Donde se hace el daño de fumar cigarrillos. . . Hasta tu ADN

Una nueva técnica de científicos de la Facultad de Medicina de la UNC dirigidos por el ganador del Premio Nobel Aziz Sancar revela el daño en el ADN de todo el genoma que causa un carcinógeno importante.

Los científicos saben desde hace décadas que fumar cigarrillos daña el ADN, lo que conduce al cáncer de pulmón. Ahora, por primera vez, los científicos de la Facultad de Medicina de la UNC crearon un método para mapear de manera efectiva ese daño en el ADN a alta resolución en todo el genoma.

La innovación proviene del laboratorio del premio Nobel Aziz Sancar, MD, PhD, Profesor de Bioquímica y Biofísica Sarah Graham Kenan en la Facultad de Medicina de la UNC. En un estudio publicado en Proceedings of the National Academy of Sciences , Sancar y su equipo desarrollaron una técnica útil para mapear sitios en el genoma que se están reparando luego de un tipo común de daño en el ADN. Luego utilizaron esa técnica para mapear todos los daños causados ​​por el principal carcinógeno químico: el benzo[α]pireno.

“Este es un carcinógeno que representa alrededor del 30 por ciento de las muertes por cáncer en los Estados Unidos, y ahora tenemos un mapa de todo el genoma del daño que causa”, dijo Sancar, quien también es miembro de UNC Lineberger Comprehensive Cancer. Centro.

Mapas como estos ayudarán a los científicos a comprender mejor cómo se originan los cánceres inducidos por fumar, por qué algunas personas son más vulnerables o resistentes a los cánceres y cómo se pueden prevenir estos cánceres. Sancar también espera que proporcionar evidencia tan clara y específica del daño de fumar a nivel celular pueda inducir a algunos fumadores a dejar el hábito. Hay alrededor de 40 millones de fumadores en los Estados Unidos y mil millones en todo el mundo.

“Sería bueno si esto ayudara a crear conciencia sobre lo dañino que puede ser fumar”, dijo. “También sería útil para los desarrolladores de fármacos si supiéramos exactamente cómo se repara el daño del ADN en todo el genoma”.

BaP: ¿El principal carcinógeno químico de la Tierra?

El benzo[α]pireno (BaP) es miembro de una familia de hidrocarburos simples, resistentes y ricos en carbono (hidrocarburos aromáticos policíclicos) que pueden formarse incluso en el espacio exterior. Los científicos creen que estas moléculas podrían haber sembrado vida simple basada en el carbono en la Tierra y otros planetas. Pero para las formas de vida basadas en el ADN más evolucionadas y complejas (los humanos, por ejemplo), el BaP representa un peligro ambiental grave. Es un subproducto de la quema de compuestos orgánicos, como las plantas de tabaco. Las formas cotidianas de combustión, desde los incendios forestales hasta los motores diésel y las parrillas para barbacoa, generan una gran cantidad de BaP en nuestro aire, suelo y alimentos. Pero nada en la vida ordinaria lo lleva al tejido humano de manera más eficiente que dar una calada a un cigarrillo encendido.

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Por lo general, cuando un hidrocarburo tóxico ingresa a una persona al respirar o comer, las enzimas en nuestra sangre lo descomponen en moléculas más pequeñas y seguras. Eso también sucede con el BaP, pero las reacciones protectoras también producen un compuesto llamado epóxido de benzo[α]pireno diol (BPDE), que resulta ser peor que el propio BaP.

El BPDE reacciona químicamente con el ADN, formando un vínculo muy estrecho en la nucleobase guanina. Este enlace, o aducto, significa que los genes ya no pueden producir proteínas adecuadas y el ADN no se puede duplicar correctamente durante la división celular. Y si eso sucede, la enfermedad puede ser el resultado.

“Si se produce un aducto de BPDE en un gen supresor de tumores y no se repara de manera oportuna, puede conducir a una mutación permanente que convierte a una célula en cancerosa”, dijo Wentao Li, PhD, investigador postdoctoral y autor principal del estudio. .

No hay duda sobre la carcinogenicidad básica de la reacción química. Pinte una dosis moderada de BaP en la piel de un ratón de laboratorio y es casi seguro que los tumores erupcionen. BaP, a través de BPDE, ha sido reconocido durante mucho tiempo como un promotor de múltiples tipos de cáncer y se considera la causa más importante de cáncer de pulmón.

Reparaciones en curso

El nuevo método de Sancar para mapear el daño del ADN inducido por BaP permite a los científicos identificar los sitios en el genoma donde las células intentan reparar el daño. Sancar ganó una parte del Premio Nobel de Química de 2015 por descifrar el funcionamiento detallado de este proceso de reparación bioquímica.

