3. Lisby M, Barlow JH, Burgess RC, & Rothstein R (2004) Choreography of the DNA damage response: spatiotemporal relationships among checkpoint and repair proteins. Cell 118(6):699-713 .
4. Bartek J & Lukas J (2001) Mammalian G1- and S-phase checkpoints in response to DNA damage. Curr Opin Cell Biol 13(6):738-747 .
5. Bernstein C, Bernstein H, Payne CM, & Garewal H (2002) DNA repair/pro-apoptotic dual-role proteins in five major DNA repair pathways: fail-safe protection against carcinogenesis. Mutat Res 511(2):145-178 .
6. Hoeijmakers JH (2001) Genome maintenance mechanisms for preventing cancer. Nature 411(6835):366-374 .
7. Ljungman M (2010) The DNA damage response--repair or despair? Environ Mol Mutagen 51(8-9):879-889.
8. Ciccia A & Elledge SJ (2010) The DNA damage response: making it safe to play with knives. Mol Cell 40(2):179-204 .
9. Giglia-Mari G, Zotter A, & Vermeulen W (2011) DNA damage response. Cold Spring Harb Perspect Biol 3(1):a000745.
10. Bartkova J, et al. (2005) DNA damage response as a candidate anti-cancer barrier in early human tumorigenesis. Nature 434(7035):864-870 .
11. Nuciforo PG, Luise C, Capra M, Pelosi G, & d'Adda di Fagagna F (2007) Complex engagement of DNA damage response pathways in human cancer and in lung tumor progression. Carcinogenesis 28(10):2082-2088 .
12. Poehlmann A & Roessner A (2010) Importance of DNA damage checkpoints in the pathogenesis of human cancers. Pathol Res Pract 206(9):591-601 .
13. Canman CE & Lim DS (1998) The role of ATM in DNA damage responses and cancer. Oncogene 17(25):3301-3308 .
14. O'Driscoll M, Ruiz-Perez VL, Woods CG, Jeggo PA, & Goodship JA (2003) A splicing mutation affecting expression of ataxia-telangiectasia and Rad3-related protein (ATR) results in Seckel syndrome. Nat Genet 33(4):497-501 .
15. Digweed M & Sperling K (2004) Nijmegen breakage syndrome: clinical manifestation of defective response to DNA double-strand breaks. DNA Repair (Amst) 3(8-9):1207-1217.
16. Maslov AY & Vijg J (2009) Genome instability, cancer and aging. Biochim Biophys Acta 1790(10):963-969 .
17. Hoeijmakers JH (2009) DNA damage, aging, and cancer. N Engl J Med 361(15):1475-1485 .
18. Branzei D & Foiani M (2010) Maintaining genome stability at the replication fork. Nat Rev Mol Cell Biol 11(3):208-219 .
19. Cimprich KA & Cortez D (2008) ATR: an essential regulator of genome integrity. Nat Rev Mol Cell Biol 9(8):616-627 .
20. Lee JH, Goodarzi AA, Jeggo PA, & Paull TT (2010) 53BP1 promotes ATM activity through direct interactions with the MRN complex. EMBO J 29(3):574-585 .
21. Wang J, Gong Z, & Chen J (2011) MDC1 collaborates with TopBP1 in DNA replication checkpoint control. J Cell Biol 193(2):267-273 .
22. Matsuoka S, et al. (2007) ATM and ATR substrate analysis reveals extensive protein networks responsive to DNA damage. Science 316(5828):1160-1166 .
23. Paulsen RD, et al. (2009) A genome-wide siRNA screen reveals diverse cellular processes and pathways that mediate genome stability. Mol Cell 35(2):228-239 .
24. Remm M, Storm CE, & Sonnhammer EL (2001) Automatic clustering of orthologs and in-paralogs from pairwise species comparisons. J Mol Biol 314(5):1041-1052 .
