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7.6: Reparación del ADN - Biología


Estrictamente definido, el mecanismo de reparación más simple no utiliza una enzima. Desalquilación o eliminación de grupos alquilo (como —CH3 o —C2H5) implica solo la transferencia de un grupo alquilo de una O6-metilguanina o O6-etilguanina a O6-alquilguanil-ADN alquiltransferasa. A pesar del nombre, la alquiltransferasa no es realmente una enzima, ya que la reacción la altera e inactiva permanentemente y, por lo tanto, no se ajusta a la definición de catalizador. Tenga en cuenta que esto no remedia la alquilación en N7 u otros sitios, solo los enlazados con O6.

El siguiente mecanismo de reparación más simple es el desacoplamiento de los dímeros de pirimidina ciclobutilo. Esto se puede lograr mediante la actividad del ADN. fotoliasas, también conocidas como enzimas fotorreactivadoras. Estos se nombran no solo porque la formación de los dímeros de ciclobutilo de pirimidina generalmente se debe a la exposición a la luz UV, sino porque las enzimas de reparación en sí mismas requieren exposición a la luz (300-500 nm, casi UV a azul visible) para catalizar la reacción de ruptura del dímero. .

Más específicamente, las fotoliasas de ADN (una proteína de ~ 60 kD) están asociadas de forma no covalente con un cromóforo (N5,NORTE10-metileniltetrahidrofolato o 5-desazaflavina) y un FADH-. La fotoliasa se une al dímero de pirimidina ciclobutilo de ADN monocatenario o bicatenario de una manera independiente de la luz y de la secuencia. Sin embargo, no cataliza ningún cambio en el enlace hasta que la luz es absorbida por el cromóforo, que luego transfiere la energía a FADH, lo que hace que expulse un electrón al dímero, rompiendo así.

Si bien la desalquilación y la lisis de dímeros son procesos relativamente simples que solo realizan un cambio sutil en el ADN, los mecanismos de reparación por escisión son más complicados y requieren múltiples pasos enzimáticos para completarse. Cuando una lesión pequeña (no estéricamente voluminosa) se limita a una sola base, ya sea ausente por depurificación o mal formada debido a desaminación o incorporación incorrecta, el proceso conocido como reparación de escisión de base (BER) está activado. Como se ilustra en la Figura ( PageIndex {20} ), si se reconoce una base no convencional, se elimina mediante un ADN glicosilasa. En la actualidad (búsqueda en Genbank, julio de 2009), existen al menos 8 genes específicos que codifican las glicosilasas de ADN humano, aunque tres codifican glicosilasas que reconocen el uracilo en diversas situaciones. Una vez que la base ha sido eliminada por la glicosilasa, se recluta una endonucleasa para romper los enlaces fosfodiéster que retienen la fosfodesoxirribosa ahora vacía. El espacio resultante en el ADN se rellena con una ADN polimerasa y finalmente la hebra se vuelve a conectar mediante ADN ligasa.

En el caso de lesiones voluminosas que alteran significativamente la presentación física del ADN a las polimerasas y otras enzimas que procesan el ADN, se involucra un tipo diferente de proceso de reparación. Reparación por escisión de nucleótidos (NER), quizás mejor denominada escuela politécnicaLa reparación por escisión de nucleótidos implica la eliminación de la lesión, así como algunos de los nucleótidos en las inmediaciones. Hay dos iniciadores principales de NER: o una porción no transcripcionalmente activa del ADN es escaneada por XPC (Figura ( PageIndex {21} ) A), que reconoce una lesión voluminosa y recluta el complejo de reparación, o como un el gen se transcribe, la ARN polimerasa se encuentra con una lesión y luego recluta el complejo de reparación a través de CSA y CSB (Figura ( PageIndex {21} ) F y G). Si la detección es a través de XPC, uno de los factores de reparación tempranos reclutados en el sitio es el factor de transcripción IIH / XPB / XPD, que es una helicasa de ADN (Figura ( PageIndex {21} ) B). Este tipo de detección del genoma global es ineficaz y relativamente lento, pero proporciona un nivel basal de comprobación de errores para todo el ADN. En el caso de la transcripción de ADN, el complejo de ARN polimerasa ya incluye TFIIH, del que forman parte XPB y XPD. Esta detección dirigida por la transcripción es más eficaz y se dirige a las partes del ADN que se utilizan más en una célula determinada. En el siguiente paso (Figura ( PageIndex {21} ) C), XPG, asociado con BRCA1 / 2, y XPF, asociado con ERCC1, extirpan una parte de la hebra afectada, incluida, entre otras, la lesión en sí. La ADN polimerasa δ o ε se puede agregar al 3'OH libre para llenar el espacio en función de la secuencia de la hebra complementaria (Figura ( PageIndex {21} ) D). Finalmente, la reparación está conectada en su extremo 3 'al resto de la hebra por ADN ligasa (Figura ( PageIndex {21} ) E).

El "XP" en XPC, XPB, XPD y los otros en la Figura ( PageIndex {21} ) se refiere a la xeroderma pigmentosa, otra enfermedad autosómica recesiva, cuya característica principal es la formación de carcinomas de piel a una edad temprana. . Debido a que la NER es una forma importante de reparación del dímero de pirimidina (además de las fotoliasas), su alteración por mutaciones en uno o más de los genes XP conduce a una sensibilidad extrema a las lesiones inducidas por rayos UV. Las personas afectadas deben minimizar la exposición al sol. El nombre de la enfermedad proviene de las características lesiones pigmentadas (queratosis) que a menudo se forman en la piel cuando se expone al sol.

CSA y CSB reciben el nombre del síndrome de Cockayne, un trastorno de envejecimiento autosómico recesivo. Las mutaciones en cualquiera de los genes pueden causar el trastorno, que se caracteriza por envejecimiento prematuro, retraso en el crecimiento, fotosensibilidad y defectos del desarrollo del sistema nervioso. Presumiblemente, eliminar la capacidad de reparación del ADN de CSA o CSB conduce a una rápida acumulación de daño, incapacidad para transcribir los genes necesarios y, finalmente, a la muerte celular.

Una especie de variación de NER es la sistema de reparación de desajustes (MMR). Esto se entiende mejor en procariotas: en E. coli, MutS es una pequeña proteína que forma homodímeros en los sitios de desajuste. Los dímeros MutS reclutan dos proteínas MutL, cada una de las cuales interactúa con una de las unidades MutS. Cada complejo MutS / MutL empuja el ADN hacia adentro, formando un bucle con el desajuste en el centro del bucle. Esto continúa hasta que uno de los complejos MutS / MutL encuentra un hemimetilado Secuencia GATC. Esto provoca el reclutamiento de MutH, una endonucleasa altamente especializada que hace una muesca de una sola hebra en la columna vertebral de la hebra no metilada. Esto proporciona una apertura para la exonucleasa I 3'-5 'o la exonucleasa VII 5'-3' (o RecJ) para degradar la hebra desde la muesca hasta el punto de desajuste. Entonces, como habrás adivinado, esto se completa con ADN polimerasa y la columna vertebral está conectada por ligasa. En eucariotas, se han descubierto múltiples homólogos de las proteínas MutS y MutL y el proceso es similar, pero aún no se comprende claramente, ya que aún no se ha descubierto ningún homólogo de MutH.

Recuerda que en E. coliLas metiltransferasas Dam eventualmente metilan el ADN como un método para proteger su genoma, pero el ADN recién sintetizado no está metilado. Por tanto, la suposición es que la hebra metilada contiene la base original y correcta, mientras que el desajuste se debe a una incorporación errónea en la hebra más nueva.

Otro sistema de reparación del ADN procariota es la respuesta SOS. Como se muestra en la Figura ( PageIndex {23} ) a continuación, si no hay daño, RecA está inactivo, por lo que la proteína LexA puede reprimir la producción de más proteínas reparadoras de SOS. Sin embargo, si hay daño, las proteínas RecA se unen al ADN monocatenario y se activan. A su vez, escinden el represor LexA, lo que permite la producción a partir de varios genes de reparación del ADN.

