Mismatch Repair (MMR)

MMR o “mismatch repair” del ADN se refiere a la reparaciones de las bases nitrogenadas que están mal pareadas. La traducción más textual sería reparación de “malpareamiento” del ADN. Considerando que el neologismo “malpareamiento” tiene un parónimo poco elegante, sugiero que sigamos con las siglas en el inglés, MMR, para referirnos al tema. Desde que Watson y Crick postularon su teoría de doble-hélice del ADN en 1953 quedó claro que para que funcionara bien se requería que las Adeninas se complementaran con Timina y las Guaninas con Citosinas. Pero, ya desde la misma publicación sugirieron que existían posibilidades de mismatches si ciertas formas tautoméricas de las bases se adoptaban. Posteriormente, se estableció que en la biología ocurren situaciones de mismatch por diferentes motivos, incluyendo que las polimerasas que se encargan de la replicación no tienen una precisión del 100%, así como que las células reciben insultos que pueden causar daño a su ADN como luz ultravioleta, tabaquismo, otros carcinógenos, etc.  Lo que es más interesante es que desde muy temprano se logró establecer que los organismos – desde los más primitivos como las bacterias – tenían una capacidad de reconocer y reparar estos mismatches como se evidenció en estudios elegantes que son expuestos de manera magistral por Paul Mondrich, premio Nobel de química de 2015, que ha dedicado su vida a la clarificación de este tema.

Los sistemas encargados del MMR son particularmente importantes en la corrección de la cadena hija durante la replicación en la fase S del ciclo celular. La explicación detallada de estos mecanismos en bacterias está por fuera del alcance de este documento. Sin embargo, tener una idea global puede ser de utilidad para comprender el mecanismo homólogo en humanos. Entre otras cosas para una mejor de la comprensión de la nomenclatura. Así que vamos a estudiar la E. coli por unos instantes.

En la E. coli hay 9 proteínas encargadas del MMR. De estas cuatro son críticas. Se llaman MutS, MutL, MutH y UvrD. Para poder realizar la reparación se requiere del corte (“Nick”) de una de las cadenas de ADN. En el caso de las bacterias, es la cadena no metilada que es la recién sintetizada. La MutH es la endonucleasa que es capaz de realizar este corte, pero no es capaz de hacerlo sin que se halla creado un complejo de 4 protínas: 2 MutS que reconocen las mismatches sobre el ADN y lo rodean y 2 MutL ligadas a MutS. Una vez se hizo el corte, se activa una helicasa (UvrD) que desenvuelve el ADN y permite que varias exonucleasas destruyan el segmento de ADN que debe ser cambiado. Posteriormente, las Polimerasas  de ADN y otras enzimas se encargan de llenar el espacio que se creó por la máquinaria de MMR.

Vamos ahora a discutir el mismo proceso en humanos. Empecemos diciendo que a diferencia de lo que ocurre en la E. coli que sólo tiene la MutS para reconocer los mismatches, en los humanos hay dos sistemas distintos, llamados MutSalfa y MutSbeta. En las bacterias el reconocimiento del mismatch se establece con el homodímero MutS. En los humanos, cada MutS tanto alfa como beta está conformada por heterodmímeros que siempre inlcuyen el MutS Homologue 2 o MSH2, que es como se conoce. Homologue se refiere a una proteína que cumple la misma – o casi la misma función – en una especia. Así que el MSH2 es uno de los equivalentes humanos del MutS bacteriano. De allí su nombre. Además del MSH2 hay otros MSH. No todos están implicados en MMR. Por ejemplo, el MutSalfa se conforma con el heterodímero MSH2/MSH6. Es el más importante de todos y reconoce todos los tipos de mismatches del tipo base-base, y pequeñas secuencias de nucleótidos no complementadas. El equivalente eucariótico de la MutL también consiste en dímeros de “homologues” de la MutL; heterodímeros para ser más exactos. El más importante es MutLalfa compuesto por el MLH1 y PMS2. Continuando con la nomenclatura MLH1 significa el “homologue” 1 de MutL. Estos heterodímeros que contienen MSH2/MSH6 y MLH1/PMS2 son críticos para la reparación del ADN a partir de los sitios donde hay un rompimiento en una de las cadenas  (nicked DNA).

