¿El estrés de la replicación del ADN?, por Emilio Lecona.

ilustraciones de Andrea Fernández.

La transmisión de la información genética de una célula a sus células hijas es uno de los procesos esenciales para la vida. Cuando una célula se divide primero tiene que copiar su material genético, el ADN, a través de un proceso denominado replicación. La replicación del ADN requiere la acción de diferentes complejos proteicos para copiar de manera fiel el material genético de la célula. Primero un grupo de proteínas se unen al ADN y forman la helicasa CMG, un complejo cuya función es abrir la doble cadena de ADN para facilitar el acceso al resto de la maquinaria de replicación. A continuación la copia del ADN es llevada a cabo por las ADN polimerasas, proteínas que sintetizan una nueva cadena de ADN empleando otra hebra como molde. Para ello, la ADN polimerasa a tiene que generar un cebador, un pequeño trozo de ARN a partir del cual las ADN polimerasas d y e extienden la nueva cadena de ADN copiando cada una de las hebras de ADN. Sin embargo las ADN polimerasas tienen direccionalidad, es decir, solo son capaces de escribir en un sentido, lo que hace imposible sintetizar ambas cadenas de forma simultánea. La solución a este problema consiste en que, mientras una de las hebras se copia de manera continua la otra se sintetiza en trozos que luego se juntarán. Por lo tanto la apertura del ADN ha de coordinarse con la síntesis continua de una de las cadenas y la síntesis discontinua de la cadena complementaria formando una estructura que se conoce como horquilla de replicación (Figura 1_portada). Y es importante que estos tres procesos estén funcionalmente acoplados para evitar que se acumule ADN de cadena sencilla que es muy inestable y peligroso para la célula.

Sin embargo, en cada ciclo de replicación el avance de las ADN polimerasas se ve bloqueado por la presencia de diferentes obstáculos en el ADN que causan problemas que se conocen como estrés replicativo¹. Estos obstáculos pueden ser estructuras del ADN que son difíciles de replicar u otras proteínas presentes en la cromatina que impiden el avance de las horquillas de replicación. Adicionalmente la acción de compuestos generados por el metabolismo celular o agentes exógenos como la luz UV pueden generar alteraciones en el ADN que, de nuevo, bloquean el avance de las ADN polimerasas. La consecuencia directa del estrés replicativo es la desconexión entre la helicasa y las polimerasas, y esta desconexión conduce a la acumulación de ADN de cadena sencilla que es muy peligroso para la célula. Por lo tanto, las células han desarrollado un mecanismo de defensa específico para combatir el estrés replicativo que va a ocurrir cada vez que una célula se divide: la respuesta a estrés replicativo. Esta respuesta implica la detección de ADN de cadena sencilla que va a activar la quinasa ATR, el principal mediador de la respuesta a estrés replicativo (Figura 2). ATR es una quinasa, una proteína que funciona marcando otras proteínas con una modificación conocida como fosforilación. La acción de ATR conduce a la activación de diferentes vías para reparar el daño y completar la replicación del ADN.

Fig.1. «ADN». Andrea Fernández.

La fosforilación no es la única marca que regula la acción de las proteínas y existen un número diferente de modificaciones que modulan su actividad, su localización o su estabilidad. Entre ellas encontramos la ubiquitinación y la SUMOilación que consiste en la unión de dos pequeñas proteínas conocidas como ubiquitina y SUMO a las proteínas diana. Aunque la acción más conocida de estas marcas es dirigir a las proteínas para su degradación, la ubiquitinación y la SUMOilación también regulan otros aspectos de la acción proteica. Hace unos años se descubrió que las horquillas de replicación presentan un ambiente rico en SUMO y pobre en ubiquitina (Figura 3)². Esto nos resultó interesante porque se ha descrito que SUMO puede funcionar como un pegamento molecular, un tipo especial de señal que no marca una proteína de forma individual sino un grupo de proteínas que trabajan juntas dando lugar a una señal colectiva³.