Hasta ahora, las reparaciones se han basado en el supuesto de que una lesión afecta solo a una hebra, y la otra hebra puede proporcionar una plantilla confiable para efectuar reparaciones sin pérdida de información. Desafortunadamente, ese no es siempre el caso, y algunas lesiones y procesos de reparación necesariamente conducen a una pérdida de secuencia. Cuando se produce una rotura de doble hebra, quizás como producto de la radiación ionizante, el mecanismo de reparación más común se conoce como Unión de extremos no homólogos (NHEJ). Los extremos bicatenarios son reconocidos primero por Ku, una proteína circular heterodimérica que une los extremos del ADN. Ku luego recluta la quinasa DNA-PKCS. El ADN-PKCS actúa como un puente para unir los dos extremos, y una ligasa de ADN puede unir los extremos. Si las hebras se rompen en diferentes lugares, lo que da como resultado salientes complementarios de una sola hebra en cada extremo (como los generados por algunas endonucleasas de restricción), la reparación suele ser perfecta, ya que las secuencias complementarias alinean los dos extremos correctamente en sus posiciones originales. Sin embargo, si los extremos de la hebra ya han sido afectados por nucleasas y ya no son complementarios, entonces la unión de los extremos probablemente conducirá a la pérdida de información. En algunas partes del ADN, esto tendría poco efecto, pero si sucediera dentro de un gen, el producto del gen mutado podría tener una función anormal o comprometida.


7 alimentos que revierten el daño del ADN

Tener buenos genes no depende únicamente de la suerte. Si bien es posible que tengas ojos marrones y el cuerpo delgado de tu madre, muchos se sorprenden al saber que no todo el ADN es ineditable. La epigenética, el estudio de cómo los factores externos alteran el ADN al activar y desactivar los genes, nos muestra exactamente cómo nuestras dietas pueden afectar nuestros códigos genéticos.

"'Lo que comes y no comes puede influir en qué genes se activan y cuándo'", dijo a David Kevin L. Schalinske, Ph.D., profesor del Departamento de Ciencia de los Alimentos y Nutrición Humana de la Universidad Estatal de Iowa. Zinczenko en Dieta Cero Vientre. "'Comer los alimentos incorrectos, las deficiencias en la dieta y las elecciones de estilo de vida como fumar pueden encender las cosas'".

Entonces, en lugar de dañar su ADN fumando tabaco, tomando el sol en exceso o almacenando alimentos procesados, puede modificar sus hábitos para mejorar su estructura genética y, como resultado, prevenir enfermedades crónicas como la diabetes, la obesidad y el Alzheimer.

Sí, lo leíste correctamente: la mano genética que te tocó al nacer no es tu destino.

Entonces, en lugar de desear haber ganado la lotería genética, puede comenzar renovando su lista de compras. Se ha demostrado científicamente que ciertos alimentos, como los que hemos recopilado a continuación, previenen y reparan el daño del ADN causado por muchos de estos malos hábitos que lo hacen engordar. Eche un vistazo a estos alimentos que revierten el daño del ADN, tírelos para la cena y elimine los malos hábitos, y estará en su camino hacia genes más saludables, una doble hélice a la vez.


Química y biología de secundaria y BIOC300.1x O comprensión y conocimiento de la estructura y función de las proteínas

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Sobre este curso

El ADN codifica nuestra información genética y se transmite dentro de las células para mantener los organismos vivos y producir la próxima generación. El reconocimiento del ADN como material genético y la consiguiente identificación de su estructura y mecanismo de codificación fueron revolucionarios y fundamentales. ¡Estos descubrimientos llevaron a la integración transformacional a través de las ciencias biológicas con un entendimiento común de esta unidad fundamental de la vida! Únase a esta exploración de la estructura, el empaquetado, la replicación y la manipulación del ADN.

El curso utiliza video conferencias, artículos de investigación, estudios de casos y modelos moleculares para transmitir información. La calificación del curso se basará en preguntas con cada video conferencia, cuestionarios, tareas y un examen final.

Más información sobre este curso

Lo que aprenderás

  • Métodos que identificaron al ADN como material genético
  • Estructura del ADN y métodos para empaquetar el ADN en la célula.
  • Impactos del empaquetado en la expresión del ADN en organismos superiores y el paso de información sin cambios en el ADN (epigenética)
  • Expresión de ADN específico de la ubicación en la célula
  • Maquinaria para replicar ADN con una tasa de error extremadamente baja
  • Lugar de origen y momento de la replicación del ADN
  • Mecanismos para "preservar" los extremos del ADN lineal
  • Tipos de daño que afectan la estructura del ADN y cómo se mueve el ADN
  • Procedimientos para amplificar secuencias de ADN y determinar la secuencia de bases
  • Enzimas para fragmentar el ADN en segmentos específicos que se pueden separar
  • Métodos para recombinar segmentos de ADN de diferentes fuentes.
  • Formas de introducir ADN recombinado en las células, incluidas las células humanas

Ampliar lo que aprenderás

Plan de estudios

Compuesto por solo cuatro monómeros, el ADN sirve como material genético de los organismos vivos. Exploramos cómo se identificó el ADN como material genético, revisamos las características y la estructura del ADN, examinamos la información codificada en esta interesante macromolécula y exploramos las implicaciones de las variaciones en el tamaño y la secuencia del ADN.

Clase 2: Organización del ADN

Exploramos cómo se organiza, empaqueta y organiza el ADN dentro de la célula. Examinamos la arquitectura de la cromatina, cómo las histonas modifican la cromatina y cómo la epigenética puede afectar la expresión génica.

Clase 3: Replicación del ADN I

Exploramos los mecanismos por los cuales se copia el ADN y las complicaciones que surgen debido a la construcción asimétrica del ADN con respecto a sus extremos 3 'y 5'. Examinamos la naturaleza dinámica de las proteínas de replicación y la exquisita especificidad con la que estas proteínas pueden catalizar reacciones bioquímicas esenciales, y cómo se puede regular la actividad enzimática dentro del contexto más amplio de la célula.

Clase 4: Replicación del ADN II

Exploramos más a fondo la maquinaria de replicación que permite la coordinación de la síntesis de la cadena principal y retrasada durante la replicación del ADN, una característica de la replicación del ADN tanto procariota como eucariota. Examinamos el inicio de la replicación del ADN en los orígenes de la replicación. También discutimos la participación de nucleosomas e histonas en este proceso, que es una característica única del ADN eucariota. También examinamos la terminación de la replicación del ADN y la participación de la telomerasa en la solución de un problema único de la replicación del ADN eucariota: el acortamiento de los extremos cromosómicos durante la replicación del ADN.

Clase 5: Manipulación del ADN

Examinamos la manipulación del ADN. La célula puede restaurar (o, a veces, alterar) el ADN reparando el daño de una variedad de fuentes ambientales. La reparación de roturas bicatenarias incluye la recombinación (o el intercambio de secuencias de ADN entre dos dsDNA diferentes). Examinamos métodos de amplificación, análisis, "clonación" y secuenciación del ADN. Estas formas de "manipular" el ADN emplean enzimas y propiedades funcionales que hemos discutido. Nuestra capacidad cada vez más eficiente y rentable para secuenciar y recombinar fragmentos de ADN ha transformado las ciencias biológicas y biomédicas, ¡y queda mucho por descubrir!


Reparación y regeneración

El restablecimiento de la función normal del tendón después de una lesión requiere el restablecimiento de las fibras del tendón y el mecanismo de deslizamiento entre el tendón y las estructuras circundantes24, 25, 26.La etapa inicial de reparación implica la formación de tejido cicatricial que proporciona continuidad en el sitio de la lesión 27, sin embargo, falta de estímulo mecánico en el tendón provocará la proliferación de tejido cicatricial y adherencias posteriores que son indeseables y dañinas porque impiden la función normal del tendón, particularmente en


71 Reparación de ADN

Al final de esta sección, podrá hacer lo siguiente:

La replicación del ADN es un proceso muy preciso, pero ocasionalmente pueden ocurrir errores, como una ADN polimerasa que inserta una base incorrecta. Los errores no corregidos a veces pueden tener consecuencias graves, como el cáncer. Los mecanismos de reparación corrigen los errores. En casos raros, los errores no se corrigen, lo que lleva a mutaciones; en otros casos, las enzimas reparadoras están mutadas o son defectuosas.