Conocida como reparación por escisión de nucleótidos, implica el reclutamiento de proteínas especiales que realizan la cirugía del ADN. Cortan la hebra de ADN afectada. Si todo va bien, las enzimas sintetizadoras de ADN reconstruyen la sección faltante de ADN a partir de otra hebra no afectada. Esto es posible porque todas las formas de vida basadas en células en la Tierra tienen dos cadenas complementarias de ADN. Mientras tanto, la sección de ADN dañada y cortada flota libre hasta que las moléculas de la basura eventualmente la degradan.

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Esos fragmentos de ADN dañado que flotan libremente pueden ser basura para la célula, pero son oro sólido para un científico que quiere mapear todo el daño en un genoma. Con el nuevo método, los científicos pueden etiquetar y recopilar estos fragmentos descartados, secuenciarlos y luego unir sus secuencias, como pequeñas piezas de un rompecabezas gigante, para crear un mapa del genoma. Al final, los científicos tienen un mapa completo de los sitios donde han comenzado las reparaciones del ADN dañado.

Dado el esfuerzo y los gastos necesarios para la secuenciación del ADN, el mapa inicial de prueba de principio publicado por Sancar, Li y sus colegas no tiene la resolución más alta posible. Pero señala el camino hacia el uso científico rutinario de dichos mapas, especialmente a medida que bajan los costos, para comprender mejor cómo los eventos que dañan el ADN conducen a la enfermedad y la muerte.

Esta técnica de mapeo debería ayudar a responder varias preguntas, tales como:

  • ¿Qué dosis de una toxina se necesita para abrumar la capacidad de reparación por escisión de nucleótidos de una persona promedio?
  • ¿Qué variaciones, y en qué genes, dan a las personas más o menos capacidad para reparar ese daño en el ADN?
  • ¿Hay ciertos puntos en el genoma donde las reparaciones exitosas son inherentemente menos probables?

Incluso con su mapa inicial de resolución media, Sancar y sus colegas pudieron demostrar que las reparaciones del daño por BPDE tienden a ocurrir con más frecuencia cuando la guanina cargada de BPDE (G) está junto a una citosina (C) en lugar de una timina (T). ) o adenina (A). Esto sugiere que hay “puntos críticos” de mayor riesgo de mutación inducida por BPDE.

“Comprender este sesgo en la reparación debería ayudarnos a comprender mejor por qué la exposición a toxinas como BaP tiende a causar ciertas mutaciones genéticas”, dijo Li.

Pensando en el futuro

En estudios publicados en 2015 y 2016, Sancar y sus colegas utilizaron versiones anteriores de su técnica para mapear otros dos tipos de daños en los aductos del ADN: uno provocado por la luz ultravioleta y el otro por el fármaco de quimioterapia común cisplatino. Esos estudios de mapeo requerían un paso químico adicional: eliminar el daño de un fragmento extirpado antes de secuenciarlo, porque la enzima de lectura de ADN necesaria para el proceso de secuenciación se atascaría en el aducto. Por el contrario, la nueva técnica emplea enzimas “translesionales” con dimensiones que le permiten seguir leyendo una hebra de ADN incluso cuando está presente un aducto voluminoso de BPDE.

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“Este nuevo método se puede aplicar a cualquier tipo de daño en el ADN que implique la reparación por escisión de nucleótidos”, dijo Sancar.

Sancar, Li y sus colegas ahora están utilizando la nueva técnica para mapear la reparación del daño en el ADN asociado con otras toxinas ambientales. Su próximo proyecto se centra en las aflatoxinas, una familia de moléculas producidas por moho que a menudo se encuentran en nueces y granos mal almacenados. Estas toxinas dañan el ADN y son las principales causas de cáncer de hígado en los países en desarrollo.

Los investigadores también están realizando más estudios para descubrir los factores que influyen en dónde y si se produce la reparación del ADN por escisión de nucleótidos. Para hacer eso, necesitan mapear los sitios de daño real en el propio genoma, no solo los fragmentos dañados que se extirpan durante las reparaciones.

En uno de esos proyectos, han desarrollado un método sensible de alta resolución para mapear el daño real del ADN causado por la luz ultravioleta. Al combinar ese método con el mapeo de reparación, descubrieron que el daño UV al ADN parece ser esencialmente uniforme, aunque el proceso de reparación no lo es. La reparación parece verse afectada por una serie de factores, incluida la forma en que se copia activamente un tramo determinado de ADN para codificar la fabricación de proteínas. Actualmente están aplicando este método a BaP para complementar el mapa de reparación que han generado.

Eso nuevamente apunta a la probabilidad de puntos críticos donde es menos probable que ocurra la reparación y es más probable que surjan mutaciones.

“Estoy seguro”, dijo Sancar, “de que toda esta información conducirá a una mejor comprensión de por qué ciertas personas están predispuestas al cáncer y qué mutaciones relacionadas con el tabaquismo conducen específicamente al cáncer de pulmón”.

Y eso, a su vez, podría tener implicaciones para el desarrollo de más terapias dirigidas en el futuro.

Los Institutos Nacionales de Salud financiaron este trabajo.

Contacto con los medios: Mark Derewicz, 984-974-1915, [email protected]

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