Uracil în ADN: eroare sau semnal? Understand article

Tradus de Nadia Bucurenci. Uracilul este recunoscut ca una din bazele folosite în ARN, dar de ce nu există şi în ADN - sau există? Angéla Békési şi Beáta G Vértessy investighează.

Timină versus uracil

Informaţia genetică este stocată ca ADN, folosind un alfabet de patru litere. Cele patru ‘litere’ corespund celor patru baze chimice care se găsesc în fiecare nucleotid (unitate structurală a ADN): adenina (A), timina (T), citozina (C) şi guanina (G, vezi Figura 1). Conform faimoasei descoperiri a lui James Watson şi Francis Crick, ADN este format dintr-un dublu helix în care cele patru baze se împerechează întotdeauna în acelaşi fel, prin legături de hidrogen specifice: adenina se leagă de timină iar guanina de citozină (vezi Figura 2 şi 3).

Figura 1: Componentele esenţiale ale unui nucleotid, unitatea structurală de bază a ADN. Deoxiriboza şi gruparea fosfat rămân aceleaşi, în timp ce baza organică poate fi una din cele patru: A, T, G şi C. Clicați pe imagine pentru a o mări
Pentru imagini, multumim Nicola Graf

Figura 2: Structura chimică a ADN, cu perechile de baze A-T şi G-C. Bazele, legate prin legături de hidrogen, unesc cele două catene de zahar – fosfat. Clicați pe imagine pentru a o mări
Pentru imagini, multumim Madeleine Price Ball; provenienţa imaginii: Wikimedia Commons

Figura 3: Structura dublu helix a ADN. Clicați pe imagine pentru a o mări
Pentru imagini, multumim Forluvoft; provenienţa imaginii: Wikimedia Commons

Există, totuşi, şi o a cincea literă: uracilul (U), care formează acelaşi tip de legături de hidrogen cu adenina (vezi Figura 4). Uracilul este folosit în mod obişnuit în ARN, dar nu şi în ADN, unde este înlocuit cu timina. De ce se întâmplă asta?

Figura 4: Perechea de baze formată din guanină şi citozină este stabilizată de trei legături de hidrogen, în timp ce adenina se leagă de timină doar prin două legături de hidrogen. Grupările funcţionale ale citozinei şi timinei, responsabile de formarea legăturilor de hidrogen, sunt încadrate în roşu. Citozina poate suferi o dezaminare hidrolitică spontană, transformându-se în uracil, bază care are aceeaşi capacitate de a forma legături de hidrogen ca şi timina. Clicați pe imagine pentru a o mări
Pentru imagini, multumim Angéla Békési

Din punct de vedere chimic, timina este o moleculă de uracil cu o grupare metil suplimentară. Sub aspectul  evoluţiei, care ar fi avantajul utilizării în ADN a acestei unităţi structurale mai complexe? Răspunsul s-ar putea găsi în mecanismul prin care celula corectează defectele apărute în ADN.

Figura 5: Dezaminarea
hidrolitică a citozinei poate
schimba aminoacidul
codificat de secvenţa
respectivă de baze. Clicați pe
imagine pentru a o mări

Pentru imagini, multumim
Nicola Graf

Citozina se poate transforma spontan în uracil, printr-un proces numit dezaminare hidrolitică (vezi Figura 4). Când acest lucru se întâmplă, guanina, care fusese legată de molecula respectivă de citozină, se regăseşte vis-a-vis de un uracil (amintiţi-vă că uracilul se leagă de adenină). În cursul următoarei replicări a ADN-ului, poziţia vis-a vis de uracil va fi ocupată de o adenină, care va înlocui guanina şi va modifica astfel mesajul codificat de secţiunea respectivă de ADN (vezi Figura 5). Dezaminarea citozinei este unul din cele mai frecvente tipuri de defecte ale ADN, care sunt corectate eficient, de obicei. Cum reuşeşte celula să facă asta?