La mayoría de los errores durante la replicación del ADN se corrigen rápidamente mediante la capacidad de corrección de pruebas de la propia ADN polimerasa. ((Figura)). En la corrección de pruebas, el ADN pol lee la base recién agregada antes de agregar la siguiente, por lo que se puede hacer una corrección. La polimerasa comprueba si la base recién agregada se ha emparejado correctamente con la base en la hebra de la plantilla. Si es la base correcta, se agrega el siguiente nucleótido. Si se ha agregado una base incorrecta, la enzima hace un corte en el enlace fosfodiéster y libera el nucleótido incorrecto. Esto se realiza mediante la acción de exonucleasa 3 & # 8242 del ADN pol. Una vez que se ha eliminado el nucleótido incorrecto, se puede reemplazar por el correcto.


Algunos errores no se corrigen durante la replicación, sino que se corrigen una vez que se completa la replicación. Este tipo de reparación se conoce como reparación de desajustes ((Figura)). Las enzimas de reparación específicas reconocen el nucleótido mal apareado y escinden parte de la hebra que lo contiene; la región extirpada se vuelve a sintetizar. Si la falta de coincidencia permanece sin corregir, puede provocar un daño más permanente cuando se replica el ADN no coincidente. ¿Cómo reconocen las enzimas reparadoras de desajustes cuál de las dos bases es la incorrecta? En E. coli, después de la replicación, la base nitrogenada adenina adquiere un grupo metilo, la hebra de ADN parental tendrá grupos metilo, mientras que la hebra recién sintetizada carece de ellos. Por tanto, la ADN polimerasa es capaz de eliminar las bases incorporadas incorrectamente de la hebra no metilada recién sintetizada. En eucariotas, el mecanismo no se comprende muy bien, pero se cree que implica el reconocimiento de muescas sin sellar en la nueva hebra, así como una asociación continua a corto plazo de algunas de las proteínas de replicación con la nueva hebra hija después de que se haya completado la replicación. .


Otro tipo de mecanismo de reparación, la reparación por escisión de nucleótidos, es similar a la reparación de desajustes, excepto que se utiliza para eliminar las bases dañadas en lugar de las que no coinciden. Las enzimas reparadoras reemplazan las bases anormales haciendo un corte en los extremos 3 & # 8242 y 5 & # 8242 de la base dañada ((Figura)). El segmento de ADN se elimina y se reemplaza con los nucleótidos correctamente emparejados mediante la acción del ADN pol. Una vez que se rellenan las bases, el espacio restante se sella con un enlace fosfodiéster catalizado por ADN ligasa. Este mecanismo de reparación se emplea a menudo cuando la exposición a los rayos UV provoca la formación de dímeros de pirimidina.


Un ejemplo bien estudiado de errores que no se corrigen se observa en personas que padecen xeroderma pigmentosa ((Figura)). Las personas afectadas tienen una piel muy sensible a los rayos ultravioleta del sol. Cuando las personas se exponen a la luz ultravioleta, se forman dímeros de pirimidina, especialmente los de timina, las personas con xeroderma pigmentosa no pueden reparar el daño. Estos no se reparan debido a un defecto en las enzimas reparadoras de la escisión de nucleótidos, mientras que en individuos normales, los dímeros de timina se extirpan y se corrige el defecto. Los dímeros de timina distorsionan la estructura de la doble hélice del ADN y esto puede causar problemas durante la replicación del ADN. Las personas con xeroderma pigmentosa pueden tener un mayor riesgo de contraer cáncer de piel que aquellas que no la padecen.


Los errores durante la replicación del ADN no son la única razón por la que surgen mutaciones en el ADN. Las mutaciones, variaciones en la secuencia de nucleótidos de un genoma, también pueden ocurrir debido a daños en el ADN. Estas mutaciones pueden ser de dos tipos: inducidas o espontáneas. Las mutaciones inducidas son aquellas que resultan de una exposición a productos químicos, rayos ultravioleta, rayos X o algún otro agente ambiental. Las mutaciones espontáneas ocurren sin ninguna exposición a ningún agente ambiental; son el resultado de reacciones naturales que tienen lugar dentro del cuerpo.

Las mutaciones pueden tener una amplia gama de efectos. Las mutaciones puntuales son aquellas mutaciones que afectan a un solo par de bases. Las mutaciones de nucleótidos más comunes son las sustituciones, en las que una base se reemplaza por otra. Estas sustituciones pueden ser de dos tipos, transiciones o transversiones. La sustitución de transición se refiere a una purina o pirimidina que se reemplaza por una base del mismo tipo, por ejemplo, una purina como la adenina puede reemplazarse por la purina guanina. La sustitución por transversión se refiere a una purina que se reemplaza por una pirimidina, o viceversa, por ejemplo, la citosina, una pirimidina, se reemplaza por una adenina, una purina. Algunas mutaciones puntuales no se expresan, estas se conocen como mutaciones silenciosas. Las mutaciones silenciosas suelen deberse a una sustitución en la tercera base de un codón, que a menudo representa el mismo aminoácido que el codón original. Otras mutaciones puntuales pueden resultar en el reemplazo de un aminoácido por otro, lo que puede alterar la función de la proteína. Las mutaciones puntuales que generan un codón de terminación pueden terminar una proteína de manera temprana.

Algunas mutaciones pueden resultar en un mayor número de copias del mismo codón. Estos se denominan expansiones de repetición de trinucleótidos y dan como resultado regiones repetidas del mismo aminoácido. Las mutaciones también pueden ser el resultado de la adición de una base, conocida como inserción, o la eliminación de una base, también conocida como deleción. Si una inserción o deleción da como resultado la alteración del marco de lectura traslacional (una mutación por desplazamiento del marco), la proteína resultante generalmente no es funcional. A veces, un fragmento de ADN de un cromosoma puede trasladarse a otro cromosoma oa otra región del mismo cromosoma, lo que también se conoce como translocación. Estos tipos de mutación se muestran en la (Figura).


Una mutación por desplazamiento del marco de lectura que da como resultado la inserción de tres nucleótidos suele ser menos perjudicial que una mutación que da como resultado la inserción de un nucleótido. ¿Por qué?

Se sabe que las mutaciones en los genes de reparación causan cáncer. Muchos genes de reparación mutados se han implicado en determinadas formas de cáncer de páncreas, cáncer de colon y cáncer colorrectal. Las mutaciones pueden afectar tanto a las células somáticas como a las germinales. Si se acumulan muchas mutaciones en una célula somática, pueden provocar problemas como la división celular descontrolada que se observa en el cáncer. Si se produce una mutación en las células germinales, la mutación se transmitirá a la siguiente generación, como en el caso de la hemofilia y la xerodermia pigmentosa.

Resumen de la sección

La ADN polimerasa puede cometer errores al agregar nucleótidos. Edita el ADN revisando cada base recién agregada. Las bases incorrectas se retiran y se reemplazan por la base correcta antes de proceder con el alargamiento. La mayoría de los errores se corrigen durante la replicación, aunque cuando esto no sucede, se emplea el mecanismo de reparación de desajustes. Las enzimas de reparación de discrepancias reconocen la base incorporada incorrectamente y la extirpan del ADN, reemplazándola por la base correcta. En otro tipo de reparación, la reparación por escisión de nucleótidos, se elimina una base dañada junto con algunas bases en el extremo 5 & # 8242 y 3 & # 8242, y estas se reemplazan copiando la plantilla con la ayuda de la ADN polimerasa. Los extremos del fragmento recién sintetizado se unen al resto del ADN mediante ADN ligasa, que crea un enlace fosfodiéster.

La mayoría de los errores se corrigen y, de no ser así, pueden resultar en una mutación, definida como un cambio permanente en la secuencia del ADN. Las mutaciones pueden ser de muchos tipos, como sustitución, deleción, inserción y expansiones de repetición de trinucleótidos. Las mutaciones en los genes de reparación pueden tener consecuencias graves como el cáncer. Las mutaciones pueden ser inducidas o pueden ocurrir espontáneamente.

Preguntas de conexión visual

(Figura) Una mutación por desplazamiento del marco de lectura que da como resultado la inserción de tres nucleótidos suele ser menos perjudicial que una mutación que da como resultado la inserción de un nucleótido. ¿Por qué?