Mientras los mecanismos de MMR se iban comprendiendo, se observó que los pacientes con sindrome de Lynch exhibían inestabilidad satelital, es decir, mutaciones frecuentes en las secuencias de poli-CA y poli-A. En esta enfermedad hereditaria, también conocido como cáncer de colon no polipósico hereditario, y explica aproximadamente el 5% de los cánceres de colon, así como algunos casos de cáncer de edometrio, ovario y estómago. Resulta que la inestabilidad microsatelital era diagnóstica de defectos en la reparación de nicked DNA en bacterias. Pronto se especuló que algo similar podría pasar en el sindrome de Lynch. Esta hipótesis se confirmó con la investigación de líneas celulares de diversos tumores con inestabilidad microsatelital en las que se encontró que siempre había deficiencia de la MutSalfa o la MutLalfa (cualquiera de las cuatro proteínas). Luego se logró demostrar que los pacientes con sindrome de Lynch tenían deficiencia de en alguna de las proteínas que constituían la MutSalfa o la MutLalfa. SIn embargo, se detectaron algunos tumores con inestabilidad microsatelital  que no eran hereditarios. Es decir, no tenían sindrome de Lynch. En estos tumores se logró establecer que las secuencias de las cuatro proteínas principales del MMR estaban intactas. En ellas se logró establecer que había un silenciamiento epigenético por metilación del promotor del MLH1, afirmando el concepto.

La forma como se realiza el MMR en eucariotas involucra, además, otras proteínas como la Exo1, una exonucleasa que es activada por la MutSalfa y un mismatch y procede en el sentido 5’-3’, con la participación de otra proteína llamada RPA. La hidrólisis de la cadena de ADN continúa hasta que la excisión del mismatch. En ese momento la MutSalfa deja de funcionar, y lo mismo sucede con la Exo1, terminando esta fase. Otra forma de reparar mismatches en sentido 5’-3’ se basa en la capacidad endonucleasa que tiene la MutLalfa sobre la cadena que contiene el nicked DNA y la participación de la PCNA, RFC, y DNA polimerasa Delta con un mecanismo complejo que está razonablemente bien entendido. Al igual que la Exo1, la actividad nucleasa de la MutLalfa depende de la interacción con la MutSalfa. A diferencia de la Exo1, la MutLalfa puede reparar también mismatches en el sentido 3’-5’. Se considera que la función endonucleasa de la MutLalfa requiere también interacción con PCNA que le indica en cuál de las cadenas realizar su actividad endonucleasa. Los estudios subsecuentes demostraron que la actividad endonucleasa de la MutLalfa ocurre en la PMS2 que tiene un dominio ávido de Zinc. Este hecho permite dar una explicación al proceso de mutagénesis inducido por Cadmio que se ha implicado en cánceres de pulmón, riñón y próstata. Los tumores inducidos por Cadmio exhiben defectos en el MMR. El Cadmio es un inhibidor de las metaloprotesas-Zinc como la PMS2. De esta forma, se postula que el mecanismo de la carcinogénesis del Cadmio queda explicada por su inhibición de la PMS2, impidiendo un MMR eficaz.

La regulación de los MMR cumplen otras funciones además de la reparación de errores en la replicación, como impedir algunas recombinaciones ectópicas, respuesta al daño del ADN de ciertas drogas oncológicas. En al menos dos situaciones la maquinaria de MMR está involucrada en la producción de mutaciones como la formación de hipermutación somática de genes inmunológicos, así como en la expansión de las repeticiones CAG que caracterizan la enfermedad de Huntington.

El MutSBeta se conforma con el heterodímero MSH2/MSH3 que es menos importante en la biología, con especificidad mejor para la corrección de fragmentos más largos de ADN (2-10).