Figura 6: Repararea
dezaminării hidrolitice.
Clicați pe imagine pentru a o
mări

Pentru imagini, multumim
Nicola Graf

Celula are un sistem de reparaţie care detectează uracilul apărut în locul unei citozine şi corectează greşeala înainte să fie replicată şi transmisă mai departe. Ansamblul complex capabil să facă asta este compus din mai multe enzime: în primul rând, ADN-uracil glicozilazele recunosc uracilul şi îl desprind de ADN. Apoi, mai multe enzime contribuie la eliminarea şi re-sintetizarea porţiunii deteriorate de ADN; în timpul acestui proces situsul fără bază (’gol’) din ADN este înlocuit cu o citozină (vezi Figura 6).

Totuşi, cele mai comune forme de ADN-uracil glicozilază nu ‘văd’ cu ce bază este împerecheat uracilul, adicădacă uracilul se află de drept acolo (dacă este legat de o adenină) sau dacă este o citozină transformată (şi este legat de o guanină); enzima recunoaşte şi desprinde ambele tipuri de uracil. Evident, asta crează probleme. Se presupune că soluţia la această problemă potenţială a fost evoluţia unui mecanism prin care uracilul ‘corect’ (împerecheat cu o adenină) a fost marcat cu o grupare metil – transformându-se în timină. În felul acesta, dacă maşinăria celulară găsea un uracil, îl desprindea şi repara eroarea dar dacă găsea un uracil cu o grupare metil – o timină (vezi Figura 4) – îl lăsa pe loc. Astfel, în timp, timina a înlocuit uracilul în ADN şi cele mai multe celule folosesc uracilul numai în ARN.

De ce rămâne uracilul în ARN? ARN are viaţa mult mai scurtă decât ADN şi – cu puţine excepţii – nu este depozitarul informaţiei genetice pe termen lung, deci transformarea spontană a moleculelor de citozină din ARN nu reprezintă o ameninţare serioasă pentru celulă. Astfel, se pare că în cazul ARN nu a existat o presiune evoluţionară pentru înlocuirea uracilului cu timina, moleculă mai complexă (şi probabil mai costisitoare).

Figura 7: Dacă raportul dUTP:
dTTP creşte, ADN polimeraza
incorporează frecvent uracil
în loc de timină atât în cursul
replicării cât şi al reparaţiei.
ADN-uracil glicozilaza
îndepărtează uracilul şi
iniţiază continuarea reparării
care implică, în etape
intermediare, ruperea catenei
de ADN. Totuşi, în cursul
sintezei consecutive, uracilul
poate fi reintrodus, şi ciclul
inutil de reparare a ADN se
reia. Până la urmă, sistemul
fiind suprasolicitat, se
produce fragmentarea
cromozomilor şi moartea
celulară Clicați pe imagine
pentru a o mări

Pentru imagini, multumim
Angéla Békési

Moarte celulară prin lipsa timinei

În cursul sintezei ADN, ADN polimerazele (care catalizează sinteza) nu pot deosebi timina de uracil. Ele pot doar să verifice dacă legăturile de hidrogen sunt bine formate, adică dacă bazele sunt împerecheate corect. Pentru aceste enzime este indiferent dacă de adenină se leagă timina sau uracilul. În mod normal, în celulă nivelul de deoxiuridin trifosfat (dUTP, sursă de uracil) este menţinut foarte scăzut faţă de nivelul de deoxitimidin trifosfat (dTTP, sursă de timină), pentru a evita încorporarea uracilului în cursul sintezei ADN.

Dacă această normă strictă este încălcată şi raportul dUTP: dTTP creşte, va creşte şi cantitatea de uracil încorporat incorect în ADN. În acel moment, sistemul de reparare – care, spre deosebire de ADN polimerază, distinge uracilul de timină – încearcă să îndepărteze uracilul cu ajutorul ADN-uracil glicozilazei şi să re-sintetizeze ADN-ul, ceea ce implică o clivare (tăiere) temporară a catenei ADN. Totuşi, în condiţiile în care raportul dUTP: dTTP este tot ridicat, în cursul re-sintezei se poate încorpora tot uracilul în locul timinei. Dacă aceste tăieri temporare ale ADN au loc una după alta şi prea aproape una de alta (vezi Figura 7), repetarea acestui ciclu duce în final la ruperea catenei de ADN şi fragmentarea cromozomilor. Rezultatul este un tip specific de moarte celulară programată numită moarte celulară prin lipsa timinei (thymine-less).