(Figura) Si se agregan tres nucleótidos, se incorporará un aminoácido adicional en la cadena de la proteína, pero el marco de lectura no cambiará.

Preguntas de revisión

Durante la revisión, ¿cuál de las siguientes enzimas lee el ADN?

El mecanismo inicial para reparar errores de nucleótidos en el ADN es ________.

  1. reparación de desajustes
  2. Corrección de pruebas de ADN polimerasa
  3. reparación por escisión de nucleótidos
  4. dímeros de timina

Un científico crea larvas de mosca de la fruta con una mutación que elimina la función exonucleasa del ADN pol III. ¿Qué predicción sobre la carga mutacional en las moscas de la fruta adultas es más probable que sea correcta?

  1. Los adultos con la mutación de ADN pol III tendrán significativamente más mutaciones que el promedio.
  2. Los adultos con la mutación del ADN pol III tendrán un poco más de mutaciones que el promedio.
  3. Los adultos con la mutación de ADN pol III tendrán el mismo número de mutaciones que el promedio.
  4. Los adultos con la mutación del ADN pol III tendrán menos mutaciones que el promedio.

Preguntas de pensamiento crítico

¿Cuál es la consecuencia de la mutación de una enzima reparadora de desajustes? ¿Cómo afectará esto a la función de un gen?

Las mutaciones no se reparan, como en el caso de la xeroderma pigmentosa. La función genética puede verse afectada o no expresarse.

Un adulto con antecedentes de bronceado tiene su genoma secuenciado. El comienzo de una región de codificación de proteínas de su ADN se lee ATGGGGATATGGCAT. Si la región codificadora de proteínas de un adulto sano lee ATGGGGATATGAGCAT, identifique el sitio y el tipo de mutación.

Esta es una mutación de desplazamiento de marco con una deleción de una "A" en la 12ª posición de la región codificante.

Glosario


  • Al analizar los datos genómicos de los gusanos, los científicos detallaron cómo las mutaciones son causadas por una combinación de daño en el ADN y reparación inexacta.
  • Esto muestra que un solo agente que daña el ADN puede generar una multitud de firmas mutacionales dependiendo de los mecanismos de reparación involucrados en la reparación del daño original.
  • La investigación podría ayudar a identificar las causas de las mutaciones encontradas en los genomas de pacientes con cáncer e individuos sanos.

1 de mayo de 2020, Cambridge - Investigadores del Instituto Europeo de Bioinformática de EMBL (EMBL-EBI), la Universidad de Dundee y el Instituto Wellcome Sanger analizaron más de 2700 genomas de C. elegans gusanos para comprender mejor las causas de las mutaciones. Sus hallazgos, publicados hoy en Nature Communications, caracterizan cómo las mutaciones del ADN resultan de la acción combinada del daño del ADN y los mecanismos inexactos de reparación del ADN.

El ADN de una célula está constantemente expuesto a tensiones físicas y químicas, o genotoxinas, que pueden dañarlo y causar mutaciones. Sin embargo, las células tienen una gran variedad de mecanismos de reparación para reparar las lesiones del ADN poco después de su aparición. Ocasionalmente, el proceso de reparación restauradora falla, ya sea al cometer errores adicionales o al no detectar las lesiones del ADN por completo. Esto conduce a mutaciones, que son la causa principal del cáncer.

Se pensaba que muchas genotoxinas, como las que se encuentran en el humo del tabaco, causan un conjunto único de mutaciones en el genoma, reconocibles como firma mutacional. “La detección de este tipo de firmas en el cáncer permite a los científicos rastrear qué causó el daño en primer lugar y ayudar en el pronóstico y el tratamiento al señalar ciertas vulnerabilidades”, explica Nadezda Volkova, recién graduada de doctorado en EMBL-EBI.

Sin embargo, muchas firmas mutacionales observadas en los genomas del cáncer no parecen relacionarse con una sola genotoxina y otras parecen resultar de una combinación de factores. Para comprender el origen de estas firmas, Volkova y sus colegas probaron los efectos de más de 150 combinaciones de doce genotoxinas en C. elegans gusanos cuyos mecanismos de reparación del ADN no estaban alterados o eran defectuosos. Los científicos demostraron experimentalmente que las firmas mutacionales son el resultado de una acción combinada de daño del ADN y mecanismos de reparación específicos.

Reparación de ADN y firmas mutacionales.

“Muchas de las alteraciones del ADN que observamos en nuestro estudio también ocurren en el cáncer humano, pero descubrimos que las firmas mutacionales son más variables de lo que pensábamos anteriormente”, dice Volkova.

Los científicos descubrieron que los diferentes tipos de alteraciones del ADN inducidas por la misma genotoxina a menudo se solucionan mediante diferentes vías de reparación del ADN, algunas libres de errores, otras propensas a errores. Como resultado, una sola genotoxina puede dejar una variedad de firmas mutacionales a diferentes velocidades, dependiendo del proceso de reparación.

Si bien la mayor parte de la reparación del ADN previene las mutaciones, también puede causarlas. Por ejemplo, Volkova y sus colegas demostraron que un mecanismo particular, llamado síntesis de translesión, es responsable de la mayoría de las mutaciones de bases causadas por la exposición a la genotoxina como compensación por mutaciones más graves y potencialmente más perjudiciales. Si bien muchas de estas mutaciones menores pueden ser inofensivas, en los humanos pueden aumentar la probabilidad de desarrollar un tumor.

“En la genómica del cáncer, existe una expectativa implícita de que por cada firma, se puede encontrar una sola causa: nuestro análisis desafía esa expectativa. Detrás de cada patrón, hay al menos dos incógnitas: el daño que se produce y la capacidad de reparación de la célula ”, dice Moritz Gerstung, líder de grupo en EMBL-EBI.

Uniendo la genómica del cáncer y la reparación del ADN

Si bien los mecanismos moleculares de la reparación del ADN están muy bien establecidos, los tipos exactos y la frecuencia de mutaciones que pueden generar no estaban claros hasta que la secuenciación de alto rendimiento entró en escena.

Este estudio combina la secuenciación del genoma completo con una pantalla experimental para comprender mejor las causas de las firmas mutacionales. Los resultados tienen implicaciones potenciales para la investigación, el diagnóstico y el tratamiento del cáncer.

“Comprender la interacción entre el daño y la reparación del ADN ayuda a evaluar mejor el riesgo de predisposición al cáncer y comprender la respuesta al tratamiento del cáncer”, dice Bettina Meier, investigadora asociada principal de la Universidad de Dundee.

Las firmas mutacionales se han convertido en un pilar del análisis del genoma del cáncer porque pueden arrojar luz sobre los carcinógenos a los que las células cancerosas han estado expuestas y los mecanismos de reparación que fueron perturbados.

Sin embargo, no se comprenden completamente todas las firmas mutacionales observadas y sus facetas individuales. Un enfoque experimental asegura que los patrones observados son las consecuencias directas de las condiciones establecidas por los científicos. También ayuda a comprender cómo múltiples procesos de reparación del ADN dan forma conjunta a las firmas mutacionales.

“Se necesitaron años para generar todas estas reparaciones defectuosas C. elegans, para exponerlos sistemáticamente a un panel de genotoxinas, y preparar, secuenciar y analizar su ADN. Es genial ver que el trabajo experimental en C. elegans es directamente relevante para interpretar los genomas del cáncer ”, dice Anton Gartner, líder de grupo en la Universidad de Dundee, recientemente nombrado Director Asociado del Centro IBS para la Integridad Genómica en UNIST Ulsan, Corea del Sur.


Aplicaciones futuras

Si bien el daño del ADN es un factor clave en el desarrollo y la evolución de las células cancerosas, el daño continuo se utiliza como parte de los tratamientos clínicos para el cáncer, lo que obliga a las células malignas a la apoptosis o la senescencia. Muchos fármacos quimioterápicos, como la bleomicina, la mitomicina y el cisplatino, son eficaces porque causan más daño al ADN en las células cancerosas que se replican a un ritmo más rápido que el tejido circundante. Los mecanismos de reparación del ADN celular son una espada de doble filo al reducir las mutaciones que pueden conducir al cáncer; estos procesos luchan por la integridad genómica, pero los mismos mecanismos en las células malignas permiten que esas células sobrevivan al daño adicional del ADN y continúen el crecimiento descontrolado. Para bloquear este mecanismo de supervivencia dentro de las células cancerosas, ahora se están realizando ensayos clínicos con inhibidores de enzimas reparadoras de ADN específicas, incluidas MGMT, PARP y DNA-PK. 35-38


Conexión de arte

Las mutaciones pueden provocar cambios en la secuencia de proteínas codificada por el ADN.