En el laboratorio estamos interesados en entender cuál es la función de esta modificación colectiva por SUMO en la replicación del ADN. Nuestro trabajo ha demostrado que el equilibrio entre ubiquitina y SUMO controla la replicación del ADN. Este equilibrio se mantiene gracias a la acción de una proteína conocida como USP7 que se encarga de eliminar la ubiquitina de las proteínas diana⁴. En este caso demostramos que USP7 elimina la ubiquitina de proteínas que están SUMOiladas, es decir elimina una marca (Ub) para mantener la otra (SUMO). Por lo tanto, la acción de USP7 en las horquillas de replicación permite mantener la burbuja rica en SUMO y pobre en ubiquitina en las horquillas de replicación. Cuando este equilibrio se rompe aumentan los niveles de ubiquitina asociados con la replicación y esto lleva a un bloqueo total del proceso. De esta forma hemos propuesto que ubiquitina y SUMO funcionan como un sistema de doble marcaje⁵. Mientras las horquillas de replicación están marcadas por SUMO, la unión de ubiquitina marcaría las proteínas han de ser retiradas del ADN.

El proceso de transformación tumoral implica el crecimiento descontrolado de las células lo que significa que van a duplicar su ADN cuando no están completamente preparadas para ello. En consecuencia el número de problemas durante la replicación aumenta y con ello el estrés replicativo. La activación de ATR y la respuesta a estrés replicativo inducen la muerte de las células transformadas y constituyen una barrera de protección frente al cáncer⁶. Sin embargo, algunas de estas células pueden escapar a este control y empezar a crecer en presencia de altos niveles de estrés replicativo. Y estos niveles de estrés replicativo inducen la acumulación progresiva de más mutaciones y alteraciones que son la base de la inestabilidad genómica característica de las células tumorales. Sin embargo el aumento en estrés replicativo también es un talón de Aquiles de las células cancerosas ya que las hace especialmente dependientes de la acción de ATR para minimizar los problemas adquiridos durante la replicación del ADN y asegurar su supervivencia. En consecuencia bloquear la acción de ATR con inhibidores específicos permite inducir la muerte de las células transformadas de forma selectiva (Figura 4). De hecho varios inhibidores de ATR están siendo probados en diferentes ensayos clínicos en la actualidad y constituyen una prometedora aproximación para el tratamiento del cáncer⁷.

Fig.2. «Celula cancerosa». Andrea Fernández.

En resumen, la replicación del ADN es un proceso central para la vida que permite duplicar nuestro material genético y asegurar la transmisión del mismo. Sin embargo, este proceso se ve afectado por diversos problemas que activan la respuesta a estrés replicativo. Dentro de los procesos de regulación de la replicación la presencia de un equilibrio entre SUMO y ubiquitina juega un papel importante en el control de la actividad de la maquinaria de replicación. Finalmente, la respuesta a estrés replicativo es una diana muy prometedora en cáncer.

BIBLIOGRAFÍA

1. Zeman, M. K. & Cimprich, K. A. Causes and consequences of replication stress. Nat Cell Biol 16, 2-9, doi:10.1038/ncb2897 (2014).
2.  Lopez-Contreras, A. J. et al. A proteomic characterization of factors enriched at nascent DNA molecules. Cell Rep 3, 1105-1116, doi:10.1016/j.celrep.2013.03.009 (2013).
3. Psakhye, I. & Jentsch, S. Protein group modification and synergy in the SUMO pathway as exemplified in DNA repair. Cell 151, 807-820, doi:10.1016/j.cell.2012.10.021 (2012).
4. Lecona, E. et al. USP7 is a SUMO deubiquitinase essential for DNA replication. Nat Struct Mol Biol 23, 270-277, doi:10.1038/nsmb.3185 (2016).
5. Lecona, E. & Fernandez-Capetillo, O. A SUMO and ubiquitin code coordinates protein traffic at replication factories. Bioessays 38, 1209-1217, doi:10.1002/bies.201600129 (2016).
6. Lecona, E. & Fernandez-Capetillo, O. Replication stress and cancer: it takes two to tango. Exp Cell Res 329, 26-34, doi:10.1016/j.yexcr.2014.09.019 (2014).
7. Lecona, E. & Fernandez-Capetillo, O. Targeting ATR in cancer. Nat Rev Cancer 18, 586-595, doi:10.1038/s41568-018-0034-3 (2018).

Profesoras Araceli Giménez y Ania Munera.