Procesul de moarte celulară prin lipsa timinei poate fi exploatat terapeutic în tratamentul cancerului. Întrucât celulele canceroase proliferează cu o viteză mult mai mare decât celulele normale, ele sintetizează o cantitate mai mare de ADN în aceeaşi periodă de timp şi au nevoie, pentru asta, de cantităţi mari de dUTP. Prin creşterea raportului dUTP: dTTP, aceste celule canceroase pot deveni obiectul unei eliminări selective.

Există şi ADN cu uracil

Deşi majoritatea celulelor folosesc uracil pentru ARN şi timină pentru ADN, exista şi excepţii. Anumite organisme au uracil în loc de timină în tot ADN-ul, iar alte organisme au uracil numai în parte din ADN. Care ar putea fi avantajul acestei situaţii din punct de vedere evoluţionar? Să vedem câteva exemple.

Uracil în ADN viral

Imagine artistică a unui virus
fag care infectează o celulă
bacteriană

Pentru imagini, multumim
cdascher / iStockphoto

Sunt cunoscute două specii de fagi (viruşi care infectează bacteriile) care au genomul ADN numai cu uracil şi fără timina. Nu se ştie deocamdată dacă aceşti fagi sunt reprezentanţii unei forme de viaţă străveche care nu a avut niciodată ADN cu timină, sau dacă genoamele lor substituite cu uracil reprezintă o strategie nou elaborată. Nu ştim nici de ce utilizează aceşti fagi uracil în loc de timină, dar ar putea fi esenţial pentru ciclul de viaţă al acestor virusuri. Dacă acesta este cazul, ar fi normal ca virusurile să se asigure că uracilul din ADN-ul lor nu este înlocuit cu timină. Şi întradevăr, s-a demonstrat că unul din aceşti fagi are o genă care codifică o proteină inhibitoare pentru ADN-uracil glicozilaza gazdei, ceea ce face ca uracilul din ADN-ul viral să nu poată fi ‘reparat’ de enzimele gazdei.

Moarte celulară programată în ciclurile de viaţă ale insectelor

Furnicilor din ordinul
Endopterygota le lipseşte
enzima capabilă să
îndepărteze uracilul din
ADN-ul propriu

Pentru imagini, multumim
spxChrome / iStockphoto and
Nicola Graf

ADN-ul cu uracil pare să aibă un rol şi în dezvoltarea endopterygotelor – insecte care trec prin faza de pupă în cursul ciclului vieţii (furnicile şi fluturii trec, lăcustele şi termitele nu trec). Acestor insecte le lipseşte gena principală pentru ADN-uracil glicozilază, care altminteri ar îndepărta uracilul din ADN.

Mai mult, cercetările noastre au arătat că, la larvele musculiţei de oţet Drosophila melanogaster, raportul dUTP: dTTP este reglat într-o manieră neobişnuită. În toate ţesuturile care nu vor fi necesare în insecta adultă, enzima care descompune dUTP şi generează un precursor pentru producţia de dTTP se găseşte în concentraţii mult scăzute. În consecinţă, în cursul sintezei ADN, în aceste ţesuturi se încorporează cantităţi semnificative de uracil.

Astfel, în faza larvară, ADN cu uracil se produce, şi pare să nu fie ‘reparat’ în ţesuturile care vor fi degradate în faza de pupă. Cum acestor insecte le lipseşte ADN-uracil glicozilaza, factori suplimentari specifici pentru ADN cu uracil ar putea să recunoască, în faza de pupă, uracilul acumulat ca pe un semnal pentru iniţierea morţii celulare. O proteină specifică insectelor, capabilă să degradeze ADN-uracil, a fost deja identificată şi se studiază posibilitatea ca această enzimă să fie folosită pentru iniţierea morţii celulare programate.

Prezenţa uracilului în
secvenţele genelor pentru
anticorpi provoacă o reacţie
de reparare a ADN, care are
ca efect creşterea diversităţii
anticorpilor. Un rezervor de
anticorpi extins creşte şansa
sistemului imun de a
recunoaşte invadatorii
nepoftiţi.

Pentru imagini, multumim
taramol / iStockphoto

Erori avantajoase: sistemul imun vertebrat

Totuşi, uracilul în ADN poate fi găsit şi mai aproape de noi – adică în sistemul imun al unor vertebrate asemenea nouă. Sistemul imun adaptativ, care este parte a sistemului nostru imun, produce în număr mare diferiţi anticorpi care ne protejează de patogeni specifici. Pentru mărirea numărului de anticorpi diferiţi care pot fi creaţi, secvenţele ADN din regiunile care codifică anticorpii sunt rearanjate nu numai prin recombinarea secvenţelor existente ci şi prin crearea de noi secvenţe printr-un proces de hipermutaţie (creştere enormă a ratei mutaţiei).

Hipermutaţia începe prin acţiunea unei enzime specifice (o deaminază indusă prin activare) care transformă citozina în uracil (vezi Figura 4) în zone ADN specifice, provocând o reacţie de reparare precară, pe care organismul o foloseşte în avantajul său. ‘Erorile’ generează secvenţe noi care pot fi folosite pentru crearea de anticorpi diferiţi. Totuşi, acest sistem este foarte strict reglat, pentru că dacă scapă de sub control duce la cancer.

Pentru a răspunde la întrebarea de ce uracil sau de ce timină, trebuie luat în considerare contextul evoluţionar. Organismele vii au evoluat într-un mediu în continuă schimbare, făcând faţă unui set dinamic de provocări. Astfel, pentru cele mai multe organisme şi celule este avantajoasă o soluţie care evită încorporarea de erori în ADN, ceea ce explică de ce ADN – timina a devenit regula. Totuşi, în anumite condiţii, ’erorile’ pot fi benefice şi de aceea anumite celule încă folosesc uracilul în ADN.

Download

Download this article as a PDF

Resources

Author(s)

Angéla Békési s-a născut în 1977 la Kaposvár, Ungaria. În 2001, a absolvit chimia la Eötvös Loránd University of Sciences şi teologia la Pázmány Péter Catholic University (amândouă în Budapesta, Ungaria), după ce s-a alăturat laboratorului condus de Beáta Vértessy în 2000 ca studentă. În 2001, a început un doctorat în reglarea reparării ADN-uracil şi procesarea uracilului la insectele care trec prin faza de pupă. În 2007, a identificat o proteină nouă drept candidat pentru un nou tip de senzor pentru ADN-uracil şi a primit titlul de doctor în biochimie structurala la Eötvös Loránd University of Sciences. Îşi continuă activitatea ca cercetător postdoctoral şi a fost ambasador al şcolii în programul SET-Routes (www.set-routes.org/school/index.html).

Beáta G Vértessy s-a născut la Budapesta, Ungaria şi s-a pregătit în ştiinţe biologice. Are un MSc de la University of Chicago, USA, un PhD/CSs de la Eötvös Loránd University din Budapesta şi Hungarian Academy of Sciences şi un DSc de la Hungarian Academy of Sciences. Din 2000, a fost şeful unui laborator focalizat pe metabolismul şi repararea genomică la Institute of Enzymology, Budapesta, Ungaria. Cercetările curente ale laboratorului sunt orientate spre studierea prevenirii, recunoaşterii şi reparării uracilului în ADN din perspectiva biologiei structurale şi celulare.


Review

Articolul demonstrează că ştiinţa nu doarme niciodată, zdruncinând teoria prezenţei uracilului exclusiv în ARN. Aşa cum se explică în articol, aceasta nu este întotdeauna adevărat. Şi chiar atunci când este, de ce trebuie să fie aşa?

Întrebări ajutătoare, pentru a sprijini elevii să înţeleagă articolul:

  1. Descrieţi structura legăturii dintre două perechi de baze complementare din ADN.
  2. Care dintre baze este înlocuită în ARN?
  3. Descrieţi şi desenaţi o schemă a căii de reparare enzimatice declanşată atunci când uracilul este găsit în ADN.
  4. Raportul căror molecule trebuie modificat pentru a opri celulele canceroase să crească şi să se dividă?
  5. De ce este uracilul ’tolerat’ în ARN?
  6. Ce organisme vii folosesc ADN-uracil şi cum?

Friedlinde Krotscheck, Austria




License

CC-BY-NC-ND