Una mutación por desplazamiento del marco de lectura que da como resultado la inserción de tres nucleótidos suele ser menos perjudicial que una mutación que da como resultado la inserción de un nucleótido. ¿Por qué?

Se sabe que las mutaciones en los genes de reparación causan cáncer. Muchos genes de reparación mutados se han implicado en determinadas formas de cáncer de páncreas, cáncer de colon y cáncer colorrectal. Las mutaciones pueden afectar tanto a las células somáticas como a las germinales. Si se acumulan muchas mutaciones en una célula somática, pueden provocar problemas como la división celular descontrolada que se observa en el cáncer. Si se produce una mutación en las células germinales, la mutación se transmitirá a la siguiente generación, como en el caso de la hemofilia y la xerodermia pigmentosa.


La restauración de genes de reparación de ADN deficientes mitiga la inestabilidad del genoma y aumenta la productividad de las células de ovario de hámster chino

Las células de ovario de hámster chino (CHO) son el huésped principal utilizado para la fabricación de proteínas terapéuticas. Sin embargo, la inestabilidad de la producción de líneas celulares con títulos altos es un problema importante y está asociada con la inestabilidad del genoma, ya que las aberraciones cromosómicas reducen el número de copias del transgén y disminuyen el título de proteínas. Analizamos los datos de secuenciación del genoma completo de 11 líneas celulares CHO y encontramos polimorfismos de un solo nucleótido (SNP) perjudiciales en los genes de reparación del ADN. La comparación con otras células de mamíferos confirmó que la reparación del ADN está comprometida en CHO. La restauración de genes clave de reparación del ADN mediante la reversión de SNP o la expresión de ADNc intactos mejoró la reparación del ADN y la estabilidad del genoma. Además, la restauración de LIG4 y XRCC6 en una línea celular CHO que expresa fosfatasa alcalina secretada mitiga la pérdida de copia del transgén y mejora la retención del título de proteína. Estos resultados muestran por primera vez que la corrección de genes de reparación de ADN clave produce mejoras considerables en la estabilidad y la expresión de proteínas en CHO, y brindan nuevas oportunidades para el desarrollo de líneas celulares y una producción más eficiente y sostenible de proteínas terapéuticas.

Declaración de intereses en competencia

Los autores figuran como inventores en dos solicitudes de patente pendientes de la Universidad de Delaware y la Universidad de California, relacionadas con las observaciones de este manuscrito.


La biología evolutiva del envejecimiento, la reproducción sexual y la reparación del ADN.

Los fenómenos del envejecimiento y de la reproducción sexual se encuentran seguramente entre los resultados generalizados más contradictorios y desconcertantes que hayan evolucionado bajo la influencia de la selección natural. Why should individuals of most species senesce and die when Darwinian selection seemingly would favor any genetic predisposition for greater longevity and continued reproduction? And why should individuals engage in sexual as opposed to asexual reproduction, when by so doing they not only expend time and energy in finding a mate, but also dilute (by 50%!) their genetic contribution to each offspring? Evolutionary biologists have long pondered these issues, and the theoretical and empirical results recently have been summarized eloquently in three landmark books. This commentary will address primarily the contribution by Bernstein and Bernstein (1991) on DNA repair as it relates to the evolution of aging and sexual reproduction, but for useful background some comments first will be made about the important volumes by Rose (1991) on aging and by Michod and Levin (1988) on sex.

Under Rose's evolutionary definition, aging is "a persistent decline in the age-specific fitness components of an organism [survival probability or reproductive output] due to internal physiological deterioration" (Rose 1991, p. 38). The central thesis of Rose's book is that the mathematical framework of evolutionary genetics has solved the paradox of aging in age-structured populations by showing that the phenomenon is an inevitable outcome of the declining force of natural selection through successive age classes. Under the formal theory that Rose cogently summarizes, natural selection is simply indifferent to problems of somatic deterioration with advancing age, because as measured by effects on fitness (representation in successive generations) these problems are trivial compared with those that might appear earlier in life. Thus, aging and death exist not for any ineluctable physiological cause, but because of "a failure of natural selection to 'pay attention' to the problem". Particular genetic mechanisms of aging are not specified by this evolutionary theory, but two leading candidates for which explicit theoretical treatments are available are (1) antagonistic pleiotropy, in which alleles tend to evolve that have beneficial effects at early ages of life but antagonistic deleterious effects later, and (2) age specificity of gene action, in which alleles with age-delayed deleterious somatic effects accumulate in evolution simply because they are nearly neutral in terms of fitness because of weak selection in later age classes. Regardless of the means by which aging is played out from the basic evolutionary script, the take-home message is that "given age-structured populations and genetic variation in life histories, aging is a straightforward corollary of population genetics theory". This theory should apply to all organisms in which there is a clear distinction between somatic cells and germ-line cells.

Having established a conceptual primacy for the evolutionary theory of aging, Rose then chastises the field of gerontology for lack of this orienting foundation. For example, according to the evolutionary view, "the search for an ultimate physiological cause of aging is no more cogent than a search for a physiological cause of evolutionary adaptation would be. . . . This implies that one of the basic goals of gerontology, that of finding the physiological cause(s) of aging, is misconceived". Rose provided extended reviews of the experimental evidence for several physiological theories for aging previously advanced (involving "wear and tear," rate-of-living considerations, hormonal influences, metabolic pathologies, and a host of others), and finds all to be wanting as universal explanations. Although many of these factors no doubt play proximate roles in the aging process, none provides the ultimate explanation for aging that is embodied in the evolutionary view.

From experimental findings as well as comparative aspects of aging across life forms, Rose concluded that there are multiple causes for aging and that these can be arranged hierarchically with regard to explanatory power. The ultimate (evolutionary) cause is the attenuation of the force of natural selection with respect to the age of gene effects in species with soma. At the penultimate level are the population genetic explanations of antagonistic pleiotropy and mutation accumulation, and at the bottom tier are the highly idiosyncratic molecular, cellular, and physiological pathways by which the genetic underpinnings of aging happen to have been executed in a particular population or species.

Rose's book is a seminal contribution because it provides one of the clearest, most coherent, and forceful documentations of why aging is not incompatible with natural selection after all. This new perspective should revolutionize the conceptual framework of gerontology, which as a discipline had remained one of the last bastions of biology relatively untouched by evolutionary thought. However, I don't quite share Rose's enthusiasm that this new theoretical orientation will revolutionize the day-to-day practice of gerontological research (any more than did Darwin's [1859] classic "On the Origin of Species by Means of Natural Selection, or the Preservation of Favored Races in the Struggle for Life" change the day-to-day practice of naming and describing species). Thus, an important empirical task in gerontology will remain the identification of particular molecular or cellular events involved in the aging process, idiosyncratic as they may be. This effort is especially important in humans or other species in which ameliorative efforts might then be contemplated. Furthermore, if the arguments by Bernstein and Bernstein (1991) are correct, Rose's sounding of the death knell for global molecular mechanisms underlying aging may have been premature.

Sexual reproduction entails the generation of new combinations of genes by the mixing of genomes, or portions thereof. In most evolutionary definitions, sex is synonymous with genetic recombination, although some authors emphasize usual components of the process, such as physical recombination (the breakage and reunion of two different DNA molecules), and outcrossing (the mixing of DNA molecules from separate individuals). Why should various mechanisms for genetic mixis have evolved so nearly universally across life? Michod and Levin's edited book brings together authoritative and stimulating contributions on this topic from most of the major architects of recent theories on the evolutionary significance of sexual reproduction.

These diverse hypotheses can be divided into two categories that are nearly opposite in orientation, though not necessarily mutually exclusive. The first category of theories perceives a benefit per se for sex, either at the immediate level of individual fitness or at the evolutionary level of group persistence. Thus, genetic mixis itself is the object of selection. Theories of this type are united by the theme that genetic variability arising from mixis and molecular recombination must somehow be advantageous in an ecological or evolutionary theater, such that the benefits to individuals (or perhaps to extended groups) outweigh the rather obvious and substantial costs of sex to individuals. Three advantages classically proposed for sexual reproduction are as follows: (1) to facilitate the incorporation of beneficial mutations into an evolutionary lineage (2) to facilitate the removal of deleterious mutations (i.e., to overcome Muller's ratchet, the ineluctable process by which the mutational load in strictly asexual lineages can remain only the same or increase through time) and (3) to allow adjustments to spatial or temporal changes in the physical and biotic environment. Several chapters (by Bell, Crow, Ghiselin, Maynard Smith, Seger and Hamilton, Williams, and others) formalize and elaborate these hypotheses, all of which can rationalize the prevalence of sexual modes of reproduction. However, some of the arguments are less than fully convincing, particularly when it comes to proposed short-term benefits of sex that are required under a strictly individual-selectionist framework.

The second category of theories proposes instead that sex is a coincidental evolutionary by-product of other primary consequences for mixis. For example, Hickey and Rose propose that sex is an outcome of subgenomic selection on parasitic DNA sequences that "imposed" biparental sexual reproduction on host genomes to favor their own spread. Another set of scenarios in this category (chapters by Bernstein et al., Holliday, Levin, and Shields) proposes that the evolution (and perhaps maintenance) of sexual reproduction involved selection pressures favoring mechanisms for the correction of genetic errors. This leads us finally to discussion of the DNA repair theory of sex and aging, as further elaborated by Bernstein and Bernstein (1991).

AGING AND SEX AS RELATED PHENOMENA

A fundamental tenet of the Bernsteins' theory is that damages to genetic material are a universal problem for life. These damages, defined as structural irregularities in DNA that cannot be replicated or inherited (unlike mutations), are of many types: single- and double-stranded breaks, modified bases, depurinations, cross-links, and so on. They arise inevitably from insults both endogenous and exogenous to the organism (e.g., oxidative damage from the molecular by-products of cellular respiration, and UV irradiation and DNA-damaging environmental chemicals, respectively). From empirical evidence, the cumulative numbers of such damages are astounding: for example, a typical mammalian cell experiences tens of thousands of DNA damages per day! These damages, if unrepaired, interfere with gene transcription and DNA replication and can cause progressive impairment of cell function and eventual cell death. The deterioration of somatic cellular function in turn leads to organismal senescence and death.

Damages to DNA can, however, be recognized and repaired by cells (though not necessarily at a rate that keeps pace with their production). Enzymatic machineries for repair of DNA damages are evolutionarily widespread, and their molecular details have been worked out to varying degrees in several model organisms ranging from viruses and bacteria to mammals. DNA repair processes almost invariably require the replacement of damaged genetic material through use of the intact information derived from a redundant copy. One source of redundancy is the complementary strand in double-helical DNA, which can serve as a template for repair when damage is confined to a single DNA strand. For example, all known forms of excision repair that occur regularly in somatic cells involve removal of the damaged section from one DNA strand and replacement by copying from the complementary undamaged strand.

A second source of redundancy for repair is the presence of another duplex DNA molecule with information homologous to that of the original copy. Such undamaged template appears necessary for the recombinational repair of double-stranded DNA damage. The Bernsteins argue that the exchange of genetic information between multiple infective phages, as well as the process of transformation whereby some bacterial cells actively take up naked DNA from the surrounding medium, are examples of primary adaptations for DNA repair in these microbes. So too they argue is meiosis in higher organisms, which is viewed as an adaptation for promoting recombinational repair of the DNA passed on to gametes. In general, all mechanisms for molecular recombination are interpreted by the authors as evolutionary adaptations that originated and are actively maintained by natural selection explicitly for the functions they serve in recombinational repair of DNA damage. Furthermore, in diploid multi-cellular reproductive systems with recombination, the Bernsteins suggest that outcrossing is favored because it promotes the masking of deleterious mutations. Thus, "DNA damage selects for recombination, and mutation in the presence of recombination selects for outcrossing".

According to the DNA repair theory, aging processes resulting from DNA damage should occur in all organisms, and not just those with a clear distinction between somatic tissues and germ-line cells. There appears to be a conflict of opinion (or perhaps merely a semantic distinction?) about whether senescence occurs in unicellular creatures such as bacteria, and in vegetatively reproducing multicellular creatures such as some plants and invertebrate animals. Rose concludes that "species that unequivocally lack such a separation of the soma, such as some sea anemones, some protozoa, and all known prokaryotes, appear to lack aging". However, the Bernsteins suggest that although populations of cells may survive indefinitely (e.g., in clonally reproducing trees and bacterial colonies), nonetheless "one would not expect to find old cells in a tree any more than one would find old cells in a growing culture of bacteria". To account for the persistence of such asexual populations of cells, the Bernsteins also introduce the concept of cellular replacement, in which lethally damaged cells are replaced by replication of undamaged ones. This strategy should work in any cell population in which "the incidence of unrepaired lethal damages is low enough at each generation to permit replacement of losses". Thus, the Bernsteins propose that there are two possible pathways to immortality for a cell lineage: (1) recombinational repair of DNA damages (which applies to germ cells) and (2) cellular replacement (which applies to predominantly clonal cells as in many bacteria).

In summary, the joint pillars of the Bernsteins' theory are that aging is a direct consequence of the accumulation of DNA damage, and that sex where it occurs is a consequence of the need to transmit damage-free genetic information to progeny. The theory as presented does not imply that the production of allelic variation through recombination and outcrossing is unimportant for long-term evolution: "Infrequent beneficial allelic variants generated by recombination undoubtedly promote long-term evolutionary success, just as infrequent beneficial mutations do." Nonetheless, "the tendency toward randomization of genetic information that occurs with recombination and outcrossing, under general conditions, has a negative effect on fitness in the short run, just as mutations, in general, do".

I think that the DNA repair theory as expounded by the Bernsteins is extremely important for several reasons. First, it provides a conceptual framework for linking the widespread phenomena of aging and sex, two evolutionary subjects that more typically have been dealt with separately (as in the Rose and Michod and Levin volumes). Second, the theory appears both logically consistent internally, and eminently plausible empirically--at least as much so as many of the traditional theories on sex and aging. Indeed, much of the Bernsteins' book constitutes a detailed compilation of observations and experimental data that appear either consistent with or positively supportive of the DNA repair view. Third, the DNA repair theory envisions immediate selective advantages that apply to individuals and their offspring and not merely to longer-term group benefits.

Finally, the DNA repair theory represents a dramatic and refreshing (to me) conceptual departure from the more traditional evolutionary theories of sex, which sometimes seem to go to rather great lengths in attempts to identify short-term benefits for the genetic variability generated by recombination. Under the Bernsteins' view, genetic variability is an immediate curse rather than a blessing, with any long-term benefits derived from recombinational variation being fortuitous epiphenomena of cellular and molecular processes that evolved under selection pressures to repair DNA damages and mask deleterious mutations. In this regard, I am reminded of the opposing world views on genetic variation expressed in another evolutionary arena--the debate between the selectionists and the neutralists. When extensive genetic variation was first uncovered in protein-electrophoretic and other molecular assays, many evolutionists assumed that the variability must be actively maintained by natural selection, and they sought hard to identify the balancing selective forces involved. But from the neutralist perspective [which grew out of the "classical" school in which genomes were perceived as heavily burdened by mutational load (see Lewontin 1974)], the overall magnitude of molecular variation was actually much lower than expected, given suspected mutation rates and effective population sizes. Thus, under the neutralist (and classicist) world views, if selection was involved appreciably in molding molecular genetic variability, it must act primarily in a diversity-reducing rather than diversity-enhancing fashion (Nei and Graur 1984).

Where does the DNA repair hypothesis fall within the hierarchical framework of causes for aging as advanced by Rose? If correct, the theory cannot be placed at the bottom of the hierarchy as just another idiosyncratic physiological mechanism for aging, because it is general, and an explicit selective force is involved. Indeed, the hypothesis is in some respects more universal than that of the declining force of natural selection with advancing age, because it applies to all forms of life, including those without a clear distinction between somatic and germ cells. However, for organisms with soma, the DNA repair hypothesis does not appear incompatible with Rose's evolutionary view: the declining impact of natural selection with age would mean that any organismal benefits to accrue from DNA repair processes in the later cohorts of an age-structured population would provide insufficient selective force to circumvent the evolutionary appearance of senescence and somatic death.

Having heartily applauded the Bernsteins' contribution, I must add however that I seriously doubt it tells the whole story on the significance of genetic variation. Once recombinational processes had evolved (for whatever reason, of which the need for DNA repair must now be considered a leading candidate), it seems probable that the genetic variability thereby generated would have been exploited for other functions as well. For example, the extensive molecular variability in the repertoire of the immune response in higher animals is in part recombinationally derived, and undoubtedly fosters enhanced disease resistance that often must be of immediate fitness benefit. Furthermore, the increased genetic variance stemming from recombination might well allow sexual reproducers to outpersist asexual reproducers in changing environments, despite the fact that such explanations tend to be group selectionist. Finally, as emphasized by several authors in the Michod and Levin volume (e.g., Brooks, Felsenstein, Maynard Smith, Trivers, Uyenoyama, and Williams), rates and patterns of genetic recombination (and the linkage disequilibria that they entail) can vary remarkably: across different regions of the genome, between the sexes, temporally within the life cycle (e.g., in taxa with an alternation of generations between sexual and asexual modes), across populations and species, and spatially across habitats. Many of these differences have been interpreted as adaptive adjustments to varying selection regimes. As stated by Ghiselin (Michod and Levin 1988, p. 20), "The eukaryotic genome turns out to be very highly organized, and the whole apparatus shows every indication that the amount, kind, and timing of recombination, and also the release of variability, are adaptive. . . . [T]he DNA repair hypothesis suggests that there should be little correlation between what goes on and when and where it happens. Such a correlation definitely does exist."

NEGLECTED OR UNDEREMPHASIZED TOPICS

In any event, I would like to stimulate further thought and discussion about two general considerations that seemed grossly underrepresented in all three books.

(1) Cytoplasmic genomes.--There are two major reasons why a relative neglect of mitochondrial (mt) genomes in these volumes was surprising (similar sentiments could also be expressed about chloroplast DNA). First, in organisms as diverse as fungi and humans, elsewhere there has been a tremendous resurgence of interest in the possible roles of mitochondrial DNA (mtDNA) damage in the aging process (e.g., Griffiths 1992 Wallace 1992a). In humans for example, this interest has been prompted by empirical findings that specifiable defects in mtDNA accumulate with advancing age in somatic cells, and that these defects tend to compromise physiological functions particularly in tissues and organ systems with high energy demands (e.g., the central nervous system, optic nerve, heart and skeletal muscle fibers, kidney, and liver). These are also the organ systems commonly associated with degenerative diseases and chronic illnesses of the elderly, thus suggesting a possible cause and effect relationship between mtDNA damage and the aging process (Wallace 1992b).

Further empirical and conceptual reasons exist for postulating that mtDNA might play a disproportionate role in aging. Mitochondrial DNA molecules are housed in an intracellular environment where they would seem to be especially prone to damage from oxygen radicals generated by oxidative phosphorylation (Bandy and Davison 1990). Indeed, mammalian mtDNA receives about 16-fold more oxidative damage on a per-nucleotide basis than does nuclear DNA (Richter et al. 1988, as quoted in Bernstein and Bernstein 1991). Yet ironically, animal mitochondria are thought to possess only limited DNA repair systems, and indeed this provides one conventional explanation as to why animal mtDNA evolves so rapidly at the nucleotide sequence level (Wilson et al. 1985). Animal mtDNA is packed tightly with genes crucial to the energy metabolism of cells, and for this reason, too, it would seem highly desirable for organisms to have evolved refined mechanisms for the repair of mtDNA damage. The paradox is heightened further because there are many copies of mtDNA within most cells. Thus it would seem that any repair capability should in principle be especially workable, because of the many available templates against which DNA damages might be corrected. (The hypothesis that an immunity from selection pressures stems from mtDNA redundancy and a possible excess metabolic capacity seems gratuitous and is also probably untenable evolutionarily.) Perhaps eukaryotic organisms have evolved more highly refined mtDNA repair mechanisms that, despite intensive searches, thus far have remained undiscovered. But if not, why not? And how can organisms have persisted evolutionarily without such enzymatic repair services for the crucial cytoplasmic genomes they depend upon for energy supplies?

A second reason for surprise over the relative neglect of mtDNA in these volumes relates to mtDNA's asexual inheritance. The transmission of mtDNA in most higher eukaryotes is predominantly uniparental, with effective genetic recombination between maternally and paternally derived molecules unknown. If meiosis and the recombinational aspects of gametogenesis provide evolutionary benefits, as surely they must (either via repair of DNA damages, and/or through generation of advantageous recombinational variation), then why doesn't mtDNA play by these rules? The entire answer cannot simply be that mitochondrial elements have been physically confined to the cytoplasm and hence unable to avail themselves of meiosis, because transfers and successful incorporations of some mitochondrial genes to nuclear chromosomes are known to have occurred over evolutionary time (see Avise 1991).

If meiosis is primarily a process for correcting DNA damages (as proposed by the Bernsteins), then mtDNA damages must be overcome by some process other than meiotic recombinational repair. One possibility is that mtDNA molecules might occasionally undergo (nonmeiotic) recombination or gene conversion within the germ line, perhaps in such a way that damage-free mtDNA templates correct faulty ones. The relatively few experimental attempts to uncover physical recombination in animal mtDNA through use of genetic markers have been hampered by the usual predominance of only one or a few detectable mtDNA clones within most individuals. More intensive searches for mtDNA recombination should be launched. Promising systems for further study involve species such as some mollusks, in which extensive paternal leakage of mtDNA into zygotes (e.g., Zouros et al. 1992) is known to have generated cell lineages jointly housing distinctive maternally and paternally derived mtDNA molecules that should provide useful genetic markers for detecting potential mtDNA recombination. Another possibility (elaborated beyond) is that processes of mtDNA replication and sorting during gameto-genesis provide an alternative, strictly nonrecombinational pathway for circumventing the accumulation of genetic damages.

(2) Cellular autonomy.--Another issue that was underemphasized in these volumes concerns the evolutionary ramifications of varying degrees of cellular autonomy. The somatic cells of an individual usually are interdependent, both structurally and functionally, whereas gametes are relatively autonomous (except perhaps in rather "trivial" respects such as the collaborative efforts required of sperm in penetrating the eggs of some species). In other words, gametes tend to be cellular free agents, whereas somatic cells (particularly in tightly organized creatures with determinate growth, such as many higher animals) are trapped in a web of interdependencies. Crow (Michod and Levin 1988, p. 68) raised an important question: "Is passing through a single-cell stage itself important? . . . Starting with a single cell, sexual or asexual, permits each generation to begin with a tabula rasa largely unencumbered by the somatic mutations from previous generations." Crow went on to lament that "I have never heard the importance of going through a single-cell stage expressed before, and would welcome comments . . . as to its possible merits."

It seems to me that many of the fundamental distinctions commonly made in discussions of aging and sex--senescence versus immortality, sexual versus asexual reproduction, somatic versus germ-line tissue, unicellularity versus multicellularity, and individuals versus groups--are inextricably related, and might profitably be viewed through a common denominator revolving on the concept of cellular autonomy, as described next.

EMBELLISHMENTS TO THE DNA REPAIR THEORY OF AGING AND SEX

Here I would like to propose some possible extensions to the Bernsteins' theory of DNA repair, and by so doing suggest how concepts of cellular and molecular autonomy might usefully be added to future discussions on aging and sex.

As mentioned above, two potential pathways to immortality seem available to life. The first is predominantly or exclusively asexual and is exemplified most clearly by unicellular organisms such as bacteria. Here, cell proliferation apparently can outstrip the rate of accumulation of DNA damages and deleterious mutations, with the net result that Muller's ratchet is circumvented and an indefinite continuation of the population occurs via cellular replacement. The second pathway is sexual and is exemplified most clearly by germ-cell lineages in multicellular organisms such as vertebrates. Here, repair of nuclear DNA damages by genetic recombination supposedly operates in conjunction with cell proliferation and intercellular selection to counter the accumulation of nuclear DNA damages and deleterious mutations that would otherwise be expected.

In both routes to immortality, many cells (bacteria or gametes) may die genetic deaths (e.g., from the inevitable imperfections of any DNA repair mechanism), but these deaths do not compromise the continuance of cell lineages that happen to have escaped or repaired DNA damage. Thus, the efficacy of both pathways to immortality would seem to depend critically on the autonomy of the proliferating cells. To emphasize why this is so, consider the prospect of somatic immortality for a multicellular organism such as a vertebrate. Even if some somatic cells and tissues could keep pace with DNA damage via the nonsexual strategy of cellular replacement [as may essentially be true for epithelial cells of the digestive tract of mammals, or for hemopoietic stem cells (Bernstein and Bernstein, p. 165)], these replacements are to no avail in conferring immortality, because the final fate of these cell lineages remains inextricably tied to the remainder of the individual's soma (which as a whole inevitably senesces, as predicted by Rose's evolutionary theory). However, autonomous gametes and the genomes they contain can escape the sinking somatic ship.

This line of reasoning also illustrates the difficulty (semantically and otherwise) of disentangling the issue of immortality from that of the distinction between somatic and germ-line cells. Without the presence of somatic tissue, the evolutionary theory of Rose predicts no age-structure in a population, and hence no aging but without aging, there is no compelling evolutionary stimulus for the escape of autonomous cells from a soma that inevitably deteriorates (either from DNA damage or other causes). These ruminations also point out why the distinction between an individual and a population can become rather vague in discussions of aging and immortality in unicellular taxa. A bacterial colony may survive indefinitely, but without a distinction between somatic and germ cells, what is the organismal entity to which this immortality refers? In truth, what persists are certain cell lineages, but in this sense the "individuals" or "populations" are no more well defined than are the potentially immortal germ-cell lineages in higher taxa. Furthermore, many bacterial cells inevitably die genetic deaths but without somatic benchmarks to assess chronological age, it is debatable whether this should properly be referred to as an "aging" phenomenon.

In many plants and invertebrate animals with various asexual modes of reproduction, the usual distinctions between individuals and populations, between somatic lines and germ lines, and between aging and immortality, all become even more ambiguous (Rose). For example, vegetative cell lines of some plants can be maintained indefinitely (perhaps by the strategy of cellular replacement), whereas others appear to senesce (perhaps because cellular replacement cannot keep pace with DNA damage). The former might well be considered potentially immortal, but according to Rose they do not violate the evolutionary theory of aging because specification of germ-line tissue in these cases is problematic. Whether this is a definitional slight of hand or a bona fide consideration is unclear to me, but in any event a more critical factor may be degree of cellular autonomy displayed. Diploid cells or collections thereof that have a capacity to survive and reproduce mostly independently of other cells exhibit considerable cellular autonomy (by definition). Thus, to a vegetatively spreading plant or coral, death of a portion of the "soma" may have relatively little influence on survival and reproduction of the remaining cells of the genet (a given clonal genotype, regardless of how it is physically partitioned). This contrasts with the situation in vertebrates, in which the death of a critical tissue dooms all somatic cells within each well-demarcated individual. Thus, any cell lineages characterized by increased levels of functional and replicative autonomy carry the potential for indefinite evolutionary persistence. Whether this potential could be realized then depends on additional factors, including whether the available processes of cellular repair and replacement are adequate to control DNA damages and to circumvent Muller's ratchet.

One important consideration on whether such cellular processes are workable indefinitely concerns genomic size. Formal models indicate that Muller's ratchet may well set an upper limit on the size of the genome in asexual organisms, particularly when their populations are small (Crow, Felsenstein, and Maynard Smith in Michod and Levin 1988). Bell notes that the small size of mtDNA molecules in higher animals ([is congruent to] 16 kilobases) may be a reflection of Muller's ratchet, and furthermore the somewhat larger mtDNA molecules of yeast and plants "would have to recombine in order to maintain the integrity of their genomes, as seems to be the case". From this perspective, nuclear genomes are vastly too large for long-term effectiveness of a cellular proliferation strategy acting alone to compensate for accumulation of DNA damages and deleterious mutations, hence the additional requirements for sexual reproduction and recombination. Crow and others have regarded this as an important factor accounting for why species with obligate parthenogenesis or other forms of asexual reproduction "are the twigs on the phylogenetic tree, not the main stems and branches".

I would like to propose that elements of both the recombinational repair and replacement strategies are employed simultaneously within the germ-cell lineages of higher organisms. Under this view, recombinational repair helps purge the nuclear genome of DNA damages, and a molecular-level analogue of cellular replacement ("molecular replacement") facilitates the purging of both DNA damages and deleterious mutations in nonrecombining cytoplasmic genomes. The immediate effect of these collaborative processes is to increase the probability that at least some gametes are produced that are free from genetic defects that had accumulated during the lifetime of the parent. In turn, the zygotes and early embryos produced by such "cleansed" gametes have a higher initial likelihood of being unburdened from the load of parental DNA defects.

The molecular replacement process is proposed to operate through the replicative segregation of mtDNA molecules in the lineages of germ cells (particularly oocytes). Unlike nuclear genes in diploid organisms, each of which exists as a single allelic copy per gamete, thousands of mtDNA molecules populate most cells, and several hundred thousand copies may cohabit a mature oocyte (Michaels et al. 1982). As cells undergo mitotic or meiotic cytokinesis, particular mtDNA mutations may fluctuate in frequency because of intracellular selection (differential replication) and genetic drift. Notably, the many mtDNAs in mature oocytes probably stem from a vastly smaller pool of mtDNA molecules that survive the process of replicative segregation in earlier cytokinetic divisions of the germ-cell lineage. Evidence for this conclusion comes from the empirical generality that the vast majority of the heterogeneity in mtDNA genotypes is distributed among rather than within individuals [implying relative mtDNA population bottlenecks in germ lines (Chapman et al. 1982)], and from observed rates of mtDNA clonal sorting in the gametes and progeny of heteroplasmic females (review in Avise 1991). In any event, mtDNA molecules that survive and replicate to populate a mature oocyte presumably have been rather scrupulously screened by natural selection for replicative capacity and functional competency in the germ-cell lineages they inhabit.

To the extent that these two damage-repair processes (recombinational repair of nuclear DNA, and molecular replacement of cytoplasmic DNA) fail during gametogenesis, the metabolic functions of some germ cells will be compromised, and there will be gametic deaths. These gametic screening processes would appear to have considerable scope and impact, for at least two reasons. First, germ-line cells are highly active metabolically (Hastings 1989), such that any functional defects likely would be exposed to cellular-level selection. Second, gametes are produced in prodigious quantities by most species (e.g., males produce billions of sperm, and the number of oocytes present in a human female at birth is approximately 2,000,000 Baker 1963). Furthermore, subsequent rounds of selective screening no doubt occur at the zygotic stage and during embryonic development, as genomes from the surviving functional gametes are called upon to interact properly in diploid condition. Failures at this level would be registered as embryonic abortions, which also are known to occur at high frequency (e.g., the loss of all human conceptions has been estimated at nearly 80% Roberts and Lowe 1975). In general, the Bernsteins interpret such observations to indicate that DNA damage is so pervasive that "recombinational repair during meiosis, as well as other repair and protective processes, may be just barely able to cope with DNA damage".

The Bernsteins' DNA repair theory by itself probably cannot account for all of the variety and nuances of sexual reproduction and aging processes. Nonetheless, it represents an exciting and important piece of a jigsaw puzzle whose other elements are summarized so eloquently in the Rose and Michod/Levin volumes. Furthermore, in this puzzle's emerging picture, aging and sex can be seen more clearly as interrelated phenomena, both evolutionarily and mechanistically. Undeniably, certain cell lineages in all extant life-forms have solved the problem of innate mortality (at least over the 4 billion yr of life on earth), and the strategies of genetic recombination, cellular replacement, and molecular replacement by which this has been accomplished are coming into sharper focus